本發明涉及地層掘進，尤其涉及一種深部地層充液井硐可控形態采掘系統及采礦方法。
背景技術：
1、進入二十一世紀以來，社會飛速發展，對科技、經濟的追求日益提升。生產、生活所需的各種工具及裝備消耗著大量的礦產資源，深空深海探索、基礎科學探索、聚變裝置、超級算力、高速交通等尖端科技取得令人矚目成就的同時對貴金屬及其他稀有元素的需求日益急迫。深部地殼內蘊藏的大量寶貴礦產資源恰恰是未來人類生存發展的重要保障以及人類科技夢想的重要支撐。因此，地礦領域必須與時俱進向深部進軍，然而在地球深處開發礦產資源將面對更復雜、更嚴苛、更莫測的工程及地質環境。傳統采礦技術隨著采掘深度的增加，重大事故和開發成本呈幾何增長，使深部礦產開發的規?；蔀椤安豢赡堋碧魬鸬娜蝿?。因此，急需一種能夠有效開發深部地層及海洋下覆地層內部礦產資源的全新技術體系，其不僅會成為促進科技夢想、保障生產生活的重要工具，也將成為向地球深處探索的重要手段。
2、現有技術中，對于地下的固體礦藏采用豎井巷道法進行開發，即通過豎井、斜向和水平巷道將采掘設備運送下去，在地下采礦并利用汽車或斗車將礦石運出，而隨著采礦深度的加深，越來越多的地層會由于沖擊地壓、巖爆、突出、落頂、坍塌、透水等問題而無法開采。豎井巷道法采礦時會在地下形成巨大的空間，因此需要使用復雜的支護設備對硐室提供支撐，但是在采掘深部地層或非堅硬地層時仍然會發生坍塌，導致采礦作業中斷。
3、長期以來，如何將深部地層的礦產采掘出來都是人類工業界的重點方向，現有技術中，通過地下氣化等方式實現煤炭的地面開發，以及通過高壓水射流促進水合物流化并通過井眼輸送至地面。但是上述各種方法無法實現對深部固體礦藏的直接開發；另外，在對水體下方地層中的礦產進行采掘時，現有技術主要采用濱海開發的方式，在岸邊鉆掘豎井，再向水域下方的地層挖掘巷道，實質上也是通過豎井巷道法實現礦石開采和運輸，但該方法無法向海洋延伸較遠距離,因此行業內亟需研發一種采掘深部礦產與海洋下方地層內的礦產的技術。
4、由此，本發明人憑借多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種深部地層充液井硐可控形態采掘系統及采礦方法，以克服現有技術的缺陷。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種深部地層充液井硐可控形態采掘系統及采礦方法，通過多自由度可控的擴展采掘裝置及礦石顆粒提升系統的協同作業實現硐室內的礦石高效破碎以及井筒輸送，達到深部地層固體礦產資源的高效開發、海洋下覆地層內固體礦產資源的高效開發、深部及近岸地下空間資源的有效利用的目的。
2、本發明可采用下列技術方案來實現的：
3、本發明提供了一種深部地層充液井硐可控形態采掘系統，包括：擴展作業裝置、礦石顆粒提升系統和至少一口工藝井；所述擴展作業裝置包括擴展采掘裝置和/或擴展采集裝置；
4、所述擴展作業裝置能沿所述工藝井運動，所述擴展作業裝置能夠經所述工藝井輸送至作業位置；
5、所述擴展采掘裝置用于沿所述工藝井實現硐室開掘；或者，所述擴展采集裝置用于沿所述工藝井實現收集或吸取硐室內的礦石顆粒；
6、所述礦石顆粒提升系統部分設置于所述工藝井中，所述擴展作業裝置產生的礦石顆粒能夠通過所述礦石顆粒提升系統向井口輸送；所述礦石顆粒提升系統包括返排通道，礦石顆粒經所述返排通道向外輸送；所述工藝井中的一個或多個為礦石顆粒提升工藝井，所述返排通道設置于所述礦石顆粒提升工藝井內；
7、至少一個所述工藝井為設備通道井；
8、所述擴展采掘裝置包括破碎總成和擴展機構；所述擴展機構用于驅動所述破碎總成實現擴展，以實現所述擴展采掘裝置的收縮狀態和擴展狀態；所述破碎總成包括動力總成和與所述動力總成連接的破碎機構；
9、當所述擴展采掘裝置處于收縮狀態時其能夠通過所述設備通道井進行輸送。
