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专利号: 2023109500666
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,所使用的地面垂直钻井单井流态化采矿系统包括水力开采及提升部分,水力开采及提升部分包括双壁高压输运管(2)、水力破煤喷嘴(3)和增压射流输运装置(5);

双壁高压输运管(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,双壁高压输运管(2)或输运管旋转装置上还设有输运管升降控制装置,双壁高压输运管(2)是双层套管结构、包括输煤内管(22)和高压输水外管(21),高压输水外管(21)包括与其底端密闭固定连接的封堵底板,高压输水外管(21)顶部的压力水输入端通过滑环结构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,喷射方向沿高压输水外管(21)径向方向设置的水力破煤喷嘴(3)固定安装在高压输水外管(21)的底部、且水力破煤喷嘴(3)与高压输水外管(21)的内腔连通,水力破煤喷嘴(3)的下方还设有贯穿高压输水外管(21)外壁的煤水混合物吸入口(4),输煤内管(22)顶端的返渣输出端通过滑环结构与返渣管的输入端密封安装连接,返渣管的输出端与固液分离装置连接;

增压射流输运装置(5)固定安装在输煤内管(22)的底端,增压射流输运装置(5)的底端与高压输水外管(21)的封堵底板之间形成反流空间,增压射流输运装置(5)自下而上包括同轴设置的射流喷嘴(51)和文丘里管段,文丘里管段自下而上包括喉管段(52)和上大下小的扩散管段(53),射流喷嘴(51)的底端与反流空间连通、射流喷嘴(51)的顶端与喉管段(52)的底端密闭连通,扩散管段(53)的顶端与输煤内管(22)的内腔底端密闭对接连接,增压射流输运装置(5)上还设有与喉管段(52)连通的返渣通道,返渣通道与煤水混合物吸入口(4)密闭连通、且返渣通道的中轴线与射流喷嘴(51)的中轴线之间的夹角是锐角;

地面垂直钻井单井流态化采矿方法具体包括以下步骤:

a.建井施工:在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),布置高压注水泵、储水罐和固液分离装置,根据待采煤层的埋深及厚度确定双壁高压输运管(2)的长度后向采煤竖井(1)中下入双壁高压输运管(2)、并使水力破煤喷嘴(3)位于待采煤层的埋深范围内,将双壁高压输运管(2)通过输运管旋转装置架设安装在采煤竖井(1)的井口位置后,连接返渣管和高压注水管;

b.水力开采及煤水混合物的上井:先控制输运管升降控制机构使水力破煤喷嘴(3)上升至待采煤层的埋深范围上限位置,然后依次启动高压水泵和输运管旋转装置,输运管旋转装置带动双壁高压输运管(2)按设定的速度慢速回转的同时控制输运管升降控制机构按设定的速度匀速慢速下降,直至水力破煤喷嘴(3)下降至待采煤层的埋深范围下限位置,完成一次开采过程,开采过程中储水罐中的水经高压水泵增压后通过高压注水管进入高压输水外管(21),一部分高压水经水力破煤喷嘴(3)喷出形成高压水射流、对待采煤层在圆周范围内进行水力切割,被水力切割下的煤岩与水混合呈流态化沉降,另一部分高压水在高压输水外管(21)底端的反流空间进行反流、并经射流喷嘴(51)进一步增压后进入喉管段(52),使返渣通道内形成负压环境,煤水混合物液面没过煤水混合物吸入口(4)时煤水混合物经煤水混合物吸入口(4)和返渣通道被吸入喉管段(52)、并与进一步增压的高压水混合形成混合流体在喉管段(52)中高速流动,混合流体通过扩散管段(53)后高压水流携带细煤颗粒沿输煤内管(22)向上流动上井、并经返渣管进入固液分离装置进行固液分离;控制输运管升降控制机构使水力破煤喷嘴(3)上升至待采煤层的埋深范围上限位置后,再次进行开采,以此类推,直至完成开采范围内的煤体开采。

