瓦斯的高效抽采是灾害治理和资源利用的根本性措施之一，抽采效果取决于煤层的渗透性。现行瓦斯抽采技术大多遵循线性渗流理论，往往忽略了低渗储层内存在的低速非线性渗流及扩散现象，导致抽采难易程度评价及抽采工艺选择出现严重偏差。究其根源，在于缺乏对瓦斯在不同煤体结构煤层内流动状态的准确把握。

本项目旨在建立基于地质强度指标（Geological Strength Index，简称GSI）的煤体结构定量表征方法，查明瓦斯在低渗煤层内的非达西渗流特征，建立基于GSI的瓦斯流动状态判识方法。项目实施具有如下理论和实际意义：

① 建立基于GSI的煤体结构定量表征方法，对煤体结构进行精细描述及定量表征，实现不同煤体结构煤层渗透性的快速评价与预测。

② 查明瓦斯在低渗煤层内的非达西渗流特征，建立基于GSI的瓦斯流动状态判识方法，实现不同煤体结构煤层瓦斯流态的快速判识，为抽采难易程度评价及抽采工艺的选择提供指导，并为瓦斯抽采理论的进一步完善提供参考和借鉴。

项目主要研究内容及方案如下：

（1）基于GSI的煤体结构定量表征方法研究

煤体结构观测：①宏观观测：通过钻孔采取煤芯、手标本及井下煤壁直接观测煤体变形程度，将煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。②微观观测：现场采集具有不同煤体结构类型的煤样，利用扫描电子显微镜、原子力显微镜对其割理、裂隙和基质孔隙的形貌特征进行观测。

基于GSI的煤体结构定量表征方法：基于煤体结构观测结果，引入GSI岩体分类体系，建立基于GSI的煤体结构定量表征方法，并与传统的四类划分法相结合，确定不同煤体结构对应的GSI区间。

渗透率实验：渗透率测试系统由RMT–150B岩石力学伺服试验机加载及控制系统、高压气源、气体压力传感器、气体质量流量计、气体流量积算仪、数据采集及处理系统等组成。选取具有不同煤体结构类型的煤样，实验室制备成煤芯，在相同的外在条件下，通过施加不同压力的高压N2测试流经煤芯的气体流量、气体压力，利用公式求取各个煤芯的渗透率。在此基础上，结合煤体结构定量表征方法，建立GSI–渗透率本构方程，探讨不同煤体结构煤样的渗透率变化特征。

（2）基于GSI的瓦斯非达西渗流特征实验研究

启动压力梯度实验：启动压力梯度测试采用“倒退法”：先将气压调到较高值，然后关闭稳压阀门，测试一系列压力梯度对应的气体流量。通过对气体流量与压力平方差关系的回归分析，利用公式求取各个煤芯的启动压力梯度。在此基础上，结合渗透率实验，建立渗透率–启动压力梯度本构方程。

基于GSI的瓦斯流态判识方法：基于GSI–渗透率本构方程、渗透率–启动压力梯度本构方程，构建GSI–启动压力梯度本构方程，对线性渗流、低速非线性渗流及两级扩散三种流态进行判识，并确定各种流态所对应的GSI区间。