CN114352345B - 一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统及方法，系统：液氮循环疲劳致裂增透单元中液氮输送管的出口端穿过封孔塞Ⅰ后延伸到底部，瓦斯抽采管Ⅰ的入口端穿过封孔塞Ⅰ后止于顶部；水力流态化开采与瓦斯抽采单元中的高压射流器安装在封孔塞Ⅱ处，高压射流器与高压输水管的出液端连接，瓦斯抽采管Ⅱ的入口端穿过封孔塞Ⅱ后止于顶部；水力流态化运输单元包括煤体流态化运输巷道和煤体流态化运输管；采空区膏体充填单元包括膏体泵送机和充填管。方法：巷道施工；煤层钻孔施工；液氮循环疲劳致裂增透与瓦斯抽采；水力流态化开采与瓦斯抽采；水力流态化运输；采空区膏体充填。该系统及方法能高效的实现低透气倾斜煤层煤与瓦斯的流态化共采作业。

Description

一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统及方法

技术领域

本发明属于采煤技术领域，具体涉及一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统及方法。

背景技术

现阶段，中国煤矿的开采主要为井工开采模式，井工开采需要从地面向地下开掘出一系列的掘进巷道，其生产过程是地下作业，自然条件比较复杂。随着矿井开采深度增加的同时，煤矿地质条件的复杂程度也在增加，在深部煤炭资源的开采中，大部分煤层都不是水平的，以倾斜煤层居多，而对于倾斜煤层而言，其地质条件的复杂使得开采难度大幅增加。开采倾斜煤层时，为了能够有效处理突出煤层的瓦斯，需要开掘出辅助巷道，并钻取大量的抽采孔，这不仅会导致巷道掘进量的增加，还会导致开采成本的极大提高。

为了有效解决这些问题，同时，为了能够提高开采的安全性，一些研究人员提出了将煤层资源流态化开采的方法，即使用设备将煤层资源转化为气态、液态或气固液混态物质形式进行流态化开采，并以流态化形式高效智能传输至地表。目前，有关煤炭资源流态化开采方面的技术研究还处于预研阶段，资源流态化开采的理论与技术体系尚未建立，新理论、新技术需要不断的探索与完善，持续优化煤炭资源的开采方式。

发明内容

针对上述现有技术问题，本发明提供一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，该系统能助于高效的实现低透气煤层煤与瓦斯的流态化共采作业，其有利于降低开采成本，并能有效提高开采过程中的安全系数；该方法操作步骤简单，实施成本低，作业过程安全系数高，能解决采用传统方式开采低透气倾斜煤层资源存在的瓦斯抽采难、巷道掘进量大、过程难于控制、资源回收率低、开采成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，包括开设在煤层开采条带中的钻孔一和钻孔二、分别开设在煤层开采条带上方和边界的开采巷道和轨道巷道、液氮循环疲劳致裂增透单元、水力流态化开采与瓦斯抽采单元、水力流态化运输单元以及采空区膏体充填单元；

所述液氮循环疲劳致裂增透单元包括液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、封孔塞Ⅰ、液氮输送管和瓦斯抽采管Ⅰ；所述液氮泵送机和抽气泵Ⅰ均安装在轨道巷道中；所述封孔塞Ⅰ安装于钻孔一的顶部；所述液氮输送管和瓦斯抽采管Ⅰ均铺设在开采巷道中，液氮输送管的入口端与液氮泵送机的出口连接，其出口端穿过封孔塞Ⅰ后延伸到钻孔一的底部，瓦斯抽采管Ⅰ的出口端与抽气泵Ⅰ的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅰ后止于钻孔一的顶部；

所述水力流态化开采与瓦斯抽采单元包括注水泵、抽气泵Ⅱ、封孔塞Ⅱ、高压射流器、高压输水管、瓦斯抽采管Ⅱ和管路升降机构；所述注水泵和抽气泵Ⅱ均安装在轨道巷道中；所述封孔塞Ⅱ安装于钻孔二的顶部；所述高压射流器由高压射流管、旋转机构和射流喷嘴及激光测距传感器和射流控制器组成；所述高压输水管和瓦斯抽采管Ⅱ 均铺设在开采巷道中，高压输水管的进液端与注水泵的出水口连接，其出液端与高压射流器的入水口连接；所述瓦斯抽采管Ⅱ的出口端与抽气泵Ⅱ的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅱ后止于钻孔二的顶部；所述高压射流管的出液端通过封孔塞Ⅱ中心的通孔伸入到钻孔二中；所述旋转机构可转动的安装在高压射流管的出液端；所述射流喷嘴安装在旋转机构上，并通过旋转机构与高压射流管相连通；所述激光测距传感器安装在射流喷嘴旁，用于实时测量射流喷嘴到煤壁的距离信号；射流控制器安装在旋转机构中，用来根据激光测距传感器反馈的距离信号即时调整射流强度；所述管路升降机构固定连接在封孔塞Ⅱ上，并与高压输水管、高压射流管连接，用于对高压射流管进行升降控制，以实现高压射流管的出液端在钻孔二中位置的改变；

所述水力流态化运输单元包括煤体流态化运输巷道和煤体流态化运输管；所述煤体流态化运输巷道开设在煤层下方的岩层中，并处于煤层开采条带的下端；所述煤体流态化运输管安装在煤体流态化运输巷道中，其进料端通过开设在岩层中的落煤孔与煤层相连通；

所述采空区膏体充填单元包括膏体泵送机和充填管；所述膏体泵送机安装在轨道巷道中；所述充填管铺设在开采巷道中，其进料端与膏体泵送机的出料口连接，其出料端伸入到采空区中。