10、本發明提供了一種深部地層充液井硐可控形態采掘系統，包括：擴展作業裝置、礦石顆粒提升系統和至少一口工藝井；所述擴展作業裝置包括擴展采掘裝置和/或擴展采集裝置；
11、所述擴展作業裝置能沿所述工藝井運動，所述擴展作業裝置能夠經所述工藝井輸送至作業位置；
12、所述擴展采掘裝置用于沿所述工藝井實現硐室開掘；或者，所述擴展采集裝置用于沿所述工藝井實現收集或吸取硐室內的礦石顆粒；
13、所述礦石顆粒提升系統部分設置于所述工藝井中，所述擴展作業裝置產生的礦石顆粒能夠通過所述礦石顆粒提升系統向井口輸送；所述礦石顆粒提升系統包括返排通道，礦石顆粒經所述返排通道向外輸送；所述工藝井中的一個或多個為礦石顆粒提升工藝井，所述返排通道設置于所述礦石顆粒提升工藝井內。
14、本發明提供了一種深部地層充液井硐可控形態采礦方法，其采用上述的深部地層充液井硐可控形態采掘系統實施，所述采礦方法包括如下步驟：
15、步驟s10：鉆工藝井；
16、步驟s20：將擴展作業裝置設置于所述工藝井的作業位置，所述礦石顆粒提升系統至少部分設置于所述工藝井中并與所述擴展采掘裝置連接；
17、步驟s30：所述擴展作業裝置開始作業，礦石顆粒通過所述礦石顆粒提升系統向井口輸送。
18、本發明提供了一種深部地層充液井硐可控形態采礦方法，其采用上述的深部地層充液井硐可控形態采掘系統實施，所述采礦方法包括如下步驟：
19、步驟s10：鉆工藝井；
20、步驟s20：將一擴展作業裝置設置于所述工藝井的作業位置進行初步破碎；
21、步驟s30：將另一擴展作業裝置設置于所述工藝井的作業位置進行再破碎，將礦石顆粒提升系統至少部分設置于所述工藝井中并與擴展采掘裝置連接；
22、步驟s40：所述擴展作業裝置開始作業，礦石顆粒通過所述礦石顆粒提升系統向井口輸送。
23、由上所述，本發明深部地層充液井硐可控形態采掘系統及采礦方法的特點及優點是：
24、一、能夠安全高效的利用充液井孔實現三維可控的采掘，采掘過程中通過雙自由度或多自由度機械臂形成形態可控的采掘。沿井筒采掘過程中“分段成串”進一步“組串成群”形成具有一定結構穩定性的深部地層充液井硐群。通過本發明實現的可控的三維采掘裝置能夠在深部地層內實現“精雕”，不需要工作人員下井采礦，同時巧妙利用交通井網內的支撐液對井壁提供液力支護，可以減小采掘過程對地層的損傷破壞，減少采掘過程中的沖擊地壓、巖爆、突出、落頂、坍塌、透水等問題，能夠實現規?；牟删蛏畈康V產與海洋下方地層內的礦產。針對金屬礦藏分布較散的特點，改技術可以像類似“貪吃蛇”覓食那樣，一個硐接一個硐的啃食礦藏，達到無巷道開發的目的。
25、二、采用側向延伸段實現三維可控擴展采掘時，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，通過分支井的井眼軌跡引導側向延伸段與擴展采掘機構移動，而且分支井的直徑較小，當側向延伸段伸入深入分支井進行擴孔破碎的作業裝置，其充分利用分支井的引導作用，能夠精準在預設空間位置實時破碎，引導擴展采掘裝置對深部地層的礦石進行精準采掘。而且以分支井網為基礎，通過擴大分支井空間的方式進行采掘，不會形成集中分布的采空區，避免像豎井巷道法采礦過程中集中采空一片區域，因此將分支井作為延伸采礦范圍的手段，采用擴展臂可控地對分支井進行擴容，采礦過程對巖層損傷小，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，并根據需要擴容形成硐道或硐室，提高礦石采收效果；此外，本發明逐漸對分支井進行擴孔施工的方式能夠便于監測地層坍塌，由于對地層的損傷較小，因此還能實現進行更大范圍的三維延伸。
