CN112832764B - 一种流态化采煤大范围破煤装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流态化采煤大范围破煤装置及使用方法，破煤装置包括的支撑立柱、喷射距离控制伸缩缸和喷头组件；喷射距离控制伸缩缸的缸体底端铰接安装在支撑立柱的伸缩缸安装座上，喷射距离控制伸缩缸与支撑立柱之间还设有缸体摆动控制机构；喷头组件包括喷头和输水高压软管，喷射方向沿支撑立柱的径向方向设置的喷头通过喷头摆动机构安装在喷射距离控制伸缩缸的伸缩端上，输水高压软管的顶端与高压输运管密闭连通连接、底端与喷头密闭连通连接。本流态化采煤大范围破煤装置能有效增加喷头的有效喷射距离，可以在不增加地面钻井施工成本的前提下，大大增大地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，实现提高采煤效率、降低开采成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种水力破煤装置及使用方法，具体是一种针对地下易突出、安全风险高的近水平煤层实施地面钻井进行水力开采时使用的流态化采煤大范围破煤装置及使用方法，属于煤矿开采技术领域。
背景技术
中国煤矿的瓦斯灾害严重，很多矿区在煤炭开采过程中都面临着严重的煤与瓦斯突出风险。目前除了少量的露天采煤外，中国超过90％的煤矿均采用井工开采的方式，即通过在井下布置采煤巷道进行采煤，并通过运输系统将煤运输到地面，其中最常用的方式是长壁后退式工作面采煤法。但针对煤与瓦斯突出煤层采用井工方式开采时，传统的井工开采的方式存在经济成本高、灾害治理效率低、安全风险大的缺陷，而且，一方面，井工模式采煤过程中，在采区中往往不可避免地残留一部分边角块段及各种小煤柱(俗称“边角煤”)，由于边角煤形状及煤厚变化较大，因此导致大型综采设备无法适用于开采边角煤，且边角煤开采条件通常较复杂，如开采压力大、顶板破碎等会导致边角煤开采难度较大，因此常常被放弃开采；另一方面，针对煤层分布不连续的团状煤炭资源(俗称“鸡窝煤”)，若以井工开采的方式进行采煤，因煤炭资源不连续且含量较少，因此会导致以井工开采的方式的性价比极低，通常会以没有开采价值而放弃开采。然而，放弃开采边角煤和鸡窝煤等含煤少、地质条件复杂的煤炭，往往造成煤炭资源的浪费。
现有技术中利用钻孔水力采煤技术是解决上述问题的一种方法。钻孔水力采煤技术即利用高压水泵产生的高压水，通过喷头聚集为水射流，冲击到煤体表面使其破碎，从而达到采煤的目的。钻孔水力开采可分为三种类型：井工钻孔采煤、地面钻孔采煤和气液脉冲采煤，其中，利用地面钻孔进行水射流采煤最为常见，地面钻孔采煤技术的重要技术指标之一是采煤范围，它决定水射流采煤的经济性，其采煤范围主要受到喷头结构、水压及煤软硬程度的影响，但是即使尽量加大水压及优化喷头结构，但水射流产生的冲击力随着喷射距离的增加而逐渐地衰减，因此常规的地面钻孔采煤的单个钻井的实际采煤区域范围较小、通常为半径2～5m的范围，针对总分布面积较大的“鸡窝煤”，通常需要施工更多的地面钻井，这就会造成开采成本的增加、采煤效率的降低。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种流态化采煤大范围破煤装置及使用方法，能够实现有效增大地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，进而提高采煤效率、降低开采成本。
为实现上述目的，本流态化采煤大范围破煤装置包括的支撑立柱、喷射距离控制伸缩缸和喷头组件；
所述的支撑立柱同轴固定安装在高压输运管底部，支撑立柱上固定设有伸缩缸安装座，所述的喷射距离控制伸缩缸的缸体底端铰接安装在伸缩缸安装座上，喷射距离控制伸缩缸与支撑立柱之间还设有缸体摆动控制机构，缸体摆动控制机构包括缸体摆动控制部件，通过控制缸体摆动控制部件的动作可以实现喷射距离控制伸缩缸绕其缸体底端铰接中心沿上下方向在0～90°范围内上下摆动；
