Page 171 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 张渊通，等： 爆炸应力波在梯度介质中的可视化传播 第 2 期

gradient media alter the rate of horizontal stress attenuation, with faster attenuation observed in positive gradient media. By
introducing the Poynting vector to compare energy flux density, it was found that energy flux density decays faster in positive
gradient materials at the same measurement points, and the propagation of explosive stress waves in positive gradient materials
exhibits an energy-absorbing process.
Keywords: explosive stress wave; energy flow density; dynamic stripe level; digital image correlation method; gradient
material

爆破是矿山建设和资源开采的主要手段，在国民经济建设中发挥着重要作用 [1-2] 。中国年产工业炸
[3]
药约 400 万吨，其中 70% 以上用于立井、巷道、采场等矿山地下工程施工 。在爆破施工中，层状岩体是
工程中常见的研究对象，强度渐变的层状复合岩体是其中的特殊形式，爆炸应力波在不同的路径上的传
播特征和能流密度演化规律不同 [4-5] 。根据不同的地质情况，爆破作业的目的不同：在页岩气抽采过程
中，爆破是为了形成更大的裂隙区，提高抽采效率 [6-7] ；在切顶卸压过程中，爆破是为了形成断裂带，削弱
煤柱上覆压力，对坚硬顶板进行“切块式”处理 [8-9] ；在定向断裂过程中，爆破是为了在聚能方向形成更
长的裂隙，降低非聚能方向的损伤 [10-11] 。现场爆破的地质条件比较复杂，尤其是在工程中常见的层状复
合岩体中，其岩体强度往往呈（梯度）渐变状态，炮孔的布置将对爆破效果产生一定的影响，因此，需要对
不同梯度渐变岩体中爆炸应力波的传播规律进行深入研究。
各国专家针对层状复合岩体中爆炸应力波的传播规律开展了大量的研究。在物理实验方面，杨仁
树等 [12] 将红砂岩与灰砂岩这 2 种具有不同波阻抗的岩石，通过设计的层状复合岩体构造方式进行了组
合，利用分离式霍普金森压杆实验系统进行了系统的研究，实验结果表明：在相同的冲击速度下，由于波
阻抗匹配关系的存在，当应力波在硬岩与软岩之间传播时，复合岩体的动力特性会表现出显著的差异。
周喻等 [13] 基于煤单体和白砂岩构成的层状软硬煤岩复合体，利用分离式霍普金森压杆实验装置，研究了
冲击载荷作用下层状复合岩体的动态力学性能和破裂机制，实验结果表明，应力波由硬入软时的效果优
于由软入硬。邱贤德等 [14] 采用超动态应变仪研究了预裂爆破装药量、装药结构等因素对复合岩体的影
响，并采用超声探测仪对爆破后保留区的岩体进行了损伤检测，实验结果表明，采用不耦合分层装药对
层状复合岩体进行预裂爆破才符合实际。Ding 等 [15] 研究了爆炸应力波在层状复合岩体界面处的模态变
换，在该模型中，爆炸应力波需要穿透 2 种物理性质不同的岩石和软硬岩的界面，结果表明，在深孔爆破
模型中，应力波从硬岩到软岩的入射路径会促进硬岩的破坏。Zhu 等 [16] 研究了在层状岩体爆破施工中
多孔掏槽爆破的机理与振动衰减规律，基于等效弹性边界条件和载荷情况，对爆破振动波的主要特征参
数进行了预测。在数值模拟方面，于建新等 [17] 利用 LS-DYNA 仿真软件建立了层状岩体爆破模型，分析
了原始地应力与爆炸动载荷耦合作用下不同抵抗线对层状岩体的损伤及应力波传播规律的影响，发现
爆炸反射能量远大于透射能量，存在最佳抵抗线使得爆破破岩效果最好。杜鑫等 [18] 在非连续变形分析
（discontinuous deformation analysis，DDA）方法中引入接触阻尼算法，实时跟踪层状节理岩体爆破过程中
爆腔的变化，发现节理对爆炸应力波的衰减作用随着节理间距的增大而明显减弱，当节理间距较小时，
爆生气体破岩作用较大。
以上针对复杂层状岩体中爆炸应力波传播的研究取得了一定的进展，但是大部分研究是在层状复
合岩体外施加爆炸/冲击载荷，从而分析层状复合岩体的动态响应以及爆炸应力波在其中的传播规律。
但是在实际爆破作业中，层状岩体中的炮孔布置往往是在某一岩层当中，炮孔所在岩层的物理力学性质
也会对爆破的效果产生一定的影响，因此，针对层状复合岩体内部起爆的研究格外重要。
为了直观分析岩石内部应力波的传播规律，经常采用透明类岩石材料来代替真实的岩石，并发展了
一系列响应的光测实验方法。王海军等 [19-20] 提出的 3D-ILC（3D internal laser-engraved crack）技术，该技术
与 3D 打印技术的区别在于使用了与岩石拉压比相近的玻璃作为试样，且应用于内含裂纹的孔口、巴西

圆盘以及三点弯内裂纹断裂扩展特性的研究。Ding 等 [21] 基于有机玻璃板的力学性质，结合动态焦散线
实验方法，设计了模拟深部高地应力的静态应力加载设备，初步分析了爆炸应力与静态应力耦合作用下

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