掘进机是隧道、巷道机械化掘进的关键装备,其截齿在截割硬岩过程中受力大、磨损快、难以破碎坚硬岩石等问题导致掘进效率低、进尺成本增加,已经成为影响我国煤炭资源高效、安全、绿色开采等目标的重要因素。因此,为了能够解决硬岩难以破碎、掘进效率低、截齿非正常失效几率高等问题,迫切需要研究一种新型的硬岩截割技术。基于此,本文提出了磨料水射流-截齿联合破岩方法,采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对磨料水射流-截齿联合破岩性能进行研究。基于截齿破岩理论、水射流破岩理论,利用AUTODYN有限元分析软件对磨料水射流辅助截齿破岩机理进行分析。岩石在截齿作用下主裂纹及其周围径向裂纹扩展速度较快,层状裂纹主要分布在齿尖密实核区周围;磨料水射流作用下,裂纹沿射流柱轴向与径向扩展缓慢,层状裂纹和主裂纹扩展距离短,主裂纹周围鲜有呈放射状的径向裂纹;磨料水射流辅助截齿作用于岩石时,剪切失效区密布层状裂纹,层状裂纹交互贯通,加快了岩石破碎过程。基于两相流理论,利用CFD数值分析软件FLUENT对磨料水射流喷嘴进行设计,以磨料动能损失量和出口处速度作为喷嘴收缩角度、圆柱段长度设计依据,最终确定喷嘴收缩角度为7°、圆柱段长度为16mm。对所设计的喷嘴进行内外流场、颗粒速度场分析,结果表明:磨料水射流射流柱在喷嘴出口处的直径为1.55mm,所有磨料颗粒均匀分布在磨料水射流柱中心处半径为0.34mm的圆柱内,磨料速度约为水速的94%。采用所设计的喷嘴结构进行磨料水射流-截齿联合破岩试验,研究了该技术在不同磨料水射流压力、不同截割深度下的破岩性能。结果表明:磨料水射流压力越大,截齿所受截割阻力减小率越高;相比单齿破岩,截深为3mm、5mm时,截割阻力均值减小率在21%~47%之间,截深为8mm、10mm时,减小率在14%~30%之间,且二次截割时截割阻力均值减小率均在32%以上;截割阻力最大值减小率均在72%以上,且水压越大,截齿受力波动越小,受力稳定性越好。因此磨料水射流-截齿联合破岩技术具有良好的破岩性能,且对岩石损伤作用强,能够有力地弱化岩石强度。基于弹性力学理论和摩尔-库伦准则,建立了不同围压下磨料水射流-截齿联合破岩模型,并通过对比数值模拟和试验过程中岩石破碎状态、载荷大小验证仿真模型的有效性。仿真结果表明,随着围压的增加,岩石上应力集中区域辐射面增大,应力集中区域主要发生在岩石破碎坑壁面周围,且围压越大,对于拉应力传播抑制效果越明显;单齿破岩时,围压从0MPa增至20MPa时,截齿受力增加了46.69%;截割深度为5mm、水压为30MPa时,围压从0MPa增至20MPa过程中,截割阻力增大了21.9%;截深为5mm、围压为20MPa情况下,水压从0MPa增至46MPa过程中,截齿受力减小了38.14%。以上分析结果表明,磨料水射流-截齿联合破岩技术可以降低由围压引起的截割载荷的增大幅度,降低高围压岩石的破碎难度,提高掘进效率。