CN113338932B - 一种无巷道地面钻井流态化采煤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无巷道地面钻井流态化采煤方法，无巷道地面钻井流态化采煤系统包括物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分；物理流态化采煤部分包括采煤竖井、高压输运管和高压射流器；煤岩混合物输送部分包括工艺斜井、煤岩混合物提升竖井和煤岩混合物输运管。本发明采用定向钻技术将采煤竖井的底端与煤岩混合物提升竖井的底端贯通连接形成煤岩混合物自流通道，利用采煤竖井与煤岩混合物提升竖井之间的高度差实现被水力切割下的呈流态化的煤岩混合物自流进入煤岩混合物汇集仓、并经吸浆泵泵压上井，实现井下无人的物理流态化采煤作业，采煤竖井、工艺斜井和煤岩混合物提升竖井均可采用相对较小的打设孔径，实现相对较低的煤炭开采成本。

Description

一种无巷道地面钻井流态化采煤方法

技术领域

本发明涉及一种物理流态化采煤方法，具体是一种无巷道地面钻井流态化采煤方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

在我国的能源体系中，煤炭资源占已探明化石能源资源总量的97％左右，煤炭资源仍是能源安全稳定供应的主要能源。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。这种传统的井工开采方式一方面需要在井下施工大量的采煤巷道以及配套生产的硐室，岩土工程量巨大、煤炭开采成本高；另一方面，虽然目前已实现机械化采煤，但井下设备安装、设备操作等作业环节仍需大量的作业人员，一旦发生煤与瓦斯突出事故，将造成大量人员伤亡，因此井工开采的安全性不高。

物理流态化采煤是指利用水力来完成矿井生产的采煤、运输、提升等生产环节的全部或部分工作的开采技术，物理流态化采煤方式可极大减少井下的巷道和井下作业人员的配置，煤炭开采成本低、采煤安全性高，物理流态化采煤通常在不稳定煤层、急倾斜煤层、复采煤层以及煤层赋存不规则的区域或块段中应用，只要煤层条件合适，就能充分发挥它的优势。

针对钻井物理流态化采煤技术，申请号为02129521.2的中国发明专利公开了一种无人下井钻孔水力采煤方法，其公开了在竖井中安装包括高压水通道、压缩空气通道、返渣筒的开采管柱和包括射流喷嘴、混合室及刮刀钻头的开采设备，利用开采管柱上下移动及转动、开采和破碎周围的煤体；在混合室注入压缩空气、产生气举，水、煤在吸渣口充分混合经返渣筒提升至地表。这种传统的利用竖井物理流态化采煤、并通过竖井原位提升水力切割下的煤岩混合物的方式，一方面，如该发明公开的开采管柱由直径大小不同的四层同心管子组成，高压水通道和压缩空气通道大大压缩了返渣筒的空间、且需保证密封效果，不仅存在开采装备及工艺复杂的问题，而且势必造成采煤竖井的钻孔直径尺寸较大、打设成本较高；另一方面，物理流态化采煤过程中无法同时对返渣筒进行提升，从而导致开采效率较低；再一方面，由于气体的可压缩性较强，且煤层及岩层中的裂隙数量和走向无法具体确定、无法保证绝对的密闭效果，因此采用气举提升煤炭的方式存在不稳定性，即水力切割下的煤岩混合物经返渣筒顶端的排渣口排出时，通常出现停滞或井喷等波动的不连续现象。

为解决上述问题，本申请人申请的申请号为201911037344.9的中国发明专利公开了一种流态化煤气同采系统及其同采方法，该流态化煤气同采系统包括物理流态化采煤部分、井底煤岩处理部分和煤岩输送部分，其中分置设置的物理流态化采煤部分与井底煤岩处理部分可以各自工作、互不影响，可以大大减小采煤竖井的钻孔直径尺寸，且井底煤岩处理部分设置在与煤岩输送部分的独立输送立起井贯通的底巷道内，采出的煤岩混合物可以通过井底煤岩处理部分和煤岩输送部分进行煤岩分离后的分类运输上井。但这种采煤方法仍需要在煤层底板中开掘底巷道、且底巷道内需要布置大量机械设备，存在需作业人员井下作业以及煤岩输送装备复杂、煤炭开采成本相对较高的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种无巷道地面钻井流态化采煤方法，能够在实现井下无人作业的前提下降低煤炭开采成本，特别适用于对松软煤层进行煤矿开采。

为实现上述目的，本无巷道地面钻井流态化采煤系统包括物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分；

所述的物理流态化采煤部分包括采煤竖井、高压输运管和高压射流器；自地面竖直打入的采煤竖井贯穿煤层设置；高压输运管穿入设置在采煤竖井内，且高压输运管的顶部夹持安装在输运管旋转装置上、并通过输运管旋转装置架设安装在采煤竖井的井口位置，高压输运管或输运管旋转装置上还设有输运管升降控制机构，高压输运管的内腔与高压注水管的输出端密封安装连接，高压注水管的输入端通过高压注水泵与储水罐密闭连通连接；高压射流器安装在高压输运管的底端、且高压射流器的喷射方向与煤层平行设置；

所述的煤岩混合物输送部分包括工艺斜井、煤岩混合物提升竖井和煤岩混合物输运管；自地面竖直打入的煤岩混合物提升竖井贯穿煤层设置、且煤岩混合物提升竖井的深度尺寸大于采煤竖井的深度尺寸，煤岩混合物提升竖井的底端设有煤岩混合物汇集仓；自地面打入的工艺斜井倾斜穿入地下、并与采煤竖井的底端与煤岩混合物汇集仓贯通连接，采煤竖井的底端与煤岩混合物汇集仓之间贯通形成煤岩混合物自流通道；煤岩混合物输运管穿入设置在煤岩混合物提升竖井内，煤岩混合物输运管的底端设有吸浆泵，煤岩混合物输运管的顶端与位于地面的沉淀池连接；

