CN113431494A - 一种直井周向扫略流态化采煤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直井周向扫略流态化采煤系统，包括煤层定向钻孔部分和流态化采煤部分。本发明的高压输运管包括利用电流变液或磁流变液特性、通过电极组件或电磁线圈组件控制呈刚性管状态或柔性管状态的水力切割段，在利用采煤竖井水力采煤和利用煤层底部的运煤巷道输运煤炭上井技术方案的基础上，利用定向钻技术对应采煤竖井自地面施工开拓沿煤层走向直线延伸的煤层定向钻孔、并将煤层定向钻孔作为水力切割段伸入煤层的长度基础，采用输运管弯折装置配合控制电极组件或电磁线圈组件的方式使水力切割段弯折并通过自进式牵引喷头牵引进入煤层定向钻孔，能够实现大大提高地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围。

Description

一种直井周向扫略流态化采煤系统

技术领域

本发明涉及一种流态化采煤系统，具体是一种适用于对地下易突出、安全风险高的近水平煤层进行煤炭开采的直井周向扫略流态化采煤系统，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，虽然近年来我国煤炭占能源生产和消费的比重持续下降，但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。这种传统的井工开采方式一方面基建投资巨大、岩土工程量巨大、煤炭开采成本高；另一方面，随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力、瓦斯含量及瓦斯压力均会不断增大，虽然目前已实现机械化采煤，而井下设备安装、设备操作等作业环节仍需大量的作业人员，进而会存在较大的煤矿开采安全隐患；再一方面，井下机械化采煤法开采设备具有一定的局限性，不可避免产生一部分遗煤，进而会造成煤炭资源浪费。

现有技术中出现基于钻孔技术和水力学原理之上的煤炭开采新方法——钻孔水力采煤技术。钻孔水力采煤技术是通过高压水泵产生的高压水经喷头聚集为高压水射流，通过钻孔利用高压水射流将矿石切割、破碎并在工作面形成矿浆经钻孔提升到地表，送选厂加工处理的采煤方法。目前钻孔水力采煤方法大体可分为三种类型：基于井下作业的井工钻孔采煤方式、基于地面作业的地面钻孔采煤方式以及基于井下钻孔水力采煤和煤与瓦斯突出现象的气液脉冲采煤方式，其中操作人员在地面操作钻孔内的高压水射流进行落煤的地面钻孔采煤方式具有安全性高、基建费用低、适应性强、布置灵活、可使用循环水实现清洁生产等优点，是目前主要推广的钻孔水力采煤方式。

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依然会随着喷射距离的增加而逐渐衰减，因此通常地面钻孔采煤方式的单个钻井的实际采煤区域范围较小、一般实际采煤范围为直径2～5m的圆柱形区域，这就造成地面钻孔采煤方式的单个采煤钻井实际采煤区域范围有限、单井采煤量小，因此在煤层走向范围内的地面上通常需打设较多的采煤钻井、通过多井布置方能完成煤层走向范围的大范围开采，不仅施工工程量相对较大、开采效率降低，而且多个采煤钻井之间不可避免地会存在一定的遗煤。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种直井周向扫略流态化采煤系统，能够实现大大提高地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，提高采煤效率的同时大大减小采煤钻井施工工程量，特别适用于对地下易突出、安全风险高的近水平煤层进行煤矿开采。

为实现上述目的，本直井周向扫略流态化采煤系统包括煤层定向钻孔部分和流态化采煤部分；

所述的煤层定向钻孔部分包括煤层定向钻孔，自地面打设的煤层定向钻孔造斜穿入煤层、并沿煤层走向直线延伸；

所述的流态化采煤部分包括采煤竖井、高压输运管、输运管回转装置、输运管弯折装置和自进式牵引喷头；

对应煤层定向钻孔的走向自地面竖直打入的采煤竖井贯穿煤层设置、且采煤竖井与煤层定向钻孔贯通设置，采煤竖井的底端向下延伸与位于煤层下方的运煤巷道贯通设置；

穿入设置在采煤竖井内的高压输运管包括上下密闭安装连接的刚性管结构的回转支撑段和柔性管结构的水力切割段，回转支撑段的顶部夹持安装在输运管回转装置上、并通过输运管回转装置架设安装在采煤竖井的井口位置，回转支撑段或输运管回转装置上还设有输运管升降控制机构，水力切割段包括同轴设置的内管和外管，内管和外管之间沿高压输运管的轴向方向均布间隔设有多个密封定位支撑环，密封定位支撑环内沿其径向方向设有多个高压水通道、且多个高压水通道沿密封定位支撑环的周向方向均布设置，高压水通道贯穿内管的管壁和外管的管壁、且高压水通道内设有通过电控阀控制启闭的水射流喷嘴，相邻两个密封定位支撑环之间形成密闭的变液容纳空间，每个变液容纳空间内密闭注满电流变液或磁流变液，内管的外表面上、或外管的内表面上、或密封定位支撑环的端面上对应每个变液容纳空间的位置均设有电极组件或电磁线圈组件，内管的内腔与回转支撑段的内腔连通连接，回转支撑段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；

