地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统及方法与流程

技术特征：
1.一种地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，包括定向钻井水力采煤部分、注浆充填部分和井下输运巷道部分；所述的定向钻井水力采煤部分包括钻采定向钻机、定向采煤钻井(1)、采煤定向钻杆(2)和钻采充一体化装置(3)；钻采定向钻机设置在地面；定向采煤钻井(1)相对于煤层倾斜方向的高端位置自地面打入，定向采煤钻井(1)包括沿上下走向的一个主采煤钻井段(11)、沿煤层倾斜方向向煤层倾斜方向的低端位置延伸的多个煤层钻井段(12)以及造斜连通设置在主采煤钻井段(11)与煤层钻井段(12)之间的采煤过渡钻井段(13)；采煤定向钻杆(2)包括多个密闭同轴安装连接为一体结构的空心钻杆段，开拓施工底巷道(4)和水力采煤时，位于定向采煤钻井(1)井口位置的采煤定向钻杆(2)顶端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，采煤定向钻杆(2)内部空腔形成连贯的压力介质通道；钻采充一体化装置(3)安装在采煤定向钻杆(2)的底端，包括流体控制机构(31)、钻进机构和水力切割机构，流体控制机构(31)用于控制流经采煤定向钻杆(2)的压力介质的流通方向，钻进机构包括可调弯壳体、孔底螺杆马达(32)以及通过万向轴总成安装在孔底螺杆马达(32)的动力输出端上的定向钻头(33)，定向钻头(33)上设有喷射方向面向钻进方向的钻进喷嘴，水力切割机构包括喷射方向沿定向钻头(33)径向方向设置为多个的水力切割喷嘴(34)，孔底螺杆马达(32)的高压输入端和水力切割喷嘴(34)分别与流体控制机构(31)密闭连通连接，孔底螺杆马达(32)的低压输出端与钻进喷嘴密闭连通连接；所述的注浆充填部分包括设置在定向采煤钻井(1)的打钻井口位置附近的浆液搅拌站和设置在流体控制机构(31)上的注浆口(35)，浆液搅拌站的输出端与注浆泵的输入端连通连接，注浆充填作业时注浆泵的输出端与采煤定向钻杆(2)的压力介质通道顶端密闭连接；所述的井下输运巷道部分包括设置在煤层底板下方的底巷道(4)，底巷道(4)相对于定向采煤钻井(1)位于煤层倾斜方向的低端位置、且底巷道(4)的长度方向沿煤层的宽度走向设置，底巷道(4)的顶部对应煤层钻井段(12)的位置设有向上方打设的、与煤层钻井段(12)贯通设置的漏煤通道(41)，漏煤通道(41)底部设有导流机构，水力采煤时，漏煤通道(41)内设有滤水筛板(42)。2.根据权利要求1所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，流体控制机构(31)包括压力水输入端与采煤定向钻杆(2)的压力介质通道底端密闭连通连接的控制阀组(311)以及密封滑动配合套接在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上的滑移套(312)，沿钻进方向设置在孔底螺杆马达(32)后方的控制阀组(311)的压力水输出端与孔底螺杆马达(32)的高压输入端连通连接，相对于采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段径向定位设置的滑移套(312)包括滑移驱动机构，滑移套(312)上设有多个沿径向方向贯穿滑移套(312)的水力切割喷嘴安装孔、且多个水力切割喷嘴安装孔沿滑移套(312)的周向方向均布设置，水力切割喷嘴(34)安装在水力切割喷嘴安装孔内，数量对应水力切割喷嘴安装孔设置的注浆口(35)沿径向方向贯通设置在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上，且注浆口(35)配合滑移套(312)的滑移行程、并对应水力切割喷嘴安装孔的位置设置，通过控制滑移驱动机构的动作可以实现滑移套(312)沿轴向方向在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上前后滑移并定位、使水力切割喷嘴(34)处于与注浆口(35)贯通的状态或错位封堵的状态。
