煤矿软岩巷道支护中的长期变形和底臌是巷道支护中的难点。根据新奥尔良支护理论,软岩巷道采用全断面锚网支护技术,方能有效地控制其长期变形和底臌。软岩巷道顶帮锚杆支护施工已经很成熟,而软岩巷道底板锚杆支护施工一直是一个难题,现有的底板锚杆钻机也难以满足软岩巷道底板锚杆支护施工的要求。究其原因,国内外对软岩巷道底板小直径锚杆钻孔的研究甚少,更无成熟可用的软岩巷道底板钻机的设计理论与方法。针对目前煤矿软岩巷道底板锚杆支护施工的难题,本文就软岩巷道底板小直径钻孔机理、钻机螺旋钻进特性及底板钻机设计展开了研究工作。通过钻机螺旋排渣机理、钻进参数设计研究,提出了软岩巷道底板钻机的设计理论及方法。据此,研制了适用于软岩巷道底板锚杆施工的钻机和模拟钻孔试验装置,并开展了相关研究。本文开展的研究内容如下:分析了软岩巷道底板软岩性质,研究了软岩底板小直径钻孔的钻头破岩理论和小直径螺旋钻杆排渣机理,对钻头的破岩特性参数和钻杆的螺旋排渣特性参数进行分析研究,得到其参数的计算方法,提出了软岩巷道底板钻机设计理论及方法。基于已提出的钻机设计理论及方法,对软岩巷道底板液压钻机螺旋钻进参数进行优化设计计算。根据煤矿井下的实际条件,钻机动力采用全液压,行走采用履带式行走机构,钻进推进方式采用油缸-链条式倍增推进机构。根据使用性能要求研究设计了液压系统,并对其所有液压元件进行优化配置。采用ANSYS软件对钻架的结构进行静态力学分析和模态分析,利用Design Explorer优化模块对钻架进行优化设计,对钻架的刚度和强度进行静态力学分析,对钻架在钻进过程中的振动进行了分析并对钻架整体进行了优化设计。通过分析设计了刚度强度满足要求的钻机钻架,其结构紧凑,体积较小,重量较轻。采用AMESim软件对钻机液压系统进行动态特性仿真分析。根据已设计的液压系统,依据钻机设计参数,对模拟仿真参数进行设定,确保其与研制样机一致。对回转回路、行走回路和钻进回路进行仿真分析,仿真结果表明:所选择的液压元件性能匹配,设计的液压系统能够满足钻机实际使用要求。研制了一台软岩巷道底板液压钻机,开发了模拟钻孔试验台,并进行模拟钻孔试验和井下钻孔试验,对试验数据进行了分析研究。模拟钻孔试验,得到螺旋钻进参数与钻速之间的关系试验数据,采用Microcal Origin软件,拟合了螺旋钻进参数与钻速的关系曲线和关系公式。钻机井下试验,重点考核其螺旋钻进参数选择是否合理,对其各项性能参数进行了考核。模拟钻孔试验和井下试验的数据分析表明软岩巷道底板液压钻机的设计理论及方法正确,钻机的设计参数合理,所开发的底板钻机完全能满足煤矿井下软岩巷道底板钻孔施工要求。本文研究取得了以下两个方面的创新性研究成果:1、通过理论分析及试验研究,发现了软岩巷道底板钻孔机理及钻进参数关系特性:1)软岩巷道底板螺旋钻孔特征与其他岩石钻孔有所不同:推进力与钻速关系图中几乎无研磨区、过渡区和重复破碎区;2)钻速随推进力和转速递增而递增,存在最佳值;扭矩与钻深成递增关系,逐步趋于稳定值;3)初步得出同一推进力下,螺旋钻杆直径越大钻速越大;同一钻速下,螺旋钻杆直径较大时所需转速较大;同一钻深下,两种螺旋钻杆钻进扭矩随钻深变化不大,直径较大的螺旋钻杆耗扭矩略大;4)获得了钻钻渣的潮湿程度对排渣影响如下:含水率在5%以上开始影响排渣;8%以上严重排渣;10%以上无法排渣。2、通过对软岩巷道底板钻机小直径锚杆孔钻进破岩及小直径螺旋钻杆排渣机理研究,结合采用ANSYS软件和AMESim软件对钻机其他参数进行研究,提出了软岩巷道底板钻机的设计理论与方法。据此设计理论和方法,在国内首次设计了一台履带式全液压软岩巷道底板钻机,并试制了样机,进行了井下试验,取得较好试验效果。本文研究不仅为煤矿软岩巷道底板锚杆钻机设计提供理论依据,而且为煤矿软岩支护底板锚杆施工提供了高效的钻机,推动了煤矿软岩巷道锚杆支护技术进步和装备革新。