采煤方法具体包括以下步骤：

a.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，在地面施工开拓采煤竖井、煤岩混合物提升竖井和工艺斜井，在地面施工沉淀池、并布置高压注水泵和储水罐，根据煤岩混合物提升竖井的井深确定高压输运管的长度后，向煤岩混合物提升竖井中下入底端安装有高压射流器的高压输运管、并通过输运管旋转装置架设安装在煤岩混合物提升竖井的井口位置，将高压输运管连接高压注水管、并利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井底端造穴形成煤岩混合物汇集仓，然后撤除煤岩混合物提升竖井中的高压输运管以及输运管旋转装置；

b.开采准备：根据采煤竖井的井深确定高压输运管的长度后，向采煤竖井中下入底端安装有高压射流器的高压输运管，并使高压射流器位于煤层的埋深范围内，将高压输运管与输运管旋转装置安装连接后连接高压注水管；根据煤岩混合物提升竖井的井深确定煤岩混合物输运管的长度后，向煤岩混合物提升竖井中下入底端安装有吸浆泵的煤岩混合物输运管，并将与沉淀池连接的煤岩混合物输运管的顶端定位安装在煤岩混合物提升竖井的井口；

c.物理流态化采煤与煤岩混合物上井：操作人员先控制输运管升降控制机构使高压射流器下降至煤层的埋深范围下限位置，然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通过高压注水管和高压输运管输送至高压射流器、并经高压射流器的喷嘴喷射形成高压水射流，同时输运管旋转装置带动高压输运管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射流器一边旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至高压射流器上升至煤层的埋深范围上限位置，完成一次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使高压射流器上下往复移动，直至将开采范围内的煤层开采完毕；

物理流态化采煤过程中，被水力切割下的呈流态化的煤岩混合物依次经采煤竖井、煤岩混合物自流通道进入煤岩混合物汇集仓，操作人员启动吸浆泵后，煤岩混合物汇集仓内的煤岩混合物被提升至煤岩混合物提升竖井井口的沉淀池。

作为本发明的进一步改进方案，采煤竖井的顶部还设有与其贯通连接的瓦斯抽采斜孔，且瓦斯抽采斜孔的顶端通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接；步骤c物理流态化采煤过程中启动瓦斯抽采泵，煤壁暴露区域和已破碎煤粒释放出的瓦斯沿采煤竖井向上方移动、并经瓦斯抽采斜孔排出。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a中施工开拓采煤竖井、煤岩混合物提升竖井、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓的方式是先在地面施工开拓采煤竖井和煤岩混合物提升竖井，采用探地雷达探测法确定采煤竖井和煤岩混合物提升竖井的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井，然后利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井底端造穴形成煤岩混合物汇集仓；

或者步骤a中施工开拓采煤竖井、煤岩混合物提升竖井、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓的方式是先在地面施工开拓采煤竖井和煤岩混合物提升竖井，再利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井底端造穴形成煤岩混合物汇集仓，采用探地雷达探测法确定采煤竖井和煤岩混合物提升竖井的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井；

或者步骤a中施工开拓采煤竖井、煤岩混合物提升竖井、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓的方式是先在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井，再在地面对应开拓工艺斜井正上方的位置分别施工开拓与开拓工艺斜井贯通的采煤竖井和煤岩混合物提升竖井，然后利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井底端造穴形成煤岩混合物汇集仓。

作为本发明的进一步改进方案，高压射流器的底端还设有采煤破碎装置，采煤破碎装置包括竖直向下伸出设置的旋转破碎头和与旋转破碎头传动连接的旋转破碎驱动机构；步骤c完成一次开采过程后，控制输运管升降控制机构使高压射流器向下移动的过程中，启动旋转破碎驱动机构、直至采煤破碎装置下降至采煤竖井的底端。

作为本发明的进一步改进方案，采煤破碎装置的旋转破碎驱动机构是水涡轮驱动结构，水涡轮驱动结构包括水涡轮箱，水涡轮箱的压力水输入端通过控制阀与高压输运管连接；步骤c完成一次开采过程后，控制输运管升降控制机构使高压射流器向下移动的过程中，打开水涡轮驱动结构的压力水输入端上的控制阀，高压水进入水涡轮箱推动水涡轮输出旋转动力，带动旋转破碎头旋转作业。

作为本发明的进一步改进方案，位于煤岩混合物汇集仓内部的煤岩混合物输运管上还设有二次破碎及搅拌装置，二次破碎及搅拌装置包括旋转破碎搅拌头和与旋转破碎搅拌头传动连接的旋转破碎搅拌驱动机构；步骤c中启动吸浆泵的同时启动旋转破碎搅拌驱动机构，将位于煤岩混合物汇集仓内部的煤岩混合物进行二次破碎并搅拌。

作为本发明的进一步改进方案，工艺斜井的井口位置设有向工艺斜井内部伸入设置的高压注气管，且工艺斜井的井口与采煤竖井之间的工艺井段密闭封堵设置；步骤c物理流态化采煤过程中，通过高压注气管向工艺斜井内注入高压气体。

作为本发明的进一步改进方案，高压注气管伸入至煤岩混合物自流通道内部、且位于煤岩混合物自流通道内部的高压注气管管段上沿其周向及轴向方向均布设有多个出气孔、且出气孔向煤岩混合物汇集仓的方向倾斜设置；步骤a中在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井、使采煤竖井的底端与煤岩混合物提升竖井的底端贯通形成煤岩混合物自流通道后，下入配合煤岩混合物自流通道长度的高压注气管。

