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专利号: 2021106391460
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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。