我国矿山、水电、交通等地下工程需要建设大量井筒,作为进出口、通风、安全逃逸通道等,许多井筒都有下部出口。以前这类工程采用的钻爆法正向施工,在安全和效率方面存在许多问题,没有充分利用大部分工程具有下部出口这一有利工程条件。因此,本文提出反井钻井法凿井新工艺,达到综合机械化破岩钻进,操作人员不下井作业,从根本解决凿井安全问题。反井钻机采用的是由上向下钻进导孔,然后由下向上扩孔的施工工艺,以前多用作爆破刷大的导井,作为反井钻井凿井法,需要一次扩孔到所需直径,钻进直径从1.4m到5m,破岩面积增大12.7倍,需要解决大体积机械破岩、大面积暴露井帮稳定及控制理论,以及相适应的大直径反井钻机。本文对反井钻井凿井新工艺的研究背景、研究目标及技术路线进行了分析,确定了大直径反井钻机技术关键。大体积破岩采用的盘形滚刀和镶齿滚刀,本文对两种滚刀破岩机理进行理论分析、实验室试验,并采用LS-DYNA动态有限元,对镶齿盘型滚刀破岩进行了数值分析,在岩石为花岗岩条件下,两种滚刀压入岩体的深度与正压力成正比,同样正压力条件下,镶齿滚刀压入深度大,且破碎单位体积岩石能耗相对小,为了达到同样破岩效果,盘形滚刀所需压力大,也增大了切向推力,这样也需要更大的扭矩和钻机功率,考虑反井钻机特点,本文认为镶齿滚刀更适合反井钻井法凿井大体积破岩。对于大直径反井钻机扩孔钻头结构进行分析,提出了力矩平衡钻头滚刀布置原则,形成了5m大直径扩孔钻头。在对滚刀及扩孔钻头受力分析基础上,研究确定了大直径反井钻机主要技术参数：导孔直径350-380mm、扩孔直径3.5-5.0m、拉力600kN、出轴转速0-5rpm、扭矩300kNm等,为大直径反井钻机设计打下基础。大直径反井井帮需要在扩孔钻进、设备拆除及支护期间长时间暴露,井帮稳定是反井钻井凿井法成败的技术关键,地层条件、地应力及地质构造是影响井帮稳定的主要因素,本文建立了井帮力学分析模型,采用剪切破坏强度理论,确定了井帮失稳条件,提出采用地层改性方法,通过对破碎地层的注浆加固,提高了软弱地层的完整性和等效模量,使地层中的塑性变形区域消失,软弱地层塌孔和缩颈的风险大大减小。通过计算对比,在煤矿岩石地层条件下注浆扩散直径在10m,能够达到反井井帮稳定。本文在分析大直径反井钻井穿过的不同地层条件的基础上,研究确定5种反井钻井凿井工艺,包括大直径反井一次成井、局部开挖预支护、定向钻进导孔、地表局部不稳定地层加固、局部破碎地层单孔加固、地面预注浆地层改性等,使反井钻井凿井法能够在不同工程条件和地质条件得到应用。本文对倒“T”新型大直径反井钻架结构在钻进、拆卸钻杆过程中,钻架受力及变形进行了模拟计算,对分体式大直径扩孔钻头及滚刀布置进行了分析,成功研制出5.0m大直径反井钻机。在此基础上,在煤矿井筒工程中进行工业性试验,通过工程实践检验了滚刀破岩及地层稳定理论,大直径反井钻机的设计和反井钻井工艺合理性,证明反井钻井凿井法的是一种可靠地凿井工艺。