作为本发明的进一步改进方案，完成步骤c后通过采煤竖井进行充填：高压输运管上设有三通控制阀，三通控制阀的竖直方向设置的两路通路分别与高压输运管和高压射流器连通连接，三通控制阀的另一通路上安装有注浆嘴；无巷道地面钻井流态化采煤系统还包括充填部分，充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注水泵、注浆泵和安装在高压输运管上的胶囊注水管、封堵胶囊，封堵胶囊是套接定位安装在高压输运管上的环状密封袋结构，封堵胶囊包括分别紧贴设置在注浆嘴上方和下方的上封堵胶囊和下封堵胶囊，上封堵胶囊和下封堵胶囊之间通过连通管连通连接，上封堵胶囊与胶囊注水管的底端连通连接，胶囊注水管的顶端与胶囊注水泵的输出端密封安装连接，胶囊注水泵的输入端与储水罐连通连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与高压输运管的内腔密封安装连接，充填部分还包括胶囊复位结构；

步骤b中向采煤竖井中下入高压输运管之前，先根据煤层的埋深及厚度选择合适高度的上封堵胶囊和下封堵胶囊，并将上封堵胶囊、下封堵胶囊和胶囊注水管定位安装在高压输运管上；

步骤c进行前，先控制三通控制阀使高压输运管和高压射流器处于连通状态，物理流态化采煤过程中根据排出的煤岩混合物的总量换算采空区的体积数值；

完成步骤c后，关闭高压水泵和输运管旋转装置，操作人员根据煤层的厚度控制输运管升降控制机构使高压输运管上移或下移设定距离以保证上封堵胶囊和下封堵胶囊分别对应采煤竖井贯穿采空区的上止口位置和下止口位置，然后操作人员先控制三通控制阀使高压输运管和注浆嘴处于连通状态，再启动胶囊注水泵将上封堵胶囊和下封堵胶囊撑开支撑在采空区的上口位置和下口位置上，然后操作人员启动注浆泵，充填浆液经高压输运管、注浆嘴进入采空区进行充填；待注浆量达到根据采空区的体积数值设置的设定值后关闭注浆泵，然后启动高压水泵使储水罐中的水经高压水泵进入高压输运管、对高压输运管进行冲洗，将滞留在高压输运管内的充填浆液冲入采空区，至设定冲洗时间后关闭高压水泵、并控制三通控制阀使高压输运管和注浆嘴处于关闭状态；待采空区内的浆液凝固后，操作人员先控制胶囊复位结构使上封堵胶囊和下封堵胶囊进行排水复位、再向上提升高压输运管并取出。

作为本发明的进一步改进方案，完成步骤c后通过工艺斜井进行充填：完成步骤c后撤除高压输运管和煤岩混合物输运管，将注浆泵的输出端与高压注气管连接后，启动注浆泵向工艺斜井内注入充填浆液，实现采空区和煤岩混合物汇集仓的注浆充填。

与现有技术相比，本无巷道地面钻井流态化采煤系统采用定向钻技术将采煤竖井的底端与煤岩混合物提升竖井的底端贯通连接形成煤岩混合物自流通道，利用采煤竖井与煤岩混合物提升竖井之间的高度差实现被水力切割下的呈流态化的煤岩混合物在高压水的冲刷作用和自身重力作用下经煤岩混合物自流通道自流进入煤岩混合物汇集仓、并经吸浆泵泵压上井，且分置设置的物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分可以各自工作、互不影响，极大提高物理流态化采煤工艺的可靠性和开采效率、实现完全无作业人员井下作业的物理流态化采煤作业，采煤竖井、煤岩混合物自流通道和煤岩混合物提升竖井均可以实现相对于传统的物理流态化采煤立井实现相对较小的打设孔径，因此能够实现相对较低的煤炭开采成本；可以通过在高压射流器的底端设置采煤破碎装置实现避免被水力切割下的大块煤岩混合物堵塞采煤竖井的底端与煤岩混合物自流通道的贯通连接口；可以通过在煤岩混合物输运管的底部设置二次破碎及搅拌装置实现对煤岩混合物的进一步破碎、便于将煤岩混合物泵压上井；可以通过向工艺斜井内注入高压气体形成气顶的方式实现增加被水力切割下的煤岩混合物的流动性、避免在煤岩混合物自流通道内发生沉淀堵塞现象；可以通过设置充填部分实现在开采范围内的煤层开采完毕后对采空区的注浆充填，特别适用于对松软煤层进行煤矿开采。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明进行采空区充填时的结构示意图。

图中：1、采煤竖井；2、高压输运管；2-1、三通控制阀；2-2、注浆嘴；2-3、封堵胶囊；3、高压射流器；4、采煤破碎装置；5、煤岩混合物自流通道；5-1、高压注气管；6、煤岩混合物提升竖井；6-1、煤岩混合物汇集仓，7、煤岩混合物输运管；8、吸浆泵；9、二次破碎及搅拌装置；10、煤层。

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，本无巷道地面钻井流态化采煤系统包括物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分。

所述的物理流态化采煤部分包括采煤竖井1、高压输运管2和高压射流器3；自地面竖直打入的采煤竖井1贯穿煤层10设置；高压输运管2穿入设置在采煤竖井1内，且高压输运管2的顶部夹持安装在输运管旋转装置上、并通过输运管旋转装置架设安装在采煤竖井1的井口位置，高压输运管2或输运管旋转装置上还设有输运管升降控制机构，输运管升降控制机构可以是配合的螺旋升降结构、也可以是液压缸升降结构等其他升降结构，高压输运管2的内腔通过滑环结构与高压注水管的输出端密封安装连接，高压注水管的输入端通过高压注水泵与储水罐密闭连通连接；高压射流器3安装在高压输运管2的底端、且高压射流器3的喷射方向与煤层10平行设置。

