随着全球变暖的加剧，温室气体排放严重扰乱了生态系统和社会经济结构。减少CO2排放并推动能源系统向低碳替代品转型已成为国际上的优先事项。2020年，中国提出了“双碳”目标，即“2030年前达到碳排放峰值，2060年前实现碳中和”。如何在确保能源安全的同时有效减少碳排放，成为实现“双碳”目标的核心问题之一。碳捕获、利用与封存（CCUS）技术为能源生产和消费过程中的CO2减排提供了可扩展的解决方案。深部不可开采的煤层兼具储存空间和吸附能力，被认为是CO2地质储存和利用的最有前景的储库之一。CO2的吸附/解吸过程可与煤层气（CBM）的提取相结合，从而实现CO2增强型煤层气（CO2-ECBM）技术，实现CO2的同步封存和非常规气体的回收。然而，现有的大多数CO2-ECBM操作采用单循环注入-置换模式，存在CO2储存效率低、资源利用率低和长期封存不稳定的问题。因此，迫切需要新的技术来实现高效的CO2封存和资源再生。
最近，侯等人首次提出了碳捕获、循环利用与封存（CCCUS）的概念，实现了可再生能源与地下生物甲烷化的耦合提取，为CBM资源的协同开发和减排提供了新途径。在此基础上，梁等人提出了一种创新的CCCUS路径，将深部煤层中的原位CO2封存与微生物催化的CO2转化为CH4过程有机结合，从而实现碳的集成储存、转化和循环CBM生产。该方案将两个过程整合为一个闭环：（i）利用ScCO2进行压裂/刺激以提高煤层渗透性并增强CH2的置换和回收；（ii）随后通过微生物作用将CO2再生为CH4。这样，可以在深部煤层中实现CO2封存、生物CH4再生和循环能源利用。这种方法不仅显著提高了CO2的利用效率，还为深部非常规天然气开发和CO2地质封存提供了双重途径。
然而，深部煤层中持续可靠的CCCUS操作仍面临一系列工程挑战。深部煤层通常具有高地热梯度、高储层压力和高原位应力，导致流体流动、固体变形、地球化学反应和微生物过程之间的多场耦合。在CCCUS操作过程中，ScCO2表现出强烈的膨胀、溶解和提取能力，这会显著影响煤中的有机成分和碳酸盐胶结物，导致孔隙结构重构和力学性能下降。此外，微生物代谢产生的有机酸、气体产物和次生矿物进一步改变矿物组成和颗粒界面胶结，引发颗粒剥落、孔隙合并和裂纹扩展。在CCCUS条件下，ScCO2和微生物液体的长期交替或耦合作用会引发“酸化、脱胶结和次生矿物化”序列，从而改变煤层的孔隙-裂纹系统和承载骨架的刚性，进而影响储层的流动条件、井筒周围煤岩的稳定性以及CO2的长期封存安全性。特别是当井筒周围的煤岩逐渐失去结构完整性且裂隙网络动态扩展时，会显著增加井筒不稳定、套管变形和注入流体泄漏等工程风险。这对深部CCCUS项目的井设计和运行安全提出了更高要求。
尽管在研究ScCO2与煤的相互作用、微生物对煤微观结构的改变化学以及相关气体生产能力方面取得了显著进展，但大多数研究仅关注单一介质（ScCO2或微生物液体溶液）对煤孔隙结构、渗流特性和气体产量的影响，缺乏对长期高温高压下ScCO2–微生物液体腐蚀作用下煤的力学退化和微观结构演变的系统理解。目前关于CO2-ECBM回收或生物甲烷生产的研究主要集中在流体流动行为、吸附动力学和气体生产效率上，而煤的力学响应（包括强度、刚度和破坏模式的变化）及其对CCCUS安全运行的影响尚未得到充分研究。此外，基于声发射（AE）的多尺度损伤表征和本构模型仍较为薄弱，目前尚无统一的理论框架能够同时考虑预先存在的生化损伤、裂纹闭合效应和损伤演变过程。这些未解决的问题严重限制了CCCUS技术在深部煤层中的安全评估和实际应用。
为此，建立了一个综合实验系统，包括高温/高压浸泡、三轴力学加载、声发射监测和XRD/SEM微观结构分析。将煤样浸泡在三种介质（ScCO2、微生物液体及其混合物）中，浸泡温度为57.5°C，压力为15 MPa，时间分别为15天、30天和45天。随后通过三轴压缩实验和声发射（AE）监测获取煤样的力学性能和裂纹演变情况，并利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析其矿物学变化及孔隙-裂纹演化过程。最后，在连续损伤理论和Lemaitre应变等效假设的基础上，开发了一种新的基于损伤的本构模型，该模型考虑了预先存在的生化损伤和裂纹闭合效应。本研究为深部煤层中CCCUS项目的井筒及周围岩体的稳定性评估、微地震/AE监测标准的制定以及注入和生产方案的优化提供了实验依据和理论支持。