输运管弯折装置套接在高压输运管的水力切割段上，输运管弯折装置包括支撑架、定位夹持辊、弯折夹持辊、弯折驱动部件和定位回转机构；定位夹持辊和弯折夹持辊的辊轴平行设置、且定位夹持辊和弯折夹持辊的辊轮面上均设有与高压输运管的外径尺寸配合的凹环结构，定位夹持辊相对于高压输运管左右对称设置为两件、且两件定位夹持辊滚动配合定位安装在支撑架上，两件定位夹持辊的凹环结构之间形成可允许高压输运管穿过的定位夹持空间，弯折夹持辊滚动配合安装在支撑架上、且弯折夹持辊对应位于定位夹持辊的正下方，设置在定位夹持辊的辊轴与弯折夹持辊的辊轴之间的、或者设置在弯折夹持辊的辊轴与支撑架之间的摆动弯折驱动部件用于控制弯折夹持辊的辊轴相对于定位夹持辊的辊轴转位摆动；整体呈轴套结构的定位回转机构设置在支撑架上方，定位回转机构包括通过回转支承连接的上定位部和下回转部，上定位部上设有径向伸缩定位结构，下回转部与支撑架固定安装连接，定位回转机构的上定位部用于将输运管弯折装置整体定位在采煤竖井内；

自进式牵引喷头同轴固定安装在高压输运管的底端，自进式牵引喷头上设有多个向自进式牵引喷头钻进方向的斜后方喷射的喷口、且喷口与内管连通连接，自进式牵引喷头上还设有用于探测煤层定向钻孔方位的位置传感器。

作为本发明的进一步改进方案，弯折夹持辊相对于高压输运管左右对称设置为两件，两件弯折夹持辊的凹环结构之间形成可允许高压输运管穿过的定位夹持空间。

作为本发明的进一步改进方案，支撑架包括上下铰接连接的上支撑架和下支撑架，相对于高压输运管左右对称设置为两件的定位夹持辊设置在上支撑架上、相对于高压输运管左右对称设置为两件的弯折夹持辊对应设置在下支撑架上，摆动弯折驱动部件设置在定位夹持辊的辊轴与弯折夹持辊的辊轴之间、或者摆动弯折驱动部件设置在定位夹持辊的辊轴与下支撑架之间、或者摆动弯折驱动部件设置在弯折夹持辊的辊轴与上支撑架之间、或者摆动弯折驱动部件设置在上支撑架和下支撑架之间。

作为本发明的进一步改进方案，输运管弯折装置包括上下依次铰接连接的多组支撑架，每组支撑架的下支撑架与下方相邻的支撑架的上支撑架之间也设置弯折驱动部件，定位回转机构的下回转部与位于最上层的支撑架的上支撑架固定安装连接。

作为本发明的进一步改进方案，直井周向扫略流态化采煤系统还包括瓦斯抽采部分，瓦斯抽采部分包括设置在采煤竖井井口位置的瓦斯抽采泵，采煤竖井的顶部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；或者瓦斯抽采部分包括设置在煤层定向钻孔孔口位置的瓦斯抽采泵，煤层定向钻孔的孔口通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接。

作为本发明的进一步改进方案，直井周向扫略流态化采煤系统还包括采空区充填部分，采空区充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注液或注气泵、注浆泵和安装在高压输运管的回转支撑段上的胶囊注液或注气管以及安装在定位回转机构顶部的封堵胶囊，封堵胶囊包括刚性内衬管和套接固定设置在刚性内衬管上的环状密封袋，封堵胶囊整体通过刚性内衬管滑动配合套接设置在高压输运管的回转支撑段上、且刚性内衬管与定位回转机构的上定位部固定安装连接，环状密封袋与胶囊注液或注气管的底端连通连接、且环状密封袋上设有胶囊复位结构，胶囊注液或注气管的顶端与胶囊注液或注气泵的输出端密封安装连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与煤层定向钻孔的孔口密封安装连接、或者注浆泵的输出端与伸入至煤层定向钻孔内部的注浆管密封安装连接。

作为本发明的进一步改进方案，输运管弯折装置的上端和下端分别设有位置传感器或位置探测器，水力切割段上对应密封定位支撑环的位置设有位置探测器或位置传感器。

作为本发明的进一步改进方案，运煤巷道内还设有回转搅拌装置，回转搅拌装置包括可穿入采煤竖井内的回转搅拌轴，回转搅拌轴上设有凸出设置的、包括截割齿的破碎结构，回转搅拌轴与搅拌轴回转驱动部件传动连接。

作为本发明的进一步改进方案，穿入煤层的煤层定向钻孔靠近煤层底板设置。

作为本发明的进一步改进方案，自进式牵引喷头的外径尺寸不大于高压输运管的外径尺寸。

与现有技术相比，本直井周向扫略流态化采煤系统的高压输运管包括利用电流变液或磁流变液特性、通过电极组件或电磁线圈组件控制呈刚性管状态或柔性管状态的水力切割段，在利用采煤竖井水力采煤和利用煤层底部的运煤巷道输运煤炭上井技术方案的基础上，利用定向钻技术对应采煤竖井自地面施工开拓造斜穿入煤层、并沿煤层走向直线延伸的煤层定向钻孔，将与采煤竖井贯通的煤层定向钻孔的直线延伸段作为水力切割段伸入煤层的长度基础，通过控制水力切割段位于输运管弯折装置范围内的管段的电极组件或电磁线圈组件断电使该管段呈柔性管状态、再控制弯折驱动部件动作使水力切割段位于输运管弯折装置范围内的管段发生弯折的方式控制水力切割段弯折，并利用自进式牵引喷头以及采用输运管弯折装置配合控制电极组件或电磁线圈组件使水力切割段进入输运管弯折装置范围内的管段呈柔性管状态、离开输运管弯折装置范围的管段呈刚性管状态的方式控制水力切割段进入煤层定向钻孔沿煤层走向的直线延伸段，通过水力切割段上的各个水射流喷嘴和自进式牵引喷头的喷口喷射的高压水射流对煤层定向钻孔周围的煤体进行水力切割，流态化采煤过程中输运管弯折装置的支撑架通过定位回转机构的下回转部跟随高压输运管回转、可以起到对高压输运管的辅助支撑作用，而自进式牵引喷头向钻进方向的斜后方喷射的高压水射流以及自水力切割段上的各个水射流喷嘴喷射的高压水射流的反作用力也可以起到对高压输运管的辅助支撑作用、减小其悬伸造成的重力弯矩影响，能够实现大大提高地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，提高采煤效率的同时大大减小采煤钻井施工工程量；分置设置的流态化采煤部分和运煤巷道的煤岩混合物输送部分可以各自工作、互不影响，极大提高水力采煤工艺的可靠性和开采效率；煤层定向钻孔和采煤竖井均可以实现相对于传统的水力采煤立井实现相对较小的打设孔径，且采煤竖井具有较大的采煤区域范围，进而可以实现降低开采成本和最大限度降低遗煤量；可以通过设置瓦斯抽采泵、并利用采煤竖井顶部的瓦斯抽采斜孔或煤层定向钻孔实现煤与瓦斯的同采，可以通过设置注浆泵、并配合使用封堵胶囊实现利用煤层定向钻孔对完成流态化采煤的采空区进行充填，特别适用于对地下易突出、安全风险高的近水平煤层进行煤矿开采。