进一步，所述高压射流管外壁安装有导向滑轮，用于减少移动过程与钻孔内壁之间的摩擦力。

进一步，为了提高水力开采效率，所述射流喷嘴的射流方向垂直于钻孔二；射流喷嘴的数量为两个，且两两之间夹角为180°。

进一步，为了提高自动化程度，还包括供电控制单元，所述供电控制单元分别与液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、注水泵、抽气泵Ⅱ、膏体泵送机和高压射流器连接。

为了提高煤水混合物落料效果，同时，为了能避免堵塞情况的发生，所述落煤孔呈棱台漏斗形状。

本发明中，通过使液氮循环疲劳致裂增透单元设置有液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、封孔塞Ⅰ、液氮输送管和瓦斯抽采管Ⅰ，不仅能便于利用液氮泵送机和液氮输送管向由封孔塞Ⅰ封堵的钻孔一中注入液氮，以对煤层进行疲劳致裂作业，还能利用抽气泵Ⅰ和瓦斯抽采管Ⅰ于钻孔一中回收裂隙中释放出的瓦斯，降低了瓦斯渗漏的风险。使液氮输送管的出口端穿过封孔塞Ⅰ延伸到钻孔一的底部，能使液氮直接作用于煤层深处，从而实现更好的致裂效果，使瓦斯抽采管Ⅰ穿过封孔塞Ⅰ止于钻孔一的顶部，能在抽采过程中有效的作用于整个钻孔一，进而能实现液氮循环疲劳致裂后瓦斯的高效抽采作业，并降低了瓦斯由钻孔一顶部溢出的几率，从而能降低封孔塞Ⅰ的密封要求；通过使水力流态化开采与瓦斯抽采单元设置注水泵、抽气泵Ⅱ、封孔塞Ⅱ、高压射流器、高压输水管和瓦斯抽采管Ⅱ，不仅能便于利用注水泵、高压输水管和高压射流器向由封孔塞Ⅱ封堵的钻孔二中注入高压水，以利用高压射流器喷射出的高压水对疲劳致裂作业后的煤体进行高效的切割作业，还能同步的利用抽气泵Ⅱ和瓦斯抽采管Ⅱ对水力开采过程中释放出的瓦斯进行及时高效的回收作业，进一步降低了瓦斯渗漏的风险，提高资源利用率。使瓦斯抽采管Ⅱ穿过封孔塞Ⅱ止于钻孔二的顶部，能在抽采过程中有效的作用于整个钻孔二，进而能实现水力开采过程中瓦斯的高效抽采作业，并降低了瓦斯由钻孔二顶部溢出的几率，从而能降低封孔塞Ⅱ的密封要求；通过在煤层下方的岩层中开设煤体流态化运输巷道，并布置煤体流态化运输管，同时，利用开设在岩层中的落煤孔连通煤体流态化运输管与开采煤层，可以使由水力射流开采出的呈流态化的煤体在高压水的冲刷作用和自身重力的双重作用下经落煤孔流入煤体流态化运输管中，进而便于通过泵送的方式将煤体运输至地面，有利于实现煤体的流态化运输作业。通过膏体泵送机和充填管的设置，能便于利用充填膏体及时的泵送充填采空区。该系统结构简单、投入成本低，降低了开采成本的同时，还能有效提高开采过程中的安全系数。

本发明还提供了一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，具体包括以下步骤；

步骤一：煤层工作面施工：基于倾斜煤层的特殊性，在煤层下方岩层中开掘煤体流态化运输巷道，并在煤层开采条带上方和边界分别开掘开采巷道和轨道巷道；

步骤二：巷道施工：将注水泵、液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、抽气泵Ⅱ、膏体泵送机及供电控制单元均安装在巷道中，并分别建立供电控制单元与注水泵、液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、抽气泵Ⅱ和膏体泵送机之间的电性连接；在当前开采条带煤层中钻取钻孔一；将封孔塞Ⅰ封装于钻孔一的顶部；在开采巷道中分别铺设液氮输送管和瓦斯抽采管Ⅰ，并使液氮输送管与液氮泵送机连接，使瓦斯抽采管Ⅰ与抽气泵Ⅰ连接，在煤层下方的岩层中开设落煤孔，在煤体流态化运输巷道中铺设煤体流态化运输管，并使煤体流态化运输管的进料端通过落煤孔与煤层连通；

步骤三：液氮循环疲劳致裂增透：启动液氮泵送机，通过液氮输送管向钻孔一的底部不断循环输送液氮进行疲劳压裂作业，在煤层疲劳致裂后，启动抽气泵Ⅰ，将钻孔一渗漏瓦斯经瓦斯抽采管Ⅰ抽出；

步骤四：水力流态化开采与瓦斯抽采：煤层致裂后，将封孔塞Ⅱ封装于致裂后钻孔二的顶部，并于开采巷道中分别铺设高压输水管和瓦斯抽采管Ⅱ；透过封孔塞Ⅱ安装高压射流器及瓦斯抽采管Ⅱ，并通过高压输水管连接注水泵和高压射流器，使瓦斯抽采管Ⅱ与抽气泵Ⅱ连接，同时，建立高压射流器与供电控制单元的电性连接；依次启动高压射流器、注水泵和抽气泵Ⅱ，利用高压射流器的射流喷嘴，由钻孔二的底部开始对煤层进行水力流态化开采作业；该过程中，保持抽气泵Ⅱ的启动状态，通过瓦斯抽采管Ⅱ持续抽取开采过程中出现的瓦斯，直至开采完当前煤层开采条带，关闭注水泵及抽气泵Ⅱ；