26、三、以三維擴展采掘的方式或者分支井引導的方式，由裂石裝置實現礦石初步剝離，從地層剝離后的礦石通過再破碎狀裝置的處理達到粒度可控的狀態，繼而利用井筒進行提升，可以在硬質礦藏的開采中將大幅降低能耗。對分支井的轉彎半徑以及分支井的分布密度做設定，能夠盡可能在采后硐道直徑相對可控(0.5-5米)的條件下，采用定向分支井技術準確延伸提高采礦效率。
27、四、設備通道連通在井口與地層中的采礦位置之間，探測設備通過通道井進入采礦位置處，能夠輔助觀測硐室內的采掘作業信息，輔助井外工作人員開展采掘工作，擴展采掘裝置包括挖掘礦石的破碎裝置與驅使破碎裝置行進的行進模塊，利用驅動組件驅使設備本體與破碎裝置的擴展臂在兩個自由度方向活動，即可以通過兩個自由的方向運動形成采掘面，可以擴展出面積遠大于通道井截面的采掘工作面，可以順利地對硐室的整個壁面進行采掘。
28、驅動組件還能夠控制擴展采掘裝置整體收攏或展開，在通過通道井在進行采掘工作不同狀態的切換，能夠順利地通過小直徑的通道井到達采礦位置，無需人員下井即可進行采掘作業，能夠適應深部底層與海洋下方地層采礦的需求，即能下海再入地進行礦產開發；此外，本發明可以在無需豎井、無巷道的條件下開發小型礦藏，讓本來無法取得經濟效益的小型礦藏具有開發價值，不僅大幅度降低了成本，而且更不容易受到振動、爆破或采空區的影響。
29、五、采用破碎動力總成、驅動破碎總成實現碎石，更有利于實現動力源的統一，有利于實現全電力驅動的深地采礦系統，避免在井下穿插復雜的高壓流體管線、液壓管線、氣動管線等，有利于以多分支通道井的形式實現三維擴展采掘；此外，電力傳輸效率高，占用的空間小，有助于減少對井筒空間大小的需求，這對井硐法采礦工藝而言至關重要。
30、六、通過可控擴展的采掘臂以三維可控擴展采掘的方式實現井中挖掘硐室，能夠控制采掘形成的硐室的形態，能夠按照地應力條件形成橢圓形截面、馬蹄形截面、拱形截面的硐室，使采后空間形態可控、采掘位置可控。此外，在井硐系統中的高壓流體的支撐下，能夠使采掘過程中形成的硐室自然穩定。進一步的，本發明還提出了隨采充填的裝置及方法，通過擴展充填裝置沿所述工藝井移動作業，實現采掘空間和充填空間的隔離以及充填。本發明通過時移硐室的方式，一邊采一邊填，保障實時只有一個移動中的硐室，限制了最大截面積范圍和留空長度范圍，保障了深部采礦的穩定性。
31、七、本發明通過基于井孔以硐室群的形式實現采掘，因此采用井筒實現礦石顆粒的輸送，故本發明中通過原位次級破碎裝置實現了兩級甚至多級破碎，能夠有效控制被破碎的礦石的顆粒度以及塊度，進一步能夠在井筒內以顆粒流的形式進行輸送。礦石顆粒提升系統包括返排通道能實現將地下的礦石在礦石顆粒提升系統的驅動下通過返排通道輸送至井口外。返排通道設置于所述礦石顆粒提升工藝井內的原因是由于本發明采用的是無巷道的方式開發，因此硐室是基于井筒形成的。
32、八、如采用現有技術中傳統擴眼器或者擴眼刀翼執行采礦作業，由于切削扭矩隨刀翼伸出量增加而增加，直到扭矩過大無法破碎巖石，因此采用傳統擴眼方式執行采礦作業時一般擴眼范圍在原井眼的5％-30％，且在工業應用中僅用于增加產油段表皮面積或者方便固井及防砂作業，若以擴眼方式開采礦物遠遠無法達到工業采礦的門檻，且采用原始擴眼裝置執行采掘只能形成圓柱狀的硐室，不能實現形態控制，無法實現強地應力條件下通過調整形態實現更優的受力。
33、九、本發明基于充液井孔實施礦產采掘，在海洋開發領域，能夠先下海再入地，在海洋下放的地層內部實施采礦作業，較現有技術中直接破壞海床采掘結核、結殼具有本質上的區別和跨越；還海床下方地層內部，無論埋深大小，本發明通過井眼實現固體礦物的采掘方式，在采掘中形成可控形態的充液硐室群，具有良好的結構穩定性，能夠在不破壞海床的前提下實現是工作。采用本發明的技術開發海洋下覆地層內部的礦產資源僅僅需要在海床上開一扇窗，通過隔水管和井筒可將作業過程與海洋水體完全隔離，在開發過程中可以很好的實現對海洋環境的保護。