煤矿井下密集钻孔尤其穿层钻孔是煤层气开采和瓦斯灾害治理最常用的增透措施之一，但穿层钻孔经过岩石段长、煤层段短，导致有效增透范围小、钻孔利用率低。本文基于水射流柔性传递能量特性，提出利用水射流破岩钻进成孔、提供自身前进推进力的一种自进式水力喷射拐弯钻孔增加煤层透气性方法，充分延伸煤孔段长度，发挥单个穿层钻孔的利用率，增加煤层瓦斯流动通道，降低增透成本。实现该方法的关键在于不改变现有穿层钻孔尺寸的条件下，开发与之匹配的自进式水射流钻头，其性能决定拐弯钻孔的钻进效率和孔壁稳定性。自旋转射流钻头通过射流旋转移动冲击破碎煤岩形成圆整钻孔，具有破岩钻孔效率高、钻孔稳定性好等特点，在煤层拐弯钻孔方面具有优势。但自旋转射流流场特性、冲击破碎煤岩机制与钻进成孔机理尚不明确，且尺寸受限的自旋转射流钻头设计及影响其破岩成孔效率的控制作用机制缺乏研究。
　　本文针对应用于煤层水力喷射拐弯钻孔技术尺寸受限的自旋转射流钻头，采用理论推导、实验室试验和数值模拟等方法，开展了自旋转射流流场特性、冲击破碎煤岩机制、钻头设计及自进成孔机理等方面研究。取得的主要创新性成果如下：
　　①揭示了自旋转射流流场偏转特性。基于旋转移动条件下射流时均速度、涡量和流线等流场特征分析，提出自旋转射流“非偏转区+偏转区”的流场结构，阐明了自旋转射流能量衰减及流动特征的偏转机制，并获得了旋转移动速度、射流压力对射流时均速度特征、偏转距离、偏转角和冲击角的影响规律：自旋转射流正面的紊动及涡旋强于射流背面，加快了射流能量耗散，使射流流动形态及特征逐渐偏向射流背面；射流偏转距离、偏转角和冲击角随靶距分别呈抛物线增长和线性增加趋势，且旋转移动速度越大、射流压力越低，射流偏转程度越剧烈。
　　②揭示了自旋转射流冲击破碎损伤煤岩机理。以射流作用煤岩内部位移和应力随时间、距离的演化规律分析为基础，阐明了射流水锤压力阶段冲击载荷破碎损伤煤岩和滞止压力阶段射流准静态压力致裂煤岩机理，获得了煤岩体粉碎区和拉伸破裂区范围，并通过实验进行了验证。开展了水射流旋转冲击破碎煤岩实验，获得了射流压力、旋转速度和冲击角度对自旋转射流破煤岩特征的控制作用机制，揭示了自旋转射流冲蚀损伤煤岩微观断裂机制：自旋转射流破岩时能削弱“水垫”效应，先冲刷移除低粘结强度的胶结物和岩石颗粒，随后射流冲击应力波主导基质产生脆性拉伸断裂，且准静态水压进一步致裂煤岩形成“V”形剖面的环形坑及其周边损伤区。自旋转射流破煤岩时具有最优转速和最优冲击角，且射流压力越大最优破岩转速越高。
　　③建立了自旋转射流钻头结构及喷嘴布置的优化设计准则，揭示了射流钻头自进成孔机理。基于建立的自旋转射流钻头自进力、旋转扭矩和转速计算模型，综合考虑钻头尺寸、承压时旋转的实现、旋转密封及限速等因素，设计出小尺寸自旋转射流钻头，通过破岩钻孔实验得到了钻头喷嘴的最优分布半径组合，并分析了射流压力、岩石强度等对钻头破岩成孔能力的作用机制，获得了射流钻头自进破碎煤岩钻进成孔机理。
　　④研发出煤矿井下自进式水力喷射钻孔技术及装备，并在河南某矿开展了现场试验，获得了水力参数、煤岩强度、钻进角度等对自进式水力喷射钻进效率的影响规律。结果表明：钻进速度随射流压力的增加而增加，随煤岩强度的增加而降低，但煤质过于松软时钻孔稳定性差，极限钻进深度浅；一定仰角的钻进角度有利于钻进过程中煤渣的返排，从而提高钻进效率。现场煤层平均钻进速度达0.75m/min，钻进深度达45m。结果显示了自旋转射流钻头高效的破煤岩成孔能力，证实了该技术装备的可行性。
　　本文研究成果在一定程度上丰富了水射流破碎煤岩理论，对提高水射流钻孔技术的钻进效率具有指导意义，有助于创新自进式水力喷射拐弯钻孔技术在煤层瓦斯高效抽采中的应用。