具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明(以下以煤层倾斜方向为前后方向、以相对前后方向的左右方向为煤层的宽度走向进行描述)。

如图1、图2所示，本地面定向钻井与井下巷道联用的流态化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。

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，针对煤层宽度相对较大的煤层，主采煤钻井段11可相对于煤层宽度方向位于设定开采宽度范围的中间位置(即采煤过渡钻井段13可沿煤层宽度方向相对于主采煤钻井段11形成左右对称结构)；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顶端通过送水器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，为便于准确控制钻进方向，采煤定向钻杆2可以是通缆定向钻杆结构；如图4至图6、图8至图9所示，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和传动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，水力切割喷嘴34可向钻进方向倾斜设置，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的低压输出端通过滑环结构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底部设有用于对煤岩混合物进行导流的导流机构，水力采煤时，漏煤通道41内设有滤水筛板42。

利用本地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统进行开采作业前，首先进行建井施工：如图1、图2所示，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，根据煤层长度范围和宽度范围确定定向采煤钻井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，采用钻采定向钻机利用钻采充一体化装置3和送水器在地面通过逐级连接并推送采煤定向钻杆2施工开拓定向采煤钻井1，高压水经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道进入孔底螺杆马达32推动螺杆做功后经定向钻头33的钻进喷嘴喷出，同时孔底螺杆马达32的动力输出端带动定向钻头33旋转，钻进过程中产生的碎屑被定向钻头33的钻进喷嘴喷出的压力水冲刷、并经钻孔与采煤定向钻杆2之间的间隙自定向采煤钻井1的打钻井口位置排出，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向煤层倾斜方向的低端位置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，钻进过程中控制钻进方向的方式是现有技术，在此不进行详述。

水力采煤：如图10所示，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，储水罐中的水经高压水泵增压后以高压力、大流量的状态经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道自水力切割喷嘴34喷出形成高压水射流对周向范围内的煤层进行水力切割，第一个煤层钻井段12的底端位置的煤层破碎后，第一个煤层钻井段12的底端位置即与漏煤通道41贯通，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；为保证水力采煤效果，可在钻采充一体化装置3回退至煤层钻井段12的顶端位置后再次控制流体控制机构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，然后再次控制钻采定向钻机推送采煤定向钻杆2使钻采充一体化装置3钻进至煤层钻井段12的底端位置进行二次钻进，再次控制流体控制机构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，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的顶端位置进行二次水力切割，依次类推，可以在煤层钻井段12内进行多次钻进和多次水力切割，以实现该煤层钻井段12内的煤炭资源被全部水力开采完毕、并保证水力破碎效果。

煤岩混合物输送及注浆充填：如图11所示，水力采煤过程中，被水力切割下的煤岩混合物在高压水的冲刷作用和自身重力作用下呈流态化向煤层倾斜方向的低端位置移动，在滤水筛板42的隔挡作用下，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、并可通过设置在底巷道4内的煤岩分离设备进行初步煤岩分离后输送上井，由于水力采煤过程中在整个第一个煤层钻井段12内并未形成整体连贯的采空区，因此滞留在第一个煤层钻井段12内的煤岩混合物仍对煤层顶板具有支撑作用，从而可以实现在水力采煤过程中有效降低煤层顶板断裂塌陷的几率，同时，在煤层钻井段12进行多次钻进和多次水力切割过程中，滞留在煤层钻井段12内的大块煤岩混合物可以被再次水力切割粉化。