2.根据权利要求1所述的地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,地面垂直钻井单井流态化采矿系统还包括辅助提升装置(6),辅助提升装置(6)包括气举喷头(61)和气举喷头支撑管(62),气举喷头支撑管(62)同轴设置在输煤内管(22)内、且气举喷头支撑管(62)顶端设有气举喷头支撑管升降控制装置,气举喷头支撑管(62)的顶端通过压力气体供给管路与压力气源连接,与气举喷头支撑管(62)连通的气举喷头(61)回转配合安装在气举喷头支撑管(62)的底端、且气举喷头(61)的顶部设有沿周向伸出设置的搅拌叶片,或者气举喷头支撑管(62)下部同轴设有回转配合安装的回转段、且回转段上设有沿周向伸出设置的搅拌叶片,气举喷头(61)固定安装在回转段的底端,气举喷头(61)内部设有多个与气举喷头支撑管(62)连通的气流通道,气流通道的中轴线与气举喷头支撑管(62)的中轴线之间的夹角为锐角、且气流通道设置成沿气举喷头(61)周向方向螺旋向上喷射的螺旋形通道,搅拌叶片设置成沿气举喷头(61)或气举喷头支撑管(62)的周向方向螺旋向上均布间隔布置的螺旋布置结构,拌叶片的底端铰接安装在气举喷头(61)或气举喷头支撑管(62)上、且搅拌叶片完全伸出状态时搅拌叶片的伸出方向与气举喷头支撑管(62)的中轴线之间的夹角呈锐角;

煤水混合物上井过程中通过压力气源向气举喷头支撑管(62)内供入压力气体,压力气体经气举喷头(61)的气流通道螺旋上升喷出形成气泡、使煤水混合物的密度降低,同时压力气体喷出过程中带动气举喷头(61)或气举喷头支撑管(62)的回转段进行回转,按设定的速度通过气举喷头支撑管升降控制装置控制气举喷头支撑管(62)进行周期性升降往复运动,气举喷头支撑管(62)下降过程中搅拌叶片向气举喷头(61)或气举喷头支撑管(62)的轴心方向翻折让位,气举喷头支撑管(62)上升过程中通过完全翻折伸出的搅拌叶片对煤水混合物施加辅助托举提升力,实现辅助气举和防沉降。

3.根据权利要求1或2所述的地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,地面垂直钻井单井流态化采矿系统的高压输水外管(21)的底端还设有辅助破煤装置(7),辅助破煤装置(7)至少包括安装在高压输水外管(21)的封堵底板下方的研磨头(71)以及设置在高压输水外管(21)的封堵底板上的喷射方向向下方设置的搅流喷嘴(72),搅流喷嘴(72)通过搅流通道与反流空间连通;

水力开采过程中,被水力切割下的大块煤体落至采煤竖井(1)的底部,双壁高压输运管(2)回转时带动研磨头(71)对大块煤体进行滚压和切削研磨形成细煤颗粒,同时,进入反流空间的高压水一部分经搅流喷嘴(72)喷出形成高压旋转扰动射流、使位于采煤竖井(1)底部的细煤颗粒翻腾上升。

4.根据权利要求1或2所述的地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,射流喷嘴(51)和水力破煤喷嘴(3)均是包括矢量喷口控制机构的矢量喷口结构;水力破煤喷嘴(3)下方的高压输水外管(21)外壁上设有液位监测传感器;

通过控制射流喷嘴(51)的喷口大小控制经射流喷嘴(51)喷出的高压水的压力大小;通过控制水力破煤喷嘴(3)的喷口大小控制经水力破煤喷嘴(3)喷出的高压水的压力大小;

当液位监测传感器反馈水力破煤喷嘴(3)要处于淹没状态时,控制缩小水力破煤喷嘴(3)的喷口使压力水大部分集中用于提升煤水混合物,待液面下降至设定液位时再恢复水力破煤喷嘴(3)的水力切割;当输煤内管(22)出现沉淀堵塞时,控制缩小射流喷嘴(51)的喷口使输煤内管(22)的内底部产生局部高压以缓解或解除沉淀堵塞现象。

5.根据权利要求4所述的地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,高压输水外管(21)的底端设有电控装置,电控装置包括控制器、电源回路、液位反馈控制回路、矢量喷口控制回路和无线收发模块,电源回路包括电连接的电池组和涡轮发电模块,涡轮发电模块的水涡轮设置在搅流通道内,控制器分别与电池组、液位监测传感器、矢量喷口控制机构和无线收发控制模块电连接;

利用搅流高压水推动水涡轮高速旋转实现发电,通过控制器进行井下控制并无线反馈至地面的方式。

6.根据权利要求1或2所述的地面垂直钻井单井流态化采矿方法,其特征在于,针对煤与瓦斯易突出的松软煤层,地面垂直钻井单井流态化采矿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(1)的井口位置附近的瓦斯抽采泵,采煤竖井(1)顶部位置设有与其贯通设置的瓦斯抽采斜孔,瓦斯抽采斜孔通过管路与瓦斯抽采泵密闭连接;

采用瓦斯抽采斜孔在水力开采及煤水混合物上井过程中同时进行瓦斯抽采的方式,水力开采及煤水混合物上井过程中,先将采煤竖井(1)的孔口位置密闭、再将瓦斯抽采斜孔通过管路与瓦斯抽采泵密闭连接,启动瓦斯抽采泵进行瓦斯抽采。