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摘要
抽采钻孔的应力集中现象易导致孔周煤体结构产生不同程度的破坏，应力的重新分布也造成孔周形成大量的孔隙和裂隙网络，钻孔孔周“三区”结构的发育范围是判定有效抽采半径的关键指标，为了精准确定煤层瓦斯有效抽采半径进而合理确定孔间距，拟通过对抽采钻孔孔周煤体内瓦斯渗流型态的精准判定，给出一种孔周孔隙、裂隙煤体内瓦斯流型判定新方法，为此自主设计了变孔隙三轴渗流试验系统，测定不同应力条件下的抽采钻孔孔周煤体的渗透率的变化规律，应用Kozney-Carman方程进而对流型判定指标雷诺数Re进行修正，进而得到三种典型的渗流型态(前达西、达西和Forchheimer型非达西)的临界判定条件。研究结果表明：1)低雷诺数下的瓦斯渗流均属于前达西阶段，渗透阻力主要来自于瓦斯自身的粘滞力，该状态仅存在于流速vs≤0.062m/s的时候；在Rep>15处流速曲线具有拐点，这一区域是一个弱惯性区域，粘性和惯性效应共同存在。此时穿过孔周煤体介质内的瓦斯压降与雷诺数成反比，这是由于孔周煤体内的毛细管力制约了瓦斯流动。2)高雷诺数的渗流过程基本属于紊流状态，通过试验发现孔周煤体介质渗流过程存在非线性阶段，表明煤体介质自身内部结构对瓦斯流速的影响较小，流动过程中的惯性效应是产生流动摩擦阻力的主要因素，惯性阻力的大小可以用达西方程中的二阶速度相关项来计算，孔周煤体介质颗粒的惯性区从vs>0.086 m/s开始。3)通过分析孔周煤体孔隙、裂隙介质的三种典型的渗流型态，计算了不同渗流型态下的雷诺数计算方法，给出了判定渗透流态的临界雷诺数值，发现当■大于3.29时，整个渗流过程属于非达西Forchheimer状态，此时计算出来的值为非线性流动的临界条件(Rep>0.18)。结合以上结论，可在煤层瓦斯预抽工作中，通过利用改进后的孔周煤体渗流型态计算方法，精准确定煤层瓦斯抽采半径，从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。
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