CN117868753A - 基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供的基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备，包括：钻井；煤层开采钻头，设置于煤层内预设的定向钻孔的端部位置，通过连接管道与所述钻井连接；地面设施组，与所述钻井连接，用于为所述煤层开采钻头提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；其中，煤层开采钻头为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴，被配置为能够利用喷嘴将割煤浆液喷出对煤层进行开采，并利用喷出的割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的回流浆液压入定向钻孔，以通过定向钻孔将回流浆液送回钻井及地面设施组。

Description

基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备

技术领域

本申请涉及钻井工程技术领域，尤其涉及一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备。

背景技术

煤炭作为不可再生能源，随着开采强度和需求量的不断增加，浅部赋存条件较好的煤炭资源逐渐消耗殆尽，煤矿行业逐渐转入深部煤炭资源开采。但深部开采难度大，成本高，不仅面临地质构造条件复杂、赋存情况不清楚等问题，还面临高地应力、高地温和高渗透压等难题。

其中，由于自然或人为因素影响，部分煤层可能煤厚较小，且倾角过大，对开采造成了一些不利影响，同时，相关技术中，对于这样煤层的开采需要特别兼顾地下设施的安装和管理，存在一定的危险性和开采成本。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备，以解决或部分解决上述问题。

基于上述目的，本申请提供了一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统，包括：

钻井；

煤层开采钻头，设置于煤层内预设的定向钻孔的端部位置，通过连接管道与所述钻井连接；

地面设施组，与所述钻井连接，用于为所述煤层开采钻头提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对所述携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；

其中，所述煤层开采钻头为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴，被配置为能够利用所述喷嘴将所述割煤浆液喷出对所述煤层进行开采，并利用喷出的所述割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的所述回流浆液压入所述定向钻孔，以通过所述定向钻孔将所述回流浆液送回所述钻井及所述地面设施组。

在一些实施方式中，述煤层开采钻头的所述喷嘴包括：至少一对割煤喷嘴，其中一半割煤喷嘴为直射流喷嘴，另一半割煤喷嘴为旋转射流喷嘴；

所述至少一对割煤喷嘴在所述煤层开采钻头的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，两种割煤喷嘴间隔交替排列，并竖直设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液对煤层进行采煤工作。

在一些实施方式中，所述煤层开采钻头的所述喷嘴包括：至少一对冲洗喷嘴；

所述至少一对冲洗喷嘴在所述煤层开采钻头的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，并倾斜设定角度的设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液在开采完的区域形成高压区域，并辅助所述割煤喷嘴完成对所述煤层的采煤工作。

在一些实施方式中，所述地面设施组包括：水罐单元，混砂单元，压裂泵单元，管汇单元；其中，所述水罐单元与所述混砂单元连接，所述压裂泵单元与所述混砂单元连接，所述管汇单元与所述压裂泵单元及所述钻井连接。

在一些实施方式中，所述地面设施组还包括：气体分离单元，沉淀单元，循环单元；其中，所述气体分离单元与所述钻井及所述沉淀单元连接，用于接收所述回流浆液，并分离其中的气体成分，并将剩余浆液输送至所述沉淀单元；所述沉淀单元与所述循环单元连接，用于对所述剩余浆液进行固体沉淀，并将液体部分输送至所述循环单元；所述循环单元与所述水罐单元连接。

基于同一构思，本申请还提供了一种应用如上任一项所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，包括：

获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置；

响应于根据预设规则完成了定向钻孔的打孔及煤层开采钻头的设置，控制所述地面设施组通过所述钻井及连接管道向所述煤层开采钻头提供加压的割煤浆液；

控制所述煤层开采钻头开启喷嘴，并控制所述钻井带动所述连接管道及所述煤层开采钻头进行回撤，以利用喷出的所述割煤浆液对煤层进行开采；

控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收携带煤炭及煤层气的回流浆液。

在一些实施方式中，所述控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收携带煤炭及煤层气的回流浆液之后，所述方法还包括：

