巖彈沖擊破巖規律試驗研究

劉 勇，郭鑫輝，魏建平，張宏圖

(1. 河南理工大學 瓦斯地質與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003； 2. 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454003)

煤炭是我國的主體能源，在未來相當時期內，煤炭作為主體能源的地位不會變。然而，在煤礦開采過程中采掘比例失調是阻礙煤礦產率提高的主要原因，煤礦巷道的快速掘進是保證礦井高產穩定的關鍵。在硬巖巷道掘進時截齒磨損是抑制快速掘進的主要因素[1-2]。隨著煤炭開采逐漸向深部地層發展，地應力不斷增大，這一問題將更為突出。減少鉆具磨損、提高鉆具使用壽命是突破該難題的關鍵[3-6]。

采用輔助技術對巖體預裂是提高鉆具使用壽命有效方法之一。如Maurer等[7]利用地面增壓器提高循環泥漿壓力至68 MPa～105 MPa沖擊破碎巖石輔助掘進，掘進速度提高了2倍～3倍。但系統能耗達到了11 200 kW，限制了該技術的應用。孫清德等[8]基于水力機械聯合破巖試驗，得出水力機械聯合破巖效率優于單射流或單鉆齒破巖，并認為不同破巖方式、射流相對于齒的位置、射流與齒間距和圍壓是影響聯合破巖效率的關鍵。盧義玉等[9]對水射流輔助PDC刀具切割破碎巖石進行了力學分析，認為水射流布置在刀具后方，并偏離刀具鉛垂中線面適當位置輔助刀具破巖時，刀具受力減少30%～50%，從而減少刀具磨損?？梢钥闯?，高壓水射流輔助破巖能夠提高破巖速率，降低鉆具磨損。但水射流輔助破巖需要較高的壓力(>100 MPa)[10]，系統能耗較高。同時過高的系統壓力對設備可靠性和安全性提出更高的要求。

除高壓水射流輔助破巖技術外，學者們[11-12]提出了激光、微波等輔助破巖新方法。李美艷等[13]采用高能激光束破巖，研究花崗巖和砂巖激光破壞后形貌、物相及抗鉆特性，提出高強度巖石的破碎機制為熱應力破碎，強度較低的巖石主要是熔化和氣化形成孔洞。戴俊等[14]采用微波破巖，研究巖石在微波作用下的強度變化，得到微波的熱效應是裂化巖石強度的主要原因，巖石強度的衰減與微波作用時間和微波強度成正比。激光和微波均基于熱應力輔助破巖，雖然能夠降低硬巖強度，但高溫也加劇了鉆具的磨損。楊曉峰等[15]認為熱應力是刀具磨損的關鍵，因此采用基于高溫破巖的技術并不能有效解決該難題。不僅如此，激光和微波輔助破巖裝置功率高，系統能耗較高，工程應用和推廣難度較高[16]。

采用低壓、低溫破巖技術輔助機械掘進，是降低鉆具磨損，提高鉆具使用壽命和掘進效率的必由之路。粒子沖擊破巖采用高速介質加速粒子[17-19]，使其具備高沖擊動能，沖擊巖石后，沖擊應力波在巖石內傳播并促使巖石原生裂隙擴展、促生新生裂隙，實現巖石的整體破碎。該技術被廣泛應用于石油鉆井射孔，如射孔彈和磨料水射流破巖技術[20-21]?；诹Ｗ記_擊破巖的思想，筆者提出低壓空氣驅動“巖石子彈”預裂巖體的輔助掘進技術，即在掘進過程中采用低壓空氣加速掘進面的廢棄碎石，進而利用高速顆粒流的沖擊動能輔助掘進。

為驗證低壓空氣驅動下巖彈沖擊破巖的可行性，筆者首先通過分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)試驗，得出了沖擊破壞過程中能量在巖石內部的傳遞和耗散規律，并構建了巖石破壞吸收能的理論計算模型；然后，基于構建的理論模型，結合低壓空氣驅動下巖彈沖擊破巖試驗，研究了不同氣體壓力、巖彈質量下的沖擊破巖效果，并得到了低壓空氣驅動下巖彈沖擊破巖規律。