附图说明

图1是本发明施工开拓煤层定向钻孔、采煤竖井和运煤巷道的结构示意图；

图2是本发明利用自进式牵引喷头对采煤竖井与煤层定向钻孔的贯通位置进行造穴的结构示意图；

图3是本发明流态化采煤时的结构示意图；

图4是本发明支撑架的俯视结构示意图；

图5是本发明安装有封堵胶囊的输运管弯折装置的结构示意图；

图6是图5的输运管弯折装置弯折时的结构示意图；

图7是本发明输运管弯折装置设有多组支撑架的结构示意图；

图8是图7的输运管弯折装置弯折时的结构示意图；

图9是本发明高压输运管的水力切割段的剖视结构示意图；

图10是图9的A-A剖视图；

图11是本发明封堵胶囊封堵采空区时的结构示意图。

图中：1、煤层定向钻孔；2、采煤竖井；3、高压输运管；31、回转支撑段；32、水力切割段；321、内管；322、外管；323、密封定位支撑环；324、高压水通道；325、水射流喷嘴；326、电控阀；327、电极组件或电磁线圈组件；4、输运管弯折装置；41、支撑架；411、上支撑架；412、下支撑架；42、定位夹持辊；43、弯折夹持辊；44、弯折驱动部件；45、定位回转机构；451、上定位部；452、下回转部；5、自进式牵引喷头；6、煤层；7、封堵胶囊；71、刚性内衬管；72、环状密封袋；8、运煤巷道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本直井周向扫略流态化采煤系统包括煤层定向钻孔部分和流态化采煤部分。

如图1所示，所述的煤层定向钻孔部分包括煤层定向钻孔1，自地面打设的煤层定向钻孔1造斜穿入煤层6、并沿煤层6走向直线延伸。

如图2、图3所示，所述的流态化采煤部分包括采煤竖井2、高压输运管3、输运管回转装置、输运管弯折装置4和自进式牵引喷头5；

对应煤层定向钻孔1的走向自地面竖直打入的采煤竖井2贯穿煤层6设置、且采煤竖井2与煤层定向钻孔1贯通设置，采煤竖井2的底端向下延伸与位于煤层6下方的运煤巷道8贯通设置；

穿入设置在采煤竖井2内的高压输运管3包括上下密闭安装连接的刚性管结构的回转支撑段31和柔性管结构的水力切割段32，回转支撑段31的顶部夹持安装在输运管回转装置上、并通过输运管回转装置架设安装在采煤竖井2的井口位置，回转支撑段31或输运管回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，如图9、图10所示，水力切割段32包括同轴设置的内管321和外管322，内管321和外管322之间沿高压输运管3的轴向方向均布间隔设有多个密封定位支撑环323，密封定位支撑环323内沿其径向方向设有多个高压水通道324、且多个高压水通道324沿密封定位支撑环323的周向方向均布设置，高压水通道324贯穿内管321的管壁和外管322的管壁、且高压水通道324内设有通过电控阀326控制启闭的水射流喷嘴325，水射流喷嘴325包括喷射方向呈发散状的多个喷射流道，相邻两个密封定位支撑环323之间形成密闭的变液容纳空间，每个变液容纳空间内密闭注满电流变液或磁流变液，内管321的外表面上、或外管322的内表面上、或密封定位支撑环323的端面上对应每个变液容纳空间的位置均设有电极组件或电磁线圈组件327，通过对电极组件或电磁线圈组件327的通电或断电控制可以实现控制电流变液或磁流变液呈固体状态或液体状态、进而实现控制高压输运管3的水力切割段32呈刚性管状态或柔性管状态，内管321的内腔与回转支撑段31的内腔连通连接，回转支撑段31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；