步骤五：水力流态化运输：使射流破碎的煤水混合物经落煤孔流入煤体流态化运输巷道中的煤体流态化运输管中，利用泵送的方式流态化运输至地面进行煤水分离；

步骤六：膏体充填：在采空区安装膏体充填管，启动膏体泵送机，将充填膏体通过充填管运输到采空区中，对采空区进行膏体充填。

进一步，为了提高煤水混合物落料效果，同时，为了能避免堵塞情况的发生，在步骤二中，所述落煤孔呈棱台形状。

进一步，为了能够实现高效的煤水混合物流态化运输，在步骤五中，利用高压射流器的射流喷嘴在开采条带底部煤层喷射出弧状漏斗形，以便于上部射流破碎的煤水混合物汇聚到落煤孔流出。

进一步，为了能够高效的实现开采条带煤层的开采作业，在步骤四中的水力流态化开采作业的具体方法如下：

S1：在高压射流器启动后，控制管路升降机构动作以改变高压射流器的位置，使射流喷嘴移动并始终保持与即将被破碎的煤层下部边界一致；

S2：控制射流开关打开，并控制旋转机构匀速旋转，通过射流喷嘴喷射出高压水射流，不断将煤层煤体水力破碎，碎煤经水流冲击煤水混合物从落煤孔流出；

S3：射流喷嘴随着旋转机构的旋转将周围煤体破碎，角度达到180°后，再次控制管路升降机构动作以改变高压射流器的位置，使射流喷嘴上升设定行程，以继续对当前开采条带煤层进行流态化开采作业，直至上升至当前开采条带煤层的顶部；

S4：控制管路升降机构动作以改变高压射流器的位置，使射流喷嘴回到初始位置，即完成一次开采过程；在下一煤层开采条带中重复执行S1至S4，直至连续开采完整个带区。

进一步，为了实现水资源的循环利用，在步骤五中，煤水分离作业中分离出来的水通过注水泵重新泵送到高压射流器中，再次用于水力射流采煤，以实现水资源的重复利用。

本发明先利用了液氮循环疲劳致裂的方式对煤层进行致裂增透，因液氮在常压下温度极低，可以作为稳定的冷源。利用液氮对煤层进行“冷冲击”能使煤层产生裂纹，达到了对煤层卸压增透的效果，通过向钻孔中不断循环输送液氮，可以通过液氮持续的充填来不断扩展煤层中的裂隙空间，进而可以形成复杂的裂隙网络；另外，由于液氮对煤层孔隙的作用效果与煤层的原始孔隙率之间存在着一定的联系，在液氮汽化体积膨胀的过程中，煤层原始孔隙率较低的部位会对汽化后氮气产生封堵效果，进而孔隙的压力会剧增。在原始孔隙率越低的部位，该孔隙压力越大，孔隙率增加越明显，而在原始孔隙率较高的区域，孔隙率反而没有明显增加甚至略有减小。因此，对于低透气性煤层钻孔注入液氮能更加显著的提高致裂效果，从而可以形成更好的复杂裂隙网络。该过程中，不仅使低透气性含瓦斯煤层进行了疲劳松动，而且还能有效释放出当前开采煤层中的瓦斯，再配合瓦斯的同步抽采作业，能实现低透气煤层中瓦斯含量的高效降低，并有助于提高瓦斯的回收量；在输送液氮对煤层进行疲劳压裂作业的同时，利用瓦斯抽采管Ⅰ回收钻孔一疲劳致裂后渗漏的瓦斯资源，一方面可以使由裂隙中释放出的瓦斯得到及时高效的外排，极大的降低了在采煤过程中发生瓦斯灾害的几率；另一方面可以便于对瓦斯进行集中收集，从而有助于实现瓦斯资源的后续利用。这样，先采用液氮疲劳致裂低透气性煤层，再通过聚能射流的方式对倾斜煤层进行开采，不仅可以实现低透气性煤层的高效开采，还可以大幅度减少后续水力流态化开采过程中水力资源的消耗，从而达到了节约用水的目的，另外，还能使开采出来的煤石在经过后期的破碎处理后更易于分离，从而能有效的提高煤炭的采出率。利用高压水射流的方式作用于煤层，能利用高压水对煤体进行高效切割，同时，通过高压水的冲刷作用能促使开采出来的煤体呈流态化，便于后续的运输处理。由于所开采的为低透气性煤层，因而致裂增透的煤层之外的区域的孔隙率仍然很低，这样在利用聚能射流的方式对致裂增透后的煤层进行开采时，能使水力的作用区域更集中，从而能使水力开采的效率和效果更好。同时，还能使高压水更高效的冲刷流态化的煤体，进而能使后续的流态化运输效率更高效。在水力开采的同时，同步的利用瓦斯抽采管Ⅱ进行瓦斯的抽取，能充分利用水力的冲刷作用进一步增大瓦斯的抽采半径，从而能有效的提高钻孔内瓦斯的抽采量，以使水力开采过程中释放出的瓦斯得到及时有效的外排，进一步降低了采煤过程中发生瓦斯灾害的几率，同时，进一步提高了对瓦斯资源进行收集的效果。由于在液氮循环疲劳致裂增透过程和水力流态化开采过程中均同步的利用了瓦斯抽采装置回收了煤层中的瓦斯资源，进而能避免煤体在后续的运输过程中向煤体流态化运输巷道中释放瓦斯的情况发生，极大的降低了煤体流态化运输巷道处发生瓦斯灾害的安全风险。这样，通过在整个作业过程中均同步的进行瓦斯的抽取，可以有效改善现阶段采煤过程中容易发生瓦斯渗漏灾害的状况，能使整个作业过程都具有极高的安全系数，有效保证了煤矿的安全高效生产工作。在倾斜工作面下端岩层中开设煤体流态化运输巷道，并布置煤体流态化运输管，同时，利用开设在岩层中的落煤孔形成连通煤体流态化运输巷道与煤层之间的自流通道，能使由水力射流开采出的呈流态化的煤体在高压水的冲刷作用和自身重力的双重作用下经自流通道自流进入煤体流态化运输管，进而便于通过煤体流态化运输管泵送的方式将煤体运输至地面，从而可以更便捷的实现煤体的流态化输运。由于高压水的冲刷作用，还能有效提高被水力切割下的煤岩混合物的流动性，从而能避免在落煤孔内发生沉淀堵塞现象，有效的保障了采掘过程的高效进行。另外，水力流态化开采过程与水力流态化运输过程可以同步工作，且互不干扰，从而能进一步提高煤层的采掘效率。通过膏体泵送机和充填管的设置，能利用膏体及时充填采空区，降低了巷道支护需求的同时，还能够有效减缓或阻止上覆岩层的变形，进一步提高了采掘过程中的安全系数与避免地面沉降等环境问题。本发明操作步骤简单，实施成本低，作业过程安全系数高，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明中低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统的结构示意图；

