顺煤层钻孔抽采瓦斯是防止瓦斯事故的有效手段,也是治理瓦斯超限、提高开采效率、保障采煤安全的有效措施。碎软煤层在我国可采煤层中占有较大的比例,由于瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层稳定性差,施工顺煤层钻孔时常因为排粉效率低、钻孔坍塌造成钻孔深度浅、成孔率低,严重影响瓦斯抽采效果。目前国内碎软煤层钻孔施工多采用中风压空气钻进装备及工艺,存在以下几方面的问题:压缩空气作为循环介质冷却效果差;孔壁局部坍塌引起钻杆柱回转摩擦生热后存在孔内起火隐患;当钻遇含水煤层,产生煤泥粘附在钻杆的外侧容易造成钻孔事故。结合泡沫钻进携粉能力强、孔内净化效果好、冷却效果好、适合于含水地层钻进等优点,论文依托国家“十三五”油气重大专项课题“煤矿井下煤层气高效抽采技术与装备”(编号:2016ZX05045-003)等项目,以煤矿井下碎软煤层泡沫钻进关键技术为研究对象开展研究,得出如下结论:(1)基于多相流理论,分析研究了泡沫流体在钻杆内通孔、钻头、环空间隙等部分的流动规律和煤粉颗粒群在环空间隙中的受力和运动状态,为钻进工艺技术参数的研究提供了理论基础。(2)提出通过采用矮翼螺旋钻杆辅助搅粉、增加泡沫流场紊流度来提高钻进排粉效率。结合煤粉颗粒的受力和运动分析,研究了螺旋钻杆的搅粉和辅助排粉能力,得出实现搅粉的临界转速、螺旋槽升角的计算方式,并分析了影响螺旋槽排粉能力的主要参数。(3)结合碎软煤层钻进需求,开展防塌乳液泡沫剂配方研究。提出将定向钻进用防塌乳液与泡沫剂进行复配,研制出具有较强防塌能力的乳液泡沫冲洗液体系,采用Waring-Blender搅拌法、正交试验法研究了不同防塌泡沫乳液配方的发泡体积、密度、表观粘度、动切力、流性指数、稠度系数等参数,得出碎软煤层泡沫钻进防塌泡沫乳液的最佳配方:水+0.2～0.3%防塌乳液+0.5%发泡剂K12+0.4%～0.8%粘土抑制剂 NH-1。(4)分析研究了钻进环空流场,运用流体力学模拟软件分别对外平钻杆和矮翼螺旋钻杆在泡沫作用下的携粉能力进行了数值模拟,对比研究了采用矮翼螺旋钻杆和常规外平钻杆施工时,环空内泡沫流体压力、流速变化的规律,得出了矮翼螺旋钻杆钻进环空泡沫流动压力损失修正系数。通过对碎软煤层泡沫钻进压力损失、压缩空气和泡沫液注入量等工艺参数的分析研究,提出了煤矿井下碎软煤层泡沫钻进气体体积流量的理论计算方法。(5)通过对煤矿井下防塌泡沫乳液注入、消泡等技术的综合研究,配套研制了泡沫发生器、钻进消泡装置等设备,构建了煤矿井下成套泡沫钻进装备集成。(6)在理论分析、模拟仿真和实验室研究的基础上,开展了发泡实验、消泡试验、防塌孔试验、现场钻孔试验等系列研究,分析了碎软煤层泡沫钻进工艺参数,研究了防塌泡沫乳液的防塌效果。在碎软煤层现场开展了钻进对比试验,相对于中风压空气钻进工艺,采用井下泡沫钻进工艺和矮翼螺旋钻杆在施工煤矿碎软煤层钻孔时,钻机回转阻力降幅最大达到了 48%。试验证明,碎软煤层泡沫钻进工艺适合在碎软煤层中施工深度达200m的本煤层钻孔。