CN115452455B - 模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统及方法，属于采矿工程领域。包括系统支架，系统支架上设有双动力源，双动力源连接有垂直向下设置的可伸缩采煤钻头，可伸缩采煤钻头下方设有方便拆卸更换的用以模拟钻孔底部包含积水以及落煤的筒状容器；利用电机驱动机械钻头进行竖向移动与周向旋转，对底槽中处于淹没状态的大块落煤进行精细破碎；统计煤体精细破碎后颗粒的粒径与几何形状，基于扁平率、凸度等参数构建综合指标，对碎煤效果进行评估；针对不同现场采煤条件，研究利用机械钻头精细破碎底槽落煤的方法，选择合理的钻头工况参数组合，从而优化现场深部矿井物理流态化采煤的技术方案，指导工程实践。

Description

模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统及方法，属于采矿工程领域。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，但是煤炭资源开采过程(特别是深部矿井)可能诱发冲击地压、瓦斯爆炸等事故灾害，对井下工人的人身安全带来了严峻的威胁。煤炭资源物理流态化开采是一项破解深部矿井安全高效开采难题的变革性技术。它通过地面钻井向煤层中施工双壁钻杆，利用高压水射流破碎原位煤体(实现“人不下井”，确保本质安全)，并利用射流泵将煤水混合物高效提升至地面。

在物理流态化采煤技术中，水射流破碎后的煤体在采煤空穴底部或钻孔内的运移与收集、在射流泵喉管中的卷吸与输运和煤-水分离处理是三个重要的工艺环节，其运行效果决定了物理流态化采煤的持续生产能力。而水射流破碎煤体颗粒的尺寸与形状，是影响上述三个工艺运行效果的关键因素。一方面受射流泵喉管尺寸的限制，只有尺寸足够小的颗粒才能够顺利通过喉管并提升至地面，另一方面若颗粒虽然尺寸不大但形状扁平时，颗粒在底槽中的运移能力、喉管中的通过性以及双壁钻杆中提升速度均会受到显著制约，而当颗粒的形状接近球形时，煤颗粒的提升效率则会大幅增强。因此能够对采煤过程中的大块落煤进行精细破碎，并获取较小尺寸与接近球形的煤颗粒(即类球状颗粒)是亟待解决的关键科学技术难题

其中，利用机械钻头进行精细破碎，是一种可行的技术方案。它通过在双壁钻杆底部安装钻头，在地面利用钻机驱动双壁钻杆，使得钻头以一定工况参数(负载、下降速度、转速、扭矩等)对底槽中散落的大块煤体进行滚压与切削，使得可移动的松散煤体在底槽的受限空间内破碎为细小颗粒。该技术中上述钻头的工况参数每一项均会对煤体的破碎效果产生显著的影响，而不同参数的组合所产生的影响更加复杂，必然存在着利用煤体精细破碎的优选工况参数组合。然而物理流态化采煤过程所面对的现场条件是多样的，煤体性质(坚固性系数、煤体组分、大块落煤的原始尺寸)与钻井底槽条件(底槽直径、底槽与底板的刚度和表面粗糙度)的差异都会对碎煤结果产生重大影响，因而不同原始采煤条件所需要的钻头碎煤的优选工况参数有着很大的区别，亟待进行精细研究。

现有的钻头碎煤实验系统大多针对的是钻孔或钻井中的整块煤体进行破碎，煤体的原始结构固定且相互之间不会滑动，难以模拟物理流态化采煤过程大块落煤在底槽中可移动的受力状态。因此本发明提出了利用实验手段，构建能够模拟深部矿井物理流态化模式下机械钻头精细破碎煤体的实验系统。在研究方法上，统计碎煤颗粒的尺寸与形状分布规律，通过构建综合指标评估煤体破碎效果；然后统计不同工况参数对碎煤结果的影响，基于神经网络分析方法建立数学模型，获取不同现场采煤条件下机械钻头精细破碎的优选工况，从而进一步优化物理流态化采煤技术方案，指导工程实践。

发明内容

针对现有技术不足之处，提供一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统及方法，构建模拟流态化采煤模式下大块煤体落入钻井底槽中的淹没环境，利用双轴电机驱动钻头进行竖向移动与周向旋转，对底槽中散落的大块煤体进行精细破碎；通过统计煤体破碎后颗粒的尺寸与形状分布规律，获取针对不同现场采煤条件的机械钻头精细破碎大块落煤的优选工况，从而优化物理流态化采煤技术方案，指导工程实践。