图2本发明中煤体流态化运输巷道和煤体流态化运输管部分的结构示意图；

图3是本发明中高压射流器和落煤孔部分的结构示意图。

图中：1、膏体泵送机；2、注水泵；3、抽气泵Ⅱ；4、液氮泵送机；5、抽气泵Ⅰ；6、瓦斯抽采管Ⅰ；7、煤层工作面；8、轨道巷道；9、液氮输送管；10、封孔塞Ⅰ；11、瓦斯抽采管Ⅱ；12、高压输水管；13、封孔塞Ⅱ；14、充填管；15、开采巷道；16、煤体流态化运输管；17、钻孔二；18、旋转机构；19、高压水射流；20、落煤孔；21、高压射流器；22、煤体流态化运输巷道；23、高压射流管；24、射流喷嘴；25、钻孔一；26、管路升降机构；27、激光测距传感器；28、射流控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，包括开设在煤层开采条带中的钻孔一25和钻孔二17、分别开设在煤层开采条带上方和边界的开采巷道15和轨道巷道8、液氮循环疲劳致裂增透单元、水力流态化开采与瓦斯抽采单元、水力流态化运输单元以及采空区膏体充填单元；

所述钻孔一25为未经过疲劳致裂作业处理的钻孔；所述钻孔二17为经过疲劳致裂作业处理的钻孔；

所述液氮循环疲劳致裂增透单元包括液氮泵送机4、抽气泵Ⅰ5、封孔塞Ⅰ10、液氮输送管9 和瓦斯抽采管Ⅰ6；所述液氮泵送机4和抽气泵Ⅰ5均安装在轨道巷道8中；所述封孔塞Ⅰ10安装于钻孔一25的顶部；所述液氮输送管9 和瓦斯抽采管Ⅰ6均铺设在开采巷道15中，液氮输送管9的入口端与液氮泵送机4的运输口连接，其出口端穿过封孔塞Ⅰ10后延伸到钻孔一25的底部，用于向钻孔一25中注入液氮；瓦斯抽采管Ⅰ6的出口端与抽气泵Ⅰ5的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅰ10后止于钻孔一25的顶部，用于疲劳致裂过程中瓦斯的抽采作业；

所述水力流态化开采与瓦斯抽采单元包括注水泵2、抽气泵Ⅱ3、封孔塞Ⅱ13、高压射流器21、高压输水管12、瓦斯抽采管Ⅱ11和管路升降机构26；所述注水泵2和抽气泵Ⅱ3均安装在轨道巷道8中；所述封孔塞Ⅱ13安装于钻孔二17的顶部；所述高压射流器21由高压射流管23、旋转机构18和射流喷嘴24及激光测距传感器27和射流控制器28组成；所述高压输水管12和瓦斯抽采管Ⅱ11 均铺设在开采巷道15中，高压输水管12的进液端与注水泵2的出水口连接，其出液端与高压射流器21的进液口连接；所述瓦斯抽采管Ⅱ11的出口端与抽气泵Ⅱ3的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅱ13后止于钻孔二17的顶部，用于水力液态化开采过程中瓦斯的抽采作业；所述高压射流管23的出液端通过封孔塞Ⅱ13中心的通孔伸入到钻孔二17中；所述旋转机构18可转动的安装在高压射流管23的出液端；所述射流喷嘴24安装在旋转机构18上，并通过旋转机构18与高压射流管23相连通；所述激光测距传感器27安装在射流喷嘴24旁，用于实时测量射流喷嘴24到煤壁的距离信号；射流控制器28安装在旋转机构18中，用来根据激光测距传感器27反馈的距离信号即时调整射流强度；通过射流控制器28能便于自动的控制射流的启停与射流的强度进行变化，射流控制器28通过距离信号来使射流强度在一定范围内调整，进而能更高效实现射流破煤开采。所述管路升降机构26固定连接在封孔塞Ⅱ13上，并与高压输水管12、高压射流管23连接，用于对高压射流管23进行升降控制，以实现高压射流管23的出液端在钻孔二17中位置的改变；

所述水力流态化运输单元包括煤体流态化运输巷道22和煤体流态化运输管16；所述煤体流态化运输巷道22开设在煤层下方的岩层中，并处于煤层开采条带的下端；所述煤体流态化运输管16安装在煤体流态化运输巷道22中，其进料端通过开设在岩层中的落煤孔20与煤层相连通；

所述采空区膏体充填单元包括膏体泵送机1和充填管14；所述膏体泵送机1 安装在轨道巷道8中；所述充填管14 铺设在开采巷道15中，其进料端与膏体泵送机1的出料口连接，其出料端伸入到采空区中。

