煤岩体的渗流特性与其微细观结构密切相关。当煤岩体内部孔隙、裂隙的尺度和分布改变时,其内部流体的运移或存储状态也随之改变。例如,煤层气在微孔中一般呈浓缩的近液体状态,且主要以扩散方式运移,而在大孔及微裂隙中则表现为自由流体状态,主要以达西流形式流动。在煤层尤其是深部煤层开采过程中,采空区围岩及其前方的煤体的应力应变状态将发生变化。此时,无论是原生的还是采动诱发的孔隙和裂隙,都会随之发生改变,从而改变了流体(瓦斯和水)在其中的流动状态。因此,研究深部煤层开采中煤体内部孔隙-裂隙网络及其渗透率的演化规律,对于煤与瓦斯突出、围岩突水防治以及煤层气开采具有重要意义。在研究煤样孔隙-裂隙网络随应力的演化规律时,以往的研究方法中大多存在两个难点:一是测量精度与样本尺寸之间的矛盾,即较大尺度试样的测量精度较低或者具有较高测量精度的检测样品的尺寸很小;二是实验煤样的离散性带来的研究误差,很难从始至终针对同一煤样研究其孔隙-裂隙网络在不同应力条件下的演化规律。针对上述研究背景及目前研究存在的问题,本文选取平煤十二矿埋深约1000m的深部煤体作为研究对象,首先针对煤样CT图像提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法,并结合实测孔隙度,对煤体CT图像进行了裂隙-煤基质-煤杂质三值化,实现了煤样结构的三维重建;在此基础上进行了单轴压缩的CT扫描实验并提取了裂隙几何参数,结合自相似分形理论提出了一种裂隙煤体的类谢尔宾斯基(Sierpinski-like)分形模型,同时结合压汞实验,研究了不同测量精度下的孔隙-裂隙网络特征及其随轴向应力的演化规律,分析和评估了渗透率随轴向应力的演化行为;进一步结合声发射和CT扫描技术进行了三轴压缩条件下的循环加卸载渗流实验,描述了实验过程中声发射特征参数变化规律和能量演化特征,以此分析了流-固耦合过程中不同阶段的损伤演化规律,研究了不同轴向偏应力及其对应的静水压力状态下的渗透率演化规律,建立了渗透率与体积应变间的关系模型,并揭示了围压对裂隙形态和渗透率演化的影响机理;进一步,基于CT可视化技术,将CT重构的三维几何模型导入到数值模拟软件中,针对同一煤样进行了单轴压缩及不同围压下的三轴压缩的数值模拟,并分析了损伤演化规律以及煤样最终破坏形态,与实验结果进行了补充和对比验证。本文的研究工作主要从以下几个方面展开:(1)针对含杂质裂隙煤体的CT图像提出了一种可靠的裂隙-煤基质-煤杂质三值化方法,实现了三维煤样结构的可视化。在CT图像像素分辨率无法辨别孔隙的情况下,首先,根据灰度值与材料密度的线性关系提出了一种基于CT图像灰度分布的孔隙度计算方法,该方法能够精确到微观尺度的孔隙;然后,通过实验测得的孔隙度结合本文提出的孔隙度计算方法反推煤基质与煤杂质的阈值分割点,同时通过CT图像灰度直方图得到裂隙与煤基质的阈值分割点,以此对含杂质裂隙煤体的CT图像成功进行了裂隙-煤基质-煤杂质三值化,并与最大类间方差法和最大熵法的三值化结果对比分析表明,本文的三值化方法具有较好的图像三值化效果,且煤基质与煤杂质间的阈值基于实验结果得到,具有更高的可信度和准确度;最后,对CT图像进行处理,按照上述方法三值化并进行重构,实现了三维煤体结构的可视化。(2)在单轴压缩条件下,结合压汞实验,X射线μCT扫描实验和本文提出的裂隙煤体的类谢尔宾斯基(sierpinski-like)自相似分形模型,对不同测量精度下同一煤样中孔隙-裂隙网络随轴向应力的演化特征进行了详细描述。