1.一种直井周向扫略流态化采煤方法,其特征在于,所使用的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(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;
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,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;
b. 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(2)中下入高压输运管(3)和输运管弯折装置(4),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,高压输运管(3)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)的位置传感器反馈煤层定向钻孔(1)的方位;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,通过自进式牵引喷头(5)的喷口喷射形成的高压水射流对采煤竖井(2)与煤层定向钻孔(1)的贯通位置进行造穴,被高压水射流冲刷下的煤岩混合物沿采煤竖井(2)向下方流动进入运煤巷道(8),完成造穴后关闭高压注水泵和输运管回转装置;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,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、并使自进式牵引喷头(5)翻折呈正对煤层定向钻孔(1)的近水平状态;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、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;
c. 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,通过自进式牵引喷头(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)喷射形成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,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),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,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,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;
d. 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)回退至靠近输运管弯折装置(4)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。
2.根据权利要求1所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;步骤c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;步骤c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经煤层定向钻孔(1)排出,实现煤与瓦斯的同采。
3.根据权利要求1所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;
步骤b中,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,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);
步骤c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;
步骤d中,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,启动胶囊注液或注气泵使压力液体或气体经胶囊注液或注气管进入环状密封袋(72)、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,然后启动注浆泵进行注浆充填,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,先控制胶囊复位结构使环状密封袋(72)进行排水复位、再回收高压输运管(3)的同时回收输运管弯折装置(4)上井。
4.根据权利要求3所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;
在注浆作业前,先回收高压输运管(3)上井,完成注浆、并待采空区内的浆液凝固后,再回收输运管弯折装置(4)上井。
5.根据权利要求3所述的直井周向扫略流态化采煤方法,其特征在于,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后,将封堵胶囊(7)通过柔性绳捆绑在刚性内衬管(71)上。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;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;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;
步骤b中控制弯折驱动部件(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的方式,是同时控制或自上而下依次控制弯折驱动部件(44)动作使下支撑架(412)相对于上支撑架(411)进行转位摆动、使每组支撑架(41)相对于位于其上方的相邻支撑架(41)进行转位摆动的方式。
7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;
步骤b和步骤d中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的方式: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。
8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;
步骤c高压水射流在圆周范围内破碎煤层(6)前,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。
9.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤方法,其特征在于,步骤b通过自进式牵引喷头(5)的喷口喷射形成的高压水射流对采煤竖井(2)与煤层定向钻孔(1)的贯通位置进行造穴时,在启动高压注水泵的同时启动输运管回转装置。
10.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直井周向扫略流态化采煤方法,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;步骤c流态化采煤过程中,采用自下而上的煤层层面开采方式。