能源是人类社会生存、生产和发展的重要物质基础。随着全球人口的急剧增长和世界经济的高速发展,世界气候变暖和能源短缺问题日益突出。因此,清洁可再生能源的利用与开发在推动能源结构转型和实现碳中和方面意义重大。深部地热能因其储量巨大、供应稳定、热品质高等优点具有巨大发展潜力。目前,地热钻井普遍采用常规回转钻进方式,但这种钻进方式存在岩石破碎效率低、钻头磨损严重、钻井周期长和钻井成本高昂等问题,严重制约了深部地热能规模化开发。潜孔锤冲击钻井技术被认为是在硬岩地层中最有效的钻井技术之一,有望成数倍提高地热钻井效率并大幅降低地热能开发成本。为此,准确评估冲击载荷下岩石的损伤特性,揭示岩石破碎机理可为优化冲击钻进工艺参数、改进钻具结构、指导钻头上球齿布局提供参考与指导,对消除井深对冲击钻进效率的负面影响和提高冲击钻进的机械钻速等方面具有重要意义。针对上述科学问题和工程需求,本文采用室内试验、理论分析和数值模拟等研究手段相结合的方式,对冲击载荷下深部花岗岩损伤特性及破碎机理展开研究,具体研究内容和研究结论概述如下:（1）开展了常压下花岗岩的地面钻进试验和冲击应力波演变的数值仿真,采用染色渗透探伤法对井筒周围损伤花岗岩中的裂纹分布进行了宏观尺度的评估。同时,采用二维图像技术和分形维数理论对冲击裂纹进行了微观尺度的定性与定量评估。结果表明,冲击钻进后井筒周围裂纹呈现出明显的区域化特征,冲击应力波的衰减是损伤岩体中裂纹呈现区域化规律的主要原因。冲击裂纹有七种基本形态,形态差异主要与岩石中矿物组分的比例有关。冲击裂纹具有良好的分形特征,分形维数在1.27～1.67之间。通过对宏观与微观尺度下裂纹特征的分析与对比发现,常压下冲击钻进对井周岩石的损伤范围约为井筒直径的1.5～1.7倍,而且冲击钻进造成的岩体损伤区域半径约为常规回转钻进的5～7倍。（2）研究了损伤岩石的物理力学性质变化规律,以损伤岩石的纵波波速变化为损伤评价指标,以损伤岩石的巴西抗拉强度、单轴抗压强度、峰值应力、弹性模量作为辅助损伤评价指标,开展了相关物理力学性质测定。结果表明,机械损伤岩石的物理力学性质会受到其内部细观裂纹的影响,二者存在密切联系。损伤岩石的纵波波速变化与井筒距离之间存在正相关。损伤岩石的巴西抗拉强度与无量纲距离存在正线性关系,抗压强度和弹性模量在变化趋势和变化程度上与抗拉强度具有良好的一致性。损伤岩石的物理力学性质演化规律表明,常压下冲击钻进对井周岩石损伤的范围约为常规回转钻进的5～7倍。损伤岩石的物理力学性质变化与裂纹在宏观和微观尺度上的变化体现出良好的一致性。（3）进行了全尺寸钻头单次冲击破碎花岗岩的试验研究,通过自主研制的高压釜试验装置探究了不同围压对岩石破碎性能的影响。结果表明,围压与破碎坑投影面积、周长、直径和深度之间具有良好的负线性关系。最重要的是,破碎坑体积随着围压的增加以指数多项式的形式减小。碎岩比功的变化表明,在浅部硬岩地层中冲击钻进的机械钻速不会有明显变化,但一旦进入中深层硬岩地层中,机械钻速将急剧下降。围压会导致相邻球齿下方的岩石破碎不足,从而加剧钻头上的球齿的磨损,缩短钻头寿命,增长钻井周期和增加钻井成本。对损伤岩石内部的裂纹观测揭示了围压下岩石破碎机制,即围压会抑制破碎坑附近侧向裂纹的扩展,并阻碍径向裂纹向自由表面延伸。破碎后岩石碎屑的数量以1mm＞d＞0.18mm粒径为主,占岩石碎屑总数量的99%以上。（4）分析了全尺寸钻头单次冲击破碎岩石装置的局限性与不足,采用数值仿真手段利用应力波峰值等效方式建立了单球齿冲击破碎岩石的小尺寸试验系统。在考虑围压和静液柱压力的情况,进行了冲击载荷下单球齿侵入花岗岩的试验研究。讨论了岩石在围压和静水柱压力下的动态损伤演变和破碎机制。基于空腔膨胀理论模型预测了弹塑性边界半径,对不同围压和静液柱压力下破碎坑的关键参数进行了比较和量化。结果表明,静液柱压力对岩石破碎性能存在有一定负面影响,但影响程度远小于围压。修正后的空腔膨胀模型可对损伤岩石中的弹塑性边界半径进行合理预测。弹塑性边界半径与围压呈负线性关系,与静液柱压力呈正线性关系。对岩石内部损伤程度的评估揭示了静液柱压力下岩石破碎机制,即静液柱压力可加剧岩石内部损伤,但在弹塑性边界产生的径向裂纹不能延伸到自由表面形成侧向裂纹,这使得岩石碎屑的形成和脱离变得更加困难。（5）对比评估了动态和准静态载荷下球齿侵入岩石的性能,揭示了动静载荷在侵入性能方面的共性与差异。探究了岩石种类、矿物粒径尺寸和矿物组分含量对动静态载荷作用下侵入岩石性能的影响。建立了侵入过程中球齿与岩石的力学响应关系。研究结果表明,准静态荷载与动态荷载下岩石破碎损伤特征十分相似,但动态载荷下侵入岩石的性能要优于准静态载荷。岩石类型对侵入性能的影响显著,不同类型的岩石在破碎过程中表现出不同的破坏模式,当岩石脆性指数小于20时,岩石破碎性能对脆性指数尤为敏感。矿物粒径尺寸会影响岩石发生破坏的时期,小粒径岩石的破坏主要是在载荷峰值前期完成,大粒径岩石主要在载荷峰值后期完成,矿物粒径900μm是岩石损伤的阈值。长石与石英百分比会影响到球齿侵入岩石的特征,当长石是石英含量的5倍以上时,岩石的损伤破碎性能将不会有太大差别。准静态载荷下球齿对岩石的侵入力F与位移δ之间遵循幂律关系,此幂律关系可用来描述冲击钻进过程中钻头与岩石的动态力学响应。