所述的煤岩混合物输送部分包括工艺斜井、煤岩混合物提升竖井6和煤岩混合物输运管7；自地面竖直打入的煤岩混合物提升竖井6贯穿煤层10设置、且煤岩混合物提升竖井6的深度尺寸大于采煤竖井1的深度尺寸，煤岩混合物提升竖井6的底端设有煤岩混合物汇集仓6-1；自地面打入的工艺斜井倾斜穿入地下、并与采煤竖井1的底端与煤岩混合物汇集仓6-1贯通连接，采煤竖井1的底端与煤岩混合物汇集仓6-1之间贯通形成煤岩混合物自流通道5；煤岩混合物输运管7穿入设置在煤岩混合物提升竖井6内，煤岩混合物输运管7的底端设有吸浆泵8，煤岩混合物输运管7的顶端与位于地面的沉淀池连接。

利用本无巷道地面钻井流态化采煤系统进行开采作业前，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，在地面施工开拓采煤竖井1、煤岩混合物提升竖井6和工艺斜井，在地面施工沉淀池、并布置高压注水泵和储水罐，根据煤岩混合物提升竖井6的井深确定高压输运管2的长度后，向煤岩混合物提升竖井6中下入底端安装有高压射流器3的高压输运管2、并通过输运管旋转装置架设安装在煤岩混合物提升竖井6的井口位置，将高压输运管2连接高压注水管、并利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井6底端造穴形成煤岩混合物汇集仓6-1，然后撤除煤岩混合物提升竖井6中的高压输运管2以及输运管旋转装置。建井施工的方式可以先在地面施工开拓采煤竖井1和煤岩混合物提升竖井6，采用探地雷达探测法确定采煤竖井1和煤岩混合物提升竖井6的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井、使采煤竖井1的底端与煤岩混合物提升竖井6的底端贯通形成煤岩混合物自流通道5，然后通过高压输运管2和高压射流器3在煤岩混合物提升竖井6底端利用高压水射流造穴形成煤岩混合物汇集仓6-1；建井施工的方式也可以先在地面施工开拓采煤竖井1和煤岩混合物提升竖井6，再通过高压输运管2和高压射流器3在煤岩混合物提升竖井6底端利用高压水射流造穴形成煤岩混合物汇集仓6-1，采用探地雷达探测法确定采煤竖井1和煤岩混合物提升竖井6的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井、使采煤竖井1的底端与煤岩混合物汇集仓6-1贯通形成煤岩混合物自流通道5；建井施工的方式也可以先在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井，再在地面对应开拓工艺斜井正上方的位置分别施工开拓与开拓工艺斜井贯通的采煤竖井1和煤岩混合物提升竖井6、使采煤竖井1的底端与煤岩混合物提升竖井6的底端贯通形成煤岩混合物自流通道5，然后通过高压输运管2和高压射流器3在煤岩混合物提升竖井6底端利用高压水射流造穴形成煤岩混合物汇集仓6-1。

开采准备：根据采煤竖井1的井深确定高压输运管2的长度后，向采煤竖井1中下入底端安装有高压射流器3的高压输运管2，并使高压射流器3位于煤层10的埋深范围内，将高压输运管2与输运管旋转装置安装连接后连接高压注水管；根据煤岩混合物提升竖井6的井深确定煤岩混合物输运管7的长度后，向煤岩混合物提升竖井6中下入并安装底端安装有吸浆泵8的煤岩混合物输运管7，并将与沉淀池连接的煤岩混合物输运管7的顶端定位安装在煤岩混合物提升竖井6的井口。

物理流态化采煤与煤岩混合物上井：操作人员先控制输运管升降控制机构使高压射流器3下降至煤层10的埋深范围下限位置，然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注水管和高压输运管2输送至高压射流器3、并经高压射流器3的喷嘴喷射形成高压水射流，同时输运管旋转装置带动高压输运管2旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层10，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压射流器3一边旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至高压射流器3上升至煤层10的埋深范围上限位置，即完成一次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使高压射流器3上下往复移动，直至将开采范围内的煤层10开采完毕；物理流态化采煤过程中，被水力切割下的煤岩混合物在高压水的冲刷作用和自身重力作用下呈流态化经采煤竖井1的底端进入煤岩混合物自流通道5、并经煤岩混合物自流通道5进入煤岩混合物汇集仓6-1，操作人员启动吸浆泵8后，煤岩混合物汇集仓6-1内的煤岩混合物被提升至煤岩混合物提升竖井6的井口沉淀池，即可在地面进行后续的煤岩分离，实现完全无作业人员井下作业的物理流态化采煤作业，沉淀池中的水通过水净化泵送装置后可输送至储水罐中进行循环利用。

针对煤与瓦斯易突出的松软煤层，为了实现抽采突出煤层的瓦斯，作为本发明的进一步改进方案，采煤竖井1的顶部还设有与其贯通连接的瓦斯抽采斜孔、且瓦斯抽采斜孔的顶端通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接。物理流态化采煤过程中，煤壁暴露区域和已破碎煤粒释放出的瓦斯可在瓦斯抽采泵的负压作用下沿采煤竖井1向上方移动、并经瓦斯抽采斜孔排出，实现煤与瓦斯的同采。

