本技术涉及煤层瓦斯预抽钻孔设计，尤其涉及一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统及方法。
背景技术：
1、在煤层开采前，通过预抽钻孔抽取煤层中的瓦斯，以降低瓦斯浓度，减少开采过程中的瓦斯涌出，提高矿井安全性。预抽钻孔周围煤岩体易形成应力的重新分布，沿孔径方向三区依次为破碎区、裂隙区、原岩区，应力集中区与沿自身孔径方向的破裂煤岩体结构变形和破碎严重，其丰富的孔隙结构是瓦斯渗入预抽钻孔的重要通道，该区域为瓦斯抽采的高渗区段。高渗区段中破裂煤岩体具有孔隙度大、渗透性强等特点。
2、一般预抽钻孔要完成多月的抽采任务，随着进行抽采任务时间的延长，预抽钻孔会随着壁力变化，抽采时间延长而变形，孔周围煤岩体的渗透特性会变化。预抽钻孔周围破裂煤岩体的径向瓦斯渗透特性是反映瓦斯渗透过程的重要指标，精准确定径向瓦斯渗透特性是确定有效抽采半径的重要因素之一。由于煤炭资源实际地下开采隐蔽性的特点，使得很难得知预抽钻孔周围破裂煤岩体的径向瓦斯渗透特性，影响对瓦斯高效抽采。
技术实现思路
1、本技术实施例通过提供一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统及方法，能够解决由于煤炭资源实际地下开采隐蔽性的特点，使得很难得知预抽钻孔周围破裂煤岩体的径向瓦斯渗透特性，影响对瓦斯高效抽采的问题。
2、为了实现上述目的，本发明实施例的技术方案是：
3、第一方面，本发明实施例提供了一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，包括底座、外缸筒、内缸桶、透气管、压塞、加载装置、气体输入装置、第一流量计、抽气装置、第二流量计和数据收集及控制装置；所述外缸筒固设于所述底座上；所述内缸桶的侧壁设置有第一通孔组，封闭端固设于所述底座上且位于所述外缸筒的内腔，外壁与所述外缸筒的内壁形成空腔；所述底座设置有连通外界与空腔的第一通道；所述气体输入装置与所述第一通道通过第一管路连通；所述第一流量计设置于所述第一管路上；所述透气管为一端开口、一段封闭的中空管，管壁上设置有第二通孔组，封闭端固设于所述内缸桶的底部，外壁与所述内缸桶的内壁形成放置腔；所述放置腔被配置为放置煤岩体试样；所述压塞插设于所述外缸筒的顶部，外径小于等于所述内缸桶的开口直径；所述压塞的底部设置有由底面向上凹进的活动腔，还设置有连通外界与活动腔的第二通道；所述抽气装置和所述第二通道通过第二管路连通；所述第二流量计设置于所述第二管路上；所述加载装置被配置为给所述压塞顶部施加不同大小的压力，以使所述压塞压入所述内缸桶，所述透气管的上端能够在活动腔内活动；所述第一流量计、所述第二流量计和所述加载装置均与所述数据收集及控制装置电连接。
4、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述底座上设置有固定台；所述第一通道包括主通道和子通道；所述主通道的一端与所述气体输入装置连通，另一端设置于所述固定台的中心；所述子通道包括多根，多根所述子通道的一端与所述主通道的另一端连通，另一端环形阵列设置；所述内缸桶的底部与所述固定台的上端螺纹连接。
5、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统还包括废气处理箱；所述废气处理箱内放置有废气处理溶液；所述抽气装置的输出端与所述废气处理箱连通。
6、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述加载装置包括放置台、竖杆、横板、上压头和驱动机构；所述竖杆包括两根，两根所述竖杆的一端插设于所述放置台上，另一端固设所述横板；所述底座设置于所述放置台上；所述上压头设置于所述横板的下方，与所述驱动机构连接，能够在所述驱动机构的驱动下向所述压塞施加不同大小的轴向压力；所述驱动机构与所述数据收集及控制装置电连接。
7、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一通孔组包括多个第一通孔；将所述内缸桶的侧壁展开后，多个所述第一通孔矩形阵列设置，每个所述第一通孔的直径相同或不同。
8、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一通孔组包括多个第一通孔；将所述内缸桶的侧壁展开后，多个所述第一通孔排列为多列，同列中相邻两个所述第一通孔的间距相同，相邻两列的首个所述第一通孔不在同一高度，间隔两列的首个所述第一通孔在同一高度，每个所述第一通孔的直径相同或不同。
9、第二方面，本发明另一实施例提供了一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验方法，包括：
10、准备一定尺寸的煤岩体试样；
11、将所述煤岩体试样放置于内缸桶中，透气管的封闭端固设于所述内缸桶的底部，确保所述煤岩体试样的外壁与所述内缸桶的内壁，所述煤岩体试样的内壁与所述透气管的外壁之间没有间隙；
12、将外缸筒固设于底座上，所述内缸桶的封闭端固设于所述底座上且位于所述外缸筒的内腔，所述内缸桶的外壁与所述外缸筒的内壁形成空腔，压塞插设于所述外缸筒的顶部，加载装置设置于所述压塞的顶部，气体输入装置与第一通道连通，抽气装置与第二通道连通；
13、通过所述加载装置给所述压塞顶部施加不同大小的轴向压力，在每种恒定轴向压力下开启所述气体输入装置输入气体，开启所述抽气装置抽气，进行煤岩体径向瓦斯渗透特性试验，第一流量计和第二流量计分别获取对应位置处的气体流量数据并将气体流量数据传输至数据收集及控制装置；
14、计算瓦斯在煤岩体中的渗透系数和扩散系数，以分析钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性。
15、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述准备一定尺寸的煤岩体试样包括：
16、将大块原煤进行破碎后筛分得到粒径分别为0~0.4mm、0.4~0.8mm、0.8~1.25mm、1.25~2mm、2~4mm的破碎煤颗粒；
17、根据talbol连续级配公式对所述破碎煤颗粒进行配比后混合，加入适量水搅拌均匀至湿度最佳状态得到待成型料；