所述高压射流管23外壁安装有导向滑轮，用于减少移动过程与钻孔内壁之间的摩擦力。

为了提高水力开采效率，并能保证水力开采效果，所述射流喷嘴24的射流方向垂直于钻孔二17，射流喷嘴24的数量为两个，且两两之间夹角为180°。

为了提高自动化程度，还包括供电控制单元，所述供电控制单元分别与液氮泵送机4、抽气泵Ⅰ5、注水泵2、抽气泵Ⅱ3、膏体泵送机1和高压射流器21连接。

为了提高煤水混合物落料效果，同时，为了能避免堵塞情况的发生，所述落煤孔20呈棱台漏斗形状。

本发明中，通过使液氮循环疲劳致裂增透单元设置有液氮泵送机、抽气泵Ⅰ、封孔塞Ⅰ、液氮输送管和瓦斯抽采管Ⅰ，不仅能便于利用液氮泵送机和液氮输送管向由封孔塞Ⅰ封堵的钻孔一中注入液氮，以对煤层进行疲劳致裂作业，还能利用抽气泵Ⅰ和瓦斯抽采管Ⅰ于钻孔一中回收裂隙中释放出的瓦斯，降低了瓦斯渗漏的风险。使液氮输送管的出口端穿过封孔塞Ⅰ延伸到钻孔一的底部，能使液氮直接作用于煤层深处，从而实现更好的致裂效果，使瓦斯抽采管Ⅰ穿过封孔塞Ⅰ止于钻孔一的顶部，能在抽采过程中有效的作用于整个钻孔一，进而能实现液氮循环疲劳致裂后瓦斯的高效抽采作业，并降低了瓦斯由钻孔一顶部溢出的几率，从而能降低封孔塞Ⅰ的密封要求；通过使水力流态化开采与瓦斯抽采单元设置注水泵、抽气泵Ⅱ、封孔塞Ⅱ、高压射流器、高压输水管和瓦斯抽采管Ⅱ，不仅能便于利用注水泵、高压输水管和高压射流器向由封孔塞Ⅱ封堵的钻孔二中注入高压水，以利用高压射流器喷射出的高压水对疲劳致裂作业后的煤体进行高效的切割作业，还能同步的利用抽气泵Ⅱ和瓦斯抽采管Ⅱ对水力开采过程中释放出的瓦斯进行及时高效的回收作业，进一步降低了瓦斯渗漏的风险，提高资源利用率。使瓦斯抽采管Ⅱ穿过封孔塞Ⅱ止于钻孔二的顶部，能在抽采过程中有效的作用于整个钻孔二，进而能实现水力开采过程中瓦斯的高效抽采作业，并降低了瓦斯由钻孔二顶部溢出的几率，从而能降低封孔塞Ⅱ的密封要求；通过在煤层下方的岩层中开设煤体流态化运输巷道，并布置煤体流态化运输管，同时，利用开设在岩层中的落煤孔连通煤体流态化运输管与开采煤层，可以使由水力射流开采出的呈流态化的煤体在高压水的冲刷作用和自身重力的双重作用下经落煤孔流入煤体流态化运输管中，进而便于通过泵送的方式将煤体运输至地面，有利于实现煤体的流态化输运作业。通过膏体泵送机和充填管的设置，能便于利用充填膏体及时的泵送充填采空区。该系统结构简单、投入成本低，降低了开采成本的同时，还能有效提高开采过程中的安全系数。

本发明还提供了一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，具体包括以下步骤；

步骤一：煤层工作面施工：基于倾斜煤层的特殊性，在煤层下方岩层中开掘煤体流态化运输巷道22，并在煤层开采条带上方和边界分别开掘开采巷道15和轨道巷道8；

步骤二：巷道施工：将注水泵2、液氮泵送机4、抽气泵Ⅰ5、抽气泵Ⅱ3、膏体泵送机1及供电控制单元均安装在轨道巷道8中，并分别建立供电控制单元与注水泵2、液氮泵送机4、抽气泵Ⅰ5、抽气泵Ⅱ3和膏体泵送机1之间的电性连接；在当前开采条带煤层中钻取钻孔一25；将封孔塞Ⅰ10封装于钻孔一25的顶部；在开采巷道15中分别铺设液氮输送管9和瓦斯抽采管Ⅰ6，并使液氮输送管9与液氮泵送机4连接，使瓦斯抽采管Ⅰ6与抽气泵Ⅰ5连接，在煤层下方的岩层中开设落煤孔20，在煤体流态化运输巷道22中铺设煤体流态化运输管16，并使煤体流态化运输管16的进料端通过落煤孔20与煤层连通；

步骤三：液氮循环疲劳致裂增透：启动液氮泵送机4，通过液氮输送管9向钻孔一25的底部不断循环输送液氮进行疲劳压裂作业，在煤层疲劳致裂后，启动抽气泵Ⅰ5，将钻孔一25渗漏瓦斯经瓦斯抽采管Ⅰ6抽出；

钻孔一25经过疲劳致裂作业处理后，移除连接在其上的设备继续作为后续破煤作业的钻孔二17；

步骤四：水力流态化开采与瓦斯抽采：煤层致裂后，将封孔塞Ⅱ13封装于钻孔二17的顶部，并于开采巷道15中分别铺设高压输水管12和瓦斯抽采管Ⅱ11；透过封孔塞Ⅱ13安装高压射流器21及瓦斯抽采管Ⅱ11，并通过高压输水管12连接注水泵2和高压射流器21，使瓦斯抽采管Ⅱ11与抽气泵Ⅱ3连接，同时，建立高压射流器21与供电控制单元的电性连接；依次启动高压射流器21、注水泵2和抽气泵Ⅱ3，利用高压射流器21的射流喷嘴24，由钻孔二17的底部开始对煤层进行水力流态化开采作业；该过程中，保持抽气泵Ⅱ3的启动状态，通过瓦斯抽采管Ⅱ11持续抽取开采过程中出现的瓦斯，直至结束当前煤层开采条带，关闭注水泵（2）及抽气泵Ⅱ（3）；

