CN1189641C - 无人下井钻孔水力采煤方法及其专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人下井钻孔水力采煤方法，该采煤方法在地表至少钻一口竖井和一口斜孔。在竖井里安装包括高压水通道、压缩空气通道和返渣筒的开采管柱和包括射流喷嘴、混合室及刮刀钻头的开采设备。在斜孔中包括钻杆、射流喷嘴和投球式射流开采装置钻具的钻头，斜孔是定向钻进至与竖井连通。竖井的扩腔开采是用高压水射流破碎煤体，在液流携带及重力作用下流往吸喳口；在混合室注入压缩空气形成气举，水、煤在吸渣口充分混合，经返渣筒提升至地表；斜孔开采是利用投球堵塞钻头过水通道，射流切割、破碎。工人在地面工作，无生产安全隐患；煤在井下水洗后，可降低硫及矸石含量，提高煤质：在采煤的同时可采煤层气，减少对大气的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种采煤方法及其专用装置，具体的是一种无人下井钻孔采煤方法及其专用装置。
背景技术
我国煤矿目前采用人工下井进行巷道开采的方式，但对一些高瓦斯、顶板易塌或地下水及丰富的煤矿题，很容易发生瓦斯爆炸、冒顶或透水事故，这在我国近几年的煤炭开采上尤为突出，经常出现重大人员伤亡事故。2000年全国煤矿共发生一次死亡10人以上的事故75起，其中，国有重点煤矿发生18起，比较严重的如贵州水城木冲沟“9.27”瓦斯爆炸事故，内蒙古大雁局二矿“11.25”瓦斯爆炸事故，山西大同永定庄瓦斯爆炸事故等。2002年5-7月仅二个月时间，先后发生特大瓦斯爆炸事故、透水事故等十余起，如黑龙江城子河煤矿“6.20”特大瓦斯爆炸事故等。在我国即使在设备和条件都有一定基础的国有重点煤矿，目前百万吨平均死亡率也远高于国外的百万吨平均死亡率。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过地表钻孔，高压水射流采煤并气举提升的钻孔水力采煤方法及其专用装置。工人在地表作业，无生产安全隐患。
本发明的目的是这样实现的：一种无人下井钻孔水力采煤方法：包括竖井、斜孔、高压泵、空压机及管道；该采煤方法的内容是：
(1)在煤层上至少钻一口竖井和一斜孔；
(2)在竖井里安装包括高压水通道、压缩空气通道和返渣筒的开采管柱和包括射流喷嘴、混合室及刮刀钻头的开采设备；
(3)在斜孔中包含钻杆、射流喷嘴和投球式射流开采装置钻具的钻头，斜孔定向钻进至与竖井连通；
(4)竖井扩腔开采
a.用高压水射流破碎煤体，在液流的携带和重力的作用下流往吸渣口；
b.利用开采管柱上、下移动及转动，充分地开采和破碎周围的煤体；
c.在混合室，注入压缩空气、产生气举，水、煤在吸渣口充分混合经返渣筒提升至地表；
(5)斜孔开采
投球堵塞钻头过水通道，射流开始切割、破碎煤层；同时缓慢回转和提升钻具，碎煤在水流携带和重力作用下流向竖井吸渣口。
开采管柱连接射流喷嘴和提升装置；开采管柱设有高压水通道、压缩空气通道和返渣通道；射流采煤提升装置的下部设射流主喷嘴，下端设刮刀钻头；射流采煤提升装置的吸渣口处设射流付喷嘴，射流采煤提升装置上部的返渣筒筒壁上设有若干小孔的空气混合室，
位于斜孔中的钻杆下部设有由射流喷嘴、滑套、弹簧、球和钻头接头组成的投球式射流开采装置，滑套的孔设有可装球的阶梯孔；滑套外部设有阶梯轴，滑套与钻头接头间设有弹簧。
斜孔位于倾斜煤层的上倾方向或近似上倾方向。
开采管柱由直径大小不同的四层同心管子组成，由外到内依次为一、二、三、四通道的四条通道，一通道是高压水通道，该通道与射流主喷嘴连接；二通道为高压水通道该通道与射流付喷嘴连接；三通道上连空压机、下连混合室；四通道上端与井上的煤水分离装置连接，下端与吸渣口相连；
