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随着煤矿产能扩大,开采深度加深,开采条件也越来越复杂,安全高效开采对地质保障技术的要求不断提升,钻探技术作为煤矿瓦斯和水害治理的重要技术手段,对钻探装备、配套钻具和钻进工艺等都提出了更高的要求。钻头作为破碎岩石的主要工具,在整个钻进过程中起着重要作用,合理的设计和选用钻头对提高钻进效率和节约钻进成本具有重要意义。论文针对我国煤矿井下复杂硬岩钻进使用常规PDC钻头存在的钻进效率低、使用寿命短等问题,在消化吸收石油钻井用PDC钻头设计理论的基础上,引入耦合仿生理论用于PDC钻头切削齿和冠部形状设计,并利用计算机模拟仿真技术进行结构优化和破岩机理分析,旨在达到提高钻头钻进效率和使用寿命的目的。论文首先从分析煤矿井下常用PDC切削齿和PDC钻头结构特点和适用性入手,通过分析三翼内凹型PDC钻头结构缺陷和失效形式,结合煤矿井下硬岩钻进的特点和需求,在消化吸收石油钻头设计理论的基础上,提出了“弧角型”冠部形状设计方案和“错峰布齿、分层切削”的布齿原则,改进了钻头冠部形状和布齿设计。根据生物形态仿生原理,以食肉鲨鱼牙齿作为仿生原型,将带尖齿的牙齿特征,引入用于PDC切削齿的表面形状设计,以1308型PDC切削齿的结构设计为例,通过仿真分析,优选出“三角形、四凹槽”为最佳齿形结构,并完成了仿生PDC切削齿的整体结构设计。根据多元耦合仿生原理,以穿山甲的爪趾和鳞甲片作为仿生原型,采用“形态+结构”仿生形式,对PDC钻头从切削齿形状、冠部形状、布齿方式、保径结构进行了多元耦合仿生设计;以ΦD94mm弧角型PDC钻头的结构设计为例,通过仿真分析,对冠部形状和切削齿角度的主要参数进行了优化,并分别完成了Φ94mm钢体式和Φ113mm胎体式仿生PDC钻头的整体结构设计。通过对PDC切削齿和PDC钻头的工作原理以及受力特征的理论分析,引入“入岩自由面”的概念分析其对破岩效率的影响,分别采用ABAQUS和LS-DYNA有限元软件对仿生PDC切削齿和仿生PDC钻头整体工作状态进行仿真模拟,揭示了仿生PDC切削齿和仿生PDC钻头比普通PDC平面切削齿和常规三翼内凹钻头破岩效率明显提高的破岩机理。最后,为进一步验证理论分析和仿真结果,采用室内微钻试验台对仿生PDC切削齿的钻进性能进行了测试,得出仿生PDC切削齿钻进效率明显高于普通平面片,但容易出现崩刃;通过现场工业性试验,分别对Φ94mm钢体式仿生弧角PDC钻头和Φ113mm胎体式仿生弧角PDC钻头与现有内凹型PDC钻头进行对比试验,钻进效率和使用寿命均得到显著提高,与理论分析和仿真结果基本吻合。