为实现上述目的，本发明的模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，包括系统支架，系统支架上设有双动力源，双动力源连接有垂直向下设置的可伸缩采煤钻头，可伸缩采煤钻头下方设有方便拆卸更换的用以模拟钻孔底部包含积水以及落煤的筒状容器；

双动力源包括控制钻头竖向上下移动的轴向电机以及控制钻头周向旋转运动的周向电机；

系统支架包括左右垂直设置的两个外侧竖直支架，两个外侧竖直支架顶部之间设有水平支架、底部之间设有底座，两个外侧竖直支架底部分别设有可调节的底座支角；所述轴向电机通过液压杆设置在水平支架上，水平支架与底座之间平行两个外侧竖直支架分别设有两侧的与水平支架相对滑动的内侧竖直支架，外侧竖直支架与内侧竖直支架之间底部通过固定装置b连接固定，内侧竖直支架中间设有能够在内侧竖直支架上下移动的可移动支架，可移动支架下方设有钻头，钻头上方通过连接杆与液压杆连接，周向电机设置在可移动支架上，并通过旋转轴承驱动钻头旋转；

筒状容器包括推车，推车包括推车平台，推车平台一侧设有推车手柄，推车平台下方设有推车脚轮，上方设有开口向上的筒状结构的底槽，底槽上开口设有可拆卸更换的套筒筒身，套筒筒身设有多种不同内径尺寸，根据需要更换套筒筒身从而模拟不同孔径的钻孔，底槽中存有模拟钻孔积水的混合水，混合水中设有漂浮状态的模拟掉落煤体，多块煤体处于淹没状态并能相对移动，模拟物理流态化采煤模式下钻井底槽大块落煤的现场环境，最后利用钻头同时进行竖向移动和周向旋转对淹没环境中可移动的底槽中落煤进行滚压与切削，使其破碎为细小颗粒状。

进一步，所述套筒筒身上开口设有与底槽上沿固定的套筒上沿，底槽上沿外侧设有与套筒筒身上沿匹配固定用的销栓。

进一步，底槽的底部中心处设有根据需要控制开合的排水阀门，排水阀门通过管路连接设置在底槽侧面的排水龙头。

进一步，套筒筒身包括不同内壁粗糙程度、不同刚度的类型，从而模拟不同采煤现场的钻井底槽条件。

进一步，钻头能够拆卸并替换，可根据需求更改钻头的类型、型号、尺寸规格参数。

进一步，底座连接有便于推车移动的斜坡，推车的底部设有脚轮，能够将推车及推车上的底槽推送至底座上的固定装置a处与底座固定。

一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统的试验方法，其步骤如下：

1)根据需要在推车上的底槽安装与模拟需要匹配的套筒筒身，之后在底槽中灌入混合水模拟钻孔内积水，混合水包括水及模拟地区的泥沙混合体，之后根据模拟要求在混合水中放置松散的大块落煤使得煤体处与淹没环境中，从而模拟掉落钻孔底部的煤体；

2)将推车推入底座，并通过固定装置a固定推车底部的推车脚轮从而将底槽固定在钻头的正下方；

3)设定钻头的工况参数，调整钻头与煤块的相对位置，通过轴向电机驱动钻头移动从而使两者接触并压实；

4)启动周向电机使钻头旋转，同步记录钻头的工况参数：负载、下降速度、转速、扭矩，的动态变化并实时显示；

5)钻头对混合水中的煤体进行碎煤，碎煤过程结束后，导出实验数据，取出底槽中破碎后的煤颗粒；

6)对煤颗粒干燥后，统计煤颗粒的粒径分布结果，计算粒径尺寸的期望与方差指标；对煤颗粒的三维结构进行解算，统计扁平率、凸度、纵横比、球形度单一参数，定义参数权重，构建描述颗粒形状的综合指标；结合实验结果对综合指标进行验证并修正，综合评估煤体破碎效果；通过研究不同工况参数下煤体破碎后颗粒形态的统计结果，获取尺寸较小、形状接近球形的最优的工况参数组合：当颗粒尺寸的最长边低于2cm，且越接近球形则说明工况参数组合越好；