对所述回流浆液的煤浆夹矸率进行监控；

响应于所述煤浆夹矸率大于预设区间，控制所述地面设施组降低割煤浆液的压力；

响应于所述煤浆夹矸率小于预设区间，控制所述地面设施组增加割煤浆液的压力。

在一些实施方式中，所述获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置，包括：

响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向不大于400米，设置一组所述煤与煤层气的地面开采系统；

响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向大于400米，在所述煤层的开采范围的两端相对位置设置两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统，并使两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统的两个煤层开采钻头相向设置且间隔设定距离。

基于同一构思，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任一项所述的方法。

基于同一构思，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机实现如上任一项所述的方法。

从上面所述可以看出，本申请提供的一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统、方法及相关设备，包括：钻井；煤层开采钻头，设置于煤层内预设的定向钻孔的端部位置，通过连接管道与所述钻井连接；地面设施组，与所述钻井连接，用于为所述煤层开采钻头提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；其中，煤层开采钻头为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴，被配置为能够利用喷嘴将割煤浆液喷出对煤层进行开采，并利用喷出的割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的回流浆液压入定向钻孔，以通过定向钻孔将回流浆液送回钻井及地面设施组。本申请利用煤层开采钻头对煤层进行水力采煤，并通过多个喷嘴形成的采集区域内的高压强，将采集的带有煤炭及煤层气的回流浆液压入定向钻孔，并通过定向钻孔返回地面，从而避免了人工井下开采因瓦斯或突水等灾害带来的安全风险，极大降低开采成本，并且由于煤层开采钻头只需要完成高压喷水工作，其体积可以设置的较小，从而可以满足小尺寸、角度大或构造复杂的煤层开采要求，同时结构相对简单，可以有效降低危险性和开采成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的示例性煤层开采钻头的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的直射流喷嘴和旋转射流喷嘴的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统在开采过程中浆液流动的一种结构示意图。

图5为本申请实施例提供的示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统在开采过程中浆液流动的另一种结构示意图。

图6为本申请实施例提供的示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的地面设施组的示意图。

图7为本申请实施例提供的多个示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的设置示意图。

图8为本申请实施例提供的示例性基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法的流程示意图。

图9为本申请实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本说明书进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件、物件或者方法步骤涵盖出现在该词后面列举的元件、物件或者方法步骤及其等同，而不排除其他元件、物件或者方法步骤。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术部分所述，受历史及开采技术水平限制，在早期的煤矿开采过程中煤矿的平均采出率为30％～35％，部分小型煤矿的采出率仅为10％～20％。同时在复杂地质条件影响下，大量薄煤层及区段煤层难以实现机械化开采或人工开采，导致存在大量遗煤。由于遗煤赋存区域通常呈三角形、梯形、树叶型等不规则形状，同时煤层厚度变化较大，部分遗煤受瓦斯、水害威胁严重，因此，应用现有的装备技术难以进行安全高效开采，当前亟需一种适应性好、成本低、安全绿色高效的新开采方法。

在相关技术中，采用地面钻井至目标煤层，利用高压水射流器切割采煤，然后通过井底煤岩处理系统进行煤水岩浆的分离，最后通过高压运输管输送至地面。这样的方式不利于开采倾角大的煤层，且需要地下设施的安装和管理，存在一定的危险性和开采成本。

结合上述实际情况，本申请实施例提供了一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统。本申请利用煤层开采钻头对煤层进行水力采煤，并通过多个喷嘴形成的采集区域内的高压强，将采集的带有煤炭及煤层气的回流浆液压入定向钻孔，并通过定向钻孔返回地面，从而避免了人工井下开采因瓦斯或突水等灾害带来的安全风险，极大降低开采成本，并且由于煤层开采钻头只需要完成高压喷水工作，其体积可以设置的较小，从而可以满足小尺寸、角度大或构造复杂的煤层开采要求，同时结构相对简单，可以有效降低危险性和开采成本。

如图1至图4所示，为本申请实施例的一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的结构示意图。其中，本申请实施例的煤与煤层气的地面开采系统，具体包括：