步骤五：水力流态化运输：使射流破碎的煤水混合物经落煤孔20流入煤体流态化运输巷道22中铺设的煤体流态化运输管16中，利用泵送的方式流态化运输至地面进行煤水分离；

步骤六：膏体充填：在采空区安装膏体充填管14，启动膏体泵送机1，将充填膏体通过充填管14运输到采空区中，对采空区进行膏体充填。

为了提高煤水混合物的落料效果，同时，为了能避免堵塞情况的发生，在步骤二中，所述落煤孔20呈棱台漏斗形状。

进一步，为了能够实现高效的煤水混合物流态化运输，在步骤五中，利用高压射流器21的射流喷嘴24在开采条带底部煤层喷射出弧形，以便于上部射流破碎的煤水混合物汇聚到落煤孔20流出。

进一步，为了能够高效的实现开采条带煤层的开采作业，在步骤四中的水力流态化开采作业的具体方法如下：

S1：在高压射流器21启动后，控制管路升降机构26动作以改变高压射流器21的位置，使射流喷嘴24移动并始终保持与即将被破碎的煤层下部边界一致；

S2：控制射流开关打开，并控制旋转机构18匀速旋转，通过射流喷嘴24喷射出高压水射流19，不断将煤层煤体水力破碎，碎煤经水流冲击煤水混合物从落煤孔20流出；

S3：射流喷嘴24随着旋转机构18的旋转将周围煤体破碎，角度达到180°后，再次控制管路升降机构26动作以改变高压射流器21的位置，使射流喷嘴24上升设定行程，以继续对当前开采条带煤层进行流态化开采作业，直至上升至当前开采条带煤层的顶部；

S4：控制管路升降机构26动作以改变高压射流器21的位置，使射流喷嘴24回到初始位置，即完成一次开采过程；在下一煤层开采条带中重复执行S1至S4，直至连续开采完整个带区。

进一步，为了实现水资源的循环利用，在步骤五中，煤水分离作业中分离出来的水通过注水泵重新泵送到高压射流器中，再次用于水力射流采煤，以实现水资源的重复利用。

本发明先利用了液氮循环疲劳致裂的方式对煤层进行致裂增透，因液氮在常压下温度极低，可以作为稳定的冷源。利用液氮对煤层进行“冷冲击”能使煤层产生裂纹，达到了对煤层卸压增透的效果，通过向钻孔中不断循环输送液氮，可以通过液氮持续的充填来不断扩展煤层中的裂隙空间，进而可以形成复杂的裂隙网络；另外，由于液氮对煤层孔隙的作用效果与煤层的原始孔隙率之间存在着一定的联系，在液氮汽化体积膨胀的过程中，煤层原始孔隙率较低的部位会对汽化后氮气产生封堵效果，进而孔隙的压力会剧增。在原始孔隙率越低的部位，该孔隙压力越大，孔隙率增加越明显，而在原始孔隙率较高的区域，孔隙率反而没有明显增加甚至略有减小。因此，对于低透气性煤层钻孔注入液氮能更加显著的提高致裂效果，从而可以形成更好的复杂裂隙网络。该过程中，不仅使低透气性含瓦斯煤层进行了疲劳松动，而且还能有效释放出当前开采煤层中的瓦斯，再配合瓦斯的同步抽采作业，能实现低透气煤层中瓦斯含量的高效降低，并有助于提高瓦斯的回收量；在输送液氮对煤层进行疲劳压裂作业的同时，利用瓦斯抽采管Ⅰ回收钻孔一疲劳致裂后渗漏的瓦斯资源，一方面可以使由裂隙中释放出的瓦斯得到及时高效的外排，极大的降低了在采煤过程中发生瓦斯灾害的几率；另一方面可以便于对瓦斯进行集中收集，从而有助于实现瓦斯资源的后续利用。这样，先采用液氮疲劳致裂低透气性煤层，再通过聚能射流的方式对倾斜煤层进行开采，不仅可以实现低透气性煤层的高效开采，还可以大幅度减少后续水力流态化开采过程中水力资源的消耗，从而达到了节约用水的目的，另外，还能使开采出来的煤石在经过后期的破碎处理后更易于分离，从而能有效的提高煤炭的采出率。利用高压水射流的方式作用于煤层，能利用高压水对煤体进行高效切割，同时，通过高压水的冲刷作用能促使开采出来的煤体呈流态化，便于后续的运输处理。由于所开采的为低透气性煤层，因而致裂增透的煤层之外的区域的孔隙率仍然很低，这样在利用聚能射流的方式对致裂增透后的煤层进行开采时，能使水力的作用区域更集中，从而能使水力开采的效率和效果更好。同时，还能使高压水更高效的冲刷流态化的煤体，进而能使后续的流态化运输效率更高效。在水力开采的同时，同步的利用瓦斯抽采管Ⅱ进行瓦斯的抽取，能充分利用水力的冲刷作用进一步增大瓦斯的抽采半径，从而能有效的提高钻孔内瓦斯的抽采量，以使水力开采过程中释放出的瓦斯得到及时有效的外排，进一步降低了采煤过程中发生瓦斯灾害的几率，同时，进一步提高了对瓦斯资源进行收集的效果。由于在液氮循环疲劳致裂增透过程和水力流态化开采过程中均利用了瓦斯抽采装置回收了煤层中的瓦斯资源，进而能避免煤体在后续的运输过程中向煤体流态化运输巷道中释放瓦斯的情况发生，极大的降低了煤体流态化运输巷道处发生瓦斯灾害的安全风险。这样，通过在整个作业过程中均同步的进行瓦斯的抽取，可以有效改善现阶段采煤过程中容易发生瓦斯渗漏灾害的状况，能使整个作业过程都具有极高的安全系数，有效保证了煤矿的安全高效生产工作。在倾斜工作面下端岩层中开设煤体流态化运输巷道，并布置煤体流态化运输管，同时，利用开设在岩层中的落煤孔形成连通煤体流态化运输巷道与煤层之间的自流通道，能使由水力射流开采出的呈流态化的煤体在高压水的冲刷作用和自身重力的双重作用下经自流通道自流进入煤体流态化运输管，进而便于通过煤体流态化运输管泵送的方式将煤体运输至地面，从而可以更便捷的实现煤体的流态化输运。由于高压水的冲刷作用，还能有效提高被水力切割下的煤岩混合物的流动性，从而能避免在落煤孔内发生沉淀堵塞现象，有效的保障了采掘过程的高效进行。另外，水力流态化开采过程与水力流态化运输过程可以同步工作，且互不干扰，从而能进一步提高煤层的采掘效率。通过膏体泵送机和充填管的设置，能利用膏体及时充填采空区，降低了巷道支护需求的同时，还能够有效减缓或阻止上覆岩层的变形，进一步提高了采掘过程中的安全系数与避免地面沉降等环境问题。本发明操作步骤简单，实施成本低，作业过程安全系数高，具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，包括开设在煤层开采条带中的钻孔一（25）和钻孔二（17）、分别开设在煤层开采条带上方和边界的开采巷道（15）和轨道巷道（8）；所述钻孔一（25）为未经过疲劳致裂作业处理的钻孔；所述钻孔二（17）为经过疲劳致裂作业处理的钻孔；