7)更改钻头的工况参数，重复步骤2)～6)进行实验；

8)基于变量控制法进行分组实验，研究钻头的负载、下降速度、扭矩、转速工况参数对碎煤效果的影响；

9)统计不同工况组合下碎煤评估指标，建立神经网络分析模型结合实验结果进行分析，通过拟合获取钻头对煤体精细破碎的优选工况；

10)根据实际需要，可改变煤体的初始性质：煤体坚固性系数、煤体组分、煤块初始尺寸，与底槽的不同内壁粗糙程度、不同刚度的类型，利用钻头进一步精细破煤体，能够使破碎后的煤炭的颗粒尺寸和形状符合射流泵的最优提升与输运条件；重复步骤2)～9)，研究获取针对不同现场采煤条件下的机械钻头精细破碎底槽落煤的优选工况参数组合，优化物理流态化采煤技术方案，指导工程实践。

钻头对混合水中的煤体进行碎煤时，轴向电机通过竖直的液压杆驱动钻头做轴向上下运动并施加负载，周向电机通过旋转轴承带动钻头做轴向旋转破碎煤体，轴向电机驱动钻头不断向下接触到煤，对煤施加压力/负载和旋转能产生的扭矩，使得煤体被压被扭破碎；随着大块煤不断破碎成颗粒，电机驱动钻头不断地下降并压实煤块；钻头的下降速度、对煤体的压力，旋转的转速和扭矩均会影响粉碎效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

由于物理流态化采煤模式下落入钻井底槽的煤体是散落的若干块煤，煤体间能够相对移动，因此本系统针对物理流态化采煤模式下钻井底槽的多块煤体的应用场景进行逼真模拟，这是前人研究成果所不能实现的。

本装置及方法通过定义不同参数的权重，构建描述颗粒形状的新的综合指标，并结合实验结果对指标进行修正与完善，从而能够综合地评估煤体破碎效果。

本系统中的钻头可拆卸，通过更具需求替换为不同类型、型号、尺寸与规格的钻头，钻头的负载、移动速度、扭矩、转速等工况参数可独立控制并自由组合。因而能够根据采煤现场的实际条件进行试验并验证，揭示煤体破碎的物理机制与钻头工况的主控因素，获取机械钻头精细破碎钻井底槽大块落煤的优选工况。

本系统中，放入底槽的原始煤块可替换，底槽的套筒与底板也可替换，因而能够研究分析不同采煤现场条件下钻头碎煤的优选工况，能够适应不同的坚固性系数、煤体组分、初始块煤尺寸等煤体条件，不同直径、刚度与表面粗糙度的底槽，从而针对性地优化现场物理流态化采煤技术方案，指导工程实践。

附图说明

图1为本发明模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统的主视图；

图2为本发明模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统的侧视图；

图3为本发明模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统的俯视图；

图4为本发明的底槽以及推车的俯视图；

图5为本发明的套筒示意图。

图中：1-轴向电机；2-液压杆；3-水平支架；4-周向电机；5-连接杆；6-外侧竖直支架；7-旋转轴承；8-可移动支架；9-内侧竖直支架；10-钻头；11-底槽；12-推车；13-推车脚轮；14-底座；15-底座支角；16-斜坡；17-固定装置a；18-固定装置b；19-套筒上沿；20-推车平台；21-推车手柄；22-排水阀门；23-销栓；24-排水龙头；25-套筒筒身。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，包括系统支架，系统支架上设有双动力源，双动力源连接有垂直向下设置的可伸缩采煤钻头，可伸缩采煤钻头下方设有方便拆卸更换的用以模拟钻孔底部包含积水以及落煤的筒状容器；

双动力源包括控制钻头竖向上下移动的轴向电机1以及控制钻头周向旋转运动的周向电机4；

系统支架包括左右垂直设置的两个外侧竖直支架6，两个外侧竖直支架6顶部之间设有水平支架3、底部之间设有底座14，两个外侧竖直支架6底部分别设有可调节的底座支角15；所述轴向电机1通过液压杆2设置在水平支架3上，水平支架3与底座14之间平行两个外侧竖直支架6分别设有两侧的与水平支架相对滑动的内侧竖直支架9，外侧竖直支架6与内侧竖直支架9之间底部通过固定装置b18连接固定，内侧竖直支架中间设有能够在内侧竖直支架9上下移动的可移动支架8，可移动支架8下方设有钻头10，钻头10上方通过连接杆5与液压杆2连接，周向电机4设置在可移动支架8上，并通过旋转轴承7驱动钻头10旋转；