为了避免被水力切割下的大块煤岩混合物堵塞采煤竖井1的底端与煤岩混合物自流通道5的贯通连接口，作为本发明的进一步改进方案，高压射流器3的底端还设有采煤破碎装置4，采煤破碎装置4包括竖直向下伸出设置的旋转破碎头和与旋转破碎头传动连接的旋转破碎驱动机构，旋转破碎头可以是与采煤竖井1内径尺寸配合的单个旋转破岩动力头结构、也可以是多个联动连接的旋转破岩钻头结构等其他旋转破碎结构，旋转破碎驱动机构可以是具有独立动力源的液压驱动结构或电控驱动结构、也可以是利用压力水的水涡轮驱动结构，水涡轮驱动结构的水涡轮箱的压力水输入端可通过控制阀与高压输运管2连接，通过控制旋转破碎驱动机构动作可以实现驱动旋转破碎头旋转进行破碎。物理流态化采煤过程中，完成一次开采过程后控制输运管升降控制机构使高压射流器3向下移动的过程中，可启动旋转破碎驱动机构、并控制输运管升降控制机构使采煤破碎装置4下降至采煤竖井1的底端，进而可以实现将位于采煤竖井1底部的大块煤岩混合物破碎、避免堵塞。

为了实现对煤岩混合物的进一步破碎、便于将煤岩混合物泵压上井，作为本发明的进一步改进方案，煤岩混合物输运管7的底部、位于煤岩混合物汇集仓6-1内部的管段上还设有二次破碎及搅拌装置9，二次破碎及搅拌装置9包括旋转破碎搅拌头和与旋转破碎搅拌头传动连接的旋转破碎搅拌驱动机构，旋转破碎搅拌头可以是如采煤破碎装置4的单个旋转破岩动力头结构、也可以是包括多个周向回转搅拌杆和分别安装在多个周向回转搅拌杆上的破岩刀头结构等其他旋转破碎搅拌结构，旋转破碎搅拌驱动机构可以是具有独立动力源的液压驱动结构或电控驱动结构、也可以是与吸浆泵8共用同一个驱动动力源的结构，启动吸浆泵8的同时可以启动旋转破碎搅拌驱动机构，可以实现将位于煤岩混合物汇集仓6-1内部的煤岩混合物进行二次破碎并搅拌，可避免堵塞吸浆泵8的同时便于吸浆泵8的泵压。

为了保证足够的提升泵压力，作为本发明的进一步改进方案，煤岩混合物输运管7上可设置多个增加泵。

为了进一步增加被水力切割下的煤岩混合物的流动性、避免在煤岩混合物自流通道5内发生沉淀堵塞现象，可以适当加大采煤竖井1与煤岩混合物提升竖井6之间的高度差以获得煤岩混合物较大的势能，也可以采用气顶的方式，即，工艺斜井的井口位置设有向工艺斜井内部伸入设置的高压注气管5-1、且工艺斜井的井口与采煤竖井1之间的工艺井段密闭封堵设置，工艺斜井的井口与采煤竖井1之间的工艺井段的密闭封堵方式，可以是在工艺斜井的井口通过密闭井盖进行密闭封堵的方式，也可以是在工艺斜井的井口与采煤竖井1之间的工艺井段内设置密封胶囊进行密闭封堵的方式。物理流态化采煤过程中，自工艺斜井的井口位置通过高压注气管5-1向工艺斜井内注入高压气体，位于煤岩混合物自流通道5内的煤岩混合物可在高压气体的压力推动作用下涌向煤岩混合物汇集仓6-1，同时经采煤竖井1的底端进入煤层10采空区域的高压气体也可推动煤层10采空区域内的被水力切割下的煤岩混合物涌入煤岩混合物自流通道5。

为了进一步实现更好的气压推动效果、避免在煤岩混合物自流通道5内发生沉淀堵塞现象，作为本发明的进一步改进方案，高压注气管5-1伸入至煤岩混合物自流通道5内部、且位于煤岩混合物自流通道5内部的高压注气管5-1管段上沿其周向及轴向方向均布设有多个出气孔、且出气孔向煤岩混合物汇集仓6-1的方向倾斜设置，可以在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井、使采煤竖井1的底端与煤岩混合物提升竖井6的底端贯通形成煤岩混合物自流通道5后即下入配合煤岩混合物自流通道5长度的高压注气管5-1，物理流态化采煤过程中，自出气孔喷出的高压气体可有效防止位于煤岩混合物自流通道5内部的煤岩混合物发生沉淀现象。

将开采范围内的煤层10开采完毕后，为了实现对采空区的充填，作为本发明的一种实施方式，通过采煤竖井1进行充填，即，如图2所示，高压输运管2上设有三通控制阀2-1，三通控制阀2-1的竖直方向设置的两路通路分别与高压输运管2和高压射流器3连通连接，三通控制阀2-1的另一通路上安装有注浆嘴2-2，注浆嘴2-2可以沿高压输运管2的周向方向设置为多个、且多个注浆嘴2-2互相贯通设置；本无巷道地面钻井流态化采煤系统还包括充填部分，充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注水泵、注浆泵和安装在高压输运管2上的胶囊注水管、封堵胶囊2-3，封堵胶囊2-3是套接定位安装在高压输运管2上的环状密封袋结构，封堵胶囊2-3包括分别紧贴设置在注浆嘴2-2上方和下方的上封堵胶囊和下封堵胶囊，上封堵胶囊和下封堵胶囊之间通过连通管连通连接，上封堵胶囊与胶囊注水管的底端连通连接，胶囊注水管的顶端通过滑环结构与胶囊注水泵的输出端密封安装连接，胶囊注水泵的输入端与储水罐连通连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与高压输运管2的内腔密封安装连接，充填部分还包括胶囊复位结构，胶囊复位结构可以是设置在地面的胶囊排水泵、且胶囊排水泵的输入端通过滑环结构与胶囊注水管的顶端密封安装连接，通过控制胶囊排水泵的负压吸水实现封堵胶囊2-3的排水复位，胶囊复位结构也可以是设置在下封堵胶囊底端的排水嘴、且排水嘴上设有可控制排水嘴通断的封堵控制结构，封堵控制结构可以采用电控阀门封堵控制结构、也可以采用封堵胶塞进行封堵的机械式封堵控制结构等结构；沉淀池中的煤岩混合物进行煤岩分离后的岩粉可以通过泥浆输送机与浆液搅拌站的输入端连接，即将煤岩混合物中的岩粉进行分离后重新注入采空区。

