掘进机是目前应用于煤矿巷道机械化施工中的关键设备,而针对硬岩巷道,现有掘进机无法实现经济截割,严重制约了煤矿生产的协调发展。为提高硬岩巷道的掘进效率和推进巷道安全绿色开采和清洁高效利用,实现煤炭工业的绿色、经济可持续发展。基于此,本文提出了水力涨裂与截割头联合破岩方法,采用理论、数值模拟和试验相结合的方法,系统的研究了岩体强度、围压大小、空孔数量等参数对水力涨裂联合截割头破岩中岩体的弱化规律以及截割头破岩性能的影响,揭示了岩体水力涨裂裂纹扩展机制以及含空孔与裂纹岩样的截齿破岩机理,从而为设计水力涨裂弱化硬岩参数设计提供参考依据,具有重要的理论意义和实用价值。基于断裂力学理论和黏聚型裂纹扩展理论,分析了黏聚型裂纹扩展问题中的位移模式和裂纹起裂与扩展机理;利用ABAQUS软件对岩样水力涨裂过程进行仿真,分析了水力涨裂裂纹扩展机制与失效形式。基于截齿破岩理论,利用AUTODYN软件对岩样在单个镐型截齿下的截割破岩过程进行仿真,分析了岩样在截齿作用下的破碎机理。基于材料相似配比理论,配置了四种不同硬度的岩样并对配置的岩样进行力学参数测定。利用钻孔试验台和水力涨裂试验台,研究不同力学性能、空孔数量、和涨裂方式对岩体水力涨裂注水压力、裂纹扩展形态的影响。研究表明:随着岩样力学性能的增大,岩样的涨裂压力也随之增大。涨裂孔周围空孔的位置及数量会对水力涨裂过程中主裂纹的起裂方向及后续扩展路径有着重要影响,在主裂纹的扩展过程中,会产生朝向涨裂孔周围空孔或其附近位置的次生裂纹。定向射孔涨裂可控制裂纹朝着预期方向涨裂,实现巷道断面快速、精准涨裂。基于扩展有限元理论,结合水力涨裂试验研究,利用ABAQUS软件建立水力涨裂数值仿真模型,进一步研究了不同围压参数和不同定向射孔角度下水力涨裂裂纹扩展规律和最大主应力分布云图变化规律。数值仿真结果表明:水力涨裂过程分为裂隙萌生、零散发育、均匀扩展和压裂终止4个阶段,裂纹的起裂与扩展主要由拉破坏控制,起裂压力随着围压差系数和定向射孔方位角的增大而增大。在围压差系数相同的条件下,裂纹扩展长度整体上随着定向射孔方位角增大而减小;在定向射孔方位角相同条件下,裂纹扩展长度随着围压差系数的增大而增大。在围压差系数相同条件下,转向半径随着定向射孔方位角的增大而增大;在定向射孔方位角为0°和15°时,转向半径r随着围压差系数的增大有较小幅度的增大,在定向射孔方位角为30°和45°时,转向半径随着围压差系数的增大而减小。在岩样水力涨裂试验研究基础上,开展水力涨裂联合截割头破岩试验研究,以截割头破岩过程中截齿扭矩、推进力和截割比能耗为指标研究水力涨裂过程中岩样的空孔数量和涨裂形式对截割头破岩性能的影响。研究表明:与未涨裂岩样对比,截割头破岩过程中的截割扭矩、推进力和截割比能耗随着涨裂孔周围数量的增加而降低,涨裂过程中产生的主裂纹以涨裂孔为中心向其周围的空孔扩展与衍生形成的裂隙网越密集,从而导致岩样易于截割。整体趋势上未涨裂岩样的截割载荷曲线比涨裂后岩样的截割载荷曲线要高,且定向射孔涨裂后岩样的截割载荷略低于非定向涨裂后的岩样,说明定向射孔涨裂对岩样的弱化效果优于非定向涨裂。