输运管弯折装置4套接在高压输运管3的水力切割段32上，如图5、图6所示，输运管弯折装置4包括支撑架41、定位夹持辊42、弯折夹持辊43、弯折驱动部件44和定位回转机构45；定位夹持辊42和弯折夹持辊43的辊轴平行设置、且定位夹持辊42和弯折夹持辊43的辊轮面上均设有与高压输运管3的外径尺寸配合的凹环结构，如图4所示，定位夹持辊42相对于高压输运管3左右对称设置为两件、且两件定位夹持辊42滚动配合定位安装在支撑架41上，两件定位夹持辊42的凹环结构之间形成可允许高压输运管3穿过的定位夹持空间，弯折夹持辊43滚动配合安装在支撑架41上、且弯折夹持辊43对应位于定位夹持辊42的正下方；摆动弯折驱动部件44可以设置在定位夹持辊42的辊轴与弯折夹持辊43的辊轴之间、也可以设置在弯折夹持辊43的辊轴与支撑架41之间，摆动弯折驱动部件44可以是直线往复运动的伸缩缸结构、也可以是曲线往复运动的配合驱动齿轮与弧形齿条结构等其他结构，通过控制摆动弯折驱动部件44的动作可以实现控制弯折夹持辊43的辊轴相对于定位夹持辊42的辊轴转位摆动，由于液压传动不仅可简化结构、而且具有较高的工作可靠性，因此摆动弯折驱动部件44优选液压缸结构，可以在支撑架41上设置可单独控制的微型液压泵站实现控制液压缸结构的摆动弯折驱动部件44的伸缩动作；如图5、图6所示，整体呈轴套结构的定位回转机构45设置在支撑架41上方，定位回转机构45包括通过回转支承连接的上定位部451和下回转部452，上定位部451上设有径向伸缩定位结构，径向伸缩定位结构可以采用沿定位回转机构45径向方向伸缩设置的多个可控伸缩缸结构、也可以采用可充气或充液膨胀的胶囊结构等其他径向伸缩定位结构，下回转部452与支撑架41固定安装连接，输运管弯折装置4整体可通过定位回转机构45的上定位部451定位设置在采煤竖井2内；

自进式牵引喷头5同轴固定安装在高压输运管3的底端，自进式牵引喷头5上设有多个向自进式牵引喷头5钻进方向的斜后方喷射的喷口、且喷口与内管321连通连接，自进式牵引喷头5上还设有用于探测煤层定向钻孔1方位的位置传感器，位置传感器可以是视频探头、也可以是红外探头、或者是超声波探头等。

利用本直井周向扫略流态化采煤系统进行开采作业前，首先进行建井施工：如图1所示，在采用探地雷达探测法确定煤层6的埋深、厚度及覆盖范围的基础上施工开拓煤层定向钻孔1、采煤竖井2、运煤提升井和运煤巷道8，并使采煤竖井2分别与煤层定向钻孔1和运煤巷道8贯通，可以采用在施工开拓运煤巷道8的同时先施工开拓采煤竖井2、再打设煤层定向钻孔1的方式，也可以采用在施工开拓运煤巷道8的同时先打设煤层定向钻孔1、再施工开拓采煤竖井2的方式，完成采煤竖井2的开拓后，在采煤竖井2的打钻井口位置附近布置高压注水泵与储水罐；

开采准备：根据煤层6的埋深和煤层定向钻孔1沿煤层6走向直线延伸的钻深确定高压输运管3的总长度，将输运管弯折装置4套接在高压输运管3上后向采煤竖井1中下入高压输运管3和输运管弯折装置4，输运管弯折装置4可通过绞车放出牵引钢丝绳的方式送入采煤竖井1，当自进式牵引喷头5和输运管弯折装置4分别下至位于煤层6内的设定位置后、将高压输运管3顶端与高压注水管的输出端密封安装连接，控制定位回转机构45上定位部451的径向伸缩定位结构动作对输运管弯折装置4进行定位后，高压输运管3即可在输运管回转装置和定位回转机构45的定位作用下呈悬垂的直管状态、且悬垂状态的自进式牵引喷头5对应位于采煤竖井2与煤层定向钻孔1的贯通位置，自进式牵引喷头5的位置传感器可反馈煤层定向钻孔1的方位(高压输运管3定位)；然后先控制对电极组件或电磁线圈组件327通电使水力切割段32整体呈刚性管状态、并控制电控阀326均处于关闭状态，再控制启动高压注水泵，储水罐中的水经高压注水泵增压后以高压力大流量的状态通过高压输运管3输送至自进式牵引喷头5、并经自进式牵引喷头5的喷口喷射形成高压水射流，如图2所示，通过自进式牵引喷头5对采煤竖井2与煤层定向钻孔1的贯通位置进行造穴、以便于后续高压输运管3的弯折，被高压水射流冲刷下的煤岩混合物在水流的冲刷作用和自身重力作用下沿采煤竖井2向下方流动进入运煤巷道8，为提高造穴效率，可以在启动高压注水泵的同时启动输运管回转装置、使自进式牵引喷头5一边水力切割一边绕回转支撑段31的中轴线回转，完成造穴后关闭高压注水泵和输运管回转装置(造穴)；根据自进式牵引喷头5的位置传感器反馈的方位角控制输运管回转装置动作使高压输运管3慢速回转至设定角度后，先控制水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段的电极组件或电磁线圈组件327断电使该管段呈柔性管状态、再控制弯折驱动部件44动作使弯折夹持辊43的辊轴相对于定位夹持辊42的辊轴转位摆动至设定角度，如图6所示，此时水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段即在定位夹持辊42的定位夹持和弯折夹持辊43的夹持翻转作用下发生弯折、使自进式牵引喷头5翻折呈正对煤层定向钻孔1的近水平状态(高压输运管3弯折)；然后继续下入高压输运管3，并同步控制各个电极组件或电磁线圈组件327使水力切割段32进入输运管弯折装置4范围内的管段呈柔性管状态、离开输运管弯折装置4范围的管段呈刚性管状态，待自进式牵引喷头5进入煤层定向钻孔1后再次启动高压注水泵，经自进式牵引喷头5的喷口喷射形成的高压水射流可实现导向牵引、使自进式牵引喷头5带动水力切割段32沿煤层定向钻孔1前移，直至自进式牵引喷头5将水力切割段32牵引至煤层定向钻孔1沿煤层6走向直线延伸钻孔的设定深度，关闭高压注水泵(高压输运管3入孔)；