进行地面施工时，向采煤竖井1中下入高压输运管2之前，先根据煤层10的埋深及厚度选择合适高度的上封堵胶囊和下封堵胶囊，并将上封堵胶囊、下封堵胶囊和胶囊注水管定位安装在高压输运管2上，为了防止因高压输运管2的旋转而造成封堵胶囊2-3与采煤竖井1内壁发生剐蹭、进而造成封堵胶囊2-3的损伤，可以将封堵胶囊2-3通过适当韧性的柔性绳捆绑在高压输运管2上，完成安装后再向采煤竖井1中下入高压输运管2；控制三通控制阀2-1使高压输运管2和高压射流器3处于连通状态，即可进行物理流态化采煤，物理流态化采煤过程中可以根据排出的煤岩混合物的总量换算采空区的体积数值；在将可开采范围内的煤全部采出后，关闭高压水泵和输运管旋转装置，然后操作人员根据煤层10的厚度控制输运管升降控制机构使高压输运管2上移或下移设定距离以保证上封堵胶囊和下封堵胶囊分别对应采煤竖井1贯穿采空区的上止口位置和下止口位置，然后操作人员先控制三通控制阀2-1使高压输运管2和注浆嘴2-2处于连通状态，再启动胶囊注水泵，压力水经胶囊注水管进入上封堵胶囊和下封堵胶囊、并将上封堵胶囊和下封堵胶囊分别撑开支撑在采空区的上口位置和下口位置上实现封堵，然后操作人员启动注浆泵，充填浆液即经高压输运管2、注浆嘴2-2进入采空区，实现注浆充填，待注浆量达到根据采空区的体积数值设置的设定值后关闭注浆泵，然后启动高压水泵使储水罐中的水经高压水泵进入高压输运管2、对高压输运管2进行冲洗，将滞留在高压输运管2内的充填浆液冲入采空区、可以避免高压输运管2内存在浆液凝固现象，至设定冲洗时间后关闭高压水泵、并控制三通控制阀2-1使高压输运管2和注浆嘴2-2处于关闭状态；待采空区内的浆液凝固后，操作人员控制胶囊复位结构使上封堵胶囊和下封堵胶囊进行排水复位，由于上封堵胶囊和下封堵胶囊套接设置在注浆嘴2-2上方和下方，因此形成的浆液凝固体较薄，可直接向上提升高压输运管2并取出即可。

将开采范围内的煤层10开采完毕后，为了实现对采空区的充填，作为本发明的另一种实施方式，通过工艺斜井进行充填，即，将开采范围内的煤层10开采完毕后，撤除高压输运管2和煤岩混合物输运管7，将注浆泵的输出端与高压注气管5-1连接后，启动注浆泵向工艺斜井内注入充填浆液，利用连通器原理实现采空区和煤岩混合物汇集仓6-1的注浆充填，为了增加充填浆液的流动性、便于充填浆液流入采空区和煤岩混合物汇集仓6-1，可采用注浆与高压注气依次顺序注入的方式，通过工艺斜井进行充填可以不用等待浆液凝固而直接撤除高压输运管2和煤岩混合物输运管7。

为了进一步降低开采成本，可以根据煤层10的走向在煤岩混合物提升竖井6周围设置多个共用同一个煤岩混合物自流通道5的采煤竖井1。

本无巷道地面钻井流态化采煤系统采用定向钻技术将采煤竖井1的底端与煤岩混合物提升竖井6的底端贯通连接形成煤岩混合物自流通道5，利用采煤竖井1与煤岩混合物提升竖井6之间的高度差实现被水力切割下的呈流态化的煤岩混合物在高压水的冲刷作用和自身重力作用下经煤岩混合物自流通道5自流进入煤岩混合物汇集仓6-1、并经吸浆泵8泵压上井，且分置设置的物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分可以各自工作、互不影响，极大提高物理流态化采煤工艺的可靠性和开采效率、实现完全无作业人员井下作业的物理流态化采煤作业，采煤竖井1、煤岩混合物自流通道5和煤岩混合物提升竖井6均可以实现相对于传统的物理流态化采煤立井实现相对较小的打设孔径，因此能够实现相对较低的煤炭开采成本；可以通过在高压射流器3的底端设置采煤破碎装置4实现避免被水力切割下的大块煤岩混合物堵塞采煤竖井1的底端与煤岩混合物自流通道5的贯通连接口；可以通过在煤岩混合物输运管7的底部设置二次破碎及搅拌装置9实现对煤岩混合物的进一步破碎、便于将煤岩混合物泵压上井；可以通过向工艺斜井内注入高压气体形成气顶的方式实现增加被水力切割下的煤岩混合物的流动性、避免在煤岩混合物自流通道5内发生沉淀堵塞现象；可以通过设置充填部分实现在开采范围内的煤层10开采完毕后对采空区的注浆充填，特别适用于对松软煤层进行煤矿开采。

Claims (10)

