2018年中国二氧化碳排放量达到9428.7Mt,占当年全球CO₂总排放量的27.8%,是最大的二氧化碳排放国。CO₂的地质封存能够在短期内完成碳减排指标,被视为行之有效的减排技术手段。深部不可采煤层的CO₂地质封存融温室气体减排与煤层气高效开发为一体,是CCUS（二氧化碳捕集、封存与利用）技术的重要方向。本次研究开展了全孔径尺度煤岩孔裂隙结构定量表征,不同温度、压力和水环境下的无烟煤超临界CO₂吸附实验和高压条件下中高煤阶煤超临界CH₄等温吸附实验;从分子相互作用层面探讨了煤岩超临界CO₂吸附行为的温度与自由相密度控制机理,建立了煤岩超临界CO₂吸附模式,揭示了埋深条件下CO₂超临界等容线对吸附行为的控制作用;建立了表征各封存类型的煤岩CO₂理论封存量和有效封存量计算模型;最后评估了沁水盆地和郑庄区块3#煤储层CO₂理论封存量和有效封存量。本次研究取得的主要认识和成果如下:（1）揭示了煤岩超临界CO₂吸附过程中温度与自由相密度对多分子层吸附的控制机理。温度和自由相密度均是通过改变CO₂分子间相互作用的强弱来改变吸附行为,但作用方式不同,温度增加扩大了CO₂吸附相分子间距离,造成吸附分子层数与吸附量降低;而自由相密度增加不影响吸附相分子,仅减小了最外侧吸附相分子与其相邻自由相分子之间的距离,造成吸附相分子层数和吸附量增加。（2）建立了煤岩超临界CO₂吸附的微孔填充+多分子层表面覆盖的综合模式。煤岩超临界CO₂吸附分子层计算结果显示,实验温度条件下吸附相CO₂分子层数范围在1-2之间,在高能吸附位会形成多分子层吸附,温度增加吸附分子层减小;微孔中可完全填充的孔径上限为1.12 nm,反映了沁水盆地无烟煤超临界CO₂吸附作用以微孔填充的形式存在,该孔径之上,超临界CO₂以不饱和多分子层表面覆盖的形式存在,超临界CO₂在煤岩中呈微孔填充+多分子层表面覆盖的吸附状态。（3）阐明了地层条件下超临界CO₂等容线对煤岩超临界CO₂吸附行为的影响。地层条件下煤岩超临界CO₂吸附行为受超临界CO₂等容线控制具有二段性特征,沁水盆地煤层的界限埋深约为920m:类气态超临界阶段,自由相密度增加导致多分子层吸附出现,但温度负效应逐渐增强;类液态超临界阶段,自由相密度几乎不增加,温度控制成为绝对主导,煤岩CO₂吸附能力降低;埋深条件下煤岩CO₂最大吸附能力出现在类气态超临界阶段后期。（4）探究了吸附封存、静态封存、溶解封存和矿化封存机制,建立了煤岩CO₂理论封存量与有效封存量评价模型。沁水盆地1000-2000m地层条件下吸附封存量始终占主导地位（>80%）,静态封存量随埋深增加而增加,2000m时接近总封存量的20%,溶解封存量始终不超过总封存量的2%,矿化封存量可忽略。在评价煤中超临界CO₂吸附封存和静态封存量时应采用过剩吸附量与自由体积量之和的计算方法,减小自由相密度和吸附相密度变化带来的误差。（5）应用煤岩CO₂地质封存量评价模型估算了沁水盆地和郑庄区块3#煤储层CO₂理论封存量和有效封存量。沁水盆地3#煤层CO₂理论封存量为9.72 Gt,有效封存量为2.53 Gt,沁水盆地深部煤层具有实施CO₂-ECBM的工程潜力。郑庄区块3#煤CO₂理论封存量为416.18 Mt,有效封存量为108.2 Mt,类气态超临界区的CO₂封存量丰度最高,为0.6 Mt/km²。结合CO₂可注性和注入后的保存条件,建议郑庄区块CO₂-ECBM工程优先选区在类气态超临界区。该论文有图85幅,表25个,参考文献279篇。