1 試驗系統及試樣制備

巖石破壞是巖石吸收能量發生“災變”，出現破裂或碎裂的過程。為研究低壓空氣驅動下巖彈沖擊破巖的規律，需先得出巖彈向巖石傳遞能量的效率，即巖彈沖擊時巖體破碎所吸收的能量。SHPB試驗是目前測定沖擊過程中巖石吸收能量的最有效技術手段。因此，本文首先采用SHPB試驗獲得了巖樣破碎時的吸收能量，通過三維掃描儀獲得了巖樣破碎后新增表面積；基于測定的吸收能和新增表面積，構建了巖石破壞吸收能的理論模型。然后，在自主研發的巖彈沖擊破巖試驗系統上開展了巖彈沖擊破巖試驗，并結合高速攝像機及三維掃描儀分別獲得了巖彈動能及破碎后巖樣的新增表面積；最后，基于構建的巖石破壞吸收能的理論模型，分析了不同巖彈質量、不同氣壓條件下，巖彈沖擊破碎巖石的能量演化規律。

1.1 試樣制備及基本力學參數

為得出巖性對巖彈沖擊破巖規律的影響，試驗中選用了花崗巖和玄武巖兩種巖樣?；◢弾r樣取自陜西省寶雞市某隧道，玄武巖樣取自河南泌陽大頂山。其中，花崗巖體主要成分為微風化中粗粒黑白云母、長石、石英等，玄武巖樣主要成分為輝石、石英等，巖體較完整且表面光滑，無明顯缺陷。為了減少試驗結果的離散性，并使沖擊試驗中慣性效應和端部摩擦效應影響達到最小，巖樣取自同一塊巖石且長徑比控制在0.5左右[22-23]。利用取芯機，巖石切割機、雙端面磨石機將巖樣加工成Φ50 mm×25 mm的標準尺寸，如圖1所示。制備不同試件兩端面的不平整度不大于0.5 mm，試件的直徑和高度誤差不大于0.3 mm，最大限度的避免試樣加工不平整造成的應力波形彌散和慣性效應?；◢弾r樣與玄武巖樣的基本力學性質，如表1所示。更換不同直徑取芯機鉆具，采用相同方法在同一巖體上制備試驗所需的“巖彈”，如圖2所示。巖彈直徑為10 mm，不同長度對應巖彈質量如表2所示，控制巖彈質量誤差不大于0.1 g，避免質量誤差對試驗結果的影響。

圖1 Φ50 mm×25 mm 巖石巖樣Fig.1 Φ50 mm×25 mm rock sample

表1 花崗巖與玄武巖基本力學性質Tab.1 Basic mechanical properties of granite and basalt

圖2 巖彈Fig.2 Rock bullet

表2 不同質量巖彈對應長度Tab.2 Corresponding length for different masses rock bullet

1.2 試驗系統

1.2.1 SHPB試驗系統

SHPB試驗系統主要由高壓儲氣室、子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、信號采集系統組成，裝置如圖3所示。其中，入射桿長2.40 m、透射桿長1.20 m，均采用直徑為50 mm的40Cr合金鋼，密度為7 810 kg/m3，彈性模量為210 GPa，縱波傳播速度為5 190 m/s；子彈選用能實現半正弦波加載的“紡錘型”沖頭，長為0.36 m，與壓桿為同種材料做成；采集系統由超動態應變儀、示波記錄儀和計算機組成。SHPB裝置是通過在入射桿及透射桿中部粘貼超應變片，采集壓桿中入射應變、反射應變及透射應變的信號，進而利用一維彈性波理論計算試驗系統中的入射能量、反射能量、透射能量，并得出試樣吸收的能量。

圖3 SHPB試驗系統Fig.3 SHPB experimental system

1.2.2 巖彈沖擊試驗系統

自行研制的巖彈沖擊破巖試驗系統主要由壓縮空氣供給系統和巖彈沖擊系統組成，如圖4所示?？諝鈮嚎s裝置主要由空壓機(40 MPa，2 m3/min)、高壓儲罐和控制組件組成。巖彈沖擊系統由儲氣倉、活塞、電磁開關、巖彈沖擊腔、復位裝置和控制組件組成。在試驗前將巖石試樣垂直放置在沖擊試驗臺上，并將進行校準，使巖彈沖擊腔與巖石試樣中心處于同一直線處。壓縮空氣供給系統通過控制組件和監測系統將一定壓力的壓縮空氣儲存至巖彈沖擊系統中的儲氣倉。電磁開關處于常閉狀態，在儲氣過程中，通過活塞密封儲氣倉。當壓力達到指定壓力時，電磁開關開啟，壓縮空氣驅動活塞加速并加速巖彈，使巖彈具備高沖擊能量，對巖石進行沖擊破碎。同時活塞在復位裝置作用下，返回儲氣倉出口并觸發電磁閥關閉，密封儲氣倉。