1.一种无巷道地面钻井流态化采煤方法，所使用的无巷道地面钻井流态化采煤系统包括物理流态化采煤部分和煤岩混合物输送部分；

所述的物理流态化采煤部分包括采煤竖井(1)、高压输运管(2)和高压射流器(3)；自地面竖直打入的采煤竖井(1)贯穿煤层(10)设置；高压输运管(2)穿入设置在采煤竖井(1)内，且高压输运管(2)的顶部夹持安装在输运管旋转装置上、并通过输运管旋转装置架设安装在采煤竖井(1)的井口位置，高压输运管(2)或输运管旋转装置上还设有输运管升降控制机构，高压输运管(2)的内腔与高压注水管的输出端密封安装连接，高压注水管的输入端通过高压注水泵与储水罐密闭连通连接；高压射流器(3)安装在高压输运管(2)的底端、且高压射流器(3)的喷射方向与煤层(10)平行设置；

所述的煤岩混合物输送部分包括工艺斜井、煤岩混合物提升竖井(6)和煤岩混合物输运管(7)；自地面竖直打入的煤岩混合物提升竖井(6)贯穿煤层(10)设置、且煤岩混合物提升竖井(6)的深度尺寸大于采煤竖井(1)的深度尺寸，煤岩混合物提升竖井(6)的底端设有煤岩混合物汇集仓(6-1)；自地面打入的工艺斜井倾斜穿入地下、并与采煤竖井(1)的底端与煤岩混合物汇集仓(6-1)贯通连接，采煤竖井(1)的底端与煤岩混合物汇集仓(6-1)之间贯通形成煤岩混合物自流通道(5)；煤岩混合物输运管(7)穿入设置在煤岩混合物提升竖井(6)内，煤岩混合物输运管(7)的底端设有吸浆泵(8)，煤岩混合物输运管(7)的顶端与位于地面的沉淀池连接；

其特征在于，采煤方法具体包括以下步骤：

a.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，在地面施工开拓采煤竖井(1)、煤岩混合物提升竖井(6)和工艺斜井，在地面施工沉淀池、并布置高压注水泵和储水罐，根据煤岩混合物提升竖井(6)的井深确定高压输运管(2)的长度后，向煤岩混合物提升竖井(6)中下入底端安装有高压射流器(3)的高压输运管(2)、并通过输运管旋转装置架设安装在煤岩混合物提升竖井(6)的井口位置，将高压输运管(2)连接高压注水管、并利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井(6)底端造穴形成煤岩混合物汇集仓(6-1)，然后撤除煤岩混合物提升竖井(6)中的高压输运管(2)以及输运管旋转装置；

b.开采准备：根据采煤竖井(1)的井深确定高压输运管(2)的长度后，向采煤竖井(1)中下入底端安装有高压射流器(3)的高压输运管(2)，并使高压射流器(3)位于煤层(10)的埋深范围内，将高压输运管(2)与输运管旋转装置安装连接后连接高压注水管；根据煤岩混合物提升竖井(6)的井深确定煤岩混合物输运管(7)的长度后，向煤岩混合物提升竖井(6)中下入底端安装有吸浆泵(8)的煤岩混合物输运管(7)，并将与沉淀池连接的煤岩混合物输运管(7)的顶端定位安装在煤岩混合物提升竖井(6)的井口；

c.物理流态化采煤与煤岩混合物上井：操作人员先控制输运管升降控制机构使高压射流器(3)下降至煤层(10)的埋深范围下限位置，然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通过高压注水管和高压输运管(2)输送至高压射流器(3)、并经高压射流器(3)的喷嘴喷射形成高压水射流，同时输运管旋转装置带动高压输运管(2)旋转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层(10)，然后操作人员控制输运管升降控制机构使高压射流器(3)一边旋转、一边按设定的速度匀速上升，直至高压射流器(3)上升至煤层(10)的埋深范围上限位置，完成一次开采过程；依次类推，控制输运管升降控制机构使高压射流器(3)上下往复移动，直至将开采范围内的煤层(10)开采完毕；

物理流态化采煤过程中，被水力切割下的呈流态化的煤岩混合物依次经采煤竖井(1)、煤岩混合物自流通道(5)进入煤岩混合物汇集仓(6-1)，操作人员启动吸浆泵(8)后，煤岩混合物汇集仓(6-1)内的煤岩混合物被提升至煤岩混合物提升竖井(6)井口的沉淀池。

2.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，采煤竖井(1)的顶部还设有与其贯通连接的瓦斯抽采斜孔，且瓦斯抽采斜孔的顶端通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接；

步骤c物理流态化采煤过程中启动瓦斯抽采泵，煤壁暴露区域和已破碎煤粒释放出的瓦斯沿采煤竖井(1)向上方移动、并经瓦斯抽采斜孔排出。

3.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，步骤a中施工开拓采煤竖井(1)、煤岩混合物提升竖井(6)、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓(6-1)的方式是先在地面施工开拓采煤竖井(1)和煤岩混合物提升竖井(6)，采用探地雷达探测法确定采煤竖井(1)和煤岩混合物提升竖井(6)的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井，然后利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井(6)底端造穴形成煤岩混合物汇集仓(6-1)；

或者步骤a中施工开拓采煤竖井(1)、煤岩混合物提升竖井(6)、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓(6-1)的方式是先在地面施工开拓采煤竖井(1)和煤岩混合物提升竖井(6)，再利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井(6)底端造穴形成煤岩混合物汇集仓(6-1)，采用探地雷达探测法确定采煤竖井(1)和煤岩混合物提升竖井(6)的井深方位后，再在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井；

或者步骤a中施工开拓采煤竖井(1)、煤岩混合物提升竖井(6)、工艺斜井和煤岩混合物汇集仓(6-1)的方式是先在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井，再在地面对应开拓工艺斜井正上方的位置分别施工开拓与开拓工艺斜井贯通的采煤竖井(1)和煤岩混合物提升竖井(6)，然后利用高压水射流在煤岩混合物提升竖井(6)底端造穴形成煤岩混合物汇集仓(6-1)。