所述四层同心管子相邻的两管间设有保持其间距的筋条。
所述刮刀钻头的刮刀为2～6个。
无人下井钻孔水力采煤方法至少有一直一斜两个钻孔、并组成开采通道即可实现。直孔即竖井作为开采井，完井后利用高压水射流切割破碎煤体，破碎下来的煤通过气举提升后，在井底形成一定容积的煤水混合腔；之后在开采井的煤层上倾方向钻进一斜孔，斜孔最终要与开采井连通，并逐步射流切割破碎竖井、斜孔所控制范围内的煤体，碎煤在重力和水流的携带下运动至开采井井底，再气举提升至地表。
本发明适合于埋深在1200米以内，强度为中硬和中硬以下，胶结性差的倾斜层状煤体开采，特别适于在高瓦斯和地下水丰富的矿区煤层使用。由于工人在地表工作，井下瓦斯和地下水不会危及工人，确保工人生命安全。另外，开采中使用的开采管柱，射流提升装置和投球式射流开采装置都可多次使用。
附图说明
图1为钻孔采煤示意图；
图2为开采管柱结构示意图；
图3为射流提升装置示意图；
图4为投球式射流开采装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明。
无人下井钻孔水力采煤方法分为：单井扩腔前期开采阶段和斜孔连通长距离开采阶段。
一.单井扩腔前期开采阶段，参看图1。
1.直井钻孔与完井。
直井又叫竖井，其钻孔深达目标开采的煤层6的底板下2米，下开采管柱3至开采煤层顶板4，孔口座定，不需固井，待完成两井控制范围内的煤炭开采后可起出重复使用。
2.下入开采管柱与开采设备。
开采管柱3由四层管子10、11、12、13组成，参看图2，这四层管组成15、16、17、18四个独立通道，通道15和16分别注入高压水，通道17为压缩空气，通道18为返渣孔，四层管之间以筋条14隔离居中。
开采设备5由四部分组成，如图3，分别由混合室19、射流主喷嘴22、射流副喷嘴组21和装于管柱底部的四翼刮刀钻头23组成，流经通道15的大排量高压水通过一个射流主喷嘴22高速喷出，切割破碎煤体，破碎下来的煤在液流携带和重力作用下，流向吸渣口20；流经通道16的高压水经吸渣口下由多个位于多方位的小喷嘴组成的射流付喷嘴21对煤进行第二次射流切割破碎，并将煤充分搅动，特别是当煤层出现大面积崩塌时，副喷嘴能有效避免大块煤堵塞吸渣口，保证煤经吸渣口顺利进入通道18，即返渣筒；通道17内的压缩空气经小孔24进入混合室19再进入通道18，在混合室处的管子13的管壁上钻有许多小孔24以完成煤矿浆的气举提升。
本发明采用的喷嘴均设计成双曲面形状，喷嘴用硬质合金整体烧结，内表面进行抛光处理，这种喷嘴能有效改善射流质量，使射流能量大大提高。
安装在管柱最底部的钻头能够使开采设备顺利下到孔底，其形状设计成四翼刮刀钻头，如图3，特别是在开采过程中开采管柱上提后该钻头能有效保证开采管柱再次下到原来的位置，开采过程中出现的煤层崩塌也不会给开采管柱下放造成影响。
3.开采扩腔阶段
利用主喷嘴射流切割破碎煤体，为保证开采管柱周围3～5米半径上下范围内的煤均能采空，需要对喷嘴进行旋转和升降，本发明采取旋转和升降开采管柱的办法来达到喷嘴对任一方向的煤进行破碎和开采的目的。
二.斜孔连通长距离开采阶段
1.斜孔孔位的布置。
斜孔孔位布置在开采直并的煤层上倾方向，便于连通后开采期间的煤浆借助重力作用流向吸渣口。斜孔在煤层中平行钻进的长度一般至少50米以上，并根据这个长度来最终确定孔口的位置。
2.斜孔钻孔。
斜孔由直孔段、造斜段和平行孔段三部分组成，如图1。
(1)直孔段A。