筒状容器包括推车12，推车12包括推车平台20，推车平台20一侧设有推车手柄21，推车平台20下方设有推车脚轮13，上方设有开口向上的筒状结构的底槽11，底槽11上开口设有可拆卸更换的套筒筒身25，套筒筒身25设有多种不同内径尺寸，根据需要更换套筒筒身25从而模拟不同孔径的钻孔，底槽11中存有模拟钻孔积水的混合水，混合水中设有漂浮状态的模拟掉落煤体，多块煤体处于淹没状态并能相对移动，模拟物理流态化采煤模式下钻井底槽大块落煤的现场环境，最后利用钻头10同时进行竖向移动和周向旋转对淹没环境中可移动的底槽11中落煤进行滚压与切削，使其破碎为细小颗粒状。

所述套筒筒身25上开口设有与底槽上沿固定的套筒上沿19，底槽11上沿外侧设有与套筒筒身25上沿匹配固定用的销栓23，底槽11的底部中心处设有根据需要控制开合的排水阀门22，排水阀门22通过管路连接设置在底槽11侧面的排水龙头24。套筒筒身25包括不同内壁粗糙程度、不同刚度的类型，从而模拟不同采煤现场的钻井底槽条件。钻头10能够拆卸并替换，可根据需求更改钻头的类型、型号、尺寸规格参数。底座14连接有便于推车12移动的斜坡16，推车12的底部设有脚轮13，能够将推车12及推车12上的底槽11推送至底座14上的固定装置a17处与底座固定，如图4和图5所示。。

轴向电机1功率为1.5kW，周向电机功率为3kW

本发明的试验系统的操作步骤为其特征在于实验操作步骤为：

实验步骤一，选择合适的钻头10、底槽11、套筒25进行安装，连接实验系统各部件，组成一个整体。

实验步骤二，选取采煤现场同一煤质的煤样，将预置一定尺寸及质量的煤样放置于底槽11内，并注入一定量的水，模拟现场落煤的淹没环境；利用推车12将底槽11沿底座斜坡16推送至指定位置，以手拧螺丝固定于底座14，防止碎煤过程出现底槽11晃动现象。

实验步骤三，选择钻头10的控制模式，设定钻头10运行的工况参数；控制钻头10向下移动，直至钻头10与底槽11中的煤体接触并压实，启动钻头碎煤实验，实时监测实验过程钻头工况参数的动态变化，并在显示器中显示出来。

实验步骤四，待碎煤结束时停止实验，导出实验数据；控制钻头10向上移动至最高机位；开启排水阀门排放出积水，取出底槽11中破碎后的煤体颗粒，进行数据分析。

为实现上述目的，本发明实验系统的研究方法的分析步骤为：

分析步骤一，对实验过程中产生的破碎煤颗粒进行干燥，对颗粒粒径进行分级筛选。构建Weibull粒径累计频率统计模型，分析破碎颗粒尺寸百分比的分布规律，获取尺寸的期望与方差等关键指标。

分析步骤二，扫描不同颗粒的轮廓，获取三维数据，求解颗粒的纵横比、扁平率、球形度、凸度等参数的值，研究上述单一参数的分布结果。

分析步骤三、研究上述单一参数对碎煤实际效果的影响，揭示不同参数之间的内在关系；利用归一化的综合指数分级法，构建描述颗粒接近理想球形形状的综合评价指标，提出基于上述参数的形状综合指标计算公式(不同指标进行加权赋值)；结合实验结果对综合指标进行验证，进一步修正并完善权重系数。

分布步骤四，利用分析步骤三中的颗粒形状综合指标计算公式，综合评估破碎煤颗粒尺寸与形状分布规律。

分析步骤五，更改钻头的工况参数，重复实验步骤二～实验步骤四，基于变量控制法进行分组实验；进一步重复分析步骤一、步骤二与步骤四，统计不同工况参数组合下钻头破碎煤体的评估结果，研究钻头的负载、下降速度、扭矩、转速等工况参数对碎煤效果的影响。

