煤炭开采越来越向深处发展,底板突水问题日益严重,井下近水平定向钻孔因轨迹可控可调、钻孔延伸远、便于集中管理等优点,逐渐成为煤矿水害防治的有效途径。而在水害防治定向钻孔施工过程中,坚硬岩石孔段的施工比例较高。而目前煤矿井下常用的装备及机具不能满足硬岩高效定向钻进要求,具体体现在泥浆泵能力不足、可选配的螺杆钻具输出扭矩小等方面,导致在坚硬岩层钻进过程中钻头磨损加速,且易出现粘滑现象造成钻头蹦齿,严重制约了煤矿井下近水平硬岩定向钻进效率。但国内外相关提速钻进工艺的研究较少,急需合理的解决方案。本文针对硬岩钻进效率低及近水平定向钻进过程中托压严重的施工难题,运用岩石力学、计算流体力学、材料力学、钻井工程、机械工程等理论、方法和技术,研制了集周向扭转冲击和轴向冲击于一体的复合冲击螺杆钻具,分析了轴向冲击螺杆水力特性,探索了轴向振动减阻增压机理,研究了复合冲击动力学特性,揭示了复合冲击破岩机理,实现了提高硬岩定向钻进效率的目的,促进了煤矿井下钻探工艺技术的发展。首先通过分析轴向冲击和周向扭冲提速破岩原理,以及螺杆转子与定子运动规律,揭示了复合冲击提速破岩机理,设计了适用于煤矿井下定向钻进用复合冲击螺杆（扭转冲击器和轴向冲击螺杆研制）,阐述了其工作原理并计算了水力工作参数。基于流体力学水击理论并结合轴向冲击螺杆的工作特性,建立了轴向振动水击波动模型,推导了水击波方程,结合轴向冲击螺杆的阀口面积、泥浆泵、密度、流量系数等复杂边界条件,采用Matlab进行了编程求解,结果表明阀口压力波在钻杆内经历单向传播、初始反射叠加、稳定叠加三个状态后达到稳定,波形呈正（余）弦变化;对比分析静态与瞬态水击压差计算结果,得到了瞬态计算模型,考虑了压力波对流量影响的因素,准确性更高;波动压差随阀口半径增大呈幂函数形式下降;波动压差随流量的增加呈线性微增;并根据实际工况,确定了阀口半径与波动压差的最优值。其次通过分析复合冲击螺杆轴向振动工作特性,建立了近水平钻进条件下钻具动力学模型,结合上下边界条件及盘阀口的变化规律,进行了振动编程和求解,结果表明振动短接产生的激振力对上部钻具为牵引力,对下部复合冲击螺杆为轴向动压力,并揭示了轴向振动减阻增压的原理;研究了轴向振动爬行现象,结果表明钻头与孔底接触有四个阶段:静止阶段、爬行阶段、碰撞慢进阶段、稳压钻进阶段,提出了稳压钻进阶段静载与轴向动载的叠加,利于提高硬岩钻进效率。最后基于Abaqus/Explicit显示算法建立了复合冲击破岩三维仿真模型,以螺杆恒功率输出为基础,通过在输出扭矩结果上叠加半正弦周向冲击信号,解决了复合冲击破岩模拟的难题,结果表明最优参数下复合冲击切削体积最大、应力最大、轴向位移最大,其次是静载+轴冲,静载+扭冲,静载的值最小;对比分析了最优与最差工况的计算结果,得到了合适的钻进参数和钻进方式,可提高硬岩的钻进效率,并通过现场试验验证了论文关于煤矿井下复合冲击螺杆钻具高效破岩机理的研究成果。