首先,进行了单轴压缩下实时CT扫描实验,获得了10个不同应力状态下煤样的三维物理几何参数,如孔隙度、裂隙开度、裂隙密度和连通率等,依次对煤样加载过程中的裂隙网络演化特征进行了研究,;然后,结合这些物理几何参数根据三维裂隙网络的统计自相似特征,提出了一种裂隙煤体的类谢尔宾斯基分形模型,进一步研究了具有较高测量精度的孔隙-裂隙网络的演化规律,依此估算了不同应力条件下的渗透率并分析了渗透率演化特征。结果表明,本文提出的分形模型可以用来描述和表征各种测量尺度(精度)下孔隙-裂隙网络的几何特征;随着测量尺度r的减小,即测量精度的增加,孔隙度和孔隙-裂隙网络的体积分形维数逐渐增加,且分别与log(1/r)近似呈线性和对数曲线关系;当测量尺度为50μm时,在单轴压缩过程中主要产生纵向(平行于轴向应力)裂隙,且在煤样横截面内裂隙平行于或垂直于煤基质与煤杂质间的节理面。孔隙度和裂隙密度随着轴向应力的增大而逐渐增大,且增长过程大致可划分为三个阶段:初始孔隙压密阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙加速增长阶段。当测量尺度为0.008μm时,单轴压缩煤样的孔隙-裂隙网络的演化过程分为四个阶段:孔隙压密阶段、新裂隙产生阶段、主裂缝的稳定发展阶段和裂隙加速产生和扩展阶段。当测量尺度为0.5μm时,煤样渗透率随轴向应力的变化曲线整体呈现出一条V型曲线。(3)在三轴压缩条件下,进行了循环加卸载过程中的渗流实验,分别依据声发射特征参数变化规律和能量演化特征分析了渗流过程中不同阶段的损伤演化规律,研究了不同轴向偏应力及其对应的静水压力状态下的渗透率演化规律,并揭示了围压对裂隙形态和渗透率演化的影响机理。首先,进行了煤样循环加卸载过程中的水的渗流实验,实验过程中通过瞬态法测量了不同轴向应力及其卸载后对应的静水压力状态下的渗透率,同时通过声发射三维定位实时监测系统对整个循环加卸载过程中的声发射(AE)特征参数进行了监测,并对试验后的煤样进行了CT扫描实验。然后,根据声发射特征参数(事件数、幅度、累计振铃计数和累计能量)随时间的变化规律以及声发射损伤定位,并结合CT扫描和三维重构结果,分析了循环加卸载渗流实验过程中煤体损伤演化规律以及渗透率变化规律,最后分别从几何角度和力学角度揭示了围压对煤体破坏形态和渗透率演化的影响机理。研究结果表明,煤样中大的破坏主要发生在峰前阶段的每次循环的峰值应力处及峰后阶段的卸载过程和渗透率测量过程中。裂隙的空间结构表明煤体中主要产生三种基本形式的破坏面:单剪切破坏面、交叉V型破坏面和多层平行剪切面。弹性能密度可以用来定性描述煤样中初始裂隙的多少,耗散能密度则反映了岩石破坏过程中裂隙的产生、扩展和贯通情况。在轴向偏应力状态下,峰前阶段,渗透率随轴向应变的变化曲线呈现V型曲线;峰后阶段渗透率变化可以分为两种情况:(1)逐渐单调增加;(2)先增加后减小,呈现倒V型曲线。在静水压力状态下,渗透率随轴向应变的增加的整个过程中呈现出先减小后增大的V型曲线。渗透率与体积应变之间近似满足分段线性函数关系,且分界点为扩容点。围压对渗透率的影响机理,从几何上,裂隙倾角随围压的变化能够直观地反映煤体沿轴向方向渗透率的演化规律;从力学机理上,围压与流体渗流方向是垂直的,在裂隙扩展过程中总是对平行于轴向的裂隙起压密闭合作用。(4)基于CT可视化技术,将CT重构的三维几何模型导入到数值模拟软件中,进行了单轴压缩的数值模拟,并与实验得到的单轴压缩过程中的损伤演化规律对比,结果表明,基于三维重构煤样的数值模拟结果能够很好地符合实验结果。在此基础上,针对同一煤样模拟研究了不同围压下三轴压缩过程中的损伤演化规律,并与实验结果进行了对比分析,结果表明,本文数值模拟得到的三轴压缩过程中应力应变曲线与理论结果更加符合,消除了实验样品离散性带来的误差,且能够很好地描述损伤演化规律。