为实现煤炭工业的可持续发展,以前很少、甚至不开采的难开采煤层,如夹矸、含硬包裹体等煤层也必须开采,其中薄煤层占有很大的比例。薄煤层巷道掘进需要截割煤层的顶底板,导致掘进机可靠性低、效率低,巷道断面利用率低,掘进成本高。研究新的岩石截割方法,减小掘进机体积和重量,提高掘进机破岩能力,对薄煤层半煤岩巷道的高效施工及煤炭资源回收有极其重要的意义。本文以高压水射流截割头为研究对象,利用理论和数值分析方法研究高压水射流冲击和机械刀具破岩过程,对所研制水射流截割头的破岩性能进行试验研究,并利用非线性理论系统地研究了截割头破岩过程的动力学行为,为高压水射流掘进机工业应用提供理论和试验依据。以岩石断裂力学和布辛奈斯克问题解为基础,建立了机械刀具破岩的理论模型。根据弹性波动力学理论,得到岩石在水射流冲击载荷作用下径向、切向及剪切动应力与水射流参数之间的关系,并采用岩石动态拉伸和剪切失效准则建立了岩石粉碎区和损伤区范围的力学模型。根据所建立的机械刀具破岩理论模型,采用裂纹尖端强度因子的线性叠加性,求解水射流辅助机械刀具破岩时裂纹尖端I型强度因子,建立了水射流辅助机械刀具破岩条件下切削力和切削力降低百分比力学模型。采用SPH/FEM耦合方法建立了水射流冲击破岩数值模型,模拟研究了岩石在水射流冲击载荷作用下的破坏过程。岩石破坏受到剪切和拉伸共同作用,冲击点附近的粉碎区形成由剪应力主导,放射性裂纹萌生、扩展由拉应力主导。压缩应力波在自由边界反射会诱发形成层状裂纹,提高了水射流冲击破碎岩石程度。采用颗粒流法建立了机械刀具破岩数值模型,模拟研究了岩石在机械刀具作用下的破坏过程,结果表明:岩石破坏分为裂纹萌生、粉碎区和放射性裂纹形成、放射性裂纹扩展及碎片形成三个阶段。随着刀具锐利性降低,粉碎区增大,切削力增大,放射性裂纹增多,碎片块度降低,不利于裂缝内水的密封和机械刀具破岩,因此在水射流辅助机械刀具破岩设计时应尽量维持机械刀具的锐利性。根据截割头破岩工况和试验要求,设计了截割头破岩试验台的传动系统及参数测量、采集系统,并编制了相关信号的采集程序软件。研制了后置式多级高压水旋转密封装置,提高了密封装置的使用寿命且更换方便,为高压水射流辅助破岩的可靠实施提供支持。根据煤岩截割破坏过程和特征,建立了模拟煤岩的力学相似条件、应力相似条件、变形相似条件及破坏相似条件,采用水泥、石膏和河砂为原材料制备不同配比的人工煤岩相似材料,为水射流截割头破岩试验研究提供了可靠的破碎对象。在水射流截割头破岩试验台上,对不同强度煤岩、水射流辅助机械刀具破岩方式、水射流参数等条件下截割头破岩进行试验,采用扭矩、推进阻力、破岩比能耗及钻进深度等衡量水射流截割头破岩性能。煤岩抗压强度小于水射流压力时,水射流截割头I和III可以明显地降低截割头扭矩、推进阻力及比能耗等,但水射流辅助作用下截割头II破岩性能未得到增强。煤岩抗压强度大于水射流压力时,水射流辅助作用在一定程度上可以提高截割头III破岩性能,而水射流截割头I破岩性能未得到提升。截割头III中水射流采用外置方式,未影响机械截齿的破岩能力,该种形式截割头对不同性质煤岩的适应性好,它具有更好的破岩性能,且水射流辅助压力越高截割头III破岩能力越强。合金头作为水射流喷嘴限制了截齿旋转,截齿磨损率急剧增大,截齿使用寿命下降。此外,水射流辅助作用下截割头钻进煤岩产生的粉尘量明显降低。以相空间重构理论、关联积分及Wolf法为基础,对不同条件下截割扭矩的相空间轨迹和李雅普诺夫指数等进行分析研究,结果表明破岩系统具有混沌动力学特征。水射流辅助破岩效果较好时,截割扭矩的最大李雅普诺夫指数变化较大,说明此条件下水射流辅助作用在一定程度上可以改变截割头破岩机制。NARX神经网络能够精确地模拟和有效地预测截割扭矩变化特征,可以为掘进机截割电机的高效运行控制提供依据。在建立截割头和煤岩耦合动力学方程基础上,引入Heaviside函数建立了统一的动力学系统微分方程。采用四阶龙格—库塔法对不同参数条件下破岩系统的动力学行为进行求解,结果表明破岩系统可能处于周期运动或混沌运动状态。截割头处于周期运动时破岩效率高,而处于混沌运动时破岩效率极低,因此截割头破岩时应选择合理的参数以避免系统出现混沌动力学特征。所建立的破岩系统动力学模型可以实现截割头钻进煤岩过程的模拟,为截割头破岩性能和动力学特性研究提供了一种新的方法。