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，如图12所示，充填浆液即经采煤定向钻杆2的压力介质通道自注浆口35涌出、对第一个煤层钻井段12的采空区进行充填，平铺在煤岩混合物顶部的充填浆液同时对煤层钻井段12内的煤岩混合物进行施压、迫使煤岩混合物顺利向煤层倾斜方向的低端位置移动进入漏煤通道41，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，启动高压水泵使储水罐中的水经高压水泵进入采煤定向钻杆2、对采煤定向钻杆2的压力介质通道进行冲洗，将滞留在采煤定向钻杆2的压力介质通道内的充填浆液冲入采空区、可以避免采煤定向钻杆2的压力介质通道内存在浆液凝固现象，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的连接即可；当漏煤通道41排出充填浆液时，对漏煤通道41进行封堵即可。采空区充填方式采取完成一个煤层钻井段12的开采后即进行该煤层钻井段12的注浆充填的采空区充填方式，可以大大减小采空区对地表建筑物的影响；还可以采取沿煤层宽度方向间隔依次开拓煤层钻井段12、并进行开采的方式，即以沿煤层宽度方向自一端边缘位置向另一端边缘位置依次布置第一个煤层钻井段12、第二个煤层钻井段12、第三个煤层钻井段12、……为例，开拓第一个煤层钻井段12并完成第一个煤层钻井段12的采煤作业后对第一个煤层钻井段12的采空区进行注浆充填，然后不必等待第一个煤层钻井段12采空区内的浆液凝固、可开拓第四个煤层钻井段12并进行采煤作业，然后对第四个煤层钻井段12的采空区进行注浆充填，对第四个煤层钻井段12进行采煤作业和充填作业过程中，第一个煤层钻井段12采空区内的浆液凝固，即可开拓第二个煤层钻井段12并进行采煤作业，依次类推，采取沿煤层宽度方向间隔依次开采并充填的方式，可以实现不用等待采空区内的浆液凝固的连续开采作业。

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，如图1所示，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，可以采取沿煤层宽度方向顺序依次开采并充填的方式，也可以采取同前所述的沿煤层宽度方向间隔依次开采并充填的方式。

为了简化机构设置、便于实现通过采煤定向钻杆2注入高压水和充填浆液，作为本发明的进一步改进方案，采用水力切割喷嘴34与注浆口35共用连通通道的方式，即，如图3至图6所示，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，滑移驱动机构可以是空心液压缸结构或空心电动缸结构等具有空心结构的、可以套接安装在空心钻杆段上的伸缩控制结构，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。开拓定向采煤钻井1时，控制滑移套312滑动并定位、使水力切割喷嘴34处于与注浆口35错位封堵的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于打开状态，此时高压水可经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道进入孔底螺杆马达32实现钻进；水力采煤时，控制滑移套312滑动并定位、使水力切割喷嘴34处于与注浆口35贯通的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于关闭状态，此时高压水可经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道进入注浆口35、并经水力切割喷嘴34喷出实现水力切割；充填作业时，控制滑移套312滑动并定位，使水力切割喷嘴34处于与注浆口35错位的状态、且注浆口35处于与外界连通的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于关闭状态，此时充填浆液可经采煤定向钻杆2的压力介质通道自注浆口35涌出实现充填。

为了实现更好的水力切割效果，作为本发明的进一步改进方案，采用水力切割喷嘴34设置在定向钻头33上的方式，即，如图7至图9所示，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，滑移驱动机构是空心液压缸结构或空心电动缸结构等具有空心结构的伸缩控制结构，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。开拓定向采煤钻井1时，控制滑移套312滑动并定位、使注浆口35处于与外界封堵的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于打开状态、钻进压力水输出端上的节流控制阀处于完全打开状态、水力切割压力水输出端处于关闭状态，此时高压水可经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道进入孔底螺杆马达32实现钻进；水力采煤时，控制滑移套312滑动并定位、使注浆口35处于与外界封堵的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于打开状态、钻进压力水输出端上的节流控制阀处于节流状态、水力切割压力水输出端处于完全打开状态，此时高压水可经送水器和采煤定向钻杆2的压力介质通道进入控制阀组311、并经水力切割喷嘴34喷出实现水力切割，同时部分压力水进入孔底螺杆马达32、推动定向钻头33慢速旋转，实现水力切割喷嘴34一边绕定向钻头33的轴心旋转、一边水力切割，进而实现更好的水力切割效果；充填作业时，控制滑移套312滑动并定位、使注浆口35处于与外界连通的状态，并使控制阀组311的压力水输入端处于关闭状态，此时充填浆液可经采煤定向钻杆2的压力介质通道自注浆口35涌出实现充填。

