沁水盆地深部无烟煤储层CO₂地质存储与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）应用前景广阔。高压注入深部煤储层的CO₂以超临界状态赋存（ScCO₂）。在ScCO₂和地层水的双重作用下,煤中有机组成和无机矿物赋存特征的改变可导致煤物理化学结构的变化,影响CO₂-ECBM的有效性。本文以沁水盆地高煤级煤为研究对象,以深部煤储层温压条件作为模拟实验条件设置基础,以“CO₂注入与煤层气强化抽采地球化学反应模拟系统（SYSGEO-R30HPT）”为主要平台,实验模拟ScCO₂注入深部煤层过程中的矿物地球化学作用过程,结合X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）、扫描电镜（SEM）、场发射扫描电镜（FESEM）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）、压汞、液氮吸附、CO₂吸附、核磁共振、电子计算机断层扫描（CT）等多种测试分析方法,研究煤中矿物地球化学反应机理和煤储层结构变化规律;通过对反应前后同一矿物、孔隙、裂隙（纳米—微米级）的FESEM定位观察与定量表征,探讨地球化学作用对煤储层孔裂隙的作用方式与影响范围。本次研究取得的主要研究成果和认识如下:（1）揭示了ScCO₂-H₂O-煤岩的反应体系中矿物溶解—元素迁移—矿物沉淀规律及机理。ScCO₂-H₂O作用后各类矿物的溶解导致元素由固体迁移到溶液中,短时间作用下,元素迁移率由离子交换速率与粘土金属离子交换程度所影响,而与矿物溶解度无关。高温和高压环境提高了CO₂在煤层水中的溶解度与离子交换速率,故埋深越大,元素迁移率越高。煤中碳酸盐反应最强烈,形成溶蚀坑、溶蚀晶锥、溶蚀沟等,其全等溶解导致Ca、Mg元素迁移率较高;其次为铝硅酸盐,反应后结晶度与赋存形貌均发生变化,其非全等溶解致使层间阳离子比四八面体晶格中阳离子更易迁移,且类质同象混入元素比晶格中固有元素更易迁移,故K、Na元素迁移率相对较高,而Al、Si较低。当局部溶解平衡达到时,部分迁移出的元素以次生矿物（次生伊利石、铝硅酸盐、石膏等）形式重新固定到煤中。（2）探讨了ScCO₂-H₂O-煤岩反应体系影响下煤储层孔裂隙结构演化特征。ScCO₂-H₂O作用可新增/扩大孔隙与裂隙,导致孔隙度、孔容、比表面积和渗透率均有提高,且随埋深的增加而增大。煤的孔径分布虽未改变,但反应后微孔孔容增量最大,而宏孔孔容增幅最大（可高达1057.86%）。ScCO₂-H₂O对煤粒样品整体连通性改造作用弱,局部连通性的改造作用强,且连通孔隙沿原微裂缝走向的垂直方向发展;而对于煤柱样品,由于宏观裂隙充填性减弱,连通性增强,渗透性显著提高（可高达114.1倍）,且平行层理样品增大倍数大于垂直层理样品。（3）明确了ScCO₂注入影响煤储层孔裂隙结构改变的地球化学作用类型、作用方式及其影响范围。ScCO₂注入后,碳酸盐矿物的溶蚀作用对孔容的贡献较为显著,且具有越级扩孔作用,而煤体膨胀作用对煤储层连通性的影响最为显著。煤中全部与部分溶解的碳酸盐矿物是宏孔孔容的主要贡献者;剩余碳酸盐颗粒表面的溶蚀晶锥/沟和其他矿物的溶蚀孔,以及粘土矿物膨胀—脱落增大的粒内孔,是宏孔与介孔变化的主要原因;ScCO₂萃取小分子形成的分子间孔及粘土晶体水化膨胀的层间孔隙,主要影响微孔孔容。煤体膨胀作用可导致微裂缝与差异变形缝的增加-扩大,增大了宏孔体积与局部连通性;层理与割理的扩大与裂隙充填型方解石的溶蚀,是宏观渗透性改善的主要原因。