CO₂注入煤层对甲烷进行置换-驱替是近年来强化煤层气抽采及碳封存的重要手段之一。CO₂进入深部煤层转为超临界态后对煤具有明显的萃取和溶蚀作用,导致煤的微观特征如孔隙分布、表面化学性质发生变化。不同埋深下煤层温度变化会影响超临界CO₂的作用规律,因此,研究不同温度超临界CO₂作用后煤微观结构特征变化对于评价CO₂强化煤层气抽采效果以及地质封存的安全性具有重要意义。本文选取来自三个地区不同变质程度的煤样为研究对象,开展了不同温度超临界CO₂对煤微观结构的作用规律研究,采用傅里叶红外光谱、X射线衍射等多种手段,分析了不同温度超临界CO₂作用前后煤孔隙结构、矿物组成和大分子结构变化规律。取得的主要研究成果如下:(1)揭示了不同温度超临界CO₂条件下孔径分布特征、分形维数及孔隙率等煤孔隙结构变化规律。超临界CO₂对煤的孔隙结构整体表现为增孔和扩孔作用。对于吸附孔(微孔和过渡孔),在低温时(40-60°C)其分形维数变化规律不明显,是超临界CO₂对孔表面的萃取和矿物溶蚀共同作用所致;而在高温时(﹥60°C)吸附孔结构分形维数增加,以溶蚀作用占主导地位。根据渗流孔(中孔和大孔)结构变化,超临界CO₂对煤的孔隙率提升效果随煤变质程度升高增强,总体提高至原来的1.45-1.57倍。(2)基于煤矿物成分变化及微晶结构分析,阐明了不同温度超临界CO₂对煤孔隙结构影响机理。研究表明:随温度升高,由于超临界CO₂对煤中矿物成分的溶蚀能力先增强再减弱,吸附孔(占总孔>70%)孔体积增加程度先升高再降低。超临界CO₂萃取作用和形成的酸性环境导致煤化学键断裂的同时发生加成反应,变质程度较高的煤以小分子烃脱落为主,芳香层堆砌度降低,煤体结构变疏松,有利于孔隙体积增加;而变质程度较低的煤以加成反应为主,芳香层堆砌度增加,煤体结构变致密,不利于孔隙体积增加。(3)通过分析煤有机官能团和大分子结构变化规律,揭示了不同温度超临界CO₂作用对煤表面化学结构的影响规律。随温度升高,超临界CO₂萃取作用导致变质程度较高的煤芳香环缩聚程度整体降低,呈“U”型变化规律;而变质程度较低的煤脂肪烃含量更多,内部发生的化学反应更为复杂,导致其芳香环缩聚程度变化规律不明显。超临界CO₂作用后煤样芳香环缩聚程度降低使得煤体结构相对松散,进而促进了甲烷解吸,对CO₂地质封存及高效置换煤层气有利。