煤体渗透率是研究瓦斯在煤体中运移流动的基本参数,煤矿开采中的各种瓦斯动力现象、煤层气开采和瓦斯灾害防治均与煤层的渗透性有关。目前,针对煤体渗透率变化规律的实验研究取得了丰硕的成果,但多为准三轴,本论文以流固耦合煤体真三轴渗流实验装置为研究主线,以装置应用及实验研究为重点,以数值模拟做验证手段,逐一展开“流固耦合煤体真三轴渗流实验装置的研制及应用”这一课题的研究。 进行了流固耦合煤体真三轴渗流实验装置的设计,该装置主要由真三轴压力室及框架、动力及控制系统、供气系统、数据监测系统以及试件成型装置5大部分组成。经调试,所能达到的主要技术指标如下:①试件尺寸:200 mm×100 mm×100 mm;②适用温度范围:0~70℃;③σ1控制范围0~100 MPa,ε1控制范围0~60 mm;σ2控制范围0~50 MPa,ε2控制范围0~40 mm;σ3控制范围0~15 MPa,环向变形范围0~20 mm;瓦斯压力控制范围0~6 MPa,精度均为0.1%;④应力、变形和流量参数实现全自动采集,气体流量0~5 L/min,精度±0.1%。 采用自主研制的流固耦合煤体真三轴渗流实验装置,以型煤为研究对象,首先进行了相同围压约束条件下(σ2=σ3)连续加载实验,分析得出了相同围压约束条件下变轴压加载速率对煤体变形破坏特征及瓦斯渗流演化规律的影响;然后进行了不同围压约束条件下(σ2≠σ3)逐级加载实验,对不同三向应力及瓦斯压力下煤体渗透率变化规律进行了实验研究初探。 基于颗粒离散元理论,利用PFC3D软件对煤体单轴压缩及巴西劈裂实验进行数值模拟,着重探讨了煤体宏观参数中弹性模量、泊松比、单轴抗压强度及抗拉强度与煤体细观参数之间的关系。基于应力加载伺服机制运用PFC3D内嵌FISH语言编写与物理实验过程相同的力学加载路径程序,结合流固两相介质中流体的连续方程以及N-S方程对不同应力条件下煤体变形破坏和渗透率演化过程进行数值模拟研究,并与实验结果作对比分析,从细观角度验证了物理实验煤体变型破坏与渗透率特性规律的准确性。