Page 183 - 《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

半径呈半抛物线式微弱增长。固定致裂孔叠加应力不变、增加致裂孔深度时，破岩半径呈对数增大趋
势。此外，增大岩体抗压强度可提升岩体的断裂韧度，对应的破岩半径呈线性减小趋势。

Buried depth of fracturing tube/m
0 10 20 30 40 50
4.5 5
Superimposed stress Rock fracture toughness
Buried depth of fracturing tube
6 4.3 Radius of rock breaking 4
Radius of rock breaking/m 5 4 Radius of rock breaking/m 4.1 3 2 Rock fracture toughness/MPa

3.9

3.5
3 3.7 1
50 150 250 350 450 550 100 150 200 250 300
Superimposed stress/MPa Compressive strength of rock/MPa
(a) Superimposed stress and fracturing tube depth (b) Compressive strength of rock
图 14 不同因素对破岩半径的影响
Fig. 14 Influences of different factors on the rock breaking radius
4 结 论

通过理论建模与现场试验相结合的方法，揭示了应力叠加条件下超临界 CO 相变破岩的力学机制
2
与破坏特征，得到以下主要结论。
(1) 基于薄壁圆筒理论建立的超临界 CO 相变峰值压力模型，其计算结果与前人试验数据的 95% 置
2
信区间高度吻合。多孔同步激发时，叠加应力场呈现显著空间异质性：垂直测试孔方向，峰值应力呈
U 形分布，边缘孔叠加效应最强；平行测试孔方向，则表现为倒 U 形分布，中心孔应力集中现象突出。
(2) 超临界 CO 致裂作用下形成的块石率高，粉碎区范围小，但致裂孔周围出现了大量贯通裂隙；破
2
岩半径在深度方向（5.05～5.74 m）与水平方向（4.3～5.6 m）存在各向异性，破坏区域呈非对称漏斗形态。
(3) 基于一维气体膨胀理论推导的破岩半径公式，其计算值与实测值的相对误差为 0.9%～17.4%。
此外，致裂孔叠加应力增加时，破岩半径呈半抛物线式微弱增大；增加致裂孔深度，破岩半径呈对数增大
趋势；增大岩体抗压强度可提升岩体的断裂韧度，对应的破岩半径呈线性减小趋势。
研究成果可为多孔超临界 CO 相变破岩工程参数优化提供定量化设计依据，但目前未考虑温度场
2
对 CO 相变速率的动态影响，未来可开发温度-压力耦合的 CO 相变动力学模型，对破岩半径模型进一
2
2
步修正。

参考文献：
[1] CHEN Y, ZHANG H W, ZHU Z J, et al. A new shock-wave test apparatus for liquid CO 2 blasting and measurement
analysis [J]. Measurement and Control, 2019, 52(5/6): 399–408. DOI: 10.1177/0020294019838581.
[2] CHEN Z S, YUAN Y, YAN C L, et al. A novel carbon dioxide phase transition rock breaking technology: theory and
application of non-explosive blasting [J]. Processes, 2022, 10(11): 2434. DOI: 10.3390/pr10112434.
[3] PU C, LIU Z J, PU G. On the factors of impact pressure in supercritical CO 2 phase-transition blasting-a numerical study [J].
Energies, 2022, 15(22): 8599. DOI: 10.3390/en15228599.
[4] 孙小明. 液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究 [J]. 煤炭科学技术, 2021, 49(8): 81–87. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.
2021.08.010.
SUN X M. Experimental study on cutting and rock breaking by liquid CO 2 phase transition fracturing technology [J]. Coal
Science and Technology, 2021, 49(8): 81–87. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2021.08.010.

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