非饱和渗流现象广泛存在于工程应用和基础科学研究中,自发渗吸是主要宏观现象,其静力学和动力学问题得到了广泛的关注和研究。煤炭依然是我国的主要能源,集约绿色化开采是主流趋势,机遇和挑战并存,如我国西部矿区地下水库坝体安全、非常规能源开发以及废弃矿井治理与利用等。上述各类采矿工程问题中均涉及砂岩基质和裂隙中水的非饱和渗流现象,但在采矿工程传统研究中该现象尚未得到足够的关注。此外,该问题同样存在于砂岩铀矿地浸法开发、煤层气注水开采等工程应用中。本文综合利用高分辨率X射线CT成像、扫描电镜和压汞法等多种实验手段精确表征高渗和低渗砂岩样品孔隙和裂隙结构,并利用中子成像技术对不同的类型砂岩样品非饱和渗流过程进行可视化研究。基于实验数据并结合分形等理论模型对砂岩非饱和渗流机理开展量化研究,侧重于砂岩孔隙和裂隙结构特征对其非饱和渗流规律的影响,主要研究内容和成果包括:(1)为了量化研究砂岩基质和裂隙自发渗吸这一典型的非饱和渗流现象,本文在第二章引入吸水性系数、非饱和扩散函数来描述砂岩基质和裂隙结构的非饱和渗吸行为。基于砂岩孔隙(裂隙)结构相关参数,利用孔隙介质力学、渗流力学和分形理论等,建立砂岩基质和裂隙结构吸水性系数分形模型,量化分析砂岩孔隙(裂隙)结构的吸水性系数;介绍了基于砂岩样品动态体积含水率估算非饱和扩散函数的模型(如:广义Fickian定律、Lockington-Parlange模型和Meyer-Warwick模型)。揭示了砂岩基质和裂隙非饱和渗流特性和机理。(2)利用高分辨X射线CT成像、压汞法和X射线衍射对不同类型砂岩样品的孔隙、裂隙结构和粘土矿物成分进行充分的表征和测定。利用Avizo三维图像分析软件对CT扫描数据进行三维重构,获得砂岩孔隙(裂隙)三维结构模型,讨论了分割砂岩孔隙结构数据的最佳阈值确定方法,并根据分割的孔隙结构数据计算了砂岩的微观结构参数以精细表征砂岩孔隙(裂隙)结构。通过上述方法测定的砂岩孔隙(裂隙)结构参数可为理论分析非饱和渗流特性奠定基础。(3)对中国先进研究堆(CARR)和亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)配备的冷中子成像谱仪进行水分标定实验,测定水的衰减系数及其相应的纠正系数。利用中子二维成像技术分别对砂岩基质及裂隙(如:光滑和粗糙裂隙)结构的非饱和渗流过程进行可视化研究,并介绍了渗吸中子图像处理方法。基于中子图像测量润湿峰前沿位置随渗吸时间的变化以及体积含水量的动态分布情况。对砂岩基质及裂隙结构的自发渗吸行为进行量化分析,测定基质及裂隙的吸水性系数以及非饱和扩散函数。(4)为研究不同类型砂岩基质孔隙结构对吸水性系数的影响,根据砂岩渗吸实验中子图像估算基质吸水性系数。结果表明:砂岩样品的润湿峰的移动不全服从经典的渗吸行为,但其与渗吸时间的幂指数呈线性关系。模型预测吸水性系数,并与实验测定值进行对比。孔隙微观结构对砂岩吸水性系数的确定起着决定性作用;粘土矿物与水相互作用后可能发生膨胀,从而阻塞渗透通道,减少孔隙的有效渗透半径,且增加渗流通道的弯曲程度,可知粘土矿物成分对砂岩吸水性系数有着显著的影响。(5)为研究不同类型砂岩裂隙(粗糙和光滑裂隙)结构对吸水性系数的影响,根据裂隙砂岩渗吸实验中子图像测定裂隙及其两侧基质中的润湿峰前沿位置,并估算吸水性系数。高渗和低渗砂岩样品的粗糙和光滑裂隙中水的渗吸速率明显大于两侧基质,且光滑裂隙的渗吸过程较粗糙裂隙更为复杂。粗糙和光滑裂隙及其两侧基质的湿润峰移动不全服从经典的渗吸行为,但与渗吸时间的幂指数呈线性关系。裂隙的吸水性系数明显大于两侧基质,且大于完整砂岩基质,可知裂隙结构可以有效增强裂隙砂岩的吸水能力。根据模型预测了粗糙和光滑裂隙及其两侧基质的吸水性系数,并与实验测定值进行对比。结果表明:粗糙裂隙及其两侧基质吸水性系数的预测误差仅为3%～7%,而光滑裂隙及其两侧基质吸水性系数的预测误差相对较大,但相对于不考虑损失系数的预测误差要小的多。孔隙和裂隙结构参数对吸水性系数预测具有重要作用。此外,根据净水透射中子图像分析了高渗砂岩光滑裂隙与两侧基质之间的水交换行为。(6)基于中子成像技术测定的动态含水率分布数据,提取不同时刻每个研究区域内的润湿前沿位置。推导了考虑渗吸时间指数的广义Fickian定律以及Lockington-Parlange模型,考虑非玻尔兹曼变量和渗吸时间指数发展了Meyer-Warwick模型,并利用以上模型测定了裂隙细砂岩的非饱和扩散函数。结果表明,扩散率在几个数量级随着含水率的增加而增加。Meyer-Warwick模型与Lockington-Parlange模型计算的扩散率随体积含水率从0到0.20mm3/mm3而迅速增大。当体积含水率大于0.20mm3/mm3时,模型计算的扩散率增大趋势趋于平缓。Lockington-Parlange模型明显高估了扩散率,可能是由于被测样品中粘土矿物含量低,吸水后孔隙空间相对稳定所致。考虑非玻尔兹曼变量和渗吸时间指数的Meyer-Warwick模型可以更好地描述非玻尔兹曼尺度上的扩散现象,为扩散率的定量分析和建模提供了新的方法。