钻井100；煤层开采钻头200，设置于煤层600内预设的定向钻孔500的端部位置，通过连接管道300与所述钻井100连接；地面设施组400，与所述钻井100连接，用于为所述煤层开采钻头200提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对所述携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；其中，所述煤层开采钻头200为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴210，被配置为能够利用所述喷嘴210将所述割煤浆液喷出对所述煤层600进行开采，并利用喷出的所述割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的所述回流浆液压入所述定向钻孔500，以通过所述定向钻孔500将所述回流浆液送回所述钻井100及所述地面设施组400。

其中，钻井100即为用于进行煤矿开采的钻井平台的地上主体部分。连接管道300即为进行浆液输送的管道部分，可以将割煤浆液输送至煤层开采钻头200处，供煤层开采钻头200进行煤层开采及采空区的填充。在采煤过程中，可以是煤层开采钻头200的喷嘴210自身在围绕煤层开采钻头200的中轴线进行旋转采煤；也可以是利用钻井100带动连接管道300进行转动，以此来带动煤层开采钻头200进行转动。同时，钻井100可以通过下放或回收连接管道300，以此来改变煤层钻采充钻头200的位置，例如在进行煤层600的开采时，缓慢回收连接管道300，当然回收的速度可以是预设的匀速回收，也可以根据具体场景进行变速回收。定向钻孔500即为通过前期的钻孔技术在煤层中线或设定位置上钻出的可以容纳煤层开采钻头200和连接管道300的孔形结构，其一般尺寸比煤层开采钻头200大，从而可以利用与煤层开采钻头200和连接管道300之间的空隙让开采下来的煤浆(即回流浆液)回流进去，并最终使将煤浆沿定向钻孔500输出至钻井100。如图1所示，在钻孔施工时，垂直井段为了固井可以使用Φ244.5mm钢管，造斜井段为了固井可以使用Φ177.8mm钢管，在煤层中的平稳斜段为了固井可以使用Φ89mm的玻璃钢套管，以此最终形成整个定向钻孔500。在一些实施例中，位于煤层600中的定向钻孔500可以利用玻璃钢套管进行辅助保护和支撑，同时玻璃钢套管仅起到辅助性的支撑作用，其同样可以被割煤浆液切割破坏。在一些实施例中，定向钻孔500可以设置于煤层600的顶底板之间的中线位置，以此可以提高煤层开采钻头200的开采效率及开采出的煤浆含煤率。

之后，对于煤层开采钻头200其主要功能是完成对煤层600的开采，并为回流浆液提供回流的动力。如图1至图5所示，在进行采煤时，通过连接管道300会输送来高压的割煤浆液。之后，煤层开采钻头200上的多个喷嘴210开启，使高压的割煤浆液喷出，从而对煤层600进行高压水流切割采煤，同时利用喷嘴210喷出的割煤浆液会提升采集区域的液压，从而使采集后的浆液自然随液压差流入定向钻孔500内。其中，如图5所示，高压磨料水射流即为割煤浆液，煤水气浆液即为完成煤炭采集后的携带有煤炭及煤层气的回流浆液，此时的回流浆液一般由煤炭、煤层气及割煤浆液(例如水等液体)等三相物质混合而成。从而对于煤层开采钻头200其仅需要完成对浆液流体的输出，从而其设计的尺寸可以较小，从而在较薄的煤层进行开采，同时较小的尺寸可以更灵活的完成在煤层内的深入，方便进入倾角大、构造复杂的煤层内。在一些实施例中，为避免高速高压的返回流浆液造成的冲蚀损伤，各个喷嘴210处可以安装有硬质合金防溅套筒进行保护。