所述的喷头组件包括喷头和输水高压软管；喷射方向沿支撑立柱的径向方向设置的喷头通过喷头摆动机构安装在喷射距离控制伸缩缸的伸缩端上、且喷头的摆动回转中轴线平行于喷射距离控制伸缩缸缸体底端的摆动回转中轴线，喷头摆动机构包括喷头摆动驱动部件，通过控制喷头摆动驱动部件的动作可以实现喷头沿上下方向在0～90°范围内上下摆动；与喷射距离控制伸缩缸的伸出行程配合的输水高压软管的顶端与高压输运管密闭连通连接、底端与喷头密闭连通连接。
作为本发明的进一步改进方案，伸缩缸安装座同轴固定设置在支撑立柱上，喷射距离控制伸缩缸设置为多件、且多件喷射距离控制伸缩缸相对于伸缩缸安装座中心对称设置。
作为本发明喷头摆动机构的一种实施方式，喷头的喷头摆动机构是设置在喷头与喷射距离控制伸缩缸的伸缩端之间的齿轮传动结构。
作为本发明缸体摆动控制机构的一种实施方式，缸体摆动控制机构是连杆，缸体摆动控制部件是伸缩方向沿支撑立柱的轴向方向设置的摆动控制伸缩缸，摆动控制伸缩缸的缸体端固定安装在支撑立柱上、伸缩端与连杆的一端铰接连接，连杆的另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸的缸体上，通过控制摆动控制伸缩缸的伸缩可以使连杆带动喷射距离控制伸缩缸在0～90°范围内上下摆动。
作为本发明的进一步改进方案，在喷射距离控制伸缩缸处于中轴线与支撑立柱的中轴线平行的竖直状态时，连杆与支撑立柱之间的夹角呈锐角。
作为本发明的进一步改进方案，支撑立柱是中空结构；缸体摆动控制机构还包括连接盘，与支撑立柱同轴设置的连接盘套接安装在支撑立柱上、且连接盘通过沿支撑立柱轴向方向设置的滑移导向结构与支撑立柱滑移配合连接，连杆一端铰接连接在连接盘上、另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸的缸体上，摆动控制伸缩缸设置在支撑立柱内部、且摆动控制伸缩缸的伸缩端通过连接盘与连杆连接。
作为本发明的优选方案，喷射距离控制伸缩缸是液压缸结构、且喷射距离控制伸缩缸是多节缸结构，喷射距离控制伸缩缸通过液压管路与液压泵站连接。
一种流态化采煤大范围破煤装置的使用方法，具体包括以下步骤：
a.开采准备：开拓采煤钻井，并在采煤钻井井口附近布置储水罐和高压注水泵、在采煤钻井井口位置安装输运管旋转装置；
b.装置安装：根据煤层的埋深确定高压输运管的长度后，将流态化采煤大范围破煤装置安装在高压输运管的底端，并控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸处于中轴线与支撑立柱的中轴线平行的状态、控制喷头摆动驱动部件动作使喷头处于喷射方向沿喷射距离控制伸缩缸的径向方向、控制喷射距离控制伸缩缸处于完全缩入状态，然后向采煤钻井中下入高压输运管、并使流态化采煤大范围破煤装置位于煤层的埋深范围内，然后将高压输运管与输运管旋转装置和输运管升降控制机构安装连接，最后将高压注水泵的输出端与高压输运管的顶端密闭连通连接；
c.开采控制：操作人员控制输运管升降控制机构使流态化采煤大范围破煤装置下降至煤层的埋深范围下限位置后，依次启动高压水泵和输运管旋转装置，储水罐中的水经高压水泵增压后以高压力、大流量的状态通过高压输运管和输水高压软管输送至喷头、并经喷头喷射形成高压水射流的同时，输运管旋转装置带动高压输运管沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置，完成初步开采过程；然后操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置的过程中，操作人员控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸绕其缸体底端铰接中心摆动展开至沿支撑立柱径向方向的水平状态、同时操作人员控制喷头摆动驱动部件动作使喷头的喷射方向呈沿支撑立柱径向方向的水平状态，待本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，通过控制喷射距离控制伸缩缸伸出增加喷头的有效喷射距离、继续进行水力开采。