4.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，高压射流器(3)的底端还设有采煤破碎装置(4)，采煤破碎装置(4)包括竖直向下伸出设置的旋转破碎头和与旋转破碎头传动连接的旋转破碎驱动机构；

步骤c完成一次开采过程后，控制输运管升降控制机构使高压射流器(3)向下移动的过程中，启动旋转破碎驱动机构、直至采煤破碎装置(4)下降至采煤竖井(1)的底端。

5.根据权利要求4所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，采煤破碎装置(4)的旋转破碎驱动机构是水涡轮驱动结构，水涡轮驱动结构包括水涡轮箱，水涡轮箱的压力水输入端通过控制阀与高压输运管(2)连接；

步骤c完成一次开采过程后，控制输运管升降控制机构使高压射流器(3)向下移动的过程中，打开水涡轮驱动结构的压力水输入端上的控制阀，高压水进入水涡轮箱推动水涡轮输出旋转动力，带动旋转破碎头旋转作业。

6.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，位于煤岩混合物汇集仓(6-1)内部的煤岩混合物输运管(7)上还设有二次破碎及搅拌装置(9)，二次破碎及搅拌装置(9)包括旋转破碎搅拌头和与旋转破碎搅拌头传动连接的旋转破碎搅拌驱动机构；

步骤c中启动吸浆泵(8)的同时启动旋转破碎搅拌驱动机构，将位于煤岩混合物汇集仓(6-1)内部的煤岩混合物进行二次破碎并搅拌。

7.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，工艺斜井的井口位置设有向工艺斜井内部伸入设置的高压注气管(5-1)，且工艺斜井的井口与采煤竖井(1)之间的工艺井段密闭封堵设置；

步骤c物理流态化采煤过程中，通过高压注气管(5-1)向工艺斜井内注入高压气体。

8.根据权利要求7所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，高压注气管(5-1)伸入至煤岩混合物自流通道(5)内部，位于煤岩混合物自流通道(5)内部的高压注气管(5-1)管段上沿其周向及轴向方向均布设有多个出气孔、且出气孔向煤岩混合物汇集仓(6-1)的方向倾斜设置；

步骤a中在地面采用定向钻施工开拓工艺斜井、使采煤竖井(1)的底端与煤岩混合物提升竖井(6)的底端贯通形成煤岩混合物自流通道(5)后，下入配合煤岩混合物自流通道(5)长度的高压注气管(5-1)。

9.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，完成步骤c后通过采煤竖井(1)进行充填：高压输运管(2)上设有三通控制阀(2-1)，三通控制阀(2-1)的竖直方向设置的两路通路分别与高压输运管(2)和高压射流器(3)连通连接，三通控制阀(2-1)的另一通路上安装有注浆嘴(2-2)；无巷道地面钻井流态化采煤系统还包括充填部分，充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注水泵、注浆泵和安装在高压输运管(2)上的胶囊注水管、封堵胶囊(2-3)，封堵胶囊(2-3)是套接定位安装在高压输运管(2)上的环状密封袋结构，封堵胶囊(2-3)包括分别紧贴设置在注浆嘴(2-2)上方和下方的上封堵胶囊和下封堵胶囊，上封堵胶囊和下封堵胶囊之间通过连通管连通连接，上封堵胶囊与胶囊注水管的底端连通连接，胶囊注水管的顶端与胶囊注水泵的输出端密封安装连接，胶囊注水泵的输入端与储水罐连通连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与高压输运管(2)的内腔密封安装连接，充填部分还包括胶囊复位结构；

步骤b中向采煤竖井(1)中下入高压输运管(2)之前，先根据煤层(10)的埋深及厚度选择合适高度的上封堵胶囊和下封堵胶囊，并将上封堵胶囊、下封堵胶囊和胶囊注水管定位安装在高压输运管(2)上；

步骤c进行前，先控制三通控制阀(2-1)使高压输运管(2)和高压射流器(3)处于连通状态，物理流态化采煤过程中根据排出的煤岩混合物的总量换算采空区的体积数值；

完成步骤c后，关闭高压水泵和输运管旋转装置，操作人员根据煤层(10)的厚度控制输运管升降控制机构使高压输运管(2)上移或下移设定距离以保证上封堵胶囊和下封堵胶囊分别对应采煤竖井(1)贯穿采空区的上止口位置和下止口位置，然后操作人员先控制三通控制阀(2-1)使高压输运管(2)和注浆嘴(2-2)处于连通状态，再启动胶囊注水泵将上封堵胶囊和下封堵胶囊撑开支撑在采空区的上口位置和下口位置上，然后操作人员启动注浆泵，充填浆液经高压输运管(2)、注浆嘴(2-2)进入采空区进行充填；待注浆量达到根据采空区的体积数值设置的设定值后关闭注浆泵，然后启动高压水泵使储水罐中的水经高压水泵进入高压输运管(2)、对高压输运管(2)进行冲洗，将滞留在高压输运管(2)内的充填浆液冲入采空区，至设定冲洗时间后关闭高压水泵、并控制三通控制阀(2-1)使高压输运管(2)和注浆嘴(2-2)处于关闭状态；待采空区内的浆液凝固后，操作人员先控制胶囊复位结构使上封堵胶囊和下封堵胶囊进行排水复位、再向上提升高压输运管(2)并取出。

10.根据权利要求1所述的无巷道地面钻井流态化采煤方法，其特征在于，完成步骤c后通过工艺斜井进行充填：完成步骤c后，撤除高压输运管(2)和煤岩混合物输运管(7)，将注浆泵的输出端与高压注气管(5-1)连接后，启动注浆泵向工艺斜井内注入充填浆液，实现采空区和煤岩混合物汇集仓(6-1)的注浆充填。

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