煤矿开采时常伴有严重威胁煤矿安全的瓦斯气体,需要预先钻出瓦斯抽放孔以排除煤层内的瓦斯气体。目前大多数瓦斯抽放孔都存在尺寸偏小、孔深不足的缺点,限制着瓦斯气体的抽采效率,影响着煤矿开采安全。然而,直接钻进大尺寸抽放孔容易诱发瓦斯突出,孔壁垮塌,钻孔设备卡埋的事故风险。“同步跟管钻进技术”是一种钻孔作业与护管推进同步施工的横向成孔新工艺、新技术,能够有效解决煤矿大尺寸瓦斯抽放深孔钻孔难的问题,对增大煤矿瓦斯抽采效率、保障采矿安全意义重大。但是,现有的钻孔工具由于收回作业困难、可靠性差、成孔质量低等缺点,无法直接用于同步跟管钻进施工。本文结合煤矿瓦斯抽放孔的现场钻孔条件,针对新工艺要求,研制一种用于煤矿水平孔同步跟管钻进的伸缩式PDC钻头。主要研究内容包括:(1)提出了一种心部开放设计的新型转动扩张伸缩式PDC钻头。该工具所采用的敞开式伸缩结构,降低了钻头收缩时发生卡阻的风险,对钻进时抗压和收缩时抗拉均具有良好的承载能力。(2)开展了伸缩式PDC钻头的伸缩及其控制结构设计与研究。钻头采用可转动刀翼作为扩张伸缩结构,以钻压剪断剪销的方式控制刀翼的扩张,钻头起出时在护管管口挤压下进行回收,并由剪销结构限定伸开条件;经剪销实验表明,该方法不仅操作方式简单易行,确保了钻头在护管内水平推进时不会对管壁造成划伤,而且可以在钻头起出后通过更换铜销实现钻头的多次入孔作业。(3)开展了伸缩式PDC钻头的切削结构和水力结构设计与研究。伸开状态下,整体切削轮廓呈平滑的短抛射线型切削轮廓线,对煤层钻进的适应性较好,并具有较强的造斜能力,能满足旋转导向工具的配套工艺要求和导向钻进要求;理论分析结果表明,钻头在煤层中破碎效率高,水力清洁效果良好。(4)成功完成TGZS 245/320mm型伸缩式PDC钻头的制造。研制的伸缩式PDC钻头为解决钻成大尺寸瓦斯抽放孔、提高煤层瓦斯抽采率、保障煤矿安全提供了强有力的技术支持,并为定向同步跟管钻进伸缩式钻头的后续研究打下了坚实的基础。