其特征在于，还包括液氮循环疲劳致裂增透单元、水力流态化开采与瓦斯抽采单元、水力流态化运输单元以及采空区膏体充填单元；

所述液氮循环疲劳致裂增透单元包括液氮泵送机（4）、抽气泵Ⅰ（5）、封孔塞Ⅰ（10）、液氮输送管（9）和瓦斯抽采管Ⅰ（6）；所述液氮泵送机（4）和抽气泵Ⅰ（5）均安装在轨道巷道（8）中；所述封孔塞Ⅰ（10）安装于钻孔一（25）的顶部；所述液氮输送管（9）和瓦斯抽采管Ⅰ（6）均铺设在开采巷道（15）中，液氮输送管（9）的入口端与液氮泵送机（4）的输出口连接，其出口端穿过封孔塞Ⅰ（10）后延伸到钻孔一（25）的底部，瓦斯抽采管Ⅰ（6）的出口端与抽气泵Ⅰ（5）的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅰ（10）后止于钻孔一（25）的顶部；

所述水力流态化开采与瓦斯抽采单元包括注水泵（2）、抽气泵Ⅱ（3）、封孔塞Ⅱ（13）、高压射流器（21）、高压输水管（12）、瓦斯抽采管Ⅱ（11）和管路升降机构（26）；所述注水泵（2）和抽气泵Ⅱ（3）均安装在轨道巷道（8）中；所述封孔塞Ⅱ（13）安装于钻孔二（17）的顶部；所述高压射流器（21）由高压射流管（23）、旋转机构（18）和射流喷嘴（24）及激光测距传感器（27）和射流控制器（28）组成；所述高压输水管（12）和瓦斯抽采管Ⅱ（11）均铺设在开采巷道（15）中，高压输水管（12）的进液端与注水泵（2）的出水口连接，其出液端与高压射流器（21）的入水口连接；所述瓦斯抽采管Ⅱ（11）的出口端与抽气泵Ⅱ（3）的抽气口连接，其入口端穿过封孔塞Ⅱ（13）后止于钻孔二（17）的顶部；所述高压射流管（23）的出液端通过封孔塞Ⅱ（13）中心的通孔伸入到钻孔二（17）中；所述旋转机构（18）可转动的安装在高压射流管（23）的出液端；所述射流喷嘴（24）安装在旋转机构（18）上，并通过旋转机构（18）与高压射流管（23）相连通；所述激光测距传感器（27）安装在射流喷嘴（24）旁，用于实时测量射流喷嘴（24）到煤壁的距离信号；射流控制器（28）安装在旋转机构（18）中，用来根据激光测距传感器（27）反馈的距离信号即时调整射流强度；所述管路升降机构（26）固定连接在封孔塞Ⅱ（13）上，并与高压输水管（12）、高压射流管（23）连接，用于对高压射流管（23）进行升降控制，以实现高压射流管（23）的出液端在钻孔二（17）中位置的改变；

所述水力流态化运输单元包括煤体流态化运输巷道（22）和煤体流态化运输管（16）；所述煤体流态化运输巷道（22）开设在煤层下方的岩层中，并处于煤层开采条带的下端；所述煤体流态化运输管（16）安装在煤体流态化运输巷道（22）中，其进料端通过开设在岩层中的落煤孔（20）与煤层相连通；

所述采空区膏体充填单元包括膏体泵送机（1）和充填管（14）；所述膏体泵送机（1） 安装在轨道巷道（8）中；所述充填管（14） 铺设在开采巷道（15）中，其进料端与膏体泵送机（1）的出料口连接，其出料端伸入到采空区中。

2.根据权利要求1所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，其特征在于，所述高压射流管（23）外壁安装有导向滑轮，用于减少移动过程与钻孔内壁之间的摩擦力。