在一些实施例中，如图2至图4所示，为了有利于对煤层600的切割，方便煤层开采钻头200在煤炭采集时的平衡，喷嘴210可以包括：至少一对割煤喷嘴211。并且这些割煤喷嘴211是在煤层开采钻头200的主体的一个截面上进行均匀周向分布的，例如两个则间隔180度分布，四个则间隔90度进行分布等等，以利用这些割煤喷嘴211对煤层600进行采煤工作。而在一些实施例中，如图3所示，可以将割煤喷嘴211设置为一半为直射流喷嘴，一半为旋转射流喷嘴。直射流喷嘴通过喷出垂直孔壁的直线型高压磨料流，对煤层实现水力深穿透，增大单孔采煤半径；而旋转射流喷嘴内部布设叶轮，可实现定角度高压磨料流的自旋转喷射，用于扩大煤层破碎面面积与超前预裂。从而以此方式更为高效的完成对煤层600的采煤工作。即，在一些实施例中，所述煤层开采钻头200的所述喷嘴210包括：至少一对割煤喷嘴211，其中一半割煤喷嘴211为直射流喷嘴，另一半割煤喷嘴211为旋转射流喷嘴；所述至少一对割煤喷嘴211在所述煤层开采钻头200的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，两种割煤喷嘴211间隔交替排列，并竖直设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液对煤层600进行采煤工作。同时在一些具体场景中，直射流喷嘴的射流角度为垂直煤层600的方向，旋转射流喷嘴喷射定角度自旋转射流，割煤喷嘴211上可以设置电控阀门进行开闭的控制。

之后，如图2至图4所示，为了有利于对采集到的煤炭的运输，同时辅助完成对煤层的开采，并方便煤层开采钻头200在煤炭采集时的平衡，喷嘴210可以还包括：至少一对冲洗喷嘴212。与割煤喷嘴211相类似的，这些冲洗喷嘴212也可以是在煤层开采钻头200的主体的一个截面上沿周向进行均匀分布的。当然由于这些冲洗喷嘴212主要用于对采空区进行液体填充及增压，为包含煤炭及煤层气的煤水气三相的回流浆液提供更大的范围压力，从而其口径可以大于割煤喷嘴211，而冲洗喷嘴212一般不能直对着煤层600，其需要与煤层有一定角度，进而，其可以朝采空区方向倾斜一定角度。同时，如图4所示，其还可以对采煤起到一定的辅助开采作用，对于割煤喷嘴211没有采集到的部分，可以利用冲洗喷嘴212进行辅助采集。即，在一些实施例中，所述煤层开采钻头200的所述喷嘴210包括：至少一对冲洗喷嘴212；所述至少一对冲洗喷嘴212在所述煤层开采钻头200的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，并倾斜设定角度的设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液在开采完的区域形成高压区域，并辅助所述割煤喷嘴211完成对所述煤层600的采煤工作。同时在一些具体场景中，冲洗喷嘴212上也可以设置电控阀门进行开闭的控制。

从而，通过割煤喷嘴211及冲洗喷嘴212，可以一方面保证割煤浆液的射流喷射深度，另一方面可以保证回流浆液的射流携煤及煤层气的效果。

之后，地面填充组400用于提供割煤浆液并回收、分离回流浆液。对于提供割煤浆液的部分，其具体结构可以如图6所示，地面填充组400可以包括：水罐单元401，混砂单元402，压裂泵单元403，管汇单元404；其中，所述水罐单元401与所述混砂单元402连接，所述压裂泵单元403与所述混砂单元402连接，所述管汇单元404与所述压裂泵单元403及所述钻井100连接。其中，水罐单元401，混砂单元402混合用于提供进行采煤的割煤浆液，压裂泵单元403用于为液体提供高压，管汇单元404进行管道汇集等工作。而对于回收、分离回流浆液的部分，其具体结构可以如图6所示，地面填充组400可以还包括：气体分离单元405，沉淀单元406，循环单元407；其中，所述气体分离单元405与所述钻井100及所述沉淀单元406连接，用于接收所述回流浆液，并分离其中的气体成分，并将剩余浆液输送至所述沉淀单元406；所述沉淀单元406与所述循环单元407连接，用于对所述剩余浆液进行固体沉淀，并将液体部分输送至所述循环单元407；所述循环单元407与所述水罐单元401连接，从而可以循环利用浆液来制备割煤浆液。其中，气体分离单元405主要将回流浆液中的煤层气分离出来；沉淀单元406主要将回流浆液中的固体煤炭分离出来；而剩余的液体由于整个过程中并没有其他液态物质混入，从而其整体还是割煤浆液的主要成分，进而可以对剩余的液体进行循环利用。当然在一些实施例中还可以提供用于整体控制的控制单元408。在一些实施例中，前述地面填充组400包含的这些单元可以是以活动的车辆等形式存在，也可以是以固定的固定装置结构存在。在一些实施例中，地面设施组400中压裂泵单元403可以设置2套，用一备一，额定压力≥105MPa，额定排量≥1200L/min，同时可以配备远控箱、安全溢流阀、监控探头等监督装置；水罐单元401同样也可以设置2台，至少满足15min喷射作业需求；混砂单元402至少满足1200L/min，10-15％砂比混砂要求。