作为本发明水力采煤方法的一种实施方式，步骤c继续进行水力开采的方式采用一边旋转提升、一边水力开采的方式：操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置，完成一次开采过程；操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，控制喷射距离控制伸缩缸伸出至设定距离，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置、完成二次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使喷头上下往复移动，直至喷射距离控制伸缩缸完全伸出、并将开采范围内的煤层开采完毕。
作为本发明水力采煤方法的另一种实施方式，步骤c继续进行水力开采的方式采用旋转水力切割、沿待开采煤层自下而上逐层开采的方式：操作人员启动输运管旋转装置，输运管旋转装置带动高压输运管沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层的同时，操作人员控制喷射距离控制伸缩缸慢速伸出，直至喷射距离控制伸缩缸完全伸出后、完成煤层范围底层煤的全部开采；操作人员控制喷射距离控制伸缩缸缩入复位后、控制输运管升降控制机构使高压输运管提升至设定高度，对煤层底层煤上方的第二层煤进行旋转水力开采；依次类推，进行逐层开采，直至将开采范围内的煤层开采完毕。
与现有技术相比，本流态化采煤大范围破煤装置由于设有喷射距离控制伸缩缸、且喷头通过喷头摆动机构安装在喷射距离控制伸缩缸伸缩端上，喷射距离控制伸缩缸可摆动呈与支撑立柱平行的状态和与支撑立柱垂直的状态、且喷头的旋转方向与喷射距离控制伸缩缸的摆动方向对应，因此将流态化采煤大范围破煤装置整体安装在高压输运管的底端后可控制喷射距离控制伸缩缸摆动呈与支撑立柱平行的状态、便于由采煤钻井顺利送至煤层进行水力开采，水力开采过程中，首先在保持喷射距离控制伸缩缸呈与支撑立柱平行的状态和喷头呈与喷射距离控制伸缩缸垂直的状态下进行初步开采，完成初步开采后再控制喷射距离控制伸缩缸摆动呈与支撑立柱垂直的状态、控制喷头呈与支撑立柱垂直的状态，即可通过控制喷射距离控制伸缩缸伸出增加喷头的有效喷射距离、继续进行水力开采；由于支撑立柱的底部设有与底导向支撑柱、配重滑块和输水高压软管导向滑轮，喷射距离控制伸缩缸上还设有软管导向环，且输水高压软管的底端绕过输水高压软管导向滑轮、并穿过软管导向环后与喷头密闭连通连接，因此喷射距离控制伸缩缸摆动展开至水平状态后的伸出过程中，喷头可牵拉输水高压软管使输水高压软管导向滑轮带动配重滑块沿升降导向机构向上移动，喷射距离控制伸缩缸缩入过程中，配重滑块可在自身重力作用下通过输水高压软管导向滑轮牵拉输水高压软管、使输水高压软管能够顺利弯曲并位于支撑立柱下方的采煤钻井内，进而实现输水高压软管能够顺利弯曲并位于支撑立柱下方的采煤钻井内、且防止输水高压软管发生缠绕；本流态化采煤大范围破煤装置体积小、机动性大、灵活性大，能有效增加喷头的有效喷射距离，可以在不增加地面钻井施工成本的前提下，大大增大地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，实现提高采煤效率、降低开采成本。
附图说明
图1是本发明喷射距离控制伸缩缸摆动展开状态时的三维结构示意图；
图2是图1的P向局部放大视图；
图3是图1的Q向局部放大视图；
图4是本发明喷射距离控制伸缩缸摆动收纳状态时的俯视结构示意图；
图5是图4的A-A剖视图。
图中：1、高压输运管；2、支撑立柱；21、伸缩缸安装座；22、连接盘；23、连杆；24、摆动控制伸缩缸；25、底导向支撑柱；26、配重滑块；27、输水高压软管导向滑轮；3、喷射距离控制伸缩缸；31、软管导向环；4、喷头组件；41、喷头；42、输水高压软管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本流态化采煤大范围破煤装置包括的支撑立柱2、喷射距离控制伸缩缸3和喷头组件4。
