煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。虽然近些年来我国一直在对能源结构进行调整，削减煤炭在能源消费量中的比重。但是煤炭在一次能源结构中的比例依然保持在60%以上，在今后相当长的时期内，煤炭将作为我国主体能源的地位不会动摇。由于我国煤矿地质条件复杂多变,煤炭生产总体技术水平较低,导致煤炭开采过程中经常发生各种灾害事故,造成国家财产和人民生命的巨大损失，煤炭行业已然成为我国工业生产中伤亡事故最严重的行业。有关数据统计表明，虽然在我国煤炭产量和消费量逐年增加的情况下，每年因煤炭生产的死亡总人数和百万吨死亡率在逐年下降。尤其是随着近些年来国家对煤矿安全生产的重视，相关的法律法规体系在逐步完善，安全管理基础工作进一步加强，全国范围内的煤矿安全生产形势呈现出持续稳定好转的现象。但是我国安全生产状况和世界先进产煤国家相比较还有很大差距。分析原因，除了我国煤矿地质条件复杂，开采难度大，采煤机械化程度与先进产煤国家差距较大之外，救援技术和装备水平也远远落后其他先进产煤国家。本文针对矿区复杂破碎地层条件下，应急救援快速钻孔效率低、孔内事故多发的问题，提出将空气潜孔锤反循环钻进技术应用于煤矿应急救援快速钻孔中。基于科恩达附壁效应原理设计了适用于矿区复杂地层的新型环状喷射强力抽吸式潜孔锤反循环钻头。通过数值模拟和室内试验的手段对环状喷射式反循环钻头的抽吸特性和反循环形成效果进行了研究，并且与现有的内喷孔引射式反循环钻头进行了对比分析，本文的研究内容和结论如下：（1）总结近些年来矿山救援的成功案例发现，多采用空气潜孔锤正循环钻进技术。然而，从正循环钻井技术实践来看，当遇到破碎、裂隙等复杂地层时，压缩空气完全漏失到地层当中，无法形成循环，这样就造成了钻进过程中排渣困难，风量消耗大，甚至钻进无法进行。而鉴于空气潜孔锤反循环钻探技术的特点和优势，将其推广应用至今后的矿山救援、救生中，可以有效解决在有些工况下正循环无法钻进的难题。将对提高我国应急救援快速钻孔的工艺技术及装备水平具有重要意义。（2）空气潜孔锤反循环钻进技术在生产与施工中的应用，为钻探领域带来了巨大的经济效益，反循环钻头作为该项技术的关键性部件也起到了较好的作用效果。野外试验表明，应用内喷孔引射式反循环钻头在裂隙发育、漏失地层钻进时，由于反循环钻头底喷孔的引射功能失效，反循环效果较差，孔底岩屑（样）不能及时从钻杆中心通道上返至地表，有相当一部分岩屑（样）正循环漏失到地层当中，岩心采取率低。试验现场对反循环钻头采取了封堵底喷孔和改变内喷孔位置的措施，但实际的反循环效果依然不理想。因此，反循环钻头的结构参数仍需进一步的改进和优化。（3）通过调研发现，空气放大器和双级环隙式消泡器的环状喷嘴结构，由于附壁效应不仅可以改变气体的流动方向，并且在其内部能够形成较大的负压区，可对外界气体产生较强的抽吸作用。因此，在反循环钻头的结构创新设计中，将传统的内喷射孔结构改为环状喷射的结构，提出了新型环状喷射式反循环钻头的结构。（4）通过FLUENT流体动力学软件，以直径是Φ180mm的反循环钻头为例。对内喷孔引射式反循环钻头和新型环状喷射式反循环钻头的内部流场进行了数值模拟。数值模拟结果表明，不论是否存在底喷孔，环状喷射式结构的反循环钻头较内喷孔引射式反循环钻头而言，能在钻头体内部产生更大的负压，对环空流体的抽吸作用也更强，抽吸系数是内喷孔引射式钻头的1.3倍左右。（5）总结了多工艺冲击回转钻进课题组根据不同的研究内容，设计研制的4套反循环模拟试验装置及各试验装置的特点。结合以往反循环模拟试验器的设计经验和本项目的要求，创新设计了JJ-180-00反循环模拟试验器。详细介绍了试验器的各个组成部分及整个试验系统所用的试验设备、测试仪器仪表等。（6）利用图形化的编程语言LabVIEW的平台建立了多通道流量压力数据采集记录系统，可对反循环钻头的孔底压力和抽吸流量进行动态监测并且能够简单快捷的记录存储于计算机内，方便日后的调用查看。（7）采用逐步优化的方式，在JJ-180-00模拟试验器上，对环状喷射式结构的反循环钻头进行了试验研究。试验测试结果显示，对于直径为Φ180mm的钻头，环状喷嘴的间隙为1mm时效果最佳；喷嘴距离孔底越低，喷射角度越小，抽吸特性和反循环效果越好。（8）通过对称封堵内喷孔的方式，对不同过流断面积的内喷孔引射式反循环钻头进行试验测试。结果显示，对称减少内喷孔个数（减小过流断面积）能够提高钻头的抽吸性能，但是过流断面积过小容易造成进气口的憋压。（9）在相同过流断面积的条件下，对比分析内喷孔引射式和新型环状喷射式反循环钻头的试验结果发现，环状喷射式结构的反循环钻头抽吸特性和反循环形成效果要优于内喷孔引射式的结构。