流态化采煤：先控制对电极组件或电磁线圈组件327通电使水力切割段32整体呈刚性管状态、并控制位于煤层定向钻孔1内部的水力切割段32上的电控阀326均处于打开状态，再依次控制启动高压注水泵和输运管回转装置，如图3所示，高压水即经自进式牵引喷头5的喷口以及位于煤层定向钻孔1内部的水力切割段32上的各个水射流喷嘴325喷出形成高压水射流，对煤层定向钻孔1周围的煤体进行水力切割，同时输运管回转装置带动高压输运管3整体绕回转支撑段31的中轴线慢速回转使高压水射流在圆周范围内破碎煤层6，被高压水射流冲刷下的煤岩混合物在水流的冲刷作用和自身重力作用下沿采煤竖井2向下方流动进入运煤巷道8，开采过程中输运管弯折装置4的支撑架41通过定位回转机构45的下回转部452跟随高压输运管3回转、可以起到对高压输运管3的辅助支撑作用，而自进式牵引喷头5向钻进方向的斜后方喷射的高压水射流以及自水力切割段32上的各个水射流喷嘴325喷射的高压水射流的反作用力也可以起到对高压输运管3的辅助支撑作用、减小其悬伸造成的重力弯矩影响，待高压输运管3绕回转支撑段31的中轴线慢速回转至少一周后完成第一煤层层面的开采过程；然后先控制定位回转机构45上定位部451的径向伸缩定位结构动作使输运管弯折装置4处于非径向定位状态、再控制输运管升降控制机构动作使高压输运管3整体上移或下移设定步距，此时水力切割段32即向煤层6的顶部或底板方向移动设定距离、靠近未开采的煤层层面，再次控制定位回转机构45上定位部451的径向伸缩定位结构动作使输运管弯折装置4处于径向定位状态后，即可进行第二煤层层面的开采；依次类推，直至将开采范围内的煤层6全部开采完毕，关闭高压注水泵和输运管回转装置；

设备回收：控制水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段的电极组件或电磁线圈组件327断电使该管段呈柔性管状态后回收高压输运管3，并同步控制各个电极组件或电磁线圈组件327使水力切割段32回退进入输运管弯折装置4范围内的管段呈柔性管状态，待自进式牵引喷头5回退至输运管弯折装置4附近后，控制弯折驱动部件44进行复位动作、使水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段复位至直管状态，控制定位回转机构45上定位部451的径向伸缩定位结构动作使输运管弯折装置4处于非径向定位状态后回收高压输运管3的同时回收输运管弯折装置4上井即可。

为最大限度降低高压输运管3弯折过程中发生高压输运管3向弯折方向扁平化的弯曲变形、进而造成高压输运管3损伤，作为本发明的进一步改进方案，如图5、图6所示，弯折夹持辊43相对于高压输运管3左右对称设置为两件，两件弯折夹持辊43的凹环结构之间形成可允许高压输运管3穿过的定位夹持空间。

弯折夹持辊43相对于高压输运管3左右对称设置为两件的前提下，由于两件弯折夹持辊43辊轴相对于定位夹持辊42辊轴的转位摆动角度不同、转位摆动轨迹也不是标准的圆弧轨迹，因此为了简化结构设置，作为本发明的进一步改进方案，如图5、图6所示，支撑架41包括上下铰接连接的上支撑架411和下支撑架412，相对于高压输运管3左右对称设置为两件的定位夹持辊42设置在上支撑架411上、相对于高压输运管3左右对称设置为两件的弯折夹持辊43对应设置在下支撑架412上，摆动弯折驱动部件44可以设置在定位夹持辊42的辊轴与弯折夹持辊43的辊轴之间、或者摆动弯折驱动部件44可以设置在定位夹持辊42的辊轴与下支撑架412之间、或者摆动弯折驱动部件44可以设置在弯折夹持辊43的辊轴与上支撑架411之间、或者摆动弯折驱动部件44可以设置在上支撑架411和下支撑架412之间，通过控制摆动弯折驱动部件44的动作可以实现控制弯折夹持辊43的辊轴相对于定位夹持辊42的辊轴转位摆动的同时，可以实现下支撑架412相对于上支撑架411转位摆动，不仅不用设置弯折夹持辊43辊轴相对于定位夹持辊42辊轴的转位摆动导向滑道、结构更简单，而且通过合理设置上支撑架411和下支撑架412之间的铰接位置，还可以实现弯折夹持辊43辊轴相对于定位夹持辊42辊轴较大的转位摆动、并提高支撑架41对高压输运管3的辅助支撑效果。

为了避免高压输运管3因折弯半径过小而造成损伤，作为本发明的进一步改进方案，如图7、图8所示，输运管弯折装置4包括上下依次铰接连接的多组支撑架41，每组支撑架41的下支撑架412与相邻的支撑架41的上支撑架411之间也设置弯折驱动部件44，定位回转机构45的下回转部452与位于最上层的支撑架41的上支撑架411固定安装连接。如此设置，可以实现将每组支撑架41的上支撑架411和下支撑架412之间的摆动角度、以及每组支撑架41与相邻支撑架41之间的摆动角度控制在较小的摆动角度，进而可以实现在多组支撑架41整体摆动较大角度的前提下增大高压输运管3的折弯半径，从而避免高压输运管3造成损伤。

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，本直井周向扫略流态化采煤系统还包括瓦斯抽采部分，瓦斯抽采部分包括设置在采煤竖井2井口位置的瓦斯抽采泵，如图1至图3所示，采煤竖井2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，流态化采煤过程中封堵煤层定向钻孔1的孔口，煤壁暴露区域和已破碎煤粒释放出的瓦斯可以在瓦斯抽采泵的负压作用下经采煤竖井2的瓦斯抽采斜孔排出，实现煤与瓦斯的同采；或者瓦斯抽采部分包括设置在煤层定向钻孔1孔口位置的瓦斯抽采泵，煤层定向钻孔1的孔口通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接，流态化采煤过程中封堵采煤竖井2的井口，煤壁暴露区域和已破碎煤粒释放出的瓦斯可以在瓦斯抽采泵的负压作用下煤层定向钻孔1排出，实现煤与瓦斯的同采。