在一些具体实施例中，以地面填充组400为可移动的车辆为例。如图1至图6所示，具体的开采过程可以包括以下步骤：(1)采用探地雷达探测法结合已施工钻孔数据，在分析待开采煤层的埋深、厚度、顶底板岩层岩性的基础上，确定开采工作面展布范围。确定井口位置、方位角、造斜点、造斜率、各段井斜角、入煤点及终孔位置。(2)在钻井100的井口附近布置水罐车401、混砂车402、压力泵车403、管汇车404、控制车408，布置气体分离单元405(例如气体分离罐)并建设沉淀单元406(例如煤浆沉淀池)和循环单元407(例如循环池)，在钻井100井口位置安装连接管道升降旋转机构(用于对连接管道300进行旋转)。(3)开孔前进行孔位复测，地面采用Φ311mm PDC钻头垂直钻进至造斜点，下入Φ244.5mm钢管进行一开固井，固井水泥返至地面，防止塌孔；二开更换Φ215.9mm PDC钻头及Φ171.5mm3°单弯动力钻具进行定向造斜，随钻测斜钻进至煤层顶板范围的目标入煤点，下入Φ177.8mm钢管进行二开固井，固井水泥返至地面，防止塌孔；三开稳斜段采用Φ152mm钻头，沿设计工作面方位平行于煤层底板方向钻进至煤层段终孔位置，下入Φ89mm的玻璃钢套管，收集该煤系地层综合录井资料。其中，一开段即为垂直地面向下的段落，二开段即为弯折的段落，三开段即为在煤层中横向穿行的段落。(4)当所有的设备均安装完毕后，先控制连续升降控制机构使煤层开采钻头200下降至煤层600中的埋深范围下限位置，然后依次启动压力泵车403、连接管道旋转装置和抽采泵，混砂车402中的水砂经压力泵车403增压后通过连接管道输送至煤层开采钻头200、并经煤层开采钻头200的割煤喷嘴211和冲洗喷嘴212喷射形成高压磨料水射流，同时连接管道旋转装置带动连接管道旋转使高压磨料水射流在圆周范围内破碎煤层600，然后控制连接管道升降控制机构使煤层开采钻头200一边旋转、一边按设定的速度匀速后退，直至煤层开采钻头200将该煤层区段工作面采完，即完成一次开采过程。(5)采集出的煤层气、射流截割下来的煤粉在高压水的冲击作用下与水充分混合形成湍流(即回流浆液)，向煤层开采钻头200与定向钻孔500(或定向钻孔500内嵌套的玻璃钢套管)之间的环空进行流动，由于井下射流形成的水为高压状态，环空与地面相连，在压差和湍流的冲击作用下，上返至地面钻井100，通过钻井100沿着水平方向设置的一路通路上安装输送煤浆的管路，输送至气体分离单元405；气体分离单元405通过重力沉降作用，将煤层气通过上端出口输送至煤层气储存装置，水煤浆液通过下部出口输送至沉淀单元406；沉淀单元406底部为煤渣，上部为过滤后的废水。沉淀单元406蓄满后溢流至循环单元407，在抽水泵的作用下，循环单元407内水通过管路输送至水罐车401输入水端口，可继续用于制备高压磨料浆体，实现井下割煤作业。

