本發(fā)明涉及地層掘進(jìn)，尤其涉及一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)及采礦方法。

背景技術(shù)：

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，社會(huì)飛速發(fā)展，對(duì)科技、經(jīng)濟(jì)的追求日益提升。生產(chǎn)、生活所需的各種工具及裝備消耗著大量的礦產(chǎn)資源，深空深海探索、基礎(chǔ)科學(xué)探索、聚變裝置、超級(jí)算力、高速交通等尖端科技取得令人矚目成就的同時(shí)對(duì)貴金屬及其他稀有元素的需求日益急迫。深部地殼內(nèi)蘊(yùn)藏的大量寶貴礦產(chǎn)資源恰恰是未來(lái)人類生存發(fā)展的重要保障以及人類科技?jí)粝氲闹匾巍Ｒ虼?，地礦領(lǐng)域必須與時(shí)俱進(jìn)向深部進(jìn)軍，然而在地球深處開發(fā)礦產(chǎn)資源將面對(duì)更復(fù)雜、更嚴(yán)苛、更莫測(cè)的工程及地質(zhì)環(huán)境。傳統(tǒng)采礦技術(shù)隨著采掘深度的增加，重大事故和開發(fā)成本呈幾何增長(zhǎng)，使深部礦產(chǎn)開發(fā)的規(guī)?；蔀椤安豢赡堋碧魬?zhàn)的任務(wù)。因此，急需一種能夠有效開發(fā)深部地層及海洋下覆地層內(nèi)部礦產(chǎn)資源的全新技術(shù)體系，其不僅會(huì)成為促進(jìn)科技?jí)粝?、保障生產(chǎn)生活的重要工具，也將成為向地球深處探索的重要手段。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于地下的固體礦藏采用豎井巷道法進(jìn)行開發(fā)，即通過(guò)豎井、斜向和水平巷道將采掘設(shè)備運(yùn)送下去，在地下采礦并利用汽車或斗車將礦石運(yùn)出，而隨著采礦深度的加深，越來(lái)越多的地層會(huì)由于沖擊地壓、巖爆、突出、落頂、坍塌、透水等問(wèn)題而無(wú)法開采。豎井巷道法采礦時(shí)會(huì)在地下形成巨大的空間，因此需要使用復(fù)雜的支護(hù)設(shè)備對(duì)硐室提供支撐，但是在采掘深部地層或非堅(jiān)硬地層時(shí)仍然會(huì)發(fā)生坍塌，導(dǎo)致采礦作業(yè)中斷。

3、長(zhǎng)期以來(lái)，如何將深部地層的礦產(chǎn)采掘出來(lái)都是人類工業(yè)界的重點(diǎn)方向，現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)地下氣化等方式實(shí)現(xiàn)煤炭的地面開發(fā)，以及通過(guò)高壓水射流促進(jìn)水合物流化并通過(guò)井眼輸送至地面。但是上述各種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)深部固體礦藏的直接開發(fā)；另外，在對(duì)水體下方地層中的礦產(chǎn)進(jìn)行采掘時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)主要采用濱海開發(fā)的方式，在岸邊鉆掘豎井，再向水域下方的地層挖掘巷道，實(shí)質(zhì)上也是通過(guò)豎井巷道法實(shí)現(xiàn)礦石開采和運(yùn)輸，但該方法無(wú)法向海洋延伸較遠(yuǎn)距離,因此行業(yè)內(nèi)亟需研發(fā)一種采掘深部礦產(chǎn)與海洋下方地層內(nèi)的礦產(chǎn)的技術(shù)。

4、由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，提出一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)及采礦方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)及采礦方法，通過(guò)多自由度可控的擴(kuò)展采掘裝置及礦石顆粒提升系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)硐室內(nèi)的礦石高效破碎以及井筒輸送，達(dá)到深部地層固體礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)、海洋下覆地層內(nèi)固體礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)、深部及近岸地下空間資源的有效利用的目的。

2、本發(fā)明可采用下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供了一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)，包括：擴(kuò)展作業(yè)裝置、礦石顆粒提升系統(tǒng)和至少一口工藝井；所述擴(kuò)展作業(yè)裝置包括擴(kuò)展采掘裝置和/或擴(kuò)展采集裝置；

4、所述擴(kuò)展作業(yè)裝置能沿所述工藝井運(yùn)動(dòng)，所述擴(kuò)展作業(yè)裝置能夠經(jīng)所述工藝井輸送至作業(yè)位置；

5、所述擴(kuò)展采掘裝置用于沿所述工藝井實(shí)現(xiàn)硐室開掘；或者，所述擴(kuò)展采集裝置用于沿所述工藝井實(shí)現(xiàn)收集或吸取硐室內(nèi)的礦石顆粒；