分析步骤六，结合不同机械钻头工况参数对煤体碎裂结果影响的力学机制，分析不同工况参数的内在关系及其耦合作用机制，确定主控因素；以工况参量组合为输入层数据，以煤体破碎颗粒尺寸与形状的综合指标的值为输出层，构建多层中间隐藏层，构建神经网络模型，通过多组不同参量组合的实验结果对该数学模型进行验证与训练，逐渐优化，最终形成评估煤体破碎效果的钻头工况参数组合的统一模型；结合实验结果进行验证并优化，获取该初始条件下机械钻头对煤体精细破碎的优选工况。

此外，根据实际需要，可改变煤体的初始性质(煤体坚固性系数、煤体组分、煤块初始尺寸等)与底槽条件(底槽直径、底槽与底板材料的刚度与粗糙度等)，重复上述实验步骤与分析步骤，研究获取针对不同现场采煤条件下的机械钻头精细破碎底槽落煤的优选工况参数组合；结合现场采煤现场的地质条件与采煤条件，根据上述评估模型调整钻头碎煤工况，优化物理流态化采煤技术方案，修正地面钻机工况参数，提高碎煤与抽采的效率，保障流态化采煤作业的安全高效地进行。

实施例一、

一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，包括双轴伺服电机、碎煤钻头、连接杆、模拟底槽、套筒、控制机柜、推车等部分。控制机柜通过定制软件控制双轴电机运行的工况参数，双轴电机通过连接杆驱动钻头碎煤；底槽内置套筒与底板；底槽置于推车上，利用推车将底槽从钻头下方推出，方便装备与取煤；底座固定在地面上，保持实验系统设备稳定。其中：

a0、所述底槽能够逼真地模拟物理流态化采煤模式下大块煤体落入钻井底槽中的现场环境，向底槽中置入若干的大块落煤，煤体处于整体堆积、块体间可相互移动的松散状态，向底槽中注水，淹没煤体。

b0、所述双轴伺服电机包含两个相互独立的伺服电机，其中轴向电机驱动钻头做轴向移动，周向电机驱动钻头做周向旋转，两者共同控制钻头运行的参数(即轴向负载、轴向下降速度、钻头转速、旋转扭矩等)；双轴伺服电机驱动钻头对底槽中处于淹没状态的大块煤体进行滚压与切削，使其破碎为细小颗粒状。

c0、所述底槽内置套筒，通过改变套筒的直径能够改变煤体在底槽中的受限制空间，间接地改变底槽的直径；所述套筒与底槽通过螺栓固定，套筒可拆卸，替换成不同直径、刚度、表面粗糙度的试件。

d0、所示底槽内置可拆卸的底板，可替换成不同刚度、表面粗糙度的试件；底板中间设置放水旋钮，可释放底槽中存留的水；通过替换不同的套筒和底板，模拟现场不同采煤条件下的底槽环境。

e0、所述钻头可拆卸并替换，根据需求替换为不同型号、尺寸与规格的试件；钻头可选择牙轮钻头、PDC钻头、刮刀钻头等不同类型的试件。

f0、所述控制机柜通过电缆与双轴电机连接，通过驱动连接杆带动钻头对底槽中的煤体进行破碎；控制机柜能够控制钻头的运行模式(轴向上分为恒负载运行或恒下降速度运行两种模式，周向上分为恒转速运行或恒扭矩运行两种模式)，设置钻头碎煤的负载、下降速度、扭矩与转速等初始参数，并实时监测碎煤过程上述参数的动态变化；钻头工况参数的变化数据能够实时显示与存储，并最终导出通用型格式数据，以便进一步分析。

