地下资源开采、国防工程、隧道开挖、水利水电工程等国家重大战略需求均需二维破裂岩石,所以岩石定向断裂是岩石力学领域的一个共性科学问题。定向破岩正是解决这个问题的关键共性技术。为此,研发了一种定向破岩新技术:单裂面瞬时胀裂器,它是一种利用非爆炸性新材料（以煤矸石和秸秆等固体废弃物为主要原料）来瞬间产生单一裂缝面的破岩技术,实现了废物绿色资源化利用,变废为宝。采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场试验的方法揭示了单裂面瞬时胀裂器定向破岩的裂缝扩展机理及其工程响应机制。取得了以下创新性成果:（1）单裂面瞬时胀裂器可变常规爆破的三维立体破裂为二维平面破裂,裂缝扩展呈“点线面”式演化,即“点式发力、线式起裂、面式成型”。基于有效应力原理建立了裂纹定向起裂判据。在静水压力状态下,起裂压力不随切缝角变化而变化;在非静水压力状态下,起裂压力随切缝角呈余弦函数变化。根据扁平椭球状气压裂纹空间形态,在地应力和单裂面瞬时胀裂器的气体压力双重作用下,建立了裂纹定向扩展判据。分析了在地应力场-气体压力场-骨架应力场多场耦合作用下裂纹尖端细观定向断裂机制,得到了骨架颗粒本体和骨架颗粒粒间细观断裂所需的孔隙气压力。（2）采用单孔和双联孔混凝土试样开展了多裂面碎裂切缝和单裂面定向切缝试验,并采用有机玻璃透明材料开展了单裂面切缝试验。通过高速摄像机捕捉裂缝动态演化过程,采用超动态信号测试仪揭示裂缝扩展过程中的应力分布规律,通过波速变化来定量表征切缝方向和非切缝方向的损伤度。单裂面瞬时胀裂器切缝时,切缝方向的应力变化分为四个阶段:未激发阶段,压应力阶段,拉应力阶段和稳定阶段;垂直切缝方向的应力变化有三个阶段:未激发阶段,压应力阶段和稳定阶段。单裂面瞬时胀裂器的破岩机理为:在切缝方向上形成拉应力集中,使非切缝方向受压,在高能气体作用下定向拉张成缝。单裂面瞬时胀裂器所产生的损伤呈现“中间高两边低”的特点,定向裂缝处及其附近的损伤值较大,其余处损伤值较小。（3）基于非均质性方程、应力场方程、细观单元损伤本构方程和孔内加载方程,采用多场耦合模拟软件COMSOL模拟了单孔单裂面切缝和单孔多裂面切缝,得到了聚能方向与非聚能方向上的应力、应变、位移、损伤变量等参数的变化规律。单孔单裂面瞬时胀裂器破岩时,切缝方向上的损伤是非切缝方向的7.92倍,切缝方向上的应力是非切缝方向的2.16-3.71倍,切缝方向上的位移是非切缝方向的1.56倍,切缝方向上的应变是非切缝方向的8倍。对比研究了双孔炸药常规爆破、炸药聚能爆破和单裂面瞬时胀裂器致裂岩石的裂缝发育规律及应力-应变-损伤规律。单裂面瞬时胀裂器破岩的损伤程度比聚能爆破和常规爆破都小,定向破岩效果最佳。双孔切缝时,裂缝从起裂到扩展过程中,孔间的拉应力叠加程度逐渐加强;裂缝贯通后,应力集中程度减弱。（4）针对切顶无煤柱自成巷,揭示了应力释放和应力补偿协同控制围岩变形机制。单裂面瞬时胀裂器的切缝率比炸药提高9-11%,威力大于炸药。单裂面瞬时胀裂器定向切断顶板后,垮落的矸石利用岩石的碎胀特性充填采空区,形成巷帮,控制上覆岩层移动。巷道上方的等效直接顶形成了“切顶短臂梁”结构,基本顶形成了“铰接岩梁”结构。与传统开采方法相比,瞬时胀裂切顶无煤柱开采可以显著降低矿山压力,使巷道处于低应力环境。切顶侧液压支架平均工作阻力比未切顶侧降低了32%。目前,单裂面瞬时胀裂器定向切顶技术已在7座矿井中成功应用,应用的顶板类型有:浅埋坚硬顶板、复合顶板和深部坚硬顶板。（5）在现场开展了炸药常规爆破、炸药聚能爆破和瞬时胀裂器三种方法掘进巷道的对比试验,与炸药常规爆破和聚能爆破相比,瞬时胀裂器具有显著优势,其超欠挖面积分别减少了64%、17%,顶板超欠挖深度最大值分别减少了74%、34%,巷帮超欠挖最大深度分别降低了62%、22%,周边眼半痕率分别增加了80%、9%。周边眼采用单裂面瞬时胀裂器使其产生的能量由自由发散性向定向性转变,可精准控制裂缝扩展方向,形成的轮廓面平顺光滑。瞬时胀裂器掘进巷道时,平均损伤深度为1.7 m,比炸药聚能爆破损伤范围减小11%,比炸药常规爆破损伤范围减少26%。因此,瞬时胀裂器掘巷可减小围岩的损伤扰动范围,提高巷道的稳定性。该论文有图176幅,表36个,参考文献275篇。