所述的支撑立柱2同轴固定安装在高压输运管1底部，支撑立柱2上固定设有伸缩缸安装座21，所述的喷射距离控制伸缩缸3的缸体底端铰接安装在伸缩缸安装座21上，喷射距离控制伸缩缸3与支撑立柱2之间还设有缸体摆动控制机构，缸体摆动控制机构可以采用设置在喷射距离控制伸缩缸3的缸体与支撑立柱2之间的连杆传动结构、也可以采用设置在喷射距离控制伸缩缸3的缸体底端铰接位置的齿轮传动结构、或者采用直接在喷射距离控制伸缩缸3的缸体与支撑立柱2之间设置摆动缸结构等其他摆动控制结构，缸体摆动控制机构包括缸体摆动控制部件，缸体摆动控制部件可以是电动螺旋杆、齿轮齿条、液压缸等直线往复运动的驱动结构、也可以直接是电动机、液压马达等旋转驱动结构，通过控制缸体摆动控制部件的动作可以实现喷射距离控制伸缩缸3绕其缸体底端铰接中心沿上下方向在0～90°范围内上下摆动，喷射距离控制伸缩缸3可以采用向上摆动呈水平状态的方式、也可以采用向下摆动呈水平状态的方式。
如图2所示，所述的喷头组件4包括喷头41和输水高压软管42；喷射方向沿支撑立柱2的径向方向设置的喷头41通过喷头摆动机构安装在喷射距离控制伸缩缸3的伸缩端上、且喷头41的摆动回转中轴线平行于喷射距离控制伸缩缸3缸体底端的摆动回转中轴线，即喷头41的旋转方向与喷射距离控制伸缩缸3的摆动方向对应，喷头摆动机构可以采用设置在喷头41与喷射距离控制伸缩缸3的伸缩端之间的曲柄摇杆传动结构、也可以采用如图2所示的设置在喷头41与喷射距离控制伸缩缸3的伸缩端之间的齿轮传动结构、或者直接采用在喷头41的摆动连接位置设置摆动缸结构等其他摆动控制结构，喷头摆动机构包括喷头摆动驱动部件，喷头摆动驱动部件可以是电动螺旋杆、齿轮齿条、液压缸等直线往复运动的驱动结构、也可以直接是电动机、液压马达等旋转驱动结构，通过控制喷头摆动驱动部件的动作可以实现喷头41沿上下方向在0～90°范围内上下摆动；与喷射距离控制伸缩缸3的伸出行程配合的输水高压软管42的顶端与高压输运管1密闭连通连接、底端与喷头41密闭连通连接(为便于显示连接关系，图1至图3中的输水高压软管42以线条显示)。
利用本流态化采煤大范围破煤装置进行水力开采作业时，首先进行建井施工，在采用探地雷达探测法确定待采煤层的埋深、厚度及大致范围的基础上，施工开拓采煤钻井；再进行地面施工，在采煤钻井井口附近布置储水罐和高压注水泵，在采煤钻井井口位置安装输运管旋转装置；根据煤层的埋深确定高压输运管1的长度后，将本流态化采煤大范围破煤装置安装在高压输运管1的底端，并控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸3处于中轴线与支撑立柱2的中轴线平行的状态、控制喷头摆动驱动部件动作使喷头41处于喷射方向沿喷射距离控制伸缩缸3的径向方向、控制喷射距离控制伸缩缸3处于完全缩入状态，整个流态化采煤大范围破煤装置的径向大小可以控制在400～500mm，以便于由采煤钻井顺利送至煤层；然后向采煤钻井中下入高压输运管1、并使本流态化采煤大范围破煤装置位于煤层的埋深范围内，然后将高压输运管1与输运管旋转装置和输运管升降控制机构安装连接，最后将高压注水泵的输出端与高压输运管1的顶端密闭连通连接；
当所有的设备均安装完毕后，操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降至煤层的埋深范围下限位置后，依次启动高压水泵和输运管旋转装置，储水罐中的水经高压水泵增压后以高压力、大流量的状态通过高压输运管1和输水高压软管42输送至喷头41、并经喷头41喷射形成高压水射流的同时，输运管旋转装置带动高压输运管1沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管1一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至喷头41上升至