18、将所述待成型料放入制作的模具中，通过落锤砸至高度为50%进行层间毛化，填入所述待成型料通过落锤砸至高度为75%进行层间毛化，填入所述待成型料通过落锤砸至高度为100%，进行脱模得到所述煤岩体试样；
19、将所述煤岩体试样烘干处理。
20、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，通过所述加载装置给所述压塞顶部施加不同大小的轴向压力之前，还包括：通过所述气体输入装置预先输入一定压力的瓦斯，使瓦斯在所述煤岩体试样中形成一定的压力分布。
21、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述煤岩体试样中的渗透系数计算过程为：
22、通过所述加载装置对所述煤岩体试样施加不同大小的轴向压力来改变孔隙度，孔隙度的计算公式为：
23、φ=1－ （1）。
24、式中：φ为孔隙度；m所述煤岩体试样的质量；ρ1为所述煤岩体试样的质量密度；a为所述煤岩体试样的横截面积；h为所述煤岩体试样的高度；
25、利用ergun方程建立基于所述孔隙度和颗粒直径描述球形颗粒多孔床压降的经验关系式：
26、－j=a1+b1 （2）。
27、式中：－j为压力梯度；a1和b1为无量纲；μ为粘度；φ为孔隙度；ρ为渗透气体的密度；g为重力加速度；d为所述煤岩体试样颗粒的粒径；υ为渗流速度；
28、对所述压力梯度－j与所述渗流速度υ进行分析，forchheimer方程对不同级配的所述煤岩体试样具有较高拟合度，相关系数r2=0.99，拟合公式为：
29、－j=aυ+bυ2 （3）。
30、式中：a和b为未知常数项；
31、联立公式（2）和公式（3）得到如下形式的原始公式：
32、 （4）。
33、式中：μ为粘度；φ为孔隙度；d为所述煤岩体试样颗粒的粒径；
34、通过拟合得出forchheimer方程系数a、b的值，求解出不同级配试样的渗透系数k，渗透系数k的计算公式为：
35、k= （5）。
36、式中：d为所述煤岩体试样颗粒的粒径；φ为孔隙度；φs为初始孔隙度。
37、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
38、本技术实施例提供的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，将煤岩体试样放置于内缸桶中，透气管的封闭端固设于内缸桶的底部，确保煤岩体试样的外壁与内缸桶的内壁，煤岩体试样的内壁与透气管的外壁之间没有间隙。将外缸筒固设于底座上，内缸桶的封闭端固设于底座上且位于外缸筒的内腔，内缸桶的外壁与外缸筒的内壁形成空腔。压塞插设于外缸筒的顶部，加载装置能够给压塞顶部施加不同大小的压力，以使压塞压入内缸桶对煤岩体试样进行加压，透气管的上端能够在压塞的活动腔内活动。底座设置有连接外界与该空腔的第一通道，气体输入装置与第一通道连通，内缸桶的侧壁设置有第一通孔组，透气管的管壁上设置有第二通孔组，压塞设置有连通外界与活动腔的第二通道。在实际进行钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验时，先通过加载装置给压塞施加不同大小的轴向压力，以对煤岩体试样施加不同大小的轴向压力，在恒定的轴向压力下，通过气体输入装置输入高压气体，从第一通道流入空腔，再从第一通孔组沿煤岩体试样的径向流动，从第二通孔组流进透气管的内腔，再流入活动腔后从第二通道流出，被抽气装置抽出。第一流量计和第二流量计分别获取对应位置处的气体流量数据并将气体流量数据传输至数据收集及控制装置。加载装置能够给压塞顶部施加不同大小的轴向压力，并将轴向压力数据传输给数据收集及控制装置。根据流量数据和加载压力可计算瓦斯在煤岩体中的渗透系数和扩散系数，以分析钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性。本技术实施例的系统能够模拟实际钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透，从而能够研究钻孔周围破裂煤岩体的径向瓦斯渗透特性来提高瓦斯的抽采效率。
1.一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，包括底座、外缸筒、内缸桶、透气管、压塞、加载装置、气体输入装置、第一流量计、抽气装置、第二流量计和数据收集及控制装置；
2.根据权利要求1所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，所述底座上设置有固定台；
3.根据权利要求1所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，还包括废气处理箱；
4.根据权利要求1所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，所述加载装置包括放置台、竖杆、横板、上压头和驱动机构；
5.根据权利要求1所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，所述第一通孔组包括多个第一通孔；
6.根据权利要求1所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验系统，其特征在于，所述第一通孔组包括多个第一通孔；
7.一种钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验方法，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验方法，其特征在于，所述准备一定尺寸的煤岩体试样包括：
9.根据权利要求7所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验方法，其特征在于，通过所述加载装置给所述压塞顶部施加不同大小的轴向压力之前，还包括：通过所述气体输入装置预先输入一定压力的瓦斯，使瓦斯在所述煤岩体试样中形成一定的压力分布。
10.根据权利要求7所述的钻孔周围煤岩体径向瓦斯渗透特性试验方法，其特征在于，所述煤岩体试样中的渗透系数计算过程为：
