为提高煤炭资源回收率和延长矿井服务年限，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，如薄煤层、夹矸、含硬包裹体等煤层也必须开采。在煤矿开采过程中，巷道掘进至关重要。而针对薄煤层硬岩巷道，现有掘进机受到机身高度、宽度的限制，掘进效率低、可靠性差，巷道断面利用率低，截齿磨损严重，巷道掘进成本巨大。为了提高薄煤层硬岩巷道施工效率，提高掘进过程机械化程度，迫切需要提出一种新型岩巷掘进方法。基于此，本文提出了基于空孔效应的掘进机截割头破岩方法，采用理论、数值模拟和试验相结合的方法，系统地研究岩石强度、围压大小以及空孔布置形式等参数对截割头破岩性能以及岩石应力场分布规律的影响，揭示岩石中空孔应力集中效应和自由面效应的作用机理，从而为空孔的布置参数设计提供参考依据，具有重要的理论意义和实用价值。　　基于相似理论、凿岩机冲击钻孔理论和截割头破岩理论，研制了最大截割直径为362mm的截割头，配置了三种不同硬度的岩样，搭建了凿岩机钻孔试验台和截割头破岩试验台，开展了空孔数量、直径和布置方式对截割头破岩性能影响的试验研究。基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了截割头破岩有限元模型，并通过对比数值模拟和试验过程中岩石破碎状态及截割载荷大小，验证其仿真模型的有效性。　　根据所建立截割头破岩有限元模型，进一步研究了不同空孔布置参数下岩石中等效应力和最大主应力云图变化规律以及截割头截割载荷变化规律。岩石中空孔周围会有明显的应力集中现象，且应力集中范围随着空孔数量及直径的增大而增大。应力集中区域岩石，在截齿截割过程首先达到强度极限而产生裂纹，进而引起更大区域岩石形成应力集中，从而更容易被截割头截割。当截齿挤压岩石时，会在齿尖周围形成一个岩石受压区，所受应力为压缩应力；压缩应力以压缩应力波的形式继续传播，到达空孔自由面后，经过反射形成拉伸应力波，从而形成一定范围的拉应力区。岩石抗拉强度一般远小于其抗压强度，因此岩石中拉应力区越大，岩石越容易破坏。　　基于弹性力学理论和摩尔库伦准则，建立了不同围压下截割头破岩数值模型，研究了围压对截割头截割性能的影响。仿真结果表明，截割头截割扭矩和推进力随着围压的增大而增大。在10MPa围压情况下，无空孔岩石其截割扭矩和推进力分别增大了23.5％和15.7%，而具有5个空孔的岩石其截割扭矩和推进力分别增大7.9%和8.6%。这表明通过在岩石中钻孔，可以降低由围压引起的截割载荷的增大幅度，降低高围压巷道的掘进难度，提高掘进速度。　　当空孔数量从1增大到5、9和13时，比能耗无量纲有效系数ηE随着空孔数量增大而减小，而综合考虑能量有效性和截割效果，空孔数量为5个时整体效果较好，因此进一步开展了空孔数量为4、3和2以及6、7和8时，不同布置方式下截割头破岩特性的研究，结果表明：当空孔数量从1逐步增大到9，对应的比能耗无量纲有效系数不断减小，但空孔数量从4增大到5和6时其下降趋势趋缓；而空孔数量从6逐步增大至9时其下降趋势逐渐加剧，因此，综合考虑能量有效性和截割效果，空孔数量取6个时，截割头整体破岩性能较好；针对本文所用截割头，岩石中最佳的空孔布置参数为空孔直径取45mm、空孔数量取6、空孔布置方式取1个中心空孔及5个均匀布置在直径为180mm的圆周上的空孔；而对于其他尺寸的截割头，岩石中最佳的空孔布置参数可与本文所用截割头尺寸进行等比例参考，即空孔直径取截割头最大截割直径的12.5%、空孔数量取6、空孔布置圆周直径取截割头最大截割直径的50%。　　基于水射流辅助破岩机理，研制前置式、中置式和后置式三种水射流辅助破岩截割头，进行空孔及水射流联合辅助破岩试验，研究不同辅助破岩形式对截割扭矩、推进力、比能耗、粉尘浓度以及截齿磨损的影响。取10MPa水射流和5个空孔作为联合辅助破岩方式进行试验，结果表明，其一方面克服了低压水射流辅助破岩效率较低的缺点，另一方面弥补了空孔辅助破岩过程中粉尘浓度高的不足。对于难以开采的硬度极高、磨损性极强的岩石而言，联合辅助破岩方式无疑提供了一种快速掘进的可能性