3.根据权利要求1所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，水力切割喷嘴(34)设置在定向钻头(33)上、且多个水力切割喷嘴(34)沿定向钻头(33)的周向方向均布设置；流体控制机构(31)包括压力水输入端与采煤定向钻杆(2)的压力介质通道底端密闭连通连接的控制阀组(311)以及密封滑动配合套接在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上的滑移套(312)，沿钻进方向设置在孔底螺杆马达(32)后方的控制阀组(311)的压力水输出端包括钻进压力水输出端和水力切割压力水输出端，钻进压力水输出端通过节流控制阀与孔底螺杆马达(32)的高压输入端连通连接，水力切割压力水输出端通过滑环结构与水力切割喷嘴(34)连通连接，滑移套(312)包括滑移驱动机构，注浆口(35)沿径向方向贯通设置在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上，且注浆口(35)配合滑移套(312)的滑移行程设置，通过控制滑移驱动机构的动作可以实现滑移套(312)沿轴向方向在采煤定向钻杆(2)底端空心钻杆段上前后滑移并定位、使注浆口(35)处于与外界贯通的状态或封堵的状态。4.根据权利要求1或2或3所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，地面定向钻井与井下巷道联用的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定向采煤钻井(1)的打钻井口位置附近的瓦斯抽采泵；瓦斯抽采作业时，排空钻孔与采煤定向钻杆(2)之间间隙内的泥浆后，将瓦斯抽采泵的输出端与贯通设置在主采煤钻井段(11)顶部位置的瓦斯抽采斜孔连接进行抽采瓦斯；或者瓦斯抽采作业时，排空采煤定向钻杆(2)的压力介质通道内的水后，将瓦斯抽采泵的输出端与采煤定向钻杆(2)的压力介质通道连接进行抽采瓦斯。5.根据权利要求1或2或3所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，底巷道(4)内还设有旋转搅拌装置，旋转搅拌装置包括可穿入漏煤通道(41)内的旋转搅拌轴(43)，旋转搅拌轴(43)与周向旋转驱动部件传动连接。6.根据权利要求5所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，旋转搅拌轴(43)上还可以设有凸出设置的、包括截割齿的破碎结构。7.根据权利要求6所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统，其特征在于，破碎结构是整体沿落煤方向螺旋设置的螺旋输送结构。8.一种地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤方法，其特征在于，具体包括以下步骤：a.建井施工：采用探地雷达探测法确定待采煤层的埋深、厚度、倾角、长度范围及宽度范围，然后在位于煤层倾斜方向的低端位置煤层底板下方沿煤层宽度方向开拓施工底巷道(4)，在对应煤层钻井段(12)的拟开采方向上向上开拓施工漏煤通道(41)后，将滤水筛板(42)定位安装在漏煤通道(41)内；将钻采充一体化装置(3)安装在采煤定向钻杆(2)的末端，确定定向采煤钻井(1)的井口打钻位置后，在定向采煤钻井(1)的打钻井口位置附近布置并连接高压注水泵与储水罐，控制流体控制机构(31)使采煤定向钻杆(2)与钻采充一体化装置(3)的钻进机构连通后启动高压注水泵进行钻进施工开拓定向采煤钻井(1)，完成主采煤钻井段(11)的钻进后，沿煤层宽度方向造斜并钻进采煤过渡钻井段(13)，钻进采煤过渡钻井段(13)至煤层宽度方向的边缘位置后，根据水力切割喷嘴(34)的水力切割范围沿煤层倾斜方向造斜并钻进第一个煤层钻井段(12)，第一个煤层钻井段(12)钻进至煤层倾斜方向的低端位置后停止钻进；
