注入超临界CO₂于深部不可开采煤层中,既可以降低CO₂的排放量又实现了CH4的强化开采,该技术具有环境和能源双重效益。本文以沁水盆地南部无烟煤储层为研究对象,以自主研发的“CO₂注入与煤层气强化开发实验模拟系统”为研究平台,在现场调研、理论分析和实验模拟的基础上,阐明了CO₂注入过程中煤岩吸附量-膨胀应变-膨胀应力的演化特征、煤岩力学性质的响应机制和煤储层渗透率的动态变化规律,建立了多因素影响下煤岩的渗透率模型以及超临界CO₂可注性评价模型,提供了CO₂间歇注入、N₂驱替CO₂和预压裂增注方法的实验室证据。（1）研究了煤岩吸附CO₂后体积膨胀应变、膨胀应力的演化规律,揭示了其变化机理,发现了煤岩膨胀应变的各向异性特征,并进行了定量表征。CO₂吸附引起了煤岩的膨胀,体积膨胀应变和吸附量之间呈现出“缓慢膨胀-迅速膨胀-膨胀稳定”的阶段性变化趋势。膨胀应变具有明显的各向异性特征,即:垂直层理方向膨胀量>平行面割理方向膨胀量>平行端割理方向膨胀量。煤岩的吸附膨胀各向异性可以用各向异性指数来定量表征,CO₂吸附压力的增大提高了吸附膨胀的各向异性指数。在受限条件下,煤岩的吸附膨胀会引发膨胀应力,膨胀应力随着吸附时间的增大而增大,另外,CO₂注入压力对膨胀应力具有促进作用,而围压和温度对膨胀应力产生了明显的抑制作用。（2）分析了煤岩力学性质的演化特征,划分了注入CO₂煤岩的破坏模式,阐明了CO₂注入煤岩的力学软化机理。CO₂注入后煤岩的力学性质发生改变,主要表现在峰值强度、弹性模量的降低和泊松比的升高,这些力学参数的变化主要受CO₂注入时间、CO₂相态和水分含量的影响,煤岩在注入亚临界CO₂、超临界CO₂和超临界CO₂+水后其破坏模式从脆性剪切破坏、过渡性剪切破坏转变为塑性破坏。CO₂注入过程中,煤岩的软化作用与煤的大分子结构、表面自由能、软化温度、孔裂隙系统的改变和结构损伤有关。（3）得到了煤岩渗透率的动态演化规律,确定了渗透率的主控因素和各向异性特征,建立了煤岩动态渗透率模型。煤储层渗透率动态变化受CO₂吸附、有效应力、水分含量和温度等因素综合控制,而CO₂吸附和有效应力是主控因素。煤岩渗透率同样呈现各向异性特征,表现在平行面割理方向渗透率>平行端割理方向渗透率>垂直层理方向渗透率,其中层理渗流主要受控于煤岩有效应力,而割理渗流主要受控于CO₂吸附。（4）构建了CO₂可注性评价模型,提供了CO₂间歇注入、N₂驱替CO₂和预压裂等增注方法的工程效果和科学依据。本文建立了多因素影响下煤岩的渗透率模型以及超临界CO₂可注性评价模型,并通过实验证实了该可注性评价模型的可靠性和有效性。立足于CO₂直接注入导致煤储层可注性衰减的事实,本文揭示了CO₂间歇注入、N₂驱替CO₂和预压裂等增注方法的效果和科学依据,结果表明预压裂对提高CO₂可注性效果最好,而CO₂间歇注入和N₂驱替CO₂的效果有限。该论文有图136幅,表34个,参考文献290篇。