煤层瓦斯是一种优质高效的洁净能源,同时又是威胁煤矿安全生产的主要灾害源之一。有效地抽采煤层中的瓦斯是减少矿井瓦斯事故的最有效方法之一,而我国多数煤层属于低渗透煤层,解决低渗透煤层瓦斯抽采已成为确保煤矿安全生产、提高煤矿生产效率的关键问题。为了提高低渗透煤层的抽采效率,本文进行了低渗透煤层高压旋转水射流割缝增透技术及其应用的研究。本文研究了旋转水射流的破岩机理,分为剪切破岩,拉伸破岩,冲蚀破岩和磨削破岩;通过理论分析建立了钻孔内淹没条件下自由旋转水射流流动模型,基于自相似运动理论,推导了钻孔中旋转水射流速度解析解。通过数值模拟进行了煤层高压水射流割缝增透机理研究,高压旋转水射流在煤层切开对称的两条缝槽后,缝槽区域煤体发生变形,应力场重新分布,缝槽周边煤体因受力屈服发生损伤破坏,裂隙增加,渗透率增大;较远区域煤体因煤层卸压,渗透率随着应力的降低而增大,煤层的透气性得到改善。旋转水射流割缝增透效果优于普通射流割缝。建立了煤层割缝抽采瓦斯运移数学模型。应用FLUENT软件进行了非淹没和淹没不同喷嘴参数条件下旋转水射流规律的数值模拟,模拟结果表明:射流扩散角和射流速度随着喷嘴出口段长度的增加而减小。根据旋转水射流的动力学参数设计了高压旋转水射流喷嘴,确定叶轮最优导向角为45o、最佳出口段长度为L=1.8D。在距离喷嘴出口70D处,旋转射流环形冲击区域的动压力可达12MPa以上,能够满足破煤要求。进行了高压旋转水射流割缝装置的研制和技术开发。高压旋转水射流割缝装置包括高压水泵、控制系统、执行系统和辅助系统四部分,形成了一套井下移动方便、高效实用的高压水力冲割系统,该设备的最高工作压力为47MPa、最高供水流量为120L/min。在鸡西矿业(集团)有限责任公司城山煤矿西二采区3B#煤层右二工作面开展了井下旋转水射流煤层割缝和瓦斯抽采工业试验。试验结果表明:(1)割缝深度随射流压力的增加非线性增大,但逐渐变缓趋于一极限值;割缝深度随割缝速度的增加而逐渐减小;同一压力和割煤速度下旋转射流的割煤效率比直射流高,是直射流割煤效率的1.37～1.47倍。(2)确定旋转水射流割缝系统参数为:钻孔直径φ94mm,深度60m,钻孔间距8m,工作泵压40MPa,采用两喷嘴喷头定向割缝,喷嘴的射流方向与钻头的轴线方向垂直,喷嘴直径2mm,喷头移动速度0.1～0.2m/min。割缝双向总深度达1.1m,割缝宽度可达120mm。(3)对旋转水射流割缝工艺流程进行了设计,并制定了一套切实可行的安全防护措施,保证了旋转水射流割缝技术的顺利实施。(4)3B#煤层割缝前钻孔的自然初始瓦斯涌出量为19.452×10-3m3/min·hm,割缝后钻孔的自然初始瓦斯涌出量可达54.635×10-3m3/min·hm,百米煤层钻孔(Φ94mm)的极限瓦斯涌出量可达到186.03m3,而割缝后达到565.62m3,割缝后的自然瓦斯涌出量达到割缝前的3.04倍。(5)百米割缝钻孔和常规钻孔每天抽出纯瓦斯量分别为148.028m3/d.hm和66.037m3/d.hm,百米割缝钻孔瓦斯抽出速度是非割缝钻孔提高2.24倍。在2个月的抽采时间内,割缝钻孔的瓦斯抽采率可达24.42%,常规钻孔的瓦斯抽采率仅为10.48%,割缝钻孔的瓦斯抽采率为对比的常规钻孔瓦斯抽采率的2.33倍。