突水溃沙是我国西部地区煤矿开采中典型的矿井地质灾害。随着我国东部煤炭资源的日渐枯竭与资源储备的战略性调整,西部地区已成为我国煤炭资源的主要产地。陕西榆神府矿区凭借其特殊的地理位置和丰富的储量成为我国西部煤炭资源开采的重中之重,也是”西煤东运”的源头。然而,该地区特有的“埋深浅、薄基岩、厚松散层”地质特征为突水溃沙灾害的发生提供了便利条件,对安全生产构成严重威胁。掌握灾害的孕育、发展和致灾机理,及时预测并采取有效治理措施是亟待解决的问题。突水溃沙灾害是由地下水渗流逐步演化发展而来。孔隙结构中颗粒群的起动与水沙混合流体的运移,直接受到孔隙中流体运动的影响。由于构成含水层渗流通道的介质往往包含泥沙、碎石等不同岩性材料,结构组成十分复杂,导致渗透性质差异很大、渗流模式多变。因此,建立流体运动与固体(颗粒群)运动之间的联系是本文研究中的关键点之一。针对此类自然界中复杂物理现象,室内试验正是有效可靠的研究方法。然而,现有已成熟完善的试验设备,无论是用于土壤、岩石等介质的低速水渗流装置,还是用于裂隙介质的较高速渗流装置,或无法满足高流速、大流量的试验需求,或无法满足水、沙两相流体混合渗流的需要,更难以实现水沙混合流体的实时、精确分相流速测量。本文围绕涌沙灾害的孕育、发展和致灾过程的物理机理,针对地下水渗流阻力演化、颗粒群起动及溃沙的临界条件、水沙两相运移规律等问题,从以下5个方面开展了研究工作。(1)基于毛管模型与流动阻力模型,分析了孔隙结构中流动阻力构成的物理本质,分别建立了多孔介质结构参数与渗透率和非达西因子之间的函数关系。分析了孔隙介质的几何结构基本参数对流动阻力表征参数(雷诺数与Forchheimer数)的影响,提出了导致孔隙中细颗粒群起动的力学机理。(2)在模型分析基础上,经过大量实践与测试,提出了一种固、液分相流速测量方法,并成功研制了水沙分相流速仪。实现了混合流体分相流速的实时、高精度测量,并与一维水沙高速渗流试验系统相结合,实现了对颗粒堆积体中较大流速范围内的高精度控制与测量。试验装置可模拟多孔骨架中的沙颗粒群起动到两相混合流体运移全过程,为研究水、沙混合流体的运移特征及两相间相互作用的机理提供了有力的技术手段,也为相类似的实验研究提供了可靠的测量方法(3)通过一系列散体颗粒填充床渗流实验,分析了复杂几何结构条件下多孔介质渗流模式演化规律,分别建立了粒径与渗透率、非达西因子以及渗流转捩临界参数与孔隙结构参数等之间的函数关系。得到了渗流转捩过程中,粒径尺寸、颗粒形状以及排列方式等颗粒堆积体基本结构参数对细观渗流阻力演化规律的影响。(4)测定风成沙颗粒物理力学性质,基于孔隙介质中颗粒群的起动受力分析,开展多孔介质中的沙颗粒群起动试验。从宏观与细观角度分别对颗粒群的起动物理机理进行研究,定性地提出了颗粒群起动的必要条件,定量地测量了实验室条件下风成沙颗粒群起动的临界流速范围。(5)通过细颗粒流失试验、多孔骨架塌落试验、高浓度水沙混合流体运移试验等一系列试验研究,模拟了从颗粒群起动到突水溃沙灾害发生的演化过程,分析了水、可移动沙和多孔骨架三者间相互作用,相互激励与演化的物理机理以及能量转化与传递的特征,提出了导致涌沙灾害发生的必要条件,得到了实验室条件下涌沙的临界流速范围。