6、所述礦石顆粒提升系統(tǒng)部分設(shè)置于所述工藝井中，所述擴(kuò)展作業(yè)裝置產(chǎn)生的礦石顆粒能夠通過(guò)所述礦石顆粒提升系統(tǒng)向井口輸送；所述礦石顆粒提升系統(tǒng)包括返排通道，礦石顆粒經(jīng)所述返排通道向外輸送；所述工藝井中的一個(gè)或多個(gè)為礦石顆粒提升工藝井，所述返排通道設(shè)置于所述礦石顆粒提升工藝井內(nèi)；

7、至少一個(gè)所述工藝井為設(shè)備通道井；

8、所述擴(kuò)展采掘裝置包括破碎總成和擴(kuò)展機(jī)構(gòu)；所述擴(kuò)展機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)所述破碎總成實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)所述擴(kuò)展采掘裝置的收縮狀態(tài)和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；所述破碎總成包括動(dòng)力總成和與所述動(dòng)力總成連接的破碎機(jī)構(gòu)；

9、當(dāng)所述擴(kuò)展采掘裝置處于收縮狀態(tài)時(shí)其能夠通過(guò)所述設(shè)備通道井進(jìn)行輸送。

10、本發(fā)明提供了一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)，包括：擴(kuò)展作業(yè)裝置、礦石顆粒提升系統(tǒng)和至少一口工藝井；所述擴(kuò)展作業(yè)裝置包括擴(kuò)展采掘裝置和/或擴(kuò)展采集裝置；

11、所述擴(kuò)展作業(yè)裝置能沿所述工藝井運(yùn)動(dòng)，所述擴(kuò)展作業(yè)裝置能夠經(jīng)所述工藝井輸送至作業(yè)位置；

12、所述擴(kuò)展采掘裝置用于沿所述工藝井實(shí)現(xiàn)硐室開掘；或者，所述擴(kuò)展采集裝置用于沿所述工藝井實(shí)現(xiàn)收集或吸取硐室內(nèi)的礦石顆粒；

13、所述礦石顆粒提升系統(tǒng)部分設(shè)置于所述工藝井中，所述擴(kuò)展作業(yè)裝置產(chǎn)生的礦石顆粒能夠通過(guò)所述礦石顆粒提升系統(tǒng)向井口輸送；所述礦石顆粒提升系統(tǒng)包括返排通道，礦石顆粒經(jīng)所述返排通道向外輸送；所述工藝井中的一個(gè)或多個(gè)為礦石顆粒提升工藝井，所述返排通道設(shè)置于所述礦石顆粒提升工藝井內(nèi)。

14、本發(fā)明提供了一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采礦方法，其采用上述的深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)實(shí)施，所述采礦方法包括如下步驟：

15、步驟s10：鉆工藝井；

16、步驟s20：將擴(kuò)展作業(yè)裝置設(shè)置于所述工藝井的作業(yè)位置，所述礦石顆粒提升系統(tǒng)至少部分設(shè)置于所述工藝井中并與所述擴(kuò)展采掘裝置連接；

17、步驟s30：所述擴(kuò)展作業(yè)裝置開始作業(yè)，礦石顆粒通過(guò)所述礦石顆粒提升系統(tǒng)向井口輸送。

18、本發(fā)明提供了一種深部地層充液井硐可控形態(tài)采礦方法，其采用上述的深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)實(shí)施，所述采礦方法包括如下步驟：

19、步驟s10：鉆工藝井；

20、步驟s20：將一擴(kuò)展作業(yè)裝置設(shè)置于所述工藝井的作業(yè)位置進(jìn)行初步破碎；

21、步驟s30：將另一擴(kuò)展作業(yè)裝置設(shè)置于所述工藝井的作業(yè)位置進(jìn)行再破碎，將礦石顆粒提升系統(tǒng)至少部分設(shè)置于所述工藝井中并與擴(kuò)展采掘裝置連接；

22、步驟s40：所述擴(kuò)展作業(yè)裝置開始作業(yè)，礦石顆粒通過(guò)所述礦石顆粒提升系統(tǒng)向井口輸送。

23、由上所述，本發(fā)明深部地層充液井硐可控形態(tài)采掘系統(tǒng)及采礦方法的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是：

