包括CO₂提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）技术在内的碳捕集、利用与封存技术已经成为应对全球气候变化、有效能源利用的重要技术之一。但CO₂一旦发生泄漏,可能会对地下水环境产生影响,这是CO₂地质封存工程环境影响评价与监测重点关注的问题。本论文在总结国内外CO₂泄漏对地下水环境影响机理研究的基础上,依托中联煤沁水盆地柿庄南区CO₂-ECBM示范工程,选取二叠系山西组3号煤层顶板岩样和山西组煤层裂隙水,设置30℃/10MPa、30℃/7MPa两组实验条件分别模拟液相CO₂和气相CO₂水岩反应,分别在初始、3天、7天、12天取水样检测主要化学指标和化学组分浓度,分析其变化规律及反应机理,最终提出CO₂泄漏对地下水环境影响的监测指标。主要得出以下结论:（1）CO₂泄漏溶于水后分离产生大量H⁺,导致pH值明显降低,之后由于矿物溶解消耗部分H⁺,pH值有所回升;H⁺的消耗促进碳酸的进一步电离,HCO₃^-浓度持续升高;矿物的溶解与沉淀导致Ca²⁺、Mg²⁺的浓度升高或降低,最终导致总硬度升高或降低,而反应液的TDS、EC和盐度的变化不太明显。（2）由于伊利石、高岭土等粘土矿物溶蚀变质成多硅白云母和白云母时先消耗了大量的K⁺,K⁺浓度降低,之后又因伊利石等含K矿物的溶解,K⁺浓度升高;Ca²⁺、Na⁺和Mg²⁺浓度基本先升高后降低,主要是因为钠长石和伊利石在反应前期溶蚀,之后可能与HCO₃^-发生络合作用或粘土矿物的吸附作用,其浓度又有所降低;总Fe浓度持续升高,主要由菱铁矿溶解析出导致;高浓度的CO₂对过量Cl^-、NO₃^-具有抑制作用,因此反应前期Cl^-和NO₃^-浓度快速降低,之后由于HCO₃^-的竞争吸附浓度略有升高,而SO₄^2-浓度变化与之相反。（3）通过对两组CO₂-水-岩反应所得数据分析,识别出对CO₂泄漏响应最明显的11项指标作为此次CO₂-ECBM示范工程CO₂泄漏对地下水环境影响的指示性监测指标,其中主要化学指标包括pH值、DO、EH、总硬度、HCO₃^-浓度,主要化学组分指标包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、TFe、NO₃^-浓度,最后通过总结CO₂泄漏的地下水间接监测技术和直接监测技术,提出最佳监测方案,为类似工程监测方案优化提供支撑。