我国是一个经济大国,也是一个能源消费大国,对煤炭资源依存度较高。我国煤炭资源和煤层气资源储量极为丰富,但瓦斯灾害已经成为影响煤矿安全生产最严重的因素之一。因此,煤矿瓦斯抽采和利用将有利于消除瓦斯灾害、安全生产、缓解能源短缺局面,也可以减少温室气体的排放。煤体瓦斯流动规律是研究瓦斯高效抽采和利用的根本,因此,本文以固-气耦合下的瓦斯流动规律为研究主线,以松藻煤矿突出煤层为研究对象,以煤体微观结构为研究基础,以理论建模、试验分析、数值分析为研究手段,利用先进的ESEM分析了水分对煤体微观孔隙结构的影响,并基于孔隙率数学模型,发展了考虑含水率的渗透率模型;讨论了液体润湿性对瓦斯流动影响,进而实验分析了不同改造液对煤体润湿特性以及对煤体表面形貌特征的影响;基于上述研究以及水分对吸附变形影响的实验研究,构建了考虑含水率的固-气耦合模型,并用实验数据进行验证;基于数值分析获得的被保护层应力演化规律,实验分析了循环加卸载轴压和围压条件下瓦斯流动规律;基于随机裂隙网络,构建了含裂隙和基质的双孔-双渗模型,并基于此分析了固-气耦合裂隙网络的瓦斯流动规律。基于以上一系列的研究和分析,获得了以下几方面的结论和进展:(1)基于全应力-应变规律、试样体积应变规律和裂纹体积应变规律,获得了煤岩体单轴压缩过程的分区特征,其过程主要可分为裂纹压密阶段、弹性应变阶段、裂纹稳定萌生阶段、裂纹非稳定扩展阶段和结构破坏阶段等五个阶段。由于煤体基质弹性压缩速率和裂纹体积膨胀相互作用,硬岩体积应变在裂纹萌生阶段持续增加,软岩则先增加后减小。这一分区特征为软硬岩体破坏变形规律提供参考。(2)采用先进的场发射环境扫描电镜,获得了孔隙和裂隙结构中水分浸润和消退的动态过程,基于腔体湿度、压强和扫描图像的分形特征,可将水分动态影响过程分为:环境条件准备阶段、液态水分初始形成阶段、水分充填封堵阶段、水分缓慢消退阶段和水分快速消退阶段等五个阶段。基于水分在微观孔隙结构中的主要充填形态,提出了水分对孔隙率影响的数学模型,并以此发展了考虑含水率影响的渗透率数学模型;基于前人的试验数据,验证了模型的正确性。(3)基于等体积润湿性液滴假设,提出了接触角与最大润湿高度的影响模型。基于模型分析结果可得:在等体积的润湿液滴条件下,随着液滴润湿性增强,液滴的接触角变小,从而增加了液-固接触面的半径和面积(润湿面积)。推理可知,在对储层改造过程中,润湿相同区域的储层,润湿性好的改造液,所用改造液体积较少,在一定程度上节约改造液成本。基于此讨论不同润湿相与不同改造液浸泡煤体的润湿性变化规律。研究结果对储层改造过程中,改造液的选取具有一定的指导意义。(4)基于考虑含水率的渗透率模型和水分影响的吸附变形模型,推导了含强耦合变量瓦斯流动控制方程;基于含水率影响的吸附应力和孔隙气体压力对固体变形的影响,发展了固体变形控制方程,从而发展了考虑含水率的固-气耦合模型。通过发展的模型与试验数据对比可知,构建的固-气模型相比于经典模型对含水煤体瓦斯渗流具有更高的表述精度(5)基于FLAC3D数值模拟获得的被保护层应力演化规律,对峰后煤体进行了变轴压和围压的循环加卸载渗流试验。围压循环加卸载,能增加瓦斯流量;轴压逐级循环加卸载,在一定程度上降低瓦斯流量;围压降低1MPa,瓦斯流量平均降低了60%左右;在定围压条件下,轴压逐级加卸载中,流量降低均值为21%。从而可知,气体对垂直于流动方向的应力更敏感。瓦斯流动垂直方向应力的加卸压,可能是瓦斯灾害诱发的原因之一。(6)基于Monte-Carlo随机原理和随机裂隙网络程序,并调用COMSOL Multiphysics内置IM函数构建了含有基质、裂隙的双孔-双渗模型,将考虑含水率的固-气耦合模型引入COMSOL Multiphysics,并以双孔-双渗随机裂隙网络为计算域,模拟了单钻孔裂隙网络瓦斯抽采,讨论了水分对孔隙率、渗透率、体积应变、瓦斯压力和流速的影响。这为含水储层瓦斯流动特征的研究提供了新方法。