高效开发煤层瓦斯,既能利用煤层气,又能消除瓦斯灾害,对实现煤炭安全生产、保障国家能源发展战略具有重要意义。高效开采复杂煤层瓦斯必须对煤层大范围均衡增透改造,传统煤矿井下增透技术如密集钻孔、水力割缝等增透范围有限,容易出现抽采空白带,存在重大安全隐患。针对上述问题,团队提出深部矿井自进式水力喷射钻孔网络化增透抽采的新思路,即利用自进式钻头在岩巷穿层孔中实现转向钻进煤孔,在煤层中构造出树状形态的抽采孔网,实现煤层大范围均衡增透。如何在煤矿井下巷道空间、钻孔直径受限的条件下,设计优化出破岩能力强、钻孔稳定好的小尺寸自进式钻头,是实现该方法的关键。因此,本文采用实验与理论相结合的方法,分析了“树状”钻孔的自进式钻头射流流场特性,揭示了自旋转射流破岩特征,优化了自进式钻头结构。取得的主要研究成果如下:(1)基于高速摄像机测试技术揭示了自旋转射流流场特性,分析了射流压力、旋转速度对流场特性的影响。与常规固定射流相比,自旋转射流能量密度更低,射流雾化范围更广和发散角越大,其射流轴向速度衰减更快;此外,自旋转射流雾化范围和发散角度随射流压力和旋转速度的增大均逐渐增长,射流压力为6 MPa、靶距为5 cm处的自旋转射流轴向速度衰减增大了19%。(2)开展了不同工况条件下自旋转射流冲击破岩试验,获得了钻头结构和旋转速度对自旋转射流破岩效率的影响规律。自旋转射流能大幅提高射流的破岩效率,6MPa自旋转射流破岩体积是相同条件下常规固定射流的17.2倍;自旋转射流破岩体积随射流旋转速度呈先增大后降低趋势,存在一个最优破岩旋转速度,且最优破岩转速与射流压力呈正相关;随喷嘴出口角度的增加,自旋转射流破岩体积呈指数增长,且增长速率随喷嘴出口角度增大逐渐变缓。(3)获得了水力化参数对自旋转射流破岩效率的影响规律。与破岩直径相比,破岩深度对自旋转射流破岩体积的贡献占主导地位。自旋转射流破岩效率随射流压力和冲蚀时间的增大均呈二次函数增长,但其增长速率分别呈增大趋势和降低趋势;随破岩靶距的增大,破岩效率呈先增大后降低趋势,存在一个最优破岩靶距。当靶距为1.0 cm时,破岩体积最大,为4.05 cm³。本文研究成果可为自旋转钻头优化设计和确定合理的参数提供参考与指导,具有一定的工程意义。