在全球绿色低碳可持续的发展大势和我国碳达峰、碳中和政策的号召下,煤炭行业必须加快解决煤炭低碳化利用和碳去除技术问题,而固液分离技术又是实现煤炭清洁低碳化利用的前提和保障。目前面向矿物脱水已有技术、方法及设备运用于生产,然而,针对滤饼结构及渗流机理的研究却依旧欠缺,严重制约了固液分离理论和工艺的进一步完善和发展。针对上述问题,论文以真空过滤试验、滤饼结构表征、渗流数值模拟、渗透率模型推导为主线,从滤饼孔隙结构特性、流体运移规律、滤饼孔-渗关系模型等方面开展了系统研究,以期深入理解滤饼三维结构特征和滤液在滤饼孔隙内部的流动规律,以此为基础,建立一种适用于描述煤泥滤饼孔-渗关系的数学模型,为完善固液分离理论与和优化脱水操作等提供一定的理论支持,得到以下研究成果:论文以真空过滤试验为基础,首先考察了高岭石、蒙脱石、石英、精煤、煤泥五种不同矿物的过滤性能差异,研究表明蒙脱石和高岭石的过滤速度最慢,滤饼比阻和水分最高,煤泥的过滤速度较慢,滤饼比阻和水分较高,而精煤和石英的过滤速度最快,滤饼比阻和水分最低。以不同物理性质的石英颗粒为研究对象,重点研究了颗粒形状、粒度、粒度级配制度对固液分离效果的影响,结果表明球形颗粒的过滤效果明显优于不规则形状颗粒。随着颗粒粒度的增大,特别是入料平均粒度达到50μm之后,过滤效果得到了显著改善。在细粒级物料中加入一定量的粗粒级物料可以改善过滤效果,当粗粒与细粒的粒度之比达到5倍之后,过滤效果会有明显改善;三粒级级配时,当细粒级占比减小至60%时,过滤效果才会明显提高;使用四粒级级配时,当细粒级含量达到80%时,过滤效果已经有明显的改善。借助计算机断层扫描（CT）技术实现了滤饼结构的三维可视化及精细定量表征分析,进一步探明了五种不同矿物的滤饼孔隙结构特征,结果表明:煤泥滤饼中矿物成分非常复杂,各个矿物所形成的滤饼具有明显的特征差异,精煤滤饼当中的孔径分布以大孔为主,但是内部存在一定量的孤立小孔,孔隙均匀性和连通性一般,但是迂曲度最小;石英滤饼孔隙率最大,连通性最佳,孔隙均质性好,但是孔径较小,迂曲度较大;煤泥滤饼孔隙发育不均匀,以狭窄条状分布为主,孔径较小,总体孔隙率较低,连通性较差,迂曲度最高;而蒙脱石和高岭石类粘土矿物所形成的滤饼,孔隙数量较少,而且多以10μm以下的细孔所组成,迂曲度较大,含有大量的盲孔和末端孔隙,连通性极差。颗粒物性参数对滤饼孔隙结构的影响机制如下:不规则颗粒过滤形成的滤饼孔隙率明显大于球形颗粒的滤饼。入料颗粒粒度越大,形成的滤饼孔隙率越高,孔径越大。当入料颗粒的尺寸分布相近时,颗粒形状几乎不会影响滤饼的孔径分布。不规则形状颗粒所形成的滤饼的连通孔隙率较低,迂曲度较高。随着颗粒粒度的增加,滤饼孔隙的连通性逐渐变高,迂曲度也显著降低。此外,颗粒的粒度和形状也会影响滤饼孔隙配位数和孔吼比,粗粒度球形颗粒形成的滤饼,其孔隙配位数均值最高,且高配位数孔隙数目相对较多,孔喉比也最小,孔隙空间发育最均匀,而细粒度不规则颗粒的滤饼孔隙配位数均值最低,含有大量的盲孔和末端孔隙,同时孔喉比最大,孔隙空间具有较强的非均质性。基于格子Boltzmann方法在二维人工孔道和三维真实滤饼孔道内中开展了单相微流动数值计算,考察了矿物种类及颗粒物性参数对渗流规律的影响,结果表明,格子Boltzmann方法在复杂通道内的单相微流动计算方面具备可行性和优越性,能够准确反应微观尺度下单相流体流动规律及流道内速度分布特征。当形成多孔介质的球形颗粒粒径固定时,渗透率随着孔隙率增加而增大;当形成多孔介质的孔隙率固定时,多孔介质渗透率随着颗粒粒径的增大呈现出指数上升的趋势;当形成多孔介质的粒径和孔隙率都固定,不规则形状颗粒的渗透率明显低于球形颗粒构成的多孔介质;不同颗粒级配的渗透率结果表明,改变多孔介质的粒度组成可以显著提高其渗透率,粒度组成越复杂时,细粒级对整个体系的流动速度和渗透率影响越大。五种不同矿物过滤形成的滤饼的渗流速度差异很大,精煤滤饼和石英滤饼孔隙发育较为均匀,连通性较好,滤饼当中存在一定量的渗流主通道,主通道里的渗流速度较大,渗透率最高。煤泥滤饼孔隙均质性较差,以狭窄长孔道为主,而且迂曲度较大,渗流主通道变小,渗流速度也明显低于精煤滤饼和石英滤饼。而蒙脱石和高岭石滤饼孔隙发育极不均匀,连通性差,几乎不存在连通的孔隙通道,因而渗透率极低。经典K-C方程和双重渗透率分形模型这两种目前主流的渗透率预测模型对滤饼渗透率的预测误差都较大,误差来源于未考虑滤饼孔隙截面形状以及束缚水饱和度对渗透率的影响。通过引入孔隙截面形状分形维数对现有双重分形渗透率模型进行修正后,推导的三重分形渗透率模型对石英和精煤滤饼渗透率的预测误差控制在2.55%和2.05%,然而对于蒙脱石、高岭石及煤泥滤饼的渗透率预测结果却明显偏大。通过低场核磁共振技术对不同矿物滤饼的束缚水饱和度进行了检测,对现有三重分形渗透率模型再次修正,建立了滤饼微观渗透率预测模型,结果表明该模型不仅能够很好地胜任纯矿物滤饼渗透率的预测,而且对于复杂组分的煤泥滤饼,其渗透率预测误差也可以控制在5%之内,对于精煤滤饼的适用性最好,预测误差仅为0.96%,而且蒙脱石渗透率的计算误差也从40.27%降低至13.42%。