我国煤矿瓦斯灾害十分严重,煤层瓦斯大面积预抽是防治瓦斯事故的根本性措施。松软煤层由于受到地应力、煤层硬度、瓦斯等多重因素的综合影响,钻孔孔壁失稳变形过程复杂,产渣量大,目前常用的钻孔施工技术难以及时有效的排渣,钻孔施工过程中常会发生堵孔、卡钻、抱钻等现象,导致钻孔深度达不到工程需求,因此,对松软煤层钻孔排渣相关技术进行研究,提高松软煤层顺层钻孔成孔深度,对提高松软煤层瓦斯抽采效率,保障煤层开采安全具有重要的意义。本论文针对松软煤层顺层钻孔施工过程中的排渣技术难题,主要结合反循环排渣技术和外螺旋叶片排渣技术优势,采用理论研究、数值模拟、实验室实验等手段,对松软煤层三通道反循环排渣动力学机制进行了研究,论文主要包括以下几方面内容:(1)基于流体力学能量方程、等熵流动方程和气体状态方程等,分别对外螺旋排渣、压风排渣及反循环排渣的工作原理、排渣特征等进行了分析,建立了排渣过程的动力学特征模型,推导了三种排渣方式的动力学状态方程,揭示了三通道反循环钻具排渣能力与各参数之间的定量影响机制。(2)设计并构建了三通道反循环钻具排渣性能模拟实验装置,对不同的底喷孔直径、引射孔直径、引射孔倾角、引射孔数量在不同入口流量条件下的反循环钻具内的抽吸流量和抽吸负压的变化规律进行了模拟实验,实验得出:底喷孔直径为3mm,引射孔直径4mm、引射角度为20°的单排六孔式三通道反循环钻具排渣性能最佳,其中心通道的最大抽吸流量为98.9m3/h,最大抽吸负压为8.1kPa;最佳结构参数组合时,三通道反循环钻具开始工作的最低入口风量为147m3/h,随着入口流量的增加,反循环钻具系统内中心通道的抽吸流量与入口流量呈线性增加关系,而外环空流量基本保持不变,而当反循环介质的粒径越大、比重越高、气固比越小,其排渣速度也越小。(3)采用Fluent软件,利用k-ε湍流模型,分别对三通道反循环钻具在不同的底喷孔直径、引射孔直径、引射孔倾角、引射孔数量等在不同风量条件下三通道反循环钻具系统内的流速场分布、压力场分布及抽吸系数等特征进行了模拟分析,结果显示:入口风量越大,三通道反循环钻具内的流速及压力越大,底喷孔直径为3mm,引射孔直径为4mm,引射角为20°的单排六孔式反循环钻具排渣性能最佳,当入口流量分别为4m3/min和8m3/min时,反循环钻具系统内的最大流速与负压分别为199m/s、13.6kPa和439m/s、39.0kPa;反循环钻具内流速和负压最大值均位于中心通道出口附近;反循环钻具中心通道轴线方向的流速与负压总体均呈现先增大、后减小的变化规律,且最大值出现在距离喷孔出口一定位置处;随着入口风量的增加,反循环钻具系统的抽吸系数反而减小。(4)基于应力应变重构理论,根据线性摩尔-库伦屈服准则和塑性流动法则,推导出松软煤层钻孔施工过程中孔壁的充分卸压区(破碎区)、非充分卸压区(塑性变形区)分布半径及其随时间变化的关系模型,揭示了松软煤层钻孔的变形产渣机制;通过工程统计分析方法,建立了实际产渣量与钻孔深度、煤层埋深、瓦斯含量、煤层坚固性系数等的单因素及多因素定量影响函数关系。(5)结合前文研究成果,确定了三通道反循环钻具引射器的结构参数,通过对三通道反循环钻具的结构尺寸及强度进行了设计和验算,设计了三通道反循环钻具的结构参数为:中心通道直径为40mm,环空内径为71mm,环空外径为89mm,螺旋外径为133mm,引射器底采用单排六孔式均匀布置,其喷孔直径为3mm,引射孔直径为4mm,引射孔倾角为20°;设计的三通道反循环钻具的螺旋排渣、压风排渣及反循环中心通道的排渣能力分别为0.71kg/s、0.431kg/s及0.94kg/s,总设计排渣能力为2.08kg/s,能够排出200m以上松软煤层钻孔的产渣量。图[100]表[10]参[172]