我国煤层瓦斯抽采主要采用钻孔抽采的方式,但穿层钻孔岩孔段长、煤孔段短、增透范围有限,顺层钻孔需要提前掘进煤巷配合。随着无煤巷采煤工艺的兴起,工程技术人员迫切需要一种能够通过穿层钻孔在煤层中施工顺层孔的超短半径转向钻孔技术。传统机械转向钻进方法转向曲率大,往往需要在岩层中就开始转向钻进,增加了岩孔段长度。水射流钻进技术使用高压软管进行动力传输,且钻头小巧,转向容易,为解决这一难题提供了新途径。现有水射流钻进技术多采用组合射流、旋转射流、直旋混合射流等形式,又由于组合射流钻头结构简单的特点,其在超短半径转向钻孔方面更具优势。但组合射流破岩效率对射流之间布置参数极为依赖,由于组合射流破岩及成孔机理不明,严重阻碍了组合射流技术的发展。本文采用理论分析、数值模拟、CT测试、钻进煤岩实验的方法,对组合射流冲击破碎煤岩机理、组合射流钻头自进成孔原理及超短半径转向钻孔工艺进行了研究,取得的主要成果有:(1)揭示了射流冲击动载下的煤岩响应机制。以射流冲击特性及煤岩力学结构特性为基础,对水射流破碎煤岩过程及机理进行了研究。射流冲击作用下煤岩响应包含两个方面:一是水锤压力直接破碎煤岩。通过水锤压力及作用时间分析,得到了射流冲击作用下煤岩破碎的阈值条件,建立了射流冲击作用下煤岩断裂破坏及屈服破坏体积公式,并结合破岩实验得到射流破碎煤岩体积计算模型;二是在水射流冲击作用下,煤岩内部产生应力波,促进了煤岩内部微裂隙的扩展,从而形成由环形裂纹与径向裂纹组成的网状缝网。(2)揭示了组合射流联合冲击破碎煤岩机理。从研究单股射流的冲击特性入手,并结合冲击波相互作用理论,阐述组合射流冲击靶体时应力波干涉现象,结合组合射流冲击煤岩实验,揭示了组合射流冲击破碎煤岩机理。利用CT扫描手段,得到锥形裂纹长度、角度与射流速度及喷嘴直径的关系,提出充分利用裂纹扩展的中心组合射流破岩方式,并建立了组合射流间距计算模型。同时,数值模拟了的组合射流在空间运动中的靶面压力分布图,揭示了具有径向转角的组合射流动靶距联合破岩机理。(3)对组合射流自进成孔原理及孔壁稳定性进行了分析。基于组合射流破岩机理,设计了自进式组合射流钻头,并通过自进钻孔实验,阐释了其破岩成孔原理,对组合射流钻头结构进行了优化。引入孔壁凹凸度对其成孔形态进行了定量分析,并通过真三轴孔壁破坏试验,结合煤层水平钻孔周围应力分布及煤岩强度准则,对水力成孔煤岩在真实应力状态下的稳定性进行了分析。结果表明:孔壁凹凸度对煤岩孔壁稳定性影响明显,随着孔壁凹凸度的增加,孔壁稳定性降低,孔壁更容易破坏。孔壁粗糙度与喷嘴个数显著相关,增加后喷嘴个数可以减小孔壁粗糙度,改善孔壁稳定性。根据a值与凹凸度呈现线性相关关系,对MG-C破坏准则进行了修正,建立了水力成孔孔壁稳定性判定模型。(4)设计了超短半径转向钻孔工艺,并建立水力系统参数计算模型。基于组合射流破岩成孔机理的研究,提出了煤层超短半径转向钻孔方法,介绍了其技术原理及系统组成。通过对组合射流钻头进行受力分析,结合系统水力损失计算,建立了超短半径转向钻孔极限深度模型,并对各施工参数对钻孔极限深度的影响规律进行了分析。结果表明:泵压是影响极限深度的主要因素,极限深度随泵压增加而增加;极限深度随喷嘴直径增大,先增加后减小;极限深度随高压软管长度增大,先增加后减小。在重庆松藻矿区逢春煤矿进行了水力钻孔现场实验,组合射流钻孔平均深度10.2m,平均钻进速度达到1.09m/min,所有钻孔均未发生严重的卡钻现象,证实了超短半径转向钻孔技术的可行性。本文的研究成果为水射流冲击破岩理论的完善作出了一定贡献,为煤矿井下瓦斯高效抽采提供了一种新思路,并有助于创新水射流技术在矿业工程中的应用。