888 工程科学学报，第43卷，第7期 于提升破岩质量.此外，周西华等2、Kang等) 致裂影响范围更大，煤层CO2相变致裂增透时，可先 题正义与陈波借助数值模拟发现，有控制孔时 利用控制孔优化致裂效果，后利用控制孔抽采瓦斯. (a) (b) (c) Empty Empty hole hole Emp hole Fracturing Fracturing hole hole hole 图9三种不同的桩井开挖方案四(a)方案1：(b)方案2：(c)方案3 Fig.9 Three different pile well excavation schemes!2:(a)scheme 1:(b)scheme 2:(c)scheme 3 针对CO2相变致裂孔网参数的定性研究已经 应力赋存条件，分析不同应力状态下射流方向对 明确了布孔方式与控制孔对致裂效果的影响，但 裂纹起裂扩展的影响规律，提出不同地应力下 科学的致裂孔网参数设计标准尚未形成，因此以 C02定向致裂控制方案，是未来CO2致裂应用于 既有研究为基础，系统探究钻孔数量、间距、布置 深部岩体控制开挖的重要研究课题 方式对致裂效果的影响规律，建立一套CO2相变 4二氧化碳相变致裂有害效应研究 致裂孔网参数设计规范，是未来CO2相变致裂破 岩应用研究的重点研究方向 岩体开挖安全控制与环境保护是工程爆破领 3.3围压作用 域的关键课题，分析动力破岩过程中地震波、飞 深部岩体的破裂失稳往往受地应力场影响 石、噪声、粉尘、空气污染等有害效应的形成与传 地应力既能提高目标破碎岩体强度，又能对裂纹 播机制，对复杂环境下岩体开挖工程安全与环保 扩展起到导向作用，不同地应力场对CO,相变致 意义重大.由表1可知，CO,相变致裂峰值压力与 裂破岩效果的影响规律是其用于深部岩体破碎开 加载率较低，对应的应力波峰值强度较小，致裂时 挖的核心问题.孙可明等B4,5-分析不同初应力 高压CO2气体沿岩体裂隙和微裂缝扩散，岩石以 下的致裂效果发现，裂隙数量与长度均随初始应 受拉破坏为主，难以抛掷形成飞石，噪声、振动也 力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围也与初始 较小 应力呈负相关关系.此外，初始压应力能促进裂纹 尽管致裂激发的振动强度较低，但由于CO2 沿初始压应力方向起裂扩展，同时通过阻碍高压 相变致裂常被用于复杂敏感环境下的岩体开挖工 气体进入方向与其垂直的裂隙，抑制初始压应力 程中，其振动控制要求较高，振动效应不可忽视 垂直方向上的裂纹扩展.试验表明，控制垂直向初 研究表明，CO2相变致裂振动由气爆应力波激发， 始应力不变，逐渐增大水平向初始应力时，水平向 振速与应力均随传播距离增大而减小4，刀，振速曲 初始应力变化不影响该方向上裂纹的发育方向， 线频率集中在0~100Hz内8，不发生高频振荡2， 但控制垂直向裂纹扩展向水平方向发生偏转，且 强度远小于爆破振动，典型CO2相变致裂振速 偏转角度随着两方向应力差的增大而增大，此外， 时程曲线如图10所示 垂直向裂纹扩展长度随应力差的增大而减小.田 飞石、噪声、粉尘、空气污染是露天爆破安全 泽础研究发现，主应力差对非聚能方向上的裂 控制中的重要内容，部分学者针对上述露天施工 纹发育有明显影响，主应力差较大时，非聚能方向 有害效应进行了初步探索.李启月等o在基坑致 上径向裂纹发育明显；反之，该方向上裂纹扩展范 裂开挖时设置防爆毯，发现致裂时无飞石产生，扬 围较小. 尘较少，16m外声音强度小于76dB,能满足敏感 学者们已围绕不同应力下致裂裂纹扩展变化 区域开挖的要求.此外，CO2相变致裂低加载率的 规律开展了一些探索，但研究中往往忽略CO2泄 特点有利于岩石断裂，岩石以受拉破坏为主，从源 爆射流的定向致裂特点.随着深部地下工程的发 头上抑制了破岩粉尘的产生.刘光辉与王海亮5例 展，综合考虑CO,相变射流定向致裂特点与岩体 通过现场致裂试验发现，致裂破岩产生的粉尘和于提升破岩质量. 