Page 171 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 曾启富，等： 多孔冲击下超临界CO 2 相变破岩半径计算模型 第 3 期

pipe is buried shallowly, the influence of in-situ stress on the stress distribution of the rock mass is relatively weak. When the

pressure of a single hole is consistent, the more fracturing holes there are, the greater the superposed peak stress of each hole.
In the direction perpendicular to the layout of the test hole, the peak stress of each hole shows a U-shaped parabolic
distribution. The superposed stress of the fracturing holes at both ends is the largest. In the direction parallel to the layout of the
test hole, the peak stress of each hole shows an inverted U-shaped parabolic distribution, and the superposed stress of the
middle fracturing hole is the largest. In addition, the rock mass damage and fracture range under multi-pore impact obtained by
acoustic wave testing in the field is in the shape of a three-dimensional funnel. The vertical damage and fracture range is
between 5.05 and 5.73 m, and the planar damage and fracture range is between 4.3 and 5.6 m. The error between the measured
value of the planar damage and fracture range and the theoretically calculated value is between 5.0% and 18.7%. The
calculation error mainly comes from the uneven superposition stress of each fracturing hole. Further analysis shows that the
radius of supercritical CO phase transition rock-breaking increases semi-parabolically with the superposed stress of the
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fracturing hole and increases logarithmically with the depth of the fracturing hole. As the compressive strength of the rock
mass increases, the rock fracture toughness increases nearly linearly, and the corresponding rock-breaking radius decreases
nearly linearly. The research results can provide a quantitative design basis for optimizing engineering parameters in the multi-
pore supercritical CO phase transition for rock-breaking.
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Keywords: supercritical CO phase transition; high-pressure gas expansion pressure; porous simultaneous excitation; acoustic
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velocity measurement; rock-breaking radius
近年来，超临界 CO 相变破岩技术凭借其低污染、低噪音及飞石可控等优点 [1-3] ，在巷道开挖、路基
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工程等多个领域中得到应用 [4-5] 。然而，现场多孔超临界 CO 相变破岩除了冲击波与高压气体膨胀的联
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合作用，还受地应力与多孔同时激发产生的应力叠加效应的影响，破岩机制较复杂。因此，对实际工程
中地应力与多孔激发条件下的应力进行分析，以及对破岩半径进行预测具有重要意义。
现有观点普遍认为，岩体破裂源于 CO 相变产生的冲击波与高压气体膨胀的共同作用 [6-7] ，其中冲击
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波作用时间短且能量占比较低 ，而气体膨胀作用贡献了主要的能量。在 CO 破岩过程中，冲击波首先
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作用于岩体形成压碎区和初始裂隙 [9-10] ，随后高压气体侵入裂隙引发二次扩展 [11] ，裂隙扩展长度主要受
控于爆源参数、孔网设计及地应力条件 [12-14] 。在爆源参数方面，峰值压力与裂隙总长度呈正相关 [15] ，与
裂隙数量呈对数关系 [16] ，峰值压力越大，压碎区范围越大，裂缝数目越多，破岩块度分布范围越广 [17] 。在

孔网参数方面，Kang 等 [18] 和题正义等 [19] 借助数值模拟发现，有控制孔时，致裂影响范围更大，且控制孔
对裂隙扩展具有导向作用 [20] 。在地应力影响方面，孙可明等 [21-23] 分析了不同初始应力下的致裂效果，发
现裂隙数量和长度均随初始应力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围与初始应力呈负相关。综上可知，
现阶段针对超临界 CO 相变破岩的研究多集中在 CO 单孔或简单应力条件下的 CO 破岩过程、破岩机
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理、破岩效果以及影响因素方面，对于多孔同时激发导致的应力叠加效应研究相对较少，尤其在 CO 现
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场破岩应用的条件下，对孔壁开裂后气体膨胀压力快速下降过程中的裂隙扩展半径研究不足。
本文中，针对多孔 CO 致裂管同时激发下的应力叠加效应，首先，基于薄壁圆筒理论推导初始破岩
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压力；然后，结合一维爆生气体膨胀理论推导冲击波-气体联合作用下的破岩半径预测模型；最后，通过现
场 CO 相变破岩试验及声波检测数据验证理论模型，并探讨裂孔叠加应力、致裂孔埋深及岩体性质对破
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岩半径的影响规律，以期为多孔冲击下的超临界 CO 相变破岩机制分析提供理论依据。
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1 应力叠加下破岩半径计算

1.1 超临界 CO 相变初始破岩压力
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超临界 CO 相变破岩主要基于其独特的物理化学特性及相变过程中所释放的能量，核心设备由充
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装头、发热管、储液管和堵头组成，如图 1(a) 所示。

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