工业革命后,由于化石燃料的大量燃烧,大气中CO2浓度迅速上升,CO2封存技术作为一种有效的技术手段已受到世界各国的高度重视。在我国深部存在大量不可采的煤层,这些煤层为CO2地质封存提供了广阔的空间,同时煤层中还蕴含着丰富的煤层气,因此,利用CO2驱替煤层中的瓦斯既能够达到储存CO2目的又能开采出洁净的煤层气资源,一举双效。深部煤层的高温高压条件,使得注入的CO2极易达到超临界态,本文利用两种大尺寸(100×100×200mm)原煤试件,对超临界CO2在煤体中的渗透特性和驱替CH4情况进行研究,并通过两种煤样孔裂隙结构差异进行分析,主要内容如下:(1)在50℃、不同体积应力(48MPa、54MPa、60MPa)条件下,进行不同渗透压下超临界CO2渗透试验,超临界CO2渗透率随渗透压力升高而增大,随体积应力增大而减小,渗透率值介于0.0066×10-3μm2~0.0312×10-3μm2之间。(2)在超临界CO2渗透过程中,煤体中储存的CO2量与注入压力呈正相关线性关系,考虑超临界CO2密度随注入压力升高而增大,煤体中储存的超临界CO2实际体积随注入压力升高而减小。(3)在超临界CO2渗透过程中,煤体发生膨胀现象,在50℃,48MPa的体积应力条件下,煤体的体积膨胀百分比与注入压力和CO2吸附的摩尔量均呈较好的线性关系;由于注气方式、煤体内部孔裂隙分布差异、平行层理方向和垂直层理方向弹性模量不同、吸附饱和程度等原因,煤体在膨胀过程中会发生明显的各向异性。(4)在驱替试验中,1#弱粘煤试件中CH4吸附量和CO2储存量均高于2#焦煤试件,分别为2#试件的2倍和1.5倍;1体积煤体中可储存10.06~15.50体积的超临界CO2(换算为标况条件),但由于弱粘煤更强的渗透特性,1#弱粘煤和2#焦煤试件CO2储存率相当,分别为20.05%和20.09%。(5)在超临界CO2驱替前两小时内,随着CO2储存速率的迅速降低,CH4解吸速率也随之降低,在试验时间内1#弱粘煤平均的CO2储存速率为1.83ml/s是焦煤储存速率(0.79ml/s)的2.32倍,弱粘煤平均的CH4解吸速率(0.44ml/s)也是焦煤的(0.19ml/s)的2.32倍;两块煤的CO2/CH4驱替置换比也相当,介于4.01~4.13之间。(6)在CH4吸附过程中,煤体体积膨胀百分比与CH4吸附量呈较好的线性关系,24h吸附过程中,煤体体积膨胀百分比为0.91%,之后注入超临界CO2,煤体膨胀加剧,煤体径向应变增加更快,煤体径向应变增加0.29%大于轴向应变的0.22%,最终驱替结束时,煤体体积膨胀百分比为1.72%。