b.水力采煤：控制流体控制机构(31)使采煤定向钻杆(2)与钻采充一体化装置(3)的水力切割机构连通后启动高压注水泵，水力切割喷嘴(34)喷出高压水射流对周向范围内的煤层进行水力切割，同时控制钻采定向钻机使采煤定向钻杆(2)慢速回退、直至钻采充一体化装置(3)回退至第一个煤层钻井段(12)的顶端位置，即完成一次开采过程；依次类推，在第一个煤层钻井段(12)内进行多次钻进和多次水力切割；c.煤岩混合物输送及注浆充填：水力采煤过程中，第一个煤层钻井段(12)的底端与漏煤通道(41)贯通后，被水力切割下的煤岩混合物呈流态化向煤层倾斜方向的低端位置移动，大颗粒的煤岩混合物被滤水筛板(42)阻挡堆积滞留在第一个煤层钻井段(12)内，而水和小颗粒煤岩混合物经漏煤通道(41)和导流机构进入底巷道(4)、并输送上井；根据水力切割喷嘴(34)的水力切割范围换算第一个煤层钻井段(12)的采空区体积数值，待完成第一个煤层钻井段(12)的开采后，钻采充一体化装置(3)停滞在第一个煤层钻井段(12)的顶端位置，撤除滤水筛板(42)，滞留在第一个煤层钻井段(12)内的大颗粒煤岩混合物经漏煤通道(41)和导流机构进入底巷道(4)、并输送上井，同时，将注浆泵的输出端与采煤定向钻杆(2)的压力介质通道顶端密闭连接、控制流体控制机构(31)使采煤定向钻杆(2)与注浆口(35)连通后启动注浆泵对第一个煤层钻井段(12)的采空区进行充填，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，撤除注浆泵并将采煤定向钻杆(2)的压力介质通道顶端与高压注水管的输出端密封安装连接后，启动高压水泵对采煤定向钻杆(2)的压力介质通道进行冲洗，至设定冲洗时间后关闭高压水泵、并控制流体控制机构(31)切断采煤定向钻杆(2)与注浆口(35)的连接；当漏煤通道(41)排出充填浆液时，对漏煤通道(41)进行封堵；d.平行接续采煤作业：待完成第一个煤层钻井段(12)的开采和充填后，先控制钻采定向钻机使钻采充一体化装置(3)回退至采煤过渡钻井段(13)，再根据水力切割喷嘴(34)的水力切割范围沿平行于第一个煤层钻井段(12)的方向造斜并钻进第二个煤层钻井段(12)，然后在第二个煤层钻井段(12)内进行水力采煤和充填，依次类推，直至将煤层宽度方向上所有煤炭资源开采完毕。9.根据权利要求8所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤方法，其特征在于，步骤d中采取沿煤层宽度方向间隔依次开采煤层钻井段(12)并充填的方式。10.根据权利要求8所述的地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤方法，其特征在于，底巷道(4)内还设有旋转搅拌装置，旋转搅拌装置包括可穿入漏煤通道(41)内的旋转搅拌轴(43)，旋转搅拌轴(43)与周向旋转驱动部件传动连接；步骤c中将旋转搅拌轴(43)定位穿入漏煤通道(41)内后撤除滤水筛板(42)，然后启动周向旋转驱动部件。

技术总结
本发明公开了一种地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统及方法，采煤系统包括定向钻井水力采煤部分、注浆充填部分和井下输运巷道部分；定向钻井水力采煤部分包括定向采煤钻井、采煤定向钻杆和钻采充一体化装置；井下输运巷道部分包括底巷道、漏煤通道和滤水筛板。本发明以定向钻技术为基础、并利用沿倾斜煤层走向的势能，通过钻采充一体化装置进行水力采煤过程中采用安装滤水筛板的方式减缓煤层钻井段内的煤岩混合物的流速，通过钻采充一体化装置进行注浆充填过程中撤除滤水筛板，可使整个煤层钻井段内始终不形成整体连贯的采空区、进而可以实现降低煤层顶板断裂塌陷的几率，特别适用于对倾斜走向的松软煤层进行煤矿开采。开采。开采。


技术研发人员：刘应科 王青祥 方飞飞 周福宝 蒋名军 袁满 陈帅宇 叶国庆
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.07.05
技术公布日：2021/10/8