此外，周西华等[42]、Kang 等[43]、 题正义与陈波[44] 借助数值模拟发现，有控制孔时 致裂影响范围更大，煤层 CO2 相变致裂增透时，可先 利用控制孔优化致裂效果，后利用控制孔抽采瓦斯. Empty hole (a) (b) (c) Fracturing hole Empty hole Fracturing hole Empty hole Fracturing hole 图 9    三种不同的桩井开挖方案[12] .（a）方案 1；（b）方案 2；（c）方案 3 Fig.9    Three different pile well excavation schemes[12] : (a) scheme 1；(b) scheme 2；(c) scheme 3 针对 CO2 相变致裂孔网参数的定性研究已经 明确了布孔方式与控制孔对致裂效果的影响，但 科学的致裂孔网参数设计标准尚未形成，因此以 既有研究为基础，系统探究钻孔数量、间距、布置 方式对致裂效果的影响规律，建立一套 CO2 相变 致裂孔网参数设计规范，是未来 CO2 相变致裂破 岩应用研究的重点研究方向. 3.3    围压作用 深部岩体的破裂失稳往往受地应力场影响， 地应力既能提高目标破碎岩体强度，又能对裂纹 扩展起到导向作用，不同地应力场对 CO2 相变致 裂破岩效果的影响规律是其用于深部岩体破碎开 挖的核心问题. 孙可明等[34, 45−46] 分析不同初应力 下的致裂效果发现，裂隙数量与长度均随初始应 力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围也与初始 应力呈负相关关系. 此外，初始压应力能促进裂纹 沿初始压应力方向起裂扩展，同时通过阻碍高压 气体进入方向与其垂直的裂隙，抑制初始压应力 垂直方向上的裂纹扩展. 试验表明，控制垂直向初 始应力不变，逐渐增大水平向初始应力时，水平向 初始应力变化不影响该方向上裂纹的发育方向， 但控制垂直向裂纹扩展向水平方向发生偏转，且 偏转角度随着两方向应力差的增大而增大，此外， 垂直向裂纹扩展长度随应力差的增大而减小. 田 泽础[38] 研究发现，主应力差对非聚能方向上的裂 纹发育有明显影响，主应力差较大时，非聚能方向 上径向裂纹发育明显；反之，该方向上裂纹扩展范 围较小. 学者们已围绕不同应力下致裂裂纹扩展变化 规律开展了一些探索，但研究中往往忽略 CO2 泄 爆射流的定向致裂特点. 随着深部地下工程的发 展，综合考虑 CO2 相变射流定向致裂特点与岩体 应力赋存条件，分析不同应力状态下射流方向对 裂纹起裂扩展的影响规律 ，提出不同地应力下 CO2 定向致裂控制方案，是未来 CO2 致裂应用于 深部岩体控制开挖的重要研究课题. 4    二氧化碳相变致裂有害效应研究 岩体开挖安全控制与环境保护是工程爆破领 域的关键课题，分析动力破岩过程中地震波、飞 石、噪声、粉尘、空气污染等有害效应的形成与传 播机制，对复杂环境下岩体开挖工程安全与环保 意义重大. 由表 1 可知，CO2 相变致裂峰值压力与 加载率较低，对应的应力波峰值强度较小，致裂时 高压 CO2 气体沿岩体裂隙和微裂缝扩散，岩石以 受拉破坏为主，难以抛掷形成飞石，噪声、振动也 较小[4] . 尽管致裂激发的振动强度较低，但由于 CO2 相变致裂常被用于复杂敏感环境下的岩体开挖工 程中，其振动控制要求较高，振动效应不可忽视. 研究表明，CO2 相变致裂振动由气爆应力波激发， 振速与应力均随传播距离增大而减小[34,47] ，振速曲 线频率集中在 0～100 Hz 内[48] ，不发生高频振荡[25] ， 强度远小于爆破振动[49] ，典型 CO2 相变致裂振速 时程曲线如图 10 所示. 飞石、噪声、粉尘、空气污染是露天爆破安全 控制中的重要内容，部分学者针对上述露天施工 有害效应进行了初步探索. 李启月等[50] 在基坑致 裂开挖时设置防爆毯，发现致裂时无飞石产生，扬 尘较少，16 m 外声音强度小于 76 dB，能满足敏感 区域开挖的要求. 此外，CO2 相变致裂低加载率的 特点有利于岩石断裂，岩石以受拉破坏为主，从源 头上抑制了破岩粉尘的产生. 刘光辉与王海亮[51] 通过现场致裂试验发现，致裂破岩产生的粉尘和 · 888 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期