煤层的埋深范围上限位置，支撑立柱2周围的煤层被破碎、形成喷射距离控制伸缩缸3的摆动展开空间，即完成初步开采过程；然后操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置的过程中，操作人员控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸3绕其缸体底端铰接中心摆动展开至沿支撑立柱2径向方向的水平状态、同时操作人员控制喷头摆动驱动部件动作使喷头41的喷射方向呈沿支撑立柱2径向方向的水平状态，待本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，即可通过控制喷射距离控制伸缩缸3伸出增加喷头41的有效喷射距离、继续进行水力开采。
继续进行水力开采过程中，可以采用同上所述的一边旋转提升、一边水力开采的方式：操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管1一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至喷头41上升至煤层的埋深范围上限位置，即完成一次开采过程；操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，控制喷射距离控制伸缩缸3伸出至设定距离，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管1一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至喷头41上升至煤层的埋深范围上限位置、完成二次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使喷头41上下往复移动，直至喷射距离控制伸缩缸3完全伸出、并将开采范围内的煤层开采完毕。
继续进行水力开采过程中，也可以采用旋转水力切割、沿待开采煤层自下而上逐层开采的方式：操作人员启动输运管旋转装置，输运管旋转装置带动高压输运管1沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层的同时，操作人员控制喷射距离控制伸缩缸3慢速伸出，直至喷射距离控制伸缩缸3完全伸出后、完成煤层范围底层煤的全部开采；操作人员控制喷射距离控制伸缩缸3缩入复位后、控制输运管升降控制机构使高压输运管1提升至设定高度，对煤层底层煤上方的第二层煤进行旋转水力开采；依次类推，进行逐层开采，直至将开采范围内的煤层开采完毕。
为了实现喷射距离控制伸缩缸3摆动过程中喷头41始终呈水平状态，可以通过联动机构将喷射距离控制伸缩缸3的缸体摆动控制部件与喷头41的喷头摆动驱动部件联动连接，联动机构可以采用纯机械的曲柄连杆的联动方式、也可以是采用通过液压控制系统的液压控制阀进行联动的方式、或者是采用电控系统的电控传感器反馈控制进行联动的方式。
为了平衡水力切割过程中喷头41的后坐力、且实现提高水力切割效率，作为本发明的进一步改进方案，如图1、图4所示，伸缩缸安装座21同轴固定设置在支撑立柱2上，喷射距离控制伸缩缸3设置为多件、且多件喷射距离控制伸缩缸3相对于伸缩缸安装座21中心对称设置。
作为本发明缸体摆动控制机构和缸体摆动控制部件的一种实施方式，如图1、图5所示，缸体摆动控制机构是连杆23，缸体摆动控制部件是伸缩方向沿支撑立柱2的轴向方向设置的摆动控制伸缩缸24，摆动控制伸缩缸24的缸体端固定安装在支撑立柱2上、伸缩端与连杆23的一端铰接连接，连杆23的另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸3的缸体上，通过控制摆动控制伸缩缸24的伸缩可以使连杆23带动喷射距离控制伸缩缸3在0～90°范围内上下摆动。在初步开采过程中，为了有效抵抗喷头41的后坐力，进一步的，在喷射距离控制伸缩缸3处于中轴线与支撑立柱2的中轴线平行的竖直状态时，连杆23与支撑立柱2之间的夹角呈锐角，如此设置，初步开采过程中喷头41的后坐力可通过连杆23作用于摆动控制伸缩缸24、并被保压状态的摆动控制伸缩缸24吸收。