将开采范围内的煤层6开采完毕后，为了实现对采空区的充填，作为本发明的进一步改进方案，本直井周向扫略流态化采煤系统还包括采空区充填部分，采空区充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注液或注气泵、注浆泵和安装在高压输运管3的回转支撑段31上的胶囊注液或注气管以及安装在定位回转机构45顶部的封堵胶囊7，封堵胶囊7包括刚性内衬管71和套接固定设置在刚性内衬管71上的环状密封袋72，如图5至图8所示，封堵胶囊7整体通过刚性内衬管71滑动配合套接设置在高压输运管3的回转支撑段31上、且刚性内衬管71与定位回转机构45的上定位部451的顶端固定安装连接，环状密封袋72与胶囊注液或注气管的底端连通连接，胶囊注液或注气管的顶端通过滑环结构与胶囊注液或注气泵的输出端密封安装连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与煤层定向钻孔1的孔口密封安装连接、或者注浆泵的输出端与伸入至煤层定向钻孔1内部的注浆管密封安装连接；采空区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液或注气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7的排水复位，胶囊复位结构也可以是设置在环状密封袋72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电控阀门。开采准备时，向采煤竖井2中下入高压输运管3和输运管弯折装置4之前，先根据煤层6的埋深及厚度选择合适高度的封堵胶囊7，再将封堵胶囊7通过刚性内衬管71套接在高压输运管3的回转支撑段31上、并将刚性内衬管71与定位回转机构45的上定位部451的顶端固定安装连接，最后将胶囊注液或注气管定位安装在回转支撑段31上，为了防止因回转支撑段31的回转而造成封堵胶囊7与采煤竖井2内壁发生剐蹭、进而造成封堵胶囊7的损伤，可以将封堵胶囊7通过适当韧性的柔性绳捆绑在回转支撑段31上，完成封堵胶囊7安装后再向采煤竖井2中下入高压输运管3和输运管弯折装置4；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；设备回收时，控制弯折驱动部件44进行复位动作、使水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段复位至直管状态后，先控制定位回转机构45上定位部451的径向伸缩定位结构动作使输运管弯折装置4处于非径向定位状态、再根据煤层6的厚度控制输运管弯折装置4上下移动设定距离、使封堵胶囊7的上下两端分别对应采煤竖井2贯穿采空区的上止口位置和下止口位置，如图11所示，启动胶囊注液或注气泵后压力液体或气体经胶囊注液或注气管进入环状密封袋72、并将环状密封袋72撑开后卡接支撑在采空区的上口位置和下口位置上实现封堵，然后启动注浆泵，充填浆液即经煤层定向钻孔1的孔口进入采空区，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、完成注浆，待采空区内的浆液凝固后，控制胶囊复位结构使环状密封袋72进行排水复位，即可回收高压输运管3的同时回收输运管弯折装置4上井即可。在自进式牵引喷头5的外径尺寸不大于高压输运管3外径尺寸的情况下，可以在注浆作业前先回收高压输运管3上井、在注浆作业后再回收输运管弯折装置4上井，可以实现不用等待浆液凝固后直接回收高压输运管3上井，进而可以实现将回收上井的高压输运管3快速配合另一套输运管弯折装置4进行下一钻井的开采。

为了实现准确控制高压输运管3进入输运管弯折装置4范围内的管段呈柔性管状态、离开输运管弯折装置4范围的管段呈刚性管状态，作为本发明的进一步改进方案，输运管弯折装置4的上端和下端分别设有位置传感器或位置探测器，水力切割段32上对应密封定位支撑环323的位置设有位置探测器或位置传感器。可以通过位置探测器的反馈控制电极组件或电磁线圈组件327：当变液容纳空间位于水力切割段32运行前方的密封定位支撑环323上的位置探测器或位置传感器反馈该变液容纳空间已进入输运管弯折装置4范围内时，控制该变液容纳空间内的电极组件或电磁线圈组件327进行断电操作；当变液容纳空间位于水力切割段32运行后方的密封定位支撑环323上的位置探测器或位置传感器反馈该变液容纳空间已离开输运管弯折装置4范围时，控制该变液容纳空间内的电极组件或电磁线圈组件327进行通电操作。

为了采用自下而上的煤层层面开采方式、在流态化采煤过程中实现位于采空区上方的煤层层面可以在高压水射流的冲刷作用以及自身重力作用下自行垮落，进而提高采煤效率，作为本发明的进一步改进方案，穿入煤层6的煤层定向钻孔1靠近煤层6底板设置。

为了避免煤岩混合物因沉积而造成采煤竖井2底端与运煤巷道8的贯通位置堵塞，作为本发明的进一步改进方案，运煤巷道8内还设有回转搅拌装置，回转搅拌装置包括可穿入采煤竖井2内的回转搅拌轴，回转搅拌轴与搅拌轴回转驱动部件传动连接，通过控制搅拌轴回转驱动部件的动作可以实现控制回转搅拌轴沿其周向方向的回转运动，进而实现对煤岩混合物的搅拌、防止大块煤岩混合物堵塞采煤竖井2底端与运煤巷道8的贯通位置，流态化采煤过程中，可将回转搅拌轴定位穿入采煤竖井2底端与运煤巷道8的贯通位置内、并启动搅拌轴回转驱动部件，即可实现对煤岩混合物的搅拌、便于其顺利进入运煤巷道8。为进一步实现避免大块煤岩混合物堵塞采煤竖井2底端与运煤巷道8的贯通位置，回转搅拌轴上还可以设有凸出设置的、包括截割齿的破碎结构，控制回转搅拌轴沿其周向方向的回转运动过程中，破碎结构可以对煤岩混合物进行进一步破碎、防止大块煤岩混合物堵塞采煤竖井2底端与运煤巷道8的贯通位置。为实现更好的防堵效果，凸出设置的破碎结构还可以是整体沿落煤方向螺旋设置的螺旋输送结构，回转搅拌轴进行搅拌回转动作的过程中可以通过螺旋输送结构实现对煤岩混合物进行破碎的同时实现对煤岩混合物向落煤方向的螺旋输送。