(2)造斜段B。造斜钻进采用螺杆钻进行人工受控定向钻进，一直到开采煤层顶板，造斜结束，方位调整到正对开采井，造斜钻进的曲率半径保持在140～280米，下套管固井。
(3)平行孔段C。钻孔进入煤层后将井眼轨迹控制在煤层底板上1～2米左右的煤层内钻进。
3.水力开采阶段。
在比较破碎的煤层中钻进很难保证提钻后还能将钻具再下到原来的位置，所以在斜孔完孔之后，采取不提钻，通过井口投球29的方法堵塞钻头过水通道，如图4，位于钻头接头25上方的滑套26下行，并压缩弹簧27打开安装在喷射接头30上的多个射流喷嘴28，滑套26下行到一定位置时，弹卡32在弹簧31的作用下张开，定位在喷射接头30的台阶上，高压水通过喷射接头30四周均匀布置的八个喷嘴直接对周围的煤体进行射流切割破碎，进行射流的同时缓慢回转和提升钻具9，破碎的煤体在水力携带和重力作用下流向开采井的吸渣口，并气举提升至地表1进行下一步的煤水分离。
Claims (7)
1、一种无人下井钻孔水力采煤方法：包括竖井、斜孔、高压泵、空压机及管道，其特征是：
(1)在煤层上至少钻一口竖井和一斜孔；
(2)在竖井里安装包括高压水通道、压缩空气通道和返渣筒的开采管柱和包括射流喷嘴、混合室及刮刀钻头的开采设备；
(3)在斜孔中包含钻杆、射流喷嘴和投球式射流开采装置钻具的钻头，斜孔定向钻进至与竖井连通；
(4)竖井扩腔开采
a.用高压水射流破碎煤体，在液流的携带和重力的作用下流往吸渣口；
b.利用开采管柱上、下移动及转动，充分地开采和破碎周围的煤体；
c.在混合室，注入压缩空气、产生气举，水、煤在吸渣口充分混合经返渣筒提升至地表；
(5)斜孔开采
投球堵塞钻头过水通道，射流开始切割、破碎煤层；同时缓慢回转和提升钻具，碎煤在水流携带和重力作用下流向竖井吸渣口。
2、如权利要求1所述的无人下井钻孔水力采煤方法，其特征是：斜孔位于倾斜煤层的上倾方向或近似上倾方向。
3、一种用于权利要求1的竖井采煤提升装置，包括开采管柱和在其下方并与之形成一体的开采设备，其特征是：所述开采管柱有高压水通道、压缩空气通道和返渣通道；开采管柱下部有返渣通道透过管柱侧壁与外界连通而形成的吸渣口，吸渣口上方为混合室；所述开采设备下部设有射流主喷嘴，吸渣口处设有射流付喷嘴，所述射流主喷嘴和射流付喷嘴分别与开采管柱的高压水通道连接；开采设备底端设有刮刀钻头；开采管柱返渣筒在混合室处的筒壁上设有许多小孔，所述小孔与压缩空气通道连通。
4、如权利要求3所述的竖井采煤提升装置，其特征是：所述刮刀钻头的刮刀为2～6个。
5、如权利要求3所述的竖井采煤提升装置，其特征是：开采管柱由直径大小不同的四层同心管子组成，由外到内依次为一、二、三、四通道的四条通道，一通道是高压水通道，该通道与射流主喷嘴连接；二通道为高压水通道，该通道与射流付喷嘴连接；三通道是压缩空气通道，其上连空压机，下连混合室上的小孔；四通道为返渣通道，其上端与井上的煤水分离装置连接，下端与吸渣口相连。
6、如权利要求5所述的竖井采煤提升装置，其特征是：所述四层同心管子相邻的两管间设有保持其间距的筋条。
7、一种用于权利要求1的斜孔开采装置，包括钻杆钻头接头，其特征是：所述钻杆与钻头接头固接，其中心为空心杆，其中心为钻头过水通道，钻杆下部设有连通其侧壁外侧和钻头过水通道的射流喷嘴；钻杆内有与其同轴的空心滑套；所述滑套阶梯面与钻头接头阶梯面间设有弹簧；滑套的孔设有可装球的阶梯孔，滑套外部设有阶梯轴；钻头过水通道投球前，滑套把射流喷嘴和钻头过水通道隔离；钻头过水通道投球后，滑套下行使射流喷嘴和钻头过水通道连通，滑套由弹卡固定。
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