为了减小设备体积、且针对设置多件喷射距离控制伸缩缸3时可减少机构设置，进一步的，支撑立柱2是中空结构；缸体摆动控制机构还包括连接盘22，与支撑立柱2同轴设置的连接盘22套接安装在支撑立柱2上、且连接盘22通过沿支撑立柱2轴向方向设置的滑移导向结构与支撑立柱2滑移配合连接，连杆23一端铰接连接在连接盘22上、另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸3的缸体上，摆动控制伸缩缸24设置在支撑立柱2内部、且摆动控制伸缩缸24的伸缩端通过连接盘22与连杆23连接，如此设置，可以避免摆动控制伸缩缸24占用额外的安装空间、且可以实现一件摆动控制伸缩缸24控制多个喷射距离控制伸缩缸3的同时摆动。
喷射距离控制伸缩缸3可以是电动缸结构、也可以是液压缸结构，由于液压传动不仅传动稳定、而且可有效抵抗水力切割过程中喷头41的后坐力，因此喷射距离控制伸缩缸3优选液压缸结构，液压缸结构的喷射距离控制伸缩缸3通过液压管路与液压泵站连接，液压泵站可以设置在地面、也可以集成安装在支撑立柱2上，由于后者可以避免设置过长的液压管路，因此优选后者。为了进一步有效增加喷头41的喷射距离，喷射距离控制伸缩缸3可以是多节缸结构。
作为本发明控制方式的一种实施方式，采用全液压控制，即，喷射距离控制伸缩缸3和摆动控制伸缩缸24均是液压缸结构，喷头41的喷头摆动驱动部件是液压马达结构，喷射距离控制伸缩缸3、摆动控制伸缩缸24和喷头41的喷头摆动驱动部件分别通过液压管路与液压泵站连接。
作为本发明控制方式的另一种实施方式，采用全电动控制，即，喷射距离控制伸缩缸3和摆动控制伸缩缸24均是电动缸结构，喷头41的喷头摆动驱动部件是电动机。
由于输水高压软管42的可弯曲程度有限，因此在喷射距离控制伸缩缸3完全缩入、并呈中轴线与支撑立柱2的中轴线平行的竖直状态时，为了保证输水高压软管42能够顺利弯曲并位于支撑立柱2下方的采煤钻井内、且防止输水高压软管42发生缠绕，作为本发明的进一步改进方案，如图1、图3、图5所示，支撑立柱2的底部设有与其同轴设置的底导向支撑柱25，底导向支撑柱25上设有沿其轴向方向设置的升降导向机构，升降导向机构可以是沿底导向支撑柱25的径向方向凹入设置的T型导向槽结构、也可以是凸出于底导向支撑柱25柱面设置的导轨结构等其他定位升降导向结构，升降导向机构上配合设有可沿升降导向机构上下滑动的配重滑块26，配重滑块26上滚动配合安装有输水高压软管导向滑轮27；喷射距离控制伸缩缸3上设有软管导向环31，为了便于导向牵引，喷射距离控制伸缩缸3摆动展开至水平状态时，软管导向环31可设置在喷射距离控制伸缩缸3的外表面下部(为便于显示连接关系，图1、图2中的软管导向环31设置在喷射距离控制伸缩缸3的外表面上部)；输水高压软管42的底端绕过输水高压软管导向滑轮27、并穿过软管导向环31后与喷头41密闭连通连接。喷射距离控制伸缩缸3摆动展开至水平状态后的伸出过程中，喷头41可牵拉输水高压软管42使输水高压软管导向滑轮27带动配重滑块26沿升降导向机构向上移动；喷射距离控制伸缩缸3缩入过程中，配重滑块26可在自身重力作用下通过输水高压软管导向滑轮27牵拉输水高压软管42、使输水高压软管42能够顺利弯曲并位于支撑立柱2下方的采煤钻井内。喷射距离控制伸缩缸3伸缩过程中，为了便于输水高压软管42顺利通过输水高压软管导向滑轮27进行导向，可以在底导向支撑柱25的升降导向机构上方对应输水高压软管42的位置也设置软管导向环31。
本流态化采煤大范围破煤装置体积小、机动性大、灵活性大，能有效增加喷头41的喷射距离，可以在不增加地面钻井施工成本的前提下，大大增大地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，实现提高采煤效率、降低开采成本。
Claims (10)