24、一、能夠安全高效的利用充液井孔實(shí)現(xiàn)三維可控的采掘，采掘過(guò)程中通過(guò)雙自由度或多自由度機(jī)械臂形成形態(tài)可控的采掘。沿井筒采掘過(guò)程中“分段成串”進(jìn)一步“組串成群”形成具有一定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的深部地層充液井硐群。通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的可控的三維采掘裝置能夠在深部地層內(nèi)實(shí)現(xiàn)“精雕”，不需要工作人員下井采礦，同時(shí)巧妙利用交通井網(wǎng)內(nèi)的支撐液對(duì)井壁提供液力支護(hù)，可以減小采掘過(guò)程對(duì)地層的損傷破壞，減少采掘過(guò)程中的沖擊地壓、巖爆、突出、落頂、坍塌、透水等問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化的采掘深部礦產(chǎn)與海洋下方地層內(nèi)的礦產(chǎn)。針對(duì)金屬礦藏分布較散的特點(diǎn)，改技術(shù)可以像類似“貪吃蛇”覓食那樣，一個(gè)硐接一個(gè)硐的啃食礦藏，達(dá)到無(wú)巷道開發(fā)的目的。

25、二、采用側(cè)向延伸段實(shí)現(xiàn)三維可控?cái)U(kuò)展采掘時(shí)，交通井包括通道井以及與通道井連通的若干可控軌跡的分支井，通過(guò)分支井的井眼軌跡引導(dǎo)側(cè)向延伸段與擴(kuò)展采掘機(jī)構(gòu)移動(dòng)，而且分支井的直徑較小，當(dāng)側(cè)向延伸段伸入深入分支井進(jìn)行擴(kuò)孔破碎的作業(yè)裝置，其充分利用分支井的引導(dǎo)作用，能夠精準(zhǔn)在預(yù)設(shè)空間位置實(shí)時(shí)破碎，引導(dǎo)擴(kuò)展采掘裝置對(duì)深部地層的礦石進(jìn)行精準(zhǔn)采掘。而且以分支井網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)擴(kuò)大分支井空間的方式進(jìn)行采掘，不會(huì)形成集中分布的采空區(qū)，避免像豎井巷道法采礦過(guò)程中集中采空一片區(qū)域，因此將分支井作為延伸采礦范圍的手段，采用擴(kuò)展臂可控地對(duì)分支井進(jìn)行擴(kuò)容，采礦過(guò)程對(duì)巖層損傷小，又能夠最大限度地與礦體充分接觸，盡可能地充分采掘礦石，并根據(jù)需要擴(kuò)容形成硐道或硐室，提高礦石采收效果；此外，本發(fā)明逐漸對(duì)分支井進(jìn)行擴(kuò)孔施工的方式能夠便于監(jiān)測(cè)地層坍塌，由于對(duì)地層的損傷較小，因此還能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行更大范圍的三維延伸。

26、三、以三維擴(kuò)展采掘的方式或者分支井引導(dǎo)的方式，由裂石裝置實(shí)現(xiàn)礦石初步剝離，從地層剝離后的礦石通過(guò)再破碎狀裝置的處理達(dá)到粒度可控的狀態(tài)，繼而利用井筒進(jìn)行提升，可以在硬質(zhì)礦藏的開采中將大幅降低能耗。對(duì)分支井的轉(zhuǎn)彎半徑以及分支井的分布密度做設(shè)定，能夠盡可能在采后硐道直徑相對(duì)可控(0.5-5米)的條件下，采用定向分支井技術(shù)準(zhǔn)確延伸提高采礦效率。

27、四、設(shè)備通道連通在井口與地層中的采礦位置之間，探測(cè)設(shè)備通過(guò)通道井進(jìn)入采礦位置處，能夠輔助觀測(cè)硐室內(nèi)的采掘作業(yè)信息，輔助井外工作人員開展采掘工作，擴(kuò)展采掘裝置包括挖掘礦石的破碎裝置與驅(qū)使破碎裝置行進(jìn)的行進(jìn)模塊，利用驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)使設(shè)備本體與破碎裝置的擴(kuò)展臂在兩個(gè)自由度方向活動(dòng)，即可以通過(guò)兩個(gè)自由的方向運(yùn)動(dòng)形成采掘面，可以擴(kuò)展出面積遠(yuǎn)大于通道井截面的采掘工作面，可以順利地對(duì)硐室的整個(gè)壁面進(jìn)行采掘。

28、驅(qū)動(dòng)組件還能夠控制擴(kuò)展采掘裝置整體收攏或展開，在通過(guò)通道井在進(jìn)行采掘工作不同狀態(tài)的切換，能夠順利地通過(guò)小直徑的通道井到達(dá)采礦位置，無(wú)需人員下井即可進(jìn)行采掘作業(yè)，能夠適應(yīng)深部底層與海洋下方地層采礦的需求，即能下海再入地進(jìn)行礦產(chǎn)開發(fā)；此外，本發(fā)明可以在無(wú)需豎井、無(wú)巷道的條件下開發(fā)小型礦藏，讓本來(lái)無(wú)法取得經(jīng)濟(jì)效益的小型礦藏具有開發(fā)價(jià)值，不僅大幅度降低了成本，而且更不容易受到振動(dòng)、爆破或采空區(qū)的影響。