圖4 巖彈沖擊破巖裝置Fig.4 Rock bullet impact rock breaking device

1.2.3 巖彈速度高速攝像測試系統

利用高速攝像機測量分析巖彈速度，計算其沖擊動能，如圖5所示為高速攝像機測量分析系統。所用高速攝像機型號為FASTCAM SA1.1，最大幀率為2×105fps，最大分辨率為2 560×1 600。本文試驗所用幀率為40 000 fps，分辨率為512×512。采用高速攝像處理系統，選擇分析區域，設置初始圖像，標定分析沖擊區域與幀率，依據圖像幀率和巖彈相對位移，計算巖彈速度和動能。

1.2.4 巖石破碎新增表面積三維掃描測試系統

三維掃描儀型號為OKIO-5M，該儀器采用藍光光柵掃描技術、多線陣列三維掃描方法，配合300萬～500萬像素工業相機，掃描實物直接生成三維立體圖和三維云點數據，并導入后處理軟件，對三維模型的形貌特征進行分析，其掃描精度為0.005 mm，平均點距為0.04 mm，設備如圖6所示。采用三維掃描儀對花崗巖試樣破碎后的形貌進行三維掃描和建模，采用Geomagic后處理軟件對巖石表面積分析，計算巖石破碎后的新增表面積。

圖5 高速攝像機測量分析系統Fig.5 High-speed camera measurement and analysis system

圖6 三維掃描儀Fig.6 3D scanner

1.3 試驗方案

1.3.1 SHPB試驗方案

試樣采用制備的Φ50 mm×25 mm花崗巖，進行SHPB沖擊花崗巖試驗時設置0.10 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa和0.25 MPa四個壓力水平，每組壓力水平下進行3次試驗，共進行12次試驗。

1.3.2 巖彈沖擊破巖試驗及三維掃描試驗

對不同質量巖彈、不同氣體壓力條件進行巖彈沖擊破巖試驗，并對破碎巖石試樣進行三維掃描，試驗方案如表3所示。

表3 巖彈沖擊試驗方案Tab.3 Rock bullet impact experimental scheme

2 巖石沖擊破壞吸收能理論模型

2.1 破壞吸收能

在SHPB試驗中，入射桿的入射能，一部分轉化為反射能；一部分以透射波的形式傳遞至透射桿中，若忽略桿間及桿-試件間的能量損失，剩余能量被試件吸收，主要用于試件新裂紋與新表面的生成。相關能量計算公式為

(1)

(2)

(3)

WL=WI-WR-WT

(4)

式中:WI，WR，WT和WL分別為入射能、反射能、透射能和巖石破壞吸收能;cB，AB，EB分別為壓桿波速、橫截面積、彈性模量；σI(t)，σR(t)，σT(t)分別為t時刻入射應力、反射應力、透射應力。

巖石破壞吸收能WL主要用于：產生新的斷裂表面和裂紋擴展破碎耗能WFD，碎塊彈射的動能WK和以各種形式耗散的其他能量WO，主要是熱能，輻射能，聲能等。破壞吸收能可以表示為

WL=WFD+WK+WO

(5)

Zhang等[24]的研究結果表明，碎塊動能WK隨著巖石破壞吸收能WL的增大而增大，但所占比例較少，且其他被耗散的能量WO可以忽略不計。

在進行SHPB試驗前在巖樣兩端涂抹凡士林，減小端面摩擦效應對試驗結果的影響；使用紡錘形沖頭，使加載波形為半正弦波，同時在入射桿端添加波整形器來濾掉波的高頻成分，降低應力波傳播過程中的波彌散效應，延長入射波上升沿，讓試件有充足的時間達到應力平衡；本文采用1 mm的黃銅片作為整形器。如圖7為0.25 MPa壓力SHPB試驗動態應力平衡驗證和原始波形圖。由圖7(b)可以看出，曲線入射波+反射波與透射波重合率較好，巖樣兩端實現了動態應力平衡。將原始應力、波速、截面積和彈性模量代入式(1)～式(4)計算入射能WI、反射能WR、透射能WT和巖石破壞吸收能WL，表4為SHPB試驗各壓力條件下入射能與吸收能，可以看出增大沖擊氣壓能夠有效提升沖擊過程中的入射能，同時花崗巖破壞吸收能也隨之增大。