1.一种流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，包括的支撑立柱(2)、喷射距离控制伸缩缸(3)和喷头组件(4)；
所述的支撑立柱(2)同轴固定安装在高压输运管(1)底部，支撑立柱(2)上固定设有伸缩缸安装座(21)，所述的喷射距离控制伸缩缸(3)的缸体底端铰接安装在伸缩缸安装座(21)上，喷射距离控制伸缩缸(3)与支撑立柱(2)之间还设有缸体摆动控制机构，缸体摆动控制机构包括缸体摆动控制部件，通过控制缸体摆动控制部件的动作可以实现喷射距离控制伸缩缸(3)绕其缸体底端铰接中心沿上下方向在0～90°范围内上下摆动；
所述的喷头组件(4)包括喷头(41)和输水高压软管(42)；喷射方向沿支撑立柱(2)的径向方向设置的喷头(41)通过喷头摆动机构安装在喷射距离控制伸缩缸(3)的伸缩端上、且喷头(41)的摆动回转中轴线平行于喷射距离控制伸缩缸(3)缸体底端的摆动回转中轴线，喷头摆动机构包括喷头摆动驱动部件，通过控制喷头摆动驱动部件的动作可以实现喷头(41)沿上下方向在0～90°范围内上下摆动；与喷射距离控制伸缩缸(3)的伸出行程配合的输水高压软管(42)的顶端与高压输运管(1)密闭连通连接、底端与喷头(41)密闭连通连接。
2.根据权利要求1所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，伸缩缸安装座(21)同轴固定设置在支撑立柱(2)上，喷射距离控制伸缩缸(3)设置为多件、且多件喷射距离控制伸缩缸(3)相对于伸缩缸安装座(21)中心对称设置。
3.根据权利要求1或2所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，喷头(41)的喷头摆动机构是设置在喷头(41)与喷射距离控制伸缩缸(3)的伸缩端之间的齿轮传动结构。
4.根据权利要求1或2所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，缸体摆动控制机构是连杆(23)，缸体摆动控制部件是伸缩方向沿支撑立柱(2)的轴向方向设置的摆动控制伸缩缸(24)，摆动控制伸缩缸(24)的缸体端固定安装在支撑立柱(2)上、伸缩端与连杆(23)的一端铰接连接，连杆(23)的另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸(3)的缸体上，通过控制摆动控制伸缩缸(24)的伸缩可以使连杆(23)带动喷射距离控制伸缩缸(3)在0～90°范围内上下摆动。
5.根据权利要求4所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，在喷射距离控制伸缩缸(3)处于中轴线与支撑立柱(2)的中轴线平行的竖直状态时，连杆(23)与支撑立柱(2)之间的夹角呈锐角。
6.根据权利要求4所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，支撑立柱(2)是中空结构；缸体摆动控制机构还包括连接盘(22)，与支撑立柱(2)同轴设置的连接盘(22)套接安装在支撑立柱(2)上、且连接盘(22)通过沿支撑立柱(2)轴向方向设置的滑移导向结构与支撑立柱(2)滑移配合连接，连杆(23)一端铰接连接在连接盘(22)上、另一端铰接连接在喷射距离控制伸缩缸(3)的缸体上，摆动控制伸缩缸(24)设置在支撑立柱(2)内部、且摆动控制伸缩缸(24)的伸缩端通过连接盘(22)与连杆(23)连接。
7.根据权利要求1或2所述的流态化采煤大范围破煤装置，其特征在于，喷射距离控制伸缩缸(3)是液压缸结构、且喷射距离控制伸缩缸(3)是多节缸结构，喷射距离控制伸缩缸(3)通过液压管路与液压泵站连接。
8.一种流态化采煤大范围破煤装置的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.开采准备：开拓采煤钻井，并在采煤钻井井口附近布置储水罐和高压注水泵、在采煤钻井井口位置安装输运管旋转装置；