本直井周向扫略流态化采煤系统的高压输运管3包括利用电流变液或磁流变液特性、通过电极组件或电磁线圈组件327控制呈刚性管状态或柔性管状态的水力切割段32，在利用采煤竖井2水力采煤和利用煤层6底部的运煤巷道8输运煤炭上井技术方案的基础上，利用定向钻技术对应采煤竖井2自地面施工开拓造斜穿入煤层6、并沿煤层6走向直线延伸的煤层定向钻孔1，将与采煤竖井2贯通的煤层定向钻孔1的直线延伸段作为水力切割段32伸入煤层6的长度基础，通过控制水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段的电极组件或电磁线圈组件327断电使该管段呈柔性管状态、再控制弯折驱动部件44动作使水力切割段32位于输运管弯折装置4范围内的管段发生弯折的方式控制水力切割段32弯折，并利用自进式牵引喷头5以及采用输运管弯折装置4配合控制电极组件或电磁线圈组件327使水力切割段32进入输运管弯折装置4范围内的管段呈柔性管状态、离开输运管弯折装置4范围的管段呈刚性管状态的方式控制水力切割段32进入煤层定向钻孔1沿煤层6走向的直线延伸段，通过水力切割段32上的各个水射流喷嘴325和自进式牵引喷头5的喷口喷射的高压水射流对煤层定向钻孔1周围的煤体进行水力切割，流态化采煤过程中输运管弯折装置4的支撑架41通过定位回转机构45的下回转部452跟随高压输运管3回转、可以起到对高压输运管3的辅助支撑作用，而自进式牵引喷头5向钻进方向的斜后方喷射的高压水射流以及自水力切割段32上的各个水射流喷嘴325喷射的高压水射流的反作用力也可以起到对高压输运管3的辅助支撑作用、减小其悬伸造成的重力弯矩影响，能够实现大大提高地面钻孔采煤单个钻井的采煤区域范围，提高采煤效率的同时大大减小采煤钻井施工工程量；分置设置的流态化采煤部分和运煤巷道8的煤岩混合物输送部分可以各自工作、互不影响，极大提高水力采煤工艺的可靠性和开采效率；煤层定向钻孔1和采煤竖井2均可以实现相对于传统的水力采煤立井实现相对较小的打设孔径，且采煤竖井2具有较大的采煤区域范围，进而可以实现降低开采成本和最大限度降低遗煤量；可以通过设置瓦斯抽采泵、并利用采煤竖井2顶部的瓦斯抽采斜孔或煤层定向钻孔1实现煤与瓦斯的同采，可以通过设置注浆泵、并配合使用封堵胶囊7实现利用煤层定向钻孔1对完成流态化采煤的采空区进行充填，特别适用于对地下易突出、安全风险高的近水平煤层进行煤矿开采。

Claims (10)

1.一种直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，包括煤层定向钻孔部分和流态化采煤部分；

所述的煤层定向钻孔部分包括煤层定向钻孔(1)，自地面打设的煤层定向钻孔(1)造斜穿入煤层(6)、并沿煤层(6)走向直线延伸；

所述的流态化采煤部分包括采煤竖井(2)、高压输运管(3)、输运管回转装置、输运管弯折装置(4)和自进式牵引喷头(5)；

对应煤层定向钻孔(1)的走向自地面竖直打入的采煤竖井(2)贯穿煤层(6)设置、且采煤竖井(2)与煤层定向钻孔(1)贯通设置，采煤竖井(2)的底端向下延伸与位于煤层(6)下方的运煤巷道(8)贯通设置；

穿入设置在采煤竖井(2)内的高压输运管(3)包括上下密闭安装连接的刚性管结构的回转支撑段(31)和柔性管结构的水力切割段(32)，回转支撑段(31)的顶部夹持安装在输运管回转装置上、并通过输运管回转装置架设安装在采煤竖井(2)的井口位置，回转支撑段(31)或输运管回转装置上还设有输运管升降控制机构，水力切割段(32)包括同轴设置的内管(321)和外管(322)，内管(321)和外管(322)之间沿高压输运管(3)的轴向方向均布间隔设有多个密封定位支撑环(323)，密封定位支撑环(323)内沿其径向方向设有多个高压水通道(324)、且多个高压水通道(324)沿密封定位支撑环(323)的周向方向均布设置，高压水通道(324)贯穿内管(321)的管壁和外管(322)的管壁、且高压水通道(324)内设有通过电控阀(326)控制启闭的水射流喷嘴(325)，相邻两个密封定位支撑环(323)之间形成密闭的变液容纳空间，每个变液容纳空间内密闭注满电流变液或磁流变液，内管(321)的外表面上、或外管(322)的内表面上、或密封定位支撑环(323)的端面上对应每个变液容纳空间的位置均设有电极组件或电磁线圈组件(327)，内管(321)的内腔与回转支撑段(31)的内腔连通连接，回转支撑段(31)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；