为实现上述目的，本发明的模拟物理流态化采煤模式下钻井底槽落煤精细破碎的实验系统，其特征在于实验操作步骤为：

a1、选择合适的钻头、底槽套筒、底板进行安装，连接实验系统各部件，组成一个整体。

b1、向底槽中置入若干大块煤体，后注入适量水，使煤体处于淹没环境下。

c1、通过控制机柜的操作面板选择钻头的控制模式，设定钻头运行的工况参数。

d1、控制钻头向下移动，直至钻头与底槽中的煤体接触并压实，启动钻头碎煤实验，实时监测实验过程钻头工况参数的动态变化，并在显示器中显示出来。

e1、待碎煤结束时停止实验，导出实验数据；控制钻头向上移动至最高机位，取出底槽中破碎后的煤体颗粒，放出积水，进行数据分析。

为实现上述目的，本发明的模拟物理流态化采煤模式下钻井底槽落煤精细破碎的实验系统，其特征在于研究方法为：

a2、对实验过程中产生的破碎煤颗粒进行干燥，统计煤颗粒的粒径分布结果，计算粒径尺寸的期望与方差指标；对煤颗粒的三维结构进行解算，统计扁平率、凸度、纵横比、球形度等单一参数。

b2、研究上述单一参数对碎煤实际效果的影响，揭示不同参数之间的内在关系；确定各参数的权重，构建描述煤颗粒形状的综合指标，结合实验结果对综合指标进行验证，进一步修正并完善权重系数，综合评估破碎煤颗粒尺寸与形状分布规律。

c2、更改钻头的工况参数，基于变量控制法重复步骤b1～e1进行分组实验；进一步重复步骤a2～b2，统计不同工况参数组合下钻头破碎煤体的评估结果，研究钻头的负载、下降速度、扭矩、转速等工况参数对碎煤结果的影响。

d2、结合不同机械钻头工况参数对煤体碎裂结果影响的力学机制，分析不同工况参数的内在关系及其耦合作用机制；建立神经网络模型，基于不同分组实验的统计结果，构建煤颗粒破碎效果的评估模型，结合实验结果进行验证并优化，获取该初始条件下机械钻头对煤体精细破碎的优选工况。

此外，根据实际需要，可改变煤体的初始性质(煤体坚固性系数、煤体组分、煤块初始尺寸等)与底槽条件(底槽直径、底槽与底板材料的刚度与粗糙度等)，重复步骤a1～d2，研究获取针对不同现场采煤条件下的机械钻头精细破碎底槽落煤的优选工况参数组合，从而优化物理流态化采煤技术方案，并指导工程实践。

Claims (8)

1.一种模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：包括系统支架，系统支架上设有双动力源，双动力源连接有垂直向下设置的可伸缩采煤钻头，可伸缩采煤钻头下方设有方便拆卸更换的用以模拟钻孔底部包含积水以及落煤的筒状容器；

双动力源包括控制钻头竖向上下移动的轴向电机（1）以及控制钻头周向旋转运动的周向电机（4）；

系统支架包括左右垂直设置的两个外侧竖直支架（6），两个外侧竖直支架（6）顶部之间设有水平支架（3）、底部之间设有底座（14），两个外侧竖直支架（6）底部分别设有可调节的底座支角（15）；所述轴向电机（1）通过液压杆（2）设置在水平支架（3）上，水平支架（3）与底座（14）之间平行于两个外侧竖直支架（6）分别设有两侧的与水平支架相对滑动的内侧竖直支架（9），外侧竖直支架（6）与内侧竖直支架（9）之间底部通过固定装置b（18）连接固定，内侧竖直支架中间设有能够在内侧竖直支架（9）上下移动的可移动支架（8），可移动支架（8）下方设有钻头（10），钻头（10）上方通过连接杆（5）与液压杆（2）连接，周向电机（4）设置在可移动支架（8）上，并通过旋转轴承（7）驱动钻头（10）旋转；

筒状容器包括推车（12），推车（12）包括推车平台（20），推车平台（20）一侧设有推车手柄（21），推车平台（20）下方设有推车脚轮（13），上方设有开口向上的筒状结构的底槽（11），底槽（11）上开口设有可拆卸更换的套筒筒身（25），套筒筒身（25）设有多种不同内径尺寸，根据需要更换套筒筒身（25）从而模拟不同孔径的钻孔，底槽（11）中存有模拟钻孔积水的混合水，混合水中设有漂浮状态的模拟掉落煤体，多块煤体处于淹没状态并能相对移动，模拟物理流态化采煤模式下钻井底槽大块落煤的现场环境，最后利用钻头（10）同时进行竖向移动和周向旋转对淹没环境中可移动的底槽（11）中落煤进行滚压与切削，使其破碎为细小颗粒状。