针对煤与瓦斯易突出的松软煤层，为了实现抽采突出煤层的瓦斯，作为本发明的进一步改进方案，本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和高压注气泵。可以采用瓦斯抽采斜孔进行水力采煤过程中同时瓦斯抽采的方式，即，如图1所示，主采煤钻井段11顶部位置设有与其贯通设置的瓦斯抽采斜孔，开拓定向采煤钻井1时，钻进过程中产生的碎屑可经钻孔与采煤定向钻杆2之间的间隙自瓦斯抽采斜孔排出、使瓦斯抽采斜孔作为返浆口使用，水力采煤过程中，先将主采煤钻井段11的孔口位置密闭、再将瓦斯抽采斜孔通过管路与高压注气泵密闭连接，然后启动高压注气泵向瓦斯抽采斜孔内注入高压气体、将钻孔与采煤定向钻杆2之间间隙内的泥浆排空至煤层钻井段12，然后将瓦斯抽采斜孔通过管路与瓦斯抽采泵密闭连接，启动瓦斯抽采泵即可实现水力采煤过程中同时进行瓦斯抽采；也可以采用水力采煤与瓦斯抽采间歇进行的方式，即，水力采煤过程中，待钻采充一体化装置3回退至煤层钻井段12的顶端位置后，将采煤定向钻杆2的压力介质通道通过管路与高压注气泵密闭连接，然后启动高压注气泵向采煤定向钻杆2的压力介质通道内注入高压气体、将采煤定向钻杆2的压力介质通道内的水排空至煤层钻井段12，然后将采煤定向钻杆2的压力介质通道通过管路与瓦斯抽采泵密闭连接，启动瓦斯抽采泵即可进行瓦斯抽采，待抽采出的瓦斯浓度明显减小时，撤除瓦斯抽采泵、并恢复采煤定向钻杆2的压力介质通道与压力水输入管路的连接，继续进行水力采煤，依次类推，实现水力采煤与瓦斯抽采间歇进行。

为了避免煤岩混合物因沉积而造成漏煤通道41堵塞，作为本发明的进一步改进方案，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，通过控制周向旋转驱动部件的动作可以实现控制旋转搅拌轴43沿周向方向的回转运动，进而实现对煤岩混合物的搅拌、防止大块煤岩混合物堵塞漏煤通道41。如图12所示，待完成煤层钻井段12的开采后进行充填作业时，撤除滤水筛板42后可将旋转搅拌轴43定位穿入漏煤通道41内、并启动周向旋转驱动部件，即可实现对煤岩混合物的搅拌。为进一步实现避免大块煤岩混合物堵塞漏煤通道41，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，控制旋转搅拌轴43沿周向方向的回转运动过程中，破碎结构可以对煤岩混合物进行进一步破碎、防止大块煤岩混合物堵塞漏煤通道41。为实现更好的防堵效果，凸出设置的破碎结构还可以是整体沿落煤方向螺旋设置的螺旋输送结构，旋转搅拌轴43进行搅拌回转动作的过程中可以通过螺旋输送结构实现对煤岩混合物进行破碎的同时实现向落煤方向的输送。

本地面定向钻井与井下巷道联用的流态化采煤系统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3进行水力采煤过程中采用安装滤水筛板42的方式减缓煤层钻井段12内的煤岩混合物的流速，使大颗粒的煤岩混合物被滤水筛板42阻挡堆积滞留在煤层钻井段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、并通过底巷道4输送上井，由于水力采煤过程中在整个煤层钻井段12内并未形成整体连贯的采空区，因此滞留在煤层钻井段12内的煤岩混合物仍对煤层顶板具有支撑作用，从而可以实现在水力采煤过程中有效降低煤层顶板断裂塌陷的几率，同时，在煤层钻井段12进行多次钻进和多次水力切割过程中，滞留在煤层钻井段12内的大块煤岩混合物可以被再次水力切割粉化；通过钻采充一体化装置3进行注浆充填过程中撤除滤水筛板42、恢复煤层钻井段12内的煤岩混合物的流速，同时，平铺在煤岩混合物顶部的充填浆液可对煤层钻井段12内滞留的煤岩混合物施压、迫使煤岩混合物顺利向煤层倾斜方向的低端位置移动进入底巷道4输送上井，可使整个煤层钻井段12内始终不形成整体连贯的采空区、降低煤层顶板断裂塌陷的几率。分置设置的定向钻井水力采煤部分和定向钻井煤岩混合物输送部分可以各自工作、互不影响，极大提高水力采煤工艺的可靠性和开采效率，一方面，定向采煤钻井1可以实现相对于传统的水力采煤立井实现相对较小的打设孔径，另一方面，采用多个煤层钻井段12共用同一个主采煤钻井段11的方式，因此能够实现相对较低的煤炭开采成本；可以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，或者可以排空采煤定向钻杆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连接进行抽采瓦斯；能够实现沿煤层宽度方向进行接续的平行采煤作业，最大限度降低遗煤量，特别适用于对倾斜走向的松软煤层进行煤矿开采。