输运管弯折装置(4)套接在高压输运管(3)的水力切割段(32)上，输运管弯折装置(4)包括支撑架(41)、定位夹持辊(42)、弯折夹持辊(43)、弯折驱动部件(44)和定位回转机构(45)；定位夹持辊(42)和弯折夹持辊(43)的辊轴平行设置、且定位夹持辊(42)和弯折夹持辊(43)的辊轮面上均设有与高压输运管(3)的外径尺寸配合的凹环结构，定位夹持辊(42)相对于高压输运管(3)左右对称设置为两件、且两件定位夹持辊(42)滚动配合定位安装在支撑架(41)上，两件定位夹持辊(42)的凹环结构之间形成可允许高压输运管(3)穿过的定位夹持空间，弯折夹持辊(43)滚动配合安装在支撑架(41)上、且弯折夹持辊(43)对应位于定位夹持辊(42)的正下方，设置在定位夹持辊(42)的辊轴与弯折夹持辊(43)的辊轴之间的、或者设置在弯折夹持辊(43)的辊轴与支撑架(41)之间的摆动弯折驱动部件(44)用于控制弯折夹持辊(43)的辊轴相对于定位夹持辊(42)的辊轴转位摆动；整体呈轴套结构的定位回转机构(45)设置在支撑架(41)上方，定位回转机构(45)包括通过回转支承连接的上定位部(451)和下回转部(452)，上定位部(451)上设有径向伸缩定位结构，下回转部452与支撑架(41)固定安装连接，定位回转机构(45)的上定位部(451)用于将输运管弯折装置(4)整体定位在采煤竖井(2)内；

自进式牵引喷头(5)同轴固定安装在高压输运管(3)的底端，自进式牵引喷头(5)上设有多个向自进式牵引喷头(5)钻进方向的斜后方喷射的喷口、且喷口与内管(321)连通连接，自进式牵引喷头(5)上还设有用于探测煤层定向钻孔(1)方位的位置传感器。

2.根据权利要求1所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，弯折夹持辊(43)相对于高压输运管(3)左右对称设置为两件，两件弯折夹持辊(43)的凹环结构之间形成可允许高压输运管(3)穿过的定位夹持空间。

3.根据权利要求2所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，支撑架(41)包括上下铰接连接的上支撑架(411)和下支撑架(412)，相对于高压输运管(3)左右对称设置为两件的定位夹持辊(42)设置在上支撑架(411)上、相对于高压输运管(3)左右对称设置为两件的弯折夹持辊(43)对应设置在下支撑架(412)上，摆动弯折驱动部件(44)设置在定位夹持辊(42)的辊轴与弯折夹持辊(43)的辊轴之间、或者摆动弯折驱动部件(44)设置在定位夹持辊(42)的辊轴与下支撑架(412)之间、或者摆动弯折驱动部件(44)设置在弯折夹持辊(43)的辊轴与上支撑架(411)之间、或者摆动弯折驱动部件(44)设置在上支撑架(411)和下支撑架(412)之间。

4.根据权利要求3所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，输运管弯折装置(4)包括上下依次铰接连接的多组支撑架(41)，每组支撑架(41)的下支撑架(412)与下方相邻的支撑架(41)的上支撑架(411)之间也设置弯折驱动部件(44)，定位回转机构(45)的下回转部(452)与位于最上层的支撑架(41)的上支撑架(411)固定安装连接。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，直井周向扫略流态化采煤系统还包括瓦斯抽采部分，瓦斯抽采部分包括设置在采煤竖井(2)井口位置的瓦斯抽采泵，采煤竖井(2)的顶部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；或者瓦斯抽采部分包括设置在煤层定向钻孔(1)孔口位置的瓦斯抽采泵，煤层定向钻孔(1)的孔口通过管路与瓦斯抽采泵密闭安装连接。

6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，直井周向扫略流态化采煤系统还包括采空区充填部分，采空区充填部分包括设置在地面的浆液搅拌站、胶囊注液或注气泵、注浆泵和安装在高压输运管(3)的回转支撑段(31)上的胶囊注液或注气管以及安装在定位回转机构(45)顶部的封堵胶囊(7)，封堵胶囊(7)包括刚性内衬管(71)和套接固定设置在刚性内衬管(71)上的环状密封袋(72)，封堵胶囊(7)整体通过刚性内衬管(71)滑动配合套接设置在高压输运管(3)的回转支撑段(31)上、且刚性内衬管(71)与定位回转机构(45)的上定位部(451)固定安装连接，环状密封袋(72)与胶囊注液或注气管的底端连通连接、且环状密封袋(72)上设有胶囊复位结构，胶囊注液或注气管的顶端与胶囊注液或注气泵的输出端密封安装连接，注浆泵的输入端与浆液搅拌站的输出端连通连接，注浆泵的输出端与煤层定向钻孔(1)的孔口密封安装连接、或者注浆泵的输出端与伸入至煤层定向钻孔(1)内部的注浆管密封安装连接。

7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，输运管弯折装置(4)的上端和下端分别设有位置传感器或位置探测器，水力切割段(32)上对应密封定位支撑环(323)的位置设有位置探测器或位置传感器。

8.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，运煤巷道(8)内还设有回转搅拌装置，回转搅拌装置包括可穿入采煤竖井(2)内的回转搅拌轴，回转搅拌轴上设有凸出设置的、包括截割齿的破碎结构，回转搅拌轴与搅拌轴回转驱动部件传动连接。

9.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，穿入煤层(6)的煤层定向钻孔(1)靠近煤层(6)底板设置。

10.根据权利要求1至4任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤系统，其特征在于，自进式牵引喷头(5)的外径尺寸不大于高压输运管(3)的外径尺寸。

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