b.装置安装：根据煤层的埋深确定高压输运管(1)的长度后，将流态化采煤大范围破煤装置安装在高压输运管(1)的底端，并控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸(3)处于中轴线与支撑立柱(2)的中轴线平行的状态、控制喷头摆动驱动部件动作使喷头(41)处于喷射方向沿喷射距离控制伸缩缸(3)的径向方向、控制喷射距离控制伸缩缸(3)处于完全缩入状态，然后向采煤钻井中下入高压输运管(1)、并使流态化采煤大范围破煤装置位于煤层的埋深范围内，然后将高压输运管(1)与输运管旋转装置和输运管升降控制机构安装连接，最后将高压注水泵的输出端与高压输运管(1)的顶端密闭连通连接；
c.开采控制：操作人员控制输运管升降控制机构使流态化采煤大范围破煤装置下降至煤层的埋深范围下限位置后，依次启动高压水泵和输运管旋转装置，储水罐中的水经高压水泵增压后以高压力、大流量的状态通过高压输运管(1)和输水高压软管(42)输送至喷头(41)、并经喷头(41)喷射形成高压水射流的同时，输运管旋转装置带动高压输运管(1)沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管(1)一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置，完成初步开采过程；然后操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置的过程中，操作人员控制缸体摆动控制部件动作使喷射距离控制伸缩缸(3)绕其缸体底端铰接中心摆动展开至沿支撑立柱(2)径向方向的水平状态、同时操作人员控制喷头摆动驱动部件动作使喷头(41)的喷射方向呈沿支撑立柱(2)径向方向的水平状态，待本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，通过控制喷射距离控制伸缩缸(3)伸出增加喷头(41)的有效喷射距离、继续进行水力开采。
9.根据权利要求8所述的流态化采煤大范围破煤装置的使用方法，步骤c继续进行水力开采的方式采用一边旋转提升、一边水力开采的方式：操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管(1)一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置，完成一次开采过程；操作人员控制输运管升降控制机构使本流态化采煤大范围破煤装置下降复位至煤层的埋深范围下限位置后，控制喷射距离控制伸缩缸(3)伸出至设定距离，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压输运管(1)一边慢速旋转、一边按设定的速度匀速上升至煤层的埋深范围上限位置、完成二次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使喷头(41)上下往复移动，直至喷射距离控制伸缩缸(3)完全伸出、并将开采范围内的煤层开采完毕。
10.根据权利要求8所述的流态化采煤大范围破煤装置的使用方法，其特征在于，步骤c继续进行水力开采的方式采用旋转水力切割、沿待开采煤层自下而上逐层开采的方式：操作人员启动输运管旋转装置，输运管旋转装置带动高压输运管(1)沿其轴心慢速旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层的同时，操作人员控制喷射距离控制伸缩缸(3)慢速伸出，直至喷射距离控制伸缩缸(3)完全伸出后、完成煤层范围底层煤的全部开采；操作人员控制喷射距离控制伸缩缸(3)缩入复位后、控制输运管升降控制机构使高压输运管(1)提升至设定高度，对煤层底层煤上方的第二层煤进行旋转水力开采；依次类推，进行逐层开采，直至将开采范围内的煤层开采完毕。
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