2.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：所述套筒筒身（25）上开口设有与底槽上沿固定的套筒上沿（19），底槽（11）上沿外侧设有与套筒筒身（25）的套筒上沿匹配固定用的销栓（23）。

3.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：底槽（11）的底部中心处设有根据需要控制开合的排水阀门（22），排水阀门（22）通过管路连接设置在底槽（11）侧面的排水龙头（24）。

4.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：套筒筒身（25）包括不同内壁粗糙程度或不同刚度的类型，从而模拟不同采煤现场的钻井底槽条件。

5.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：钻头（10）能够拆卸并替换，可根据需求更改钻头的类型、型号或尺寸规格参数。

6.根据权利要求1所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统，其特征在于：底座（14）连接有便于推车（12）移动的斜坡（16），推车（12）的底部设有脚轮（13），能够将推车（12）及推车（12）上的底槽（11）推送至底座（14）上的固定装置a（17）处与底座固定。

7.一种使用上述权利要求1-6任一项所述模拟物理流态化采煤的底槽落煤精细破碎实验系统的试验方法，其特征在于步骤如下：

1）根据需要在推车（12）上的底槽（11）安装与模拟需要匹配的套筒筒身（25），之后在底槽（11）中灌入混合水模拟钻孔内积水，混合水包括水及模拟地区的泥沙混合体，之后根据模拟要求在混合水中放置松散的大块落煤使得煤体处与淹没环境中，从而模拟掉落钻孔底部的煤体；

2）将推车（12）推入底座（14），并通过固定装置a（17）固定推车（12）底部的推车脚轮（13）从而将底槽（11）固定在钻头（10）的正下方；

3）设定钻头（10）的工况参数，调整钻头（10）与煤块的相对位置，通过轴向电机（1）驱动钻头（10）移动从而使两者接触并压实；

4）启动周向电机（4）使钻头（10）旋转，同步记录钻头（10）的工况参数的动态变化并实时显示，工况参数包括：负载、下降速度、转速和扭矩；

5）钻头（10）对混合水中的煤体进行碎煤，碎煤过程结束后，导出实验数据，取出底槽中破碎后的煤颗粒；

6）对煤颗粒干燥后，统计煤颗粒的粒径分布结果，计算粒径尺寸的期望与方差指标；对煤颗粒的三维结构进行解算，统计扁平率、凸度、纵横比和球形度，定义参数权重，构建描述颗粒形状的综合指标；结合实验结果对综合指标进行验证并修正，综合评估煤体破碎效果；通过研究不同工况参数下煤体破碎后颗粒形态的统计结果，获取尺寸较小且形状接近球形的最优的工况参数组合：当颗粒尺寸的最长边低于2cm，且越接近球形则说明工况参数组合越好；

7）更改钻头（10）的工况参数，重复步骤2）~6）进行实验；

8）基于变量控制法进行分组实验，研究钻头的负载、下降速度、扭矩和转速对碎煤效果的影响；

9）统计不同工况组合下碎煤评估指标，建立神经网络分析模型结合实验结果进行分析，通过拟合获取钻头对煤体精细破碎的优选工况；

10）根据实际需要，改变煤体的初始性质与底槽（11）的内壁粗糙程度或刚度类型，利用钻头（10）进一步精细破煤体，能够使破碎后的煤炭的颗粒尺寸和形状符合射流泵的最优提升与输运条件；重复步骤2）~9），研究获取针对不同现场采煤条件下的机械钻头精细破碎底槽落煤的优选工况参数组合，优化物理流态化采煤技术方案，指导工程实践；所述煤体的初始性质：煤体坚固性系数、煤体组分和煤块初始尺寸。

8.根据权利要求7所述试验方法，其特征在于：钻头（10）对混合水中的煤体进行碎煤时，轴向电机（1）通过竖直的液压杆（2）驱动钻头（10）做轴向上下运动并施加负载，周向电机（4）通过旋转轴承（7）带动钻头（10）做轴向旋转破碎煤体，轴向电机（1）驱动钻头（10）不断向下接触到煤，对煤施加轴向负载和扭矩，使得煤体被压被扭破碎；随着大块煤不断破碎成颗粒，电机驱动钻头不断地下降并压实煤块；钻头（10）的下降速度、对煤体的压力、旋转的转速和扭矩均会影响粉碎效果。