圖7 動態應力平衡驗證Fig.7 Verification of dynamic stress equilibrium

表4 不同壓力條件下花崗巖破壞吸收能Tab.4 Absorbed energy of granite under different pressures

2.2 新增表面積

對四組SHPB試驗得到的巖樣進行三維掃描，掃描結果如圖8所示，分別為0.1 MPa，0.15 MPa，0.2 MPa和0.25 MPa的SHPB試驗后巖樣及三維掃描圖。將三維掃描圖及三維云點數據導入后處理軟件，測得SHPB試驗后新增表面積，如表5所示。由圖8和表5可以看出，隨著沖擊氣壓的增加，花崗巖巖樣破碎程度越高，碎塊尺寸越小，新增表面積越大。當沖擊氣壓為0.1 MPa時，應力波攜帶較低的能量進入巖石試樣用于內部裂紋的擴展、貫通，最終導致軸向劈裂拉伸破壞；進一步增加沖擊氣壓能夠有效提升入射波能量，致使巖石試樣吸收能增大，內部裂隙擴展貫通數目增多，碎塊尺寸減小，破碎程度提升。

圖8 不同壓力條件SHPB試驗巖樣及三維掃描圖Fig.8 Rock samples and 3D scans of SHPB experiments under different pressures

表5 不同氣壓SHPB試驗花崗巖新增表面積Tab.5 Added surface area of granite for SHPB experiment under different pressures

2.3 巖石破壞吸收能理論模型

脆性巖石在破壞過程中，破壞吸收能WL主要用于新表面的形成，為構建巖石破壞吸收能理論模型，研究巖石破壞吸收能與破碎新增表面積的定量關系，引入巖石比表面自由能γs[25]，即

WL=ΔA·γs

(6)

式中:ΔA為新增表面積，m2；γs為比表面能自由能，是指巖石每形成單位面積所需的能量，J/m2。

本文利用SHPB試驗和三維掃描儀測試試驗得到巖石破碎過程中的破壞吸收能WL以及破碎巖石新增表面積ΔA，結合式(6)計算花崗巖比表面自由能γs，構建花崗巖破壞吸收能理論模型。

如表6所示為四組不同氣壓SHPB試驗花崗巖破壞吸收能與新增表面積，當沖擊氣壓為0.1 MPa時，三次試驗的平均入射能為30.35 J，平均巖石破壞吸收能為11.15 J，平均新增表面積為2 266 mm2；當沖擊氣壓為0.15 MPa時，三次試驗的平均入射能分別為55.45 J，平均巖石破壞吸收能為23.23 J，平均新增表面積分別為3 613 mm2?？梢钥闯?，較大的入射能使巖石破壞吸收能增大，更多的能量用于微裂紋擴展。巖石內部微裂紋的不斷擴展、相互貫通，形成宏觀裂紋，造成巖石宏觀破壞，引起新表面的形成。巖石入射能增加，更多的能量被巖石吸收用于裂紋擴展形成新表面，導致巖石生成表面的能量增加，破碎程度更大。

表6 不同氣壓SHPB花崗巖破壞吸收能與新增表面積Tab.6 Absorbed energy and added surface area of granite for SHPB with different air pressures

由式(6)可知，破壞吸收能WL與新增表面積ΔA呈線性關系，根據試驗測試結果，對試驗數據進行擬合，如圖9所示。擬合結果表明，破壞吸收能和新增表面積呈較好的線性關系，且花崗巖比表面自由能γs為6.34 mJ/mm2?；◢弾r破壞吸收能的理論模型為

WL=0.006 34ΔA

(7)

圖9 吸收能與新增表面積關系Fig.9 Absorbed energy versus new surface area

3 巖彈沖擊破巖規律

3.1 巖彈速度測試

巖石的破壞伴隨著能量的釋放與耗散，為研究巖彈沖擊破巖過程中的能量演化，分析沖擊破巖規律，需對巖彈動能測算；而氣體壓力和巖彈質量是影響其動能的主要因素。因此根據實際工程條件，采用高速攝像機對相同靶距(20 cm)條件下，不同儲氣壓力和不同質量條件的巖彈速度進行測算，得到巖彈的沖擊動能，如圖10為高速攝像機拍攝的巖彈。

圖10 巖彈高速攝像圖像Fig.10 High-speed camera image of rock bullet

巖彈速度計算公式為

(8)

式中：v為巖彈速度，m/s；Δn為選定始末圖像的幀數差；ni為高速攝像機幀率；ΔL為選定兩圖像中巖彈的距離差。

測算結果表明，氣體壓力和巖彈質量對巖彈具有不同的加速效果。如表7所示，當巖彈質量為3 g時，提高氣體壓力能有效增大巖彈的速度和動能。而當氣體壓力為3 MPa時，巖彈動能隨質量的增加而增加，但速度卻出現降低，如表8所示。