从上面所述可以看出，本申请提供的一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统，包括：钻井；煤层开采钻头，设置于煤层内预设的定向钻孔的端部位置，通过连接管道与所述钻井连接；地面设施组，与所述钻井连接，用于为所述煤层开采钻头提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；其中，煤层开采钻头为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴，被配置为能够利用喷嘴将割煤浆液喷出对煤层进行开采，并利用喷出的割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的回流浆液压入定向钻孔，以通过定向钻孔将回流浆液送回钻井及地面设施组。本申请利用煤层开采钻头对煤层进行水力采煤，并通过多个喷嘴形成的采集区域内的高压强，将采集的带有煤炭及煤层气的回流浆液压入定向钻孔，并通过定向钻孔返回地面，从而避免了人工井下开采因瓦斯或突水等灾害带来的安全风险，极大降低开采成本，并且由于煤层开采钻头只需要完成高压喷水工作，其体积可以设置的较小，从而可以满足小尺寸、角度大或构造复杂的煤层开采要求，同时结构相对简单，可以有效降低危险性和开采成本。

基于同一构思，本申请还提供了一种应用如上任一实施例所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，如图8所示，具体包括：

步骤802，获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置。

步骤804，响应于根据预设规则完成了定向钻孔的打孔及煤层开采钻头的设置，控制所述地面设施组通过所述钻井及连接管道向所述煤层开采钻头提供加压的割煤浆液。

步骤806，控制所述煤层开采钻头开启喷嘴，并控制所述钻井带动所述连接管道及所述煤层开采钻头进行回撤，以利用喷出的所述割煤浆液对煤层进行开采。

步骤808，控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收携带煤炭及煤层气的回流浆液。

其中煤层信息即为根据前期测绘等方式确定的煤层位置、方向、形状等相关参数(例如：井口位置、方位角、造斜点、造斜率、各段井斜角等等)以及根据这些数据计算出的入煤点及终孔位置等信息。

在一些实施例中，为了避免超长定向钻施工成本高、钻井轨迹难以控制等难点。如图1及图7所示，工程布设方式取决于工作面走向长度，当工作面走向长度小于400米时，使用单井开采，形成L形钻孔；当工作面长度大于400米时，使用两井口在同一直线上的双井对拉式开采，形成U形钻孔。当采用双井对拉式开采时，根据顶板基岩性质模拟或实测钻孔超前应力破坏影响范围，在两钻井终孔位置(即最终煤层开采钻头设置的位置)之间预留煤柱，以保证抽采气密性。即，在一些实施例中，所述获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置，包括：响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向不大于400米，设置一组所述煤与煤层气的地面开采系统；响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向大于400米，在所述煤层的开采范围的两端相对位置设置两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统，并使两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统的两个煤层开采钻头相向设置且间隔设定距离。同时，通过地面L形钻孔或U形钻孔，可实现长距离定向煤气抽采及地面煤水气分离，抽采用水可实现循环补给利用。

之后，在一些实施例中，由于较薄的煤层或结构复杂的煤层更容易发生塌陷等风险，为了降低开采危险性，可以通过监控回流浆液的煤浆夹矸率来时刻调整割煤浆液的压力，从而防止压力过大对煤层及周边结构造成过大的破坏，或是压力过小无法完全开采煤层。即，在一些实施例中，所述控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收回流浆液之后，所述方法还包括：对所述回流浆液的煤浆夹矸率进行监控；响应于所述煤浆夹矸率大于预设区间，控制所述地面设施组降低割煤浆液的压力；响应于所述煤浆夹矸率小于预设区间，控制所述地面设施组增加割煤浆液的压力。当然，在一些实施例中，割煤浆液的压强一般应大于煤层的破坏强度，小于煤层顶底板岩层或矸石的破坏强度，以降低煤浆夹矸率。

上述实施例的方法应用于前述实施例中相应的基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统，在前述基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的实施例中已经涉及了上述各步骤包括的具体内容的说明以及相应的有益效果，故在本实施例中不再赘述。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本申请实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意一实施例所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法。

图9示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备、动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入/输出模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任意一实施例所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种计算机程序产品，其包括计算机程序指令。在一些实施例中，所述计算机程序指令可以由计算机的一个或多个处理器执行以使得所述计算机和/或所述处理器执行所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法。对应于所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法各实施例中各步骤对应的执行主体，执行相应步骤的处理器可以是属于相应执行主体的。

