煤炭在我国能源领域占据绝对主导地位,而传统机械截割方法在复杂、难采煤层效率低下一直是我国煤炭生产行业的攻坚难题,随着近年来优质煤层储量大幅缩减,寻求一种对复杂、难采煤层具有强适用性的开采方法成为煤矿智能化建设的重要科学问题。针对大多深部煤层体现出的硬脆性特征,本文基于机械设计和采矿工程学科交叉,综合采用理论分析与计算、数值模拟与现场试验相结合的研究方法,分析了硬脆性煤体的本构模型,设计了冲击与截割协同破煤的采煤机滚筒改造结构,考虑了截齿冲击次序的时空关系,分析了不同冲击次序下的滚筒运动轨迹及其对硬脆性煤体的预裂特性与破碎特征,揭示了多截齿冲击与截割协同作用下的煤体破碎准则,建立了冲击与截割协同破煤性能的多目标优化模型,进行了冲击与截割协同破煤的现场试验,构建了冲击与截割协同破煤理论体系。本文所得主要研究结果如下:根据煤的台阶跌落型应力-应变曲线指出了现有脆度指标的局限性,分析了煤在加载条件下应力峰前、峰后阶段的能量演化规律,得到了硬脆性煤体的脆度计算方法,在所得脆度计算方法上明确了煤体的脆度分级;建立了硬脆性煤体的损伤模型,根据硬脆性煤体的变形阶段特征提出了损伤过渡点概念,指出了硬脆性煤体有效预裂压力范围应介于损伤过渡应力与单轴极限压应力之间;利用EDEM离散元方法模拟了常规煤试件的单轴压缩实验,建立了5种不同剪切模量与黏结键刚度的煤试件模型,分析了离散元本构参数对煤体脆度的影响特性,最终根据煤体脆度与剪切模量、硬度的定量关系建立了硬脆性煤体的离散元本构模型。提出了冲击与截割协同破煤滚筒结构,综合考虑截齿的同步、异步冲击运动与滚筒的回转、牵引运动,建立了基于滚筒空间坐标参数方程的运动学模型;以脆度值为0.7,硬度分别为f4、f5、f6的煤体为研究对象,建立了不同截齿冲击时空关系的离散元截割模型,仿真结果表明同一硬度下,同步冲击方式在各硬度下的破煤效率均优于异步冲击的破煤效率,滚筒受力均值与峰值均低于异步冲击,且相对异步冲击更稳定;在同等硬度工况下进行了传统滚筒（无截齿冲击）的破煤模拟,仿真结果表明冲击与截割协同破煤方式在各硬度下的破煤效率相对传统滚筒均有较大提升。以Evans经典破煤岩力学模型为理论基础,建立了基于单截齿的冲击与截割协同破煤力学模型,以水射流破岩应力波数学模型为参考,建立了冲击截齿破煤的应力波模型,得到了联合截割方式下应力波质点径向位移与径向速度的解析解,分析了截齿冲击作用下的煤体裂隙发育规律,确定了单个截齿冲击作用下的预裂作用范围,并基于离散元方法验证了单个截齿的破煤理论模型;分析了多个截齿冲击下应力波能量传递的空间模型,计算出了应力波在各阶段内的三轴应力分量,基于建立的空间应力波模型揭示了冲击与截割协同作用下的能量传播准则,并以此对同步、异步冲击次序下的预裂效果差异进行了解释。以生产率、截割比能耗及载荷波动系数作为优化目标,建立了基于冲击与截割协同破煤性能的多目标优化模型;选取了牵引速度、滚筒转速、冲击强度、冲击频率做为设计变量,提出了截割力、截割功率、牵引力、牵引功率、截齿冲击强度和截齿冲击频率的约束函数,并以MG500/1180-WD型号采煤机简化模型为研究对象,设定脆度值为0.7,求解得到了不同截割阻抗下的优化结果;以f4、f5、f6硬度为研究对象,对优化参数与原参数的破煤性能进行了对比,综合所有优化目标来看,优化结果能够有效提升滚筒破煤性能。设计了冲击与截割协同破煤试验装置,进行了试验装置的空载运行测试,基于不同截齿冲击频率、不同截齿冲击强度分别分析了试验装置的空载运行特性;进行了有无截齿冲击截割的井下破煤试验,试验结果表明冲击与截割协同破煤方式能够有效改善末煤现象,另综合生产率、截割比能耗与载荷波动系数可判断出,冲击与截割协同破煤方式的破煤性能均优于传统截割方式。该论文有图63幅,表35个,参考文献194篇。