表7 巖彈質量3 g時不同儲氣壓力對應的速度及動能Tab.7 Velocity and kinetic energy at different storage pressures for a rock bullet mass of 3 g

表8 3 MPa條件下不同巖彈質量對應的巖彈速度及動能Tab.8 Velocity and kinetic of rock bullet with different mass conditions under 3 MPa

3.2 氣體壓力對沖擊破巖規律的影響

巖彈質量為3 g時不同氣體壓力條件下巖彈沖擊破壞花崗巖試樣的試驗結果，如圖11所示。由圖11可以看出，隨著氣體壓力增加，巖石破碎后的新增表面積增大。如表9所示為新增表面積與氣體壓力的關系；當氣壓為2 MPa時，速度為146.3 m/s，巖彈動能為32.10 J，破碎后新增面積為1 135 mm2，根據式(7)可得巖石破壞吸收能為7.2 J。當氣壓為3 MPa時，速度為177.3 m/s，巖彈動能為47.15 J，破碎后新增面積為2 460 mm2，巖石吸收能為15.6 J。氣體壓力的增大可有效提高巖彈速度和沖擊動能，致使花崗巖試樣破壞吸收能與新增表面積增大，破壞效果提升。但隨氣體壓力增加，巖彈向巖石的傳遞能量效率降低。如圖12所示，當氣體壓力由3 MPa提升至4 MPa時，花崗巖破壞吸收能由15.6 J增加至23.1 J，增量為7.5 J；氣體壓力由4 MPa提高至5 MPa時，破壞吸收能增量為5.4 J。沖擊過程中，巖彈速度增大能夠提升其對花崗巖試樣的沖擊力，但巖彈所受反作用力也隨之增大。反作用力以應力波的形式在巖彈內傳播，使巖彈破碎程度提高，破碎巖屑動能增加。即巖彈破碎與彈射所耗散的能量隨其沖擊動能的增大而增加，使沖擊動能的轉化為吸收能的效率降低。但提高沖擊動能依然能夠提升破壞效果。

圖11 不同壓力巖彈沖擊破壞花崗巖效果Fig.11 Effect of rock bullet impacting to granite under different pressures

表9 不同壓力條件巖彈沖擊破巖參數表Tab.9 Parameters of rock bullet impacting under different pressures

圖12 不同氣壓下動能與破壞吸收能變化規律Fig.12 Variation of kinetic energy and absorbed energy under different pressures

3.3 巖彈質量對沖擊破巖規律的影響

氣體壓力為3 MPa時不同質量條件下巖彈沖擊破壞花崗巖試樣的試驗結果，如圖13所示。新增表面積和破壞吸收能結果如表10所示。隨著巖彈質量增加，花崗巖試樣在不同位置出現了斷裂破壞，且形成的碎塊隨巖彈質量增加，尺寸減小，數量增多?；◢弾r試樣的破壞特征主要決定于巖彈沖擊過程向試樣傳遞的能量及試樣的破壞閾值。巖彈質量較小時，其動能較低，傳遞的能量小于試樣破壞閾值，能量會以彈性應力波形式耗散。隨巖彈質量增加，巖彈動能增大，傳遞給花崗巖試樣的能量增加，當傳遞能量略高于試樣整體破壞的能量閾值，試樣沿軸向會出現整體的劈裂拉伸破壞；繼續增加巖彈質量，聚集在花崗巖試樣內部弱結構面處的能量增多，致使試樣不同位置出現斷裂破壞，且隨輸入能量的增加，碎塊尺寸減小，數量增多，破壞程度提高[26]。

圖13 不同質量巖彈破壞花崗巖效果Fig.13 Effect of granite destruction by different mass of rock bullet

表10 不同質量條件巖彈沖擊破巖參數表Tab.10 Rock bullet impacting parameters for different quality conditions

由動能定理可知

(9)

式中:Wk為巖彈動能，J；m為巖彈的質量，g；v為巖彈的速度，m/s。

由動量定理可知

(10)

式中:P為巖彈動量，kg·m/s；F為巖彈沖擊過程中產生的作用力，N。

聯立式(9)、式(10)得

(11)