29、五、采用破碎動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)破碎總成實(shí)現(xiàn)碎石，更有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的統(tǒng)一，有利于實(shí)現(xiàn)全電力驅(qū)動(dòng)的深地采礦系統(tǒng)，避免在井下穿插復(fù)雜的高壓流體管線、液壓管線、氣動(dòng)管線等，有利于以多分支通道井的形式實(shí)現(xiàn)三維擴(kuò)展采掘；此外，電力傳輸效率高，占用的空間小，有助于減少對(duì)井筒空間大小的需求，這對(duì)井硐法采礦工藝而言至關(guān)重要。

30、六、通過(guò)可控?cái)U(kuò)展的采掘臂以三維可控?cái)U(kuò)展采掘的方式實(shí)現(xiàn)井中挖掘硐室，能夠控制采掘形成的硐室的形態(tài)，能夠按照地應(yīng)力條件形成橢圓形截面、馬蹄形截面、拱形截面的硐室，使采后空間形態(tài)可控、采掘位置可控。此外，在井硐系統(tǒng)中的高壓流體的支撐下，能夠使采掘過(guò)程中形成的硐室自然穩(wěn)定。進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了隨采充填的裝置及方法，通過(guò)擴(kuò)展充填裝置沿所述工藝井移動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)采掘空間和充填空間的隔離以及充填。本發(fā)明通過(guò)時(shí)移硐室的方式，一邊采一邊填，保障實(shí)時(shí)只有一個(gè)移動(dòng)中的硐室，限制了最大截面積范圍和留空長(zhǎng)度范圍，保障了深部采礦的穩(wěn)定性。

31、七、本發(fā)明通過(guò)基于井孔以硐室群的形式實(shí)現(xiàn)采掘，因此采用井筒實(shí)現(xiàn)礦石顆粒的輸送，故本發(fā)明中通過(guò)原位次級(jí)破碎裝置實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)甚至多級(jí)破碎，能夠有效控制被破碎的礦石的顆粒度以及塊度，進(jìn)一步能夠在井筒內(nèi)以顆粒流的形式進(jìn)行輸送。礦石顆粒提升系統(tǒng)包括返排通道能實(shí)現(xiàn)將地下的礦石在礦石顆粒提升系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)返排通道輸送至井口外。返排通道設(shè)置于所述礦石顆粒提升工藝井內(nèi)的原因是由于本發(fā)明采用的是無(wú)巷道的方式開發(fā)，因此硐室是基于井筒形成的。

32、八、如采用現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)擴(kuò)眼器或者擴(kuò)眼刀翼執(zhí)行采礦作業(yè)，由于切削扭矩隨刀翼伸出量增加而增加，直到扭矩過(guò)大無(wú)法破碎巖石，因此采用傳統(tǒng)擴(kuò)眼方式執(zhí)行采礦作業(yè)時(shí)一般擴(kuò)眼范圍在原井眼的5％-30％，且在工業(yè)應(yīng)用中僅用于增加產(chǎn)油段表皮面積或者方便固井及防砂作業(yè)，若以擴(kuò)眼方式開采礦物遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到工業(yè)采礦的門檻，且采用原始擴(kuò)眼裝置執(zhí)行采掘只能形成圓柱狀的硐室，不能實(shí)現(xiàn)形態(tài)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)地應(yīng)力條件下通過(guò)調(diào)整形態(tài)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的受力。

33、九、本發(fā)明基于充液井孔實(shí)施礦產(chǎn)采掘，在海洋開發(fā)領(lǐng)域，能夠先下海再入地，在海洋下放的地層內(nèi)部實(shí)施采礦作業(yè)，較現(xiàn)有技術(shù)中直接破壞海床采掘結(jié)核、結(jié)殼具有本質(zhì)上的區(qū)別和跨越；還海床下方地層內(nèi)部，無(wú)論埋深大小，本發(fā)明通過(guò)井眼實(shí)現(xiàn)固體礦物的采掘方式，在采掘中形成可控形態(tài)的充液硐室群，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠在不破壞海床的前提下實(shí)現(xiàn)是工作。采用本發(fā)明的技術(shù)開發(fā)海洋下覆地層內(nèi)部的礦產(chǎn)資源僅僅需要在海床上開一扇窗，通過(guò)隔水管和井筒可將作業(yè)過(guò)程與海洋水體完全隔離，在開發(fā)過(guò)程中可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的保護(hù)。