上述实施例的计算机程序产品用于使所述计算机和/或所述处理器执行如上任一实施例所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统，其特征在于，包括：

钻井；

煤层开采钻头，设置于煤层内预设的定向钻孔的端部位置，通过连接管道与所述钻井连接；

地面设施组，与所述钻井连接，用于为所述煤层开采钻头提供开采煤层用的割煤浆液，接收携带煤炭及煤层气的回流浆液，并对所述携带煤炭及煤层气的回流浆液进行沉淀和分离；

其中，所述煤层开采钻头为条形结构，侧壁上设置有至少两对喷嘴，被配置为能够利用所述喷嘴将所述割煤浆液喷出对所述煤层进行开采，并利用喷出的所述割煤浆液在采煤部位形成压强，将形成的所述回流浆液压入所述定向钻孔，以通过所述定向钻孔将所述回流浆液送回所述钻井及所述地面设施组。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述煤层开采钻头的所述喷嘴包括：至少一对割煤喷嘴，其中一半割煤喷嘴为直射流喷嘴，另一半割煤喷嘴为旋转射流喷嘴；

所述至少一对割煤喷嘴在所述煤层开采钻头的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，两种割煤喷嘴间隔交替排列，并竖直设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液对煤层进行采煤工作。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述煤层开采钻头的所述喷嘴包括：至少一对冲洗喷嘴；

所述至少一对冲洗喷嘴在所述煤层开采钻头的侧壁上沿同一截面的周向均匀分布，并倾斜设定角度的设置于所述侧壁上，被配置为通过喷出所述割煤浆液在开采完的区域形成高压区域，并辅助所述割煤喷嘴完成对所述煤层的采煤工作。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面设施组包括：水罐单元，混砂单元，压裂泵单元，管汇单元；其中，所述水罐单元与所述混砂单元连接，所述压裂泵单元与所述混砂单元连接，所述管汇单元与所述压裂泵单元及所述钻井连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述地面设施组还包括：气体分离单元，沉淀单元，循环单元；其中，所述气体分离单元与所述钻井及所述沉淀单元连接，用于接收所述回流浆液，并分离其中的气体成分，并将剩余浆液输送至所述沉淀单元；所述沉淀单元与所述循环单元连接，用于对所述剩余浆液进行固体沉淀，并将液体部分输送至所述循环单元；所述循环单元与所述水罐单元连接。

6.一种应用如权利要求1至5任一项所述的基于地面钻孔的煤与煤层气开采系统的基于地面钻孔的煤与煤层气开采方法，其特征在于，包括：

获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置；

响应于根据预设规则完成了定向钻孔的打孔及煤层开采钻头的设置，控制所述地面设施组通过所述钻井及连接管道向所述煤层开采钻头提供加压的割煤浆液；

控制所述煤层开采钻头开启喷嘴，并控制所述钻井带动所述连接管道及所述煤层开采钻头进行回撤，以利用喷出的所述割煤浆液对煤层进行开采；

控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收携带煤炭及煤层气的回流浆液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制地面设施组通过所述钻井从定向钻孔中接收携带煤炭及煤层气的回流浆液之后，所述方法还包括：

对所述回流浆液的煤浆夹矸率进行监控；

响应于所述煤浆夹矸率大于预设区间，控制所述地面设施组降低割煤浆液的压力；

响应于所述煤浆夹矸率小于预设区间，控制所述地面设施组增加割煤浆液的压力。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取煤层信息，确定钻井及地面设施组设置位置，包括：

响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向不大于400米，设置一组所述煤与煤层气的地面开采系统；

响应于根据所述煤层信息确定煤层的开采范围沿所述定向钻孔的布置方向大于400米，在所述煤层的开采范围的两端相对位置设置两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统，并使两组相对的所述煤与煤层气的地面开采系统的两个煤层开采钻头相向设置且间隔设定距离。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6至8任一项所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机实现权利要求6至8任一项所述的方法。