滚刀破岩效率和刀具磨损是长距离、大埋深斜井TBM掘进过程中两大突出难题。对TBM滚刀破岩过程中滚刀受力、破岩效率、刀具设计以及刀具磨损等相关问题的研究具有非常重要的理论和现实意义。本文以神东补连塔煤矿和神华新街台格庙煤矿TBM斜井工程为依托,采用理论分析、离散元数值模拟、室内相似模型试验、磨蚀性试验和现场原位试验的方法,针对TBM斜井掘进过程中滚刀破岩机理、破岩效率影响因素、刀型设计及刀具磨损等问题进行系统性研究。主要研究内容和结论如下:1.建立了楔形弧刃滚刀破岩法向切削力计算模型。对楔形弧刃截面滚刀的破岩力进行分析,基于滚刀破岩挤压及剪切破碎共同作用机理,建立了滚刀破岩法向切削力计算模型,并结合现场工程数据验证了其有效性;对影响滚刀法向切削力参数进行分析,得到刀刃参数圆弧半径和刀刃角对滚刀破岩法向切削力的影响规律。圆弧半径增大,则滚刀与岩石挤压破坏区域接触面积增大,破岩法向切削力相应增大;滚刀刀刃角是影响岩石剪切破碎效果的关键参数,当刀刃角设置过大时,仅发生挤压作用,滚刀推力变化较大,故应设置合理的刀刃角,增大剪切作用效果。楔形弧刃滚刀破岩法向切削力计算模型的建立和刀刃参数分析为刀型设计提供了参考。2.获得了影响楔形弧刃滚刀破岩效率的最优刀间距和最佳贯入深度。以神华新街台格庙矿区为工程背景,采用离散元PFC^2D数值模拟方法,对楔形弧刃滚刀破岩过程中贯入度、刀间距对岩石裂纹扩展的影响进行分析,并以比能耗为指标对滚刀破岩参数进行优化。针对神华新街台格庙矿区的岩石特性,采用楔形圆弧刀刃滚刀破岩的最优刀间距为100mm,最佳贯入深度为10mm。为刀具的应用提供参考。3.研发了新型TBM滚刀破岩模型试验台。基于中国矿业大学（北京）城市地下工程实验室研制的城市地下工程试验系统,设计并建立了一套TBM可变刀间距多滚刀协同作用回转破岩试验系统。将自主设计的盘型滚刀刀盘安装在盾构头部,并添加力-扭矩传感器,通过滚刀自转和跟随刀盘公转受推力和扭矩共同作用旋转切削岩石进行滚刀破岩试验,基于该系统研究了贯入深度、刀间距、刀刃型等因素对TBM滚刀破岩效率的影响规律。通过进行不同刀间距滚刀破岩试验,得出刀间距15mm时,破岩量最大,破碎块最合理,破岩比能耗最低。通过尖刃、弧刃、齿刃楔形三种刀刃类型滚刀破岩试验对比,发现尖刃滚刀破岩率最高,比能耗最低,最易磨损;齿刃楔形滚刀的破岩率优于弧刃滚刀破岩率,比能耗低于弧刃滚刀,破岩效率相比较高。研究结果为工程现场刀具设计提供一定的借鉴作用。4.提出了一种精确测量破岩体积的新方法,引入破岩率的概念评估刀间距的合理性。基于超高速线激光3D轮廓测量系统,建立了一种精确测量破岩体积的新方法。基于该方法引入破岩率的概念,即滚刀破岩体积3D扫描实测值占理论估算值的百分比,将其作为判断滚刀最优刀间距的依据。刀间距过大则破岩率低于50%,刀间距过小则破岩率为50%⁷0%,最优刀间距时破岩率接近100%,达到理想最大破岩量。5.阐明了刀具的掘进方向与岩层倾向存在夹角时加速刀具磨损的机理。对神东补连塔地区煤矿斜井TBM掘进段不同深度围岩进行岩石成分分析和磨蚀性试验,结合现场刀具磨损情况进行分析。结果表明:神东补连塔地区岩石CAI值与等效石英含量相关性最强,CAI值随等效石英含量增加而增大;钢针划过粉砂岩、中砂岩、层状细砂岩呈现出三种不同的破坏形式,分别为细颗粒磨蚀、粗颗粒磨蚀和倾斜磨蚀,其中层状细砂岩裂纹扩展最明显;CAI值越大,划痕深度越小,钢针磨蚀越大,刀具磨损也越严重。刀具磨损形式与钢针划过岩石磨损形式具有一致性,当钢针划过层状细砂岩时容易发生倾斜偏磨,因而刀具掘进层状细砂岩时,掘进方向与岩层倾向有夹角,易出现倾斜磨蚀现象,加速刀具的磨损。6.研发了新型滚刀,成功地应用到斜井TBM连续下坡掘进工程,解决了斜井TBM下穿掘进过程中刀具耐磨性较差的问题。基于现场滚刀磨损和掘进参数分析,给出开舱换刀的参考标准。基于理论分析和试验结果设计研发了新型滚刀,并应用到工程现场斜井TBM连续下坡掘进工程,基于现场刀具磨损和掘进参数,对TBM在掘进施工中刀具磨耗进行预测分析。结果表明:在相同地质条件下,新型刀具耐磨性能比普通刀具提高了20%以上,新型刀具可减少换刀次数,提高掘进效率;边刀磨损量总体大于正面刀,刀具的磨损程度与其切削速度和岩石的耐磨性有关;当预测速度和实际速度之差大于18mm/min时,认为刀具严重磨损,可作为开舱换刀的参考标准。新型刀具的研发、应用以及现场刀具磨损预测成功地解决了斜井TBM下穿掘进过程中刀具较大磨损和频繁更换问题,为长距离下穿斜井TBM施工提供了技术支持,最大限度的节约了掘进工期和施工成本。