深立井的建设是开发深地资源与地下空间的首道难题。为指导深立井的机械化高效破岩凿井,本文综合采用理论分析、物理试验和数值模拟相结合的方法,研究了深井复杂条件下镶齿滚刀的破岩规律。首先,分析了深立井机械破岩凿井的工况特点;结合深立井的机械破岩特点,首次研制成功了一套基于CT扫描的三轴高应力岩石单镶齿侵入破碎试验装置;利用该试验装置开展了花岗岩和砂岩,在0MPa～20MPa不同应力条件,0.1mm/min～0.8mm/min不同位移速率,0.05k N/s～0.2k N/s不同荷载速率,不同齿形(锥形、球形)条件下的岩石侵入破碎试验。研究发现:侵深-荷载曲线在镶齿的侵入破碎过程中会出现多次骤降波动,破碎荷载呈阶跃式增长,岩石破碎面有明显的凿坑轮廓和粉碎岩屑,曲线波动频率较小且骤降幅值较大时岩石破碎脆性更大。锥齿作用下的花岗岩侵入破碎荷载比球齿作用下的侵入破碎荷载表现出更高的波动频率和较小的波动幅度,且随着侵入速率的增大,侵入荷载的波动频率有所降低,而砂岩的侵入破碎荷载的平均值随着侵入速率的增大呈先减小后增大的变化规律。无初始压力条件下,岩石试样均呈现竖裂纹扩展诱发的贯穿性劈裂破坏模式,较大剥离岩屑的形成方向与裂纹方向近似垂直。而在有初始压力条件下的侵入破碎试验结果显示,初始压力对岩石的破碎有一定的抑制作用,围压会影响到竖向和径向裂纹的扩展,轴压会影响到横向裂纹的扩展,三轴初始压力条件下破碎面剥离岩屑的分布比单初始围压条件下的分布更加均匀。其次,开展了砂岩的原位实时CT扫描侵入破碎试验,获得了裂纹扩展和成核的阶段性发育状态。试验发现:锥齿侵入破碎试样的裂纹呈十字交叉型分布,球齿侵入破碎试样的裂纹呈三等分形态,球齿的密实核大致呈水滴形,锥齿的密实核区域更多在齿端两侧的范围,且所获得的三维重构图像直观地揭示了镶齿侵入破碎过程中岩石与镶齿的相互作用及成核过程机理。然后,利用PFC软件模拟了花岗岩和砂岩的镶齿侵入破碎过程,确定了该模型在模拟镶齿破岩时的有效性。基于镶齿的运动规律和深井复杂条件等,开展了镶齿滚刀破岩过程中的破岩模式,初始压力大小和节理特征等对破岩效率比能耗和破碎荷载大小及波动情况的影响规律研究。结果发现:相邻齿间距存在一个临界值使得滚动破岩比能耗和荷载波动差异系数可以达到一个极值;带向前滑移作用的滚动破岩易产生横向裂纹,横向裂纹向岩石自由面的扩展形成剥离的岩块,且影响到下一镶齿的侵入破碎效果,而滚刀向后的滑移则会引起凿坑后部分岩屑的形成,增加了破碎岩块的二次研磨;在初始压力大小与单轴抗压强度的比值达到0.8时,比能耗明显下降,可见高围压反而促进裂纹的扩展和岩石破碎;对不连续节理的分析结果显示节理的间断比例对裂纹的扩展情况有极大影响,裂纹扩展至节理位置会被截断,同时节理尖端易出现翼裂纹,且微观剪切裂纹的方位角分布情况受节理影响极大。而在布满连续节理的岩石破碎中最大起裂荷载随着节理间距的增大而增大,且节理倾角越小时裂纹的扩展深部越浅。最后,依据标定的花岗岩和砂岩原型细观参数,以及岩石宏观参数与模型细观参数之间的变化规律,通过改变细观参数中的强度比例系数以获得具有不同压痕硬度、破坏脆性和断裂韧度等指标的数值岩石模型,并基于此开展单圈镶齿滚刀的破岩分析。试验表明:滚动破岩的法向荷载的平均值随着微观强度比例系数的增大而增大,且滚动荷载和法向荷载的波动响应步调是一致的。岩石破坏以拉伸破坏为主,同时微观拉剪破坏裂纹数量的比值随强度比例系数的增大呈增大趋势。通过岩性指标和破岩指标的综合分析发现比能耗随着单轴抗压强度的增大而增大,随着脆性参数的增大而增大。无量纲化的比能耗SE/UCS与脆性参数和断裂韧度均呈正相关关系。论文的研究内容考虑了深井复杂环境下的多个因素对镶齿滚刀破岩行为的影响,其对实现深井复杂条件下的高效破岩有一定的理论意义和实践参考价值。该论文有图154幅,表40个,参考文献130篇。