由式(11)易得巖彈在沖擊過程中產生的作用力與巖彈質量m和動能Wk乘積成冪次方關系，與沖擊時間Δt成反比，而巖彈在沖擊過程中作用時間極短，Δt可近似相等。

不同質量條件巖彈動能與巖石試樣破壞吸收能變化規律如圖14所示，在3 g～11 g內，巖彈質量的增加能使其沖擊動能提升，因此巖彈質量m和動能Wk的乘積也隨之增大，致使沖擊過程產生的應力波幅值提高，更多的能量以應力波的形式在巖石中傳播且被花崗巖試樣吸收，破壞效果提升。巖彈質量由3 g增大到5 g時，沖擊動能由47.1 J增加到52.2 J，增量為5.1 J；巖彈質量由5 g增加到7 g時，其沖擊動能增量為3.9 J。巖彈質量增大能夠提升巖彈沖擊動能，但其沖擊動能增量逐漸減小。一味提高巖彈質量并不能使其沖擊動能持續提高，當巖彈質量的增加使其質量m與動能Wk的乘積達到臨界值時，繼續增加質量不會使花崗巖沖擊破壞效果提升。

圖14 不同質量條件速度與破壞吸收能變化規律Fig.14 Variation of velocity and absorbed energy for different mass

3.4 巖性對沖擊破巖規律的影響

采用相同的研究方法進行玄武巖巖彈沖擊破碎玄武巖試驗研究。圖15、圖16為不同氣體壓力和不同質量巖彈沖擊破壞玄武巖效果。玄武巖進行三維掃描得到新增表面積，如表11所示。當巖彈質量為3 g時，氣體壓力由3 MPa提高到4 MPa，破碎玄武巖新增表面積為由1 032 mm2增加到2 340 mm2，增量為1 308 mm2；沖擊氣壓由4 MPa增加到5 MPa，新增表面積增量792 mm2。和花崗巖巖彈沖擊破碎花崗巖規律一致，增大沖擊氣壓可有效提升破壞效果，同時玄武巖巖彈破碎和飛濺能耗增大，能量轉化效率降低。當沖擊壓力為3 MPa時，增加玄武巖巖彈質量同樣能夠使玄武巖破碎新增表面積增大，提升破碎效果。同時由于玄武巖的抗壓強度和抗拉強度高于花崗巖的抗拉強度，在相同的沖擊條件下玄武巖的新增表面積低于花崗巖的新增表面積。相較于花崗巖，玄武巖具有較高比表面自由能。因此，不同巖性的巖石比表面自由能不同，破壞吸收能理論模型具有相同的模式，氣體壓力、巖彈質量對不同巖性巖石沖擊破壞效果的影響基本一致。

圖15 不同壓力巖彈沖擊破壞玄武巖效果Fig.15 Effect of rock bullet impacting on basalt under different pressures

圖16 不同質量巖彈沖擊破壞玄武巖效果Fig.16 Effect of basalt destruction by different mass rock bullet

表11 不同沖擊條件下玄武巖新增表面積Tab.11 Added surface area of basalt under different impact conditions

4 結 論

針對硬巖掘進中鉆具磨損快、掘進效率低等關鍵問題，基于粒子沖擊破巖技術，提出利用巖彈沖擊破巖。采用SHPB試驗和三維掃描儀測試試驗得到了巖石破壞吸收能與新增表面積，計算了巖石比表面自由能，構建了巖石破壞吸收能計算理論模型；利用自行研制的巖彈沖擊破巖裝置進行試驗，驗證了巖彈沖擊破巖的可行性，并基于構建的巖石破壞吸收能計算理論模型，從沖擊能量演化角度分析了巖彈沖擊破巖規律及其影響因素。形成了以下主要結論：

(1)提出利用SHPB試驗和三維掃描儀測試得到巖石破壞吸收能與新增表面積來構建巖石破壞吸收能理論模型的方法，并得到試驗花崗巖試樣比表面自由能為6.34 mJ/mm2。不同巖性的巖石，可采用該方法計算比表面自由能，構建其破壞吸收能理論模型。

(2)提高氣體壓力可有效增大巖石破壞新增表面積，提升破壞效果，但沖擊動能轉化為吸收能的效率降低。巖石吸收能與巖彈質量與動能的乘積成冪次方關系，保持壓力不變，增加巖彈質量，可在一定范圍增大巖石破壞新增表面積。但一味的提高巖彈質量，導致沖擊動能降低，沖擊破碎效果并不能有效提升。

(3)不同巖性的巖石比表面自由能不同，但破壞吸收能理論模型具有相同的模式，且氣體壓力、巖彈質量對不同巖性巖石沖擊破壞效果的影響基本一致。