Page 143 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 王雁冰，等： 不同外壳材料对高能产气剂孔壁压力的影响 第 8 期

time, minimal loading rate, limited energy release, and low transmission efficiency. For the three groups containing the main
agent, pressure peaks near the high-energy gas-generating agent (10 cm away) approximate 200 MPa, with pressure rise times
around 20 ms. The attenuation coefficients of pressure peaks for the three casing materials from the biggest to the smallest
follow the order: transparent PVC, white PVC, and kraft paper tube. The attenuation coefficients of pressure rise times from the
biggest to the smallest rank as: transparent PVC, kraft paper tube, and white PVC. For loading rate attenuation coefficients, the
sequence from the biggest to the smallest is: white PVC, transparent PVC, and kraft paper tube. Because of its high elastic
modulus and low Poisson’s ratio, white PVC casing demonstrates optimal performance in pressure peak, rise time, and loading
rate near the high-energy gas-generating agent, achieving the highest energy transmission efficiency. Transparent PVC casing
exhibits higher pressure peaks and loading rates than the paper tube near the agent but underperforms at longer distances,
indicating strong directionality and concentration. The kraft paper tube ensures uniform energy distribution but exhibits the
weakest overall energy concentration, along with the longest rise times and lowest loading rates. These findings provide a
theoretical foundation for optimizing high-energy gas-generating agent designs and enhancing rock-breaking efficacy.
Keywords: borehole wall pressure; casing material; high-energy gas; rock-breaking efficacy

在露天工程、矿山开采以及隧道工程等众多领域，煤岩的高效破碎与安全控制一直是关键环节 [1-3] 。
传统的爆破技术虽能实现煤岩破碎，但存在爆破振动大、对周边岩体及支护结构破坏严重、难以精准控
[4]
制等问题，不仅影响开采效率，还可能引发安全事故，如瓦斯泄漏、顶板坍塌等 。因此，寻求一种高效、
安全且可控的煤岩破岩技术具有极为重要的现实意义。高能气体压裂技术应运而生，它主要是靠点火药
及推进剂在有序燃烧过程中的复杂反应生成高温高压气体进行膨胀做功来实现地层破裂及裂缝扩展 [5-7] 。
由于整个过程是通过燃烧反应进行的，与炸药爆炸相比，加压速率下降了若干数量级，并按毫秒计量，所
形成的压力峰值也大大低于炸药爆破 [8-9] 。与水力压裂相比，高能气体压裂不需要专用高压设备，改善了
施工现场环境 [10] 。实现高能气体压裂技术工程化的关键是“高能产气剂”——一种将点火药、推进剂
及功能外壳集成为一体的井下装药单元 [11-12] 。高能产气剂能够形成广泛的裂隙网络，有效减少二次破碎
作业。由于高能产气剂在常压、常温下无法点燃，燃烧温度低于瓦斯和煤尘的最低点燃温度，且在压力
不足时不会爆轰，仅快速燃烧，使得其在煤矿井下等复杂环境中具有更高的安全性。同时，其燃烧产物
主要为水、氮气、二氧化碳等无毒无害气体，对设备无腐蚀性。其中，高能产气剂的外壳既是燃烧腔约
束体，又是能量传递的调节器，其弹性模量、泊松比等物理性质直接控制孔壁压力演化规律。孔壁压力
作为裂缝起裂与扩展的驱动源，其时空分布特征决定了最终破岩效果。因此，系统研究不同外壳材料对
孔壁压力的影响机制，不仅能为高能产气剂结构优化提供理论依据，也对提升高能气体压裂技术在煤岩
破碎中的可控性、安全性与经济性具有重要现实意义。
高能气体压裂技术可以形成不受原始地应力控制的多条径向主裂隙体系，增加与天然裂隙沟通的
机会 [13] 。高能气体压裂涉及气-液-固三相耦合，结合爆燃气体动力学、岩石力学、流体动力学和渗流力
学的基本原理，蒲春生等 [14] 建立了高能气体压裂过程中的裂缝延伸动力学模型，可预测爆燃压力和裂缝
延伸随时间的变化。吴飞鹏等 [15] 在此基础上进一步考虑了火药燃烧、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂
缝起裂和裂缝延伸 5 个过程，建立了多级脉冲爆燃压裂动力学模型。刘敬等 [16] 对高能气体压裂过程中
的“化学作用”、火药燃烧及射孔泄流规律、压裂对套管井壁的破坏进行了系统研究，为高能气体压裂
机理分析提供了依据。Mogi 等 [17] 研究了高能气体在密闭空间内的爆炸波传播，总结出超压是由高压气
体在内部释放和燃烧反应体积膨胀产生的。张延松等 [18] 聚焦于高能气体爆轰作用机理及其在破岩中的
应用，探讨了高能产气剂燃烧转化为爆轰的条件、致裂过程，以及不同初始裂隙条件下煤岩的破坏情况
和应力演化规律。Bai 等 [19] 对高能气体压裂过程中高压气体作用下裂纹的扩展演变过程、裂纹形式和
裂纹长度预测模型及其数值模型进行了系统的理论研究。谢若珺等 [20] 探究了高能气体-应力波双重作
用下岩石破岩机理，根据不同阶段产气具在岩石中产生的压力和作用效果，建立了更加符合工程实际的
岩石损伤模型。

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