随着浅部煤层资源的消耗殆尽,深部煤层开采逐渐走上日程,煤层温度升高、地应力增大及渗透率降低等特点更加显现。较低的渗透率不利于煤层中甲烷解吸、扩散与渗流,严重制约了煤层气开采技术发展。因此,如何增加煤层渗透率已然成为当前煤层气有效开发的重要研究方向。而向煤层注入CO₂驱替增产煤层气作为碳捕集、利用与封存技术(CCUS)中的重要减排技术,不仅能够在相对较短的时间内实现CO₂较大程度上的地质封存达到减排CO₂的目的,同时也能提高煤层气的采收率,具有环境和经济上的双重效益。特别是在深部煤层中,受到温度和压力的影响,CO₂通常会以超临界状态存在。超临界CO₂驱替增产煤层气不仅可以促进吸附状态的瓦斯解吸,还可以增加煤层的渗透性,但对于改善煤体孔裂隙结构与增强煤层渗透能力的微、细观机理研究还处于初期阶段。因此本文以“超临界CO₂等温吸附装置”为实验平台,开展了不同浸泡时间下烟煤的超临界CO₂溶蚀浸泡实验,以气相质谱联用仪、低温液氮吸附、场发射扫描电镜等分析测试为手段,从超临界CO₂单一作用和超临界CO₂与Nano-silica联合作用两个方面分析了煤基质与超临界CO₂相互作用对煤中有机质结构以及煤体孔裂隙结构的影响,以寻求超临界CO₂、Nano-silica以及煤基质三者之间的作用机理,为提高煤层气的采收率提供一定的理论基础。实验结果表明:超临界CO₂对煤中的微孔以及>150nm孔径段的大孔作用明显,促进煤基质中孔隙的有效连通;Nano-silica对中孔和2对煤体孔裂隙结构所产生的作用效果更佳,使其对孔隙的影响从大孔逐渐向中孔过渡,同时由于Nano-silica的活性催化作用,超临界CO₂与煤基质之间的化学反应活性提高,有机物转化效率增强,激发了煤基质中孔裂隙连通性,进而强化了煤层渗透率。特别地,综合实验分析结果发现,超临界CO₂与煤之间的相互作用随着浸泡时间形成了三个变化阶段:第1周为溶蚀渗透阶段,第2~3周为吸附膨胀阶段,第4周为胀缩变形阶段。