Page 117 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 黄 琦，等： 复合型聚能药型罩作用下岩石的定向断裂 第 6 期

energy-focused direction while suppressing damage in non-focused directions. The shaped-charge effect first increases and
then decreases with increasing opening angle. When the opening angle is 60°, the crack propagation length, propagation
velocity, the ratio of fractal dimensions between focused and non-focused directions, and the dynamic stress intensity factor all
reach their peak values, indicating the optimal directional fracturing performance. The energy release rate increases with the
opening angle and reaches 746.05 N/m at 75°. Numerical simulations indicate that, at an opening angle of 60°, the formed
metal jet exhibits the most coherent morphology and the highest jet-tip velocity, with the penetration depth and inlet aperture
reaching 21.5 mm and 14.1 mm, respectively.
Keywords: shaped charge; composite shaped charge liner; dynamic caustics line; fractal dimension

随着地下空间开发和岩土工程建设的不断推进，钻爆法因其施工效率高、成本低和适应性强等优
[1]
势，被广泛应用于隧道掘进、矿山开采及煤层开采等地下工程领域 。然而，传统非定向爆破过程中能量
释放分散，裂纹扩展具有随机性，易造成围岩过度破坏和超挖现象，难以满足高精度、高稳定性施工要
求。为实现对岩体破裂形态和范围的可控调控，定向爆破技术应运而生，并逐渐发展成为岩体控制爆破
[2]
的重要手段。因此，优化聚能药包结构 ，深入研究聚能药包爆破的能量聚集机制与断裂模式，对于工程
爆破中炸药能量释放的精准控制具有重要意义。
近年来，学者们围绕药型罩聚能爆破及切缝定向控制裂纹开展了大量研究。何满朝等 [3] 提出了
“双向累积拉伸爆破”新技术，建立了相应的力学模型和爆破机理，实现了岩体裂纹在双向聚能作用下
的可控扩展。宋俊生等 [4] 利用数字激光动态焦散线实验系统分析了不同装药结构下的岩体动态断裂过
程，揭示了不耦合系数与爆破损伤之间的定量关系。杨仁树等 [5-6] 基于动态焦散线实验系统揭示了不同
装药条件下岩石裂纹的起裂与扩展规律，并结合扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）对
爆生裂纹断口形貌进行了观察；Xiao 等 [7] 利用数字激光动态焦散线实验，发现节理角度在很大程度上决
定裂纹穿越节理时的扩展路径与能量耗散特征；Xie 等 [8] 从爆炸力学与岩石断裂动力学角度出发，发现
复杂切槽结构较常规装药在裂纹导向性与能量集中效率方面更具优势。Kang 等 [9] 发现当切缝数量为
2、3 和 4 时，试样切缝方向上的爆生裂纹损伤值明显高于非切缝方向。Ding 等 [10] 则通过比较双缝与三
缝装药爆破的动力学行为，指出三缝装药易导致裂纹偏向受保护岩体一侧，可能引发岩体超挖问题。

Yin 等 [11] 研究发现，在定向裂缝控制爆破技术中，双侧切槽聚能装药爆破方法的定向裂缝最长，非定向
裂缝最少，且对围岩的保护效果最好。除了实验研究外，数值模拟方法也被广泛用于分析聚能与切缝结
构的动态响应机制。Wu 等 [12] 利用 LS-DYNA 建立椭圆双极线型聚能爆破模型，揭示了不同孔径下裂纹
发展的时空规律与最优径向不耦合系数。申涛等 [13] 结合高速纹影实验与流固耦合数值模拟，阐明了切
缝药包爆炸载荷的传播重分配机制，揭示了切缝管对冲击波和爆生气体耦合作用的调控机理。Guo 等 [14]
提出了抛物线型聚能药型罩的新结构，并结合动态焦散线实验与 AUTODYN 显式动力学模拟系统研究
了不同不耦合系数条件下裂纹扩展特性。
然而，已有研究多侧重于单一聚能或单一切缝结构，对“聚能+切缝”复合装药的协同作用认识仍
显不足，特别是药型罩开口角度对能量释放率、裂纹定向性及围岩扰动控制的影响规律仍缺乏系统研
究。基于此，本文提出一种新型“切缝+聚能”复合药型罩结构，通过动态焦散线实验和数值模拟的方
法，系统探讨不同开口角度条件下爆炸能量释放率、裂纹扩展与应力波演化的内在机制，以期为精准控
制爆破能量分配、优化定向破裂效果及工程爆破设计提供理论依据与技术支持。

1 动态焦散线实验

1.1 实验系统装置

实验采用北京科技大学智能爆破实验室的新型动态焦散线实验系统，该系统由电脑、Phantom-
v2012 高速相机、场镜、时间加载平台、扩束镜、激光发射器和起爆器等组成。高速相机拍摄时，拍摄频
率设置为 10 s，相邻两张照片的拍摄时间为 10 μs，实验系统如图 1 所示。
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