目前机械法掘进技术还存在着截割范围窄、地质适应性差、设备配件可靠性低等问题。为研究高效截割模式设计方法以及硬岩破碎机理,本论文在分析ODC刀盘截割运动特征的基础上,从理论模型、数值仿真、试验设计方面,研究了冲击切削截割力学行为规律,探讨了岩石破碎机理。主要研究工作和结论如下:首先分析了ODC刀盘的运动规律,发现偏心比例R_E、速度比例R_V是影响ODC刀盘运动的主要参数。当R_E增大时,刀盘运动范围变大,而R_V增大时,刀盘的运动轨迹会逐渐平缓。根据运动规律,以格里菲斯理论为强度准则,建立了截割力模型。刀盘均值截割力F随R_E、R_V的增大而增大,且受R_V影响显著;均值扭矩M随R_E的增大而增大,随R_V的增大先增大后减小,在R_V=1时达到最大值。刀岩接触半角Ψ、瞬时截割力F_C随着R_E的增长不明显,但考虑偏心距越大则扭矩越大的实际情况,设计R_E的取值范围为0<R_E<0.1;而Ψ、F_C随着R_V的增长较大,即刀盘冲击效果会不断减弱,其中在R_V>1时Ψ、F_C基本保持不变,为获得稳定的摆动切削破岩模式,设计R_V取值范围为0<R_V<1。然后以红砂岩、石灰岩、花岗岩试样的单轴抗压强度、巴西劈裂强度、弹性模量、泊松比、岩石Ⅰ型断裂韧度为对比参数,在PFC3D软件中建立了岩石模型。通过ODC刀盘截割仿真实验发现,截割载荷随着R_E、R_V的增大而增大。岩石模型的裂纹数量随R_E的增长比R_V更明显,而截割比能耗随R_V的增长比R_E更显著。对于不同截深d,截割比能耗SE与岩石弹塑性力学参数之间都存在很好的线性相关性。通过对比仿真结果与理论模型结果,发现理论模型得出的载荷变化规律与仿真试验基本保持一致。最后研制了ODC刀盘截割试验装置,开展模拟煤样、红砂岩截割试验。发现随着速度比例R_V的增大,均值截割力、主轴扭矩、截割比能耗SE、粒度分布指数CI逐渐增大。随着截割厚度d的增大,均值截割力、主轴扭矩、粒度分布指数CI逐渐增大,而截割比能耗SE不断减小。对比了各种工况条件时的理论结果、仿真结果、实验结果,发现截割载荷的三种结果之间均存在良好的线性相关性(R~2≥0.688),且理论结果在数值上与实验结果非常接近。综合截割力特征、仿真细观过程分析,发现这种截割模式下的岩石破碎过程为:在刀岩接触的短时间内,岩体原生裂纹孔隙被压实,由于刀盘的冲击、碾压作用,岩石内应力迅速升高导致其中薄弱节点发生破坏,裂纹开始发育扩展;随着载荷继续增长,裂纹汇集贯通成压碎区,压碎区伴随着塑性变形被压实,该过程耗散大量截割功,随后其周围又开始产生新的裂纹,导致压碎区体积不断变大,表面岩体逐渐变得薄弱,新生裂隙已可以扩展到岩石表面;压碎区仅能发生有限的塑性变形,大量裂纹直接贯通至岩石表面,压碎区无法继续储存能量,开始剥离崩落。由于冲击效果,ODC刀盘对于岩石破碎过程中延性破坏的抑制效果明显好于镐型截齿,大大降低了截割比能耗。