Page 170 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 第 3 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 3
2026 年 3 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Mar., 2026

DOI：10.11883/bzycj-2024-0443

多孔冲击下超临界 CO 相变破岩半径计算模型 *
2

1
2,3
曾启富 ，阿比尔的 ，刘明维 ，蒋明镜 ，杜洪波 1
1
1
（1. 重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市教委重点实验室，重庆 400074；
2. 苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215009；
3. 同济大学土木工程减灾国家重点实验室，上海 200092）

摘要： 超临界 CO 2 相变破岩是冲击波与高压气体协同作用下的动态破坏过程。为深入探究多孔同步激发与地应
力耦合条件下的超临界 CO 2 相变破岩机制，针对 CO 2 现场破岩实际工况，基于薄壁圆筒理论解析了单孔初始破岩压
力，结合一维爆生气体膨胀理论，构建了地应力作用下多孔冲击波与高压气体联合破岩半径预测模型，并通过现场多
孔 CO 2 相变破岩试验进行了对比验证。结果表明：当致裂管埋深较浅时，地应力对岩体应力分布的影响较微弱；当单
孔压力一致时，致裂孔数量越多，各孔的叠加峰值应力越大；在垂直于测试孔布置方向，各孔的峰值应力均呈 U 形抛物
线分布，两端的致裂孔的叠加应力最大；而在平行于测试孔布置方向，各孔的峰值应力均呈倒 U 形抛物线分布，中部致
裂孔的叠加应力最大。此外，利用声波测试得到的现场多孔冲击下岩体损伤破坏范围呈三维漏斗状，竖向损伤破坏范
围在 5.05～5.73 m 之间，平面损伤破坏范围在 4.3～5.6 m 之间，其中平面损伤破坏范围测试值与理论计算值的相对误
差在 5.0%～18.7% 之间，计算误差多来自各致裂孔叠加应力的不均匀性。进一步分析可知：超临界 CO 2 相变破岩半径
随致裂孔叠加应力呈半抛物线式增长，随致裂孔深度呈对数式增长；当岩体抗压强度增大时，岩石断裂韧度近线性增
长，对应破岩半径近线性下降。研究成果可为多孔超临界 CO 2 相变破岩工程参数优化提供定量化设计依据。
关键词： 超临界 CO 2 相变；高压气体膨胀压力；多孔同时激发；声波测速；破岩半径
中图分类号： O389 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

Computational modeling and validation of rock-breaking radius by
supercritical CO phase transition considering porous impacts
2
1
1
2,3
1
ZENG Qifu , ABI Erdi , LIU Mingwei , JIANG Mingjing , DU Hongbo 1
（1. Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation of Mountainous Highway and Waterway,
Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
2. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China;
3. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Abstract: Supercritical CO phase transition rock-breaking is a dynamic destruction process under the combined action of
2
shock waves and high-pressure gas. To deeply investigate the rock-breaking mechanisms of supercritical CO phase transition
2
under multi-hole synchronous initiation and in-situ stress coupling conditions, targeting the actual working conditions of CO
2
field rock-breaking, the initial rock-breaking pressure of a single hole was analyzed based on the thin-walled cylinder theory. A
predictive model for the joint rock-breaking radius of multi-hole shock waves and high-pressure gas under in-situ stress was
developed by integrating the one-dimensional detonation gas expansion theory. Field experiments on multi-hole CO phase
2
transition rock-breaking were subsequently conducted for comparative validation. The results show that when the fracturing

* 收稿日期： 2024-11-12；修回日期： 2025-05-06
基金项目： 国家自然科学基金（41907261）；重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0913）；重庆市研究生科研创新
项目（CYB23253）
第一作者： 曾启富（1997－ ），男，博士研究生，zengqifu2513@126.com
通信作者： 阿比尔的（1988－ ），男，博士，副教授，abierdi@163.com

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