3.根据权利要求1或2所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，其特征在于，所述射流喷嘴（24）的射流方向垂直于钻孔二（17）；射流喷嘴（24）的数量为两个，且两两之间夹角为180°。

4.根据权利要求3所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，其特征在于，还包括供电控制单元，所述供电控制单元分别与液氮泵送机（4）、抽气泵Ⅰ（5）、注水泵（2）、抽气泵Ⅱ（3）、膏体泵送机（1）和高压射流器（21）连接。

5.根据权利要求4所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采系统，其特征在于，所述落煤孔（20）呈棱台漏斗形状。

6.一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：煤层工作面（7）施工：基于倾斜煤层的特殊性，在煤层下方岩层中开掘煤体流态化运输巷道（22），并在煤层开采条带上方和边界分别开掘开采巷道（15）和轨道巷道（8）；

步骤二：巷道施工：将注水泵（2）、液氮泵送机（4）、抽气泵Ⅰ（5）、抽气泵Ⅱ（3）、膏体泵送机（1）及供电控制单元均安装在轨道巷道（8）中，并分别建立供电控制单元与注水泵（2）、液氮泵送机（4）、抽气泵Ⅰ（5）、抽气泵Ⅱ（3）和膏体泵送机（1）之间的电性连接；在当前开采条带煤层中钻取钻孔一（25）；将封孔塞Ⅰ（10）封装于钻孔一（25）的顶部；在开采巷道（15）中分别铺设液氮输送管（9）和瓦斯抽采管Ⅰ（6），并使液氮输送管（9）与液氮泵送机（4）连接，使瓦斯抽采管Ⅰ（6）与抽气泵Ⅰ（5）连接，在煤层下方的岩层中开设落煤孔（20），在煤体流态化运输巷道（22）中铺设煤体流态化运输管（16），并使煤体流态化运输管（16）的进料端通过落煤孔（20）与煤层连通；

步骤三：液氮循环疲劳致裂增透：启动液氮泵送机（4），通过液氮输送管（9）向钻孔一（25）的底部不断循环输送液氮进行疲劳压裂作业，在煤层疲劳致裂后，启动抽气泵Ⅰ（5），将钻孔一（25）渗漏瓦斯经瓦斯抽采管Ⅰ（6）抽出；

钻孔一（25）经过疲劳致裂作业处理后，移除连接在其上的设备继续作为后续破煤作业的钻孔二（17）；

步骤四：水力流态化开采与瓦斯抽采：煤层致裂后，将封孔塞Ⅱ（13）封装于钻孔二（17）的顶部，并于开采巷道（15）中分别铺设高压输水管（12）和瓦斯抽采管Ⅱ（11）；透过封孔塞Ⅱ（13）安装高压射流器（21）及瓦斯抽采管Ⅱ（11），并通过高压输水管（12）连接注水泵（2）和高压射流器（21），使瓦斯抽采管Ⅱ（11）与抽气泵Ⅱ（3）连接，同时，建立高压射流器（21）与供电控制单元的电性连接；依次启动高压射流器（21）、注水泵（2）和抽气泵Ⅱ（3），利用高压射流器（21）的射流喷嘴（24），由钻孔二（17）的底部开始对煤层进行水力流态化开采作业；该过程中，保持抽气泵Ⅱ（3）的启动状态，通过瓦斯抽采管Ⅱ（11）持续抽取开采过程中出现的瓦斯，直至结束当前煤层开采条带，关闭注水泵（2）及抽气泵Ⅱ（3）；

步骤五：水力流态化运输：使射流破碎的煤水混合物经落煤孔（20）流入煤体流态化运输巷道（22）中铺设的煤体流态化运输管（16）中，利用泵送的方式流态化运输至地面进行煤水分离；

步骤六：膏体充填：在采空区安装膏体充填管（14），启动膏体泵送机（1），将充填膏体通过充填管（14）运输到采空区中，对采空区进行膏体充填。

7.根据权利要求6所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，在步骤二中，所述落煤孔（20）呈棱台漏斗形状。

8.根据权利要求7所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，在步骤五中，利用高压射流器（21）的射流喷嘴（24）在开采条带底部煤层喷射出弧状漏斗形，以便于上部射流破碎的煤水混合物汇聚到落煤孔（20）流出。

9.根据权利要求8所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，在步骤四中的水力流态化开采作业的具体方法如下：

S1：在高压射流器（21）启动后，控制管路升降机构（26）动作以改变高压射流器（21）的位置，使射流喷嘴（24）移动并始终保持与即将被破碎的煤层下部边界一致；

S2：控制射流开关打开，并控制旋转机构（18）匀速旋转，通过射流喷嘴（24）喷射出高压水射流（19），不断将煤体水力破碎，碎煤经水流冲击形成的煤水混合物从落煤孔（20）流出；

S3：射流喷嘴（24）随着旋转机构（18）的旋转将周围煤体破碎，角度达到180°后，再次控制管路升降机构（26）动作以改变高压射流器（21）的位置，使射流喷嘴（24）上升设定行程，以继续对当前开采条带煤层进行流态化开采作业，直至上升至当前开采条带煤层的顶部；

S4：控制管路升降机构（26）动作以改变高压射流器（21）的位置，使射流喷嘴（24）回到初始位置，即完成一次开采过程；在下一煤层开采条带中重复执行S1至S4，直至连续开采完整个带区。

10.根据权利要求9所述的一种低透气倾斜煤层煤与瓦斯流态化共采方法，其特征在于，在步骤五中，煤水分离作业中分离出来的水通过注水泵（2）重新泵送到高压射流器（21）中，再次用于水力射流采煤，以实现水资源的重复利用。

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