矿产资源作为现代工业体系的物质基础，其高效开发利用对支撑全球工业化进程具有战略意义。随着高品位、易处理矿产资源日益减少，全球矿产资源正呈现“三化”特征：矿石品位贫化、矿物嵌布粒度细粒化、矿物共生关系复杂化。在此背景下，传统碎磨工艺暴露出显著技术瓶颈——能耗占比高达选矿总能耗的60%～70%，这主要源于其物理作用机制的固有缺陷：通过机械挤压、冲击破碎和研磨解离等方式实现矿石粒度减小，使大部分能量消耗于驱动设备和钢球运动，而真正作用于矿石解离的能量较少，这种无差别粉碎难以避免造成矿石的过度粉碎，对选矿回收效果产生负面影响。
可控冲击波技术作为矿石预处理的新方法，能精确破碎矿石，充分且选择性地使有用矿物与脉石矿物沿解理面解离，既减少了无价值粉碎，又减少了有用矿物的过粉碎，为选矿领域低能耗、高效率、低成本、复杂嵌布矿石分选带来新希望。可控冲击波技术在选矿领域展现出显著的技术优势和应用潜力，其通过高压电脉冲在矿石内部形成等离子体通道，优先沿有用矿物与脉石矿物的晶界扩展，实现选择性沿晶破碎，并相对精准地控制矿物破碎粒度，增强矿物解离效果，有效减少传统碎磨流程中的过粉碎、过磨现象；同时，水间隙爆破或金属丝爆炸均为微秒级超短时爆破模式，水介质中冲击波通过空化效应增强破碎效果，亦可有效规避传统炸药爆破带来的粉尘污染、有毒气体释放及飞石风险。
本文在介绍可控冲击波技术基本原理的基础上，探讨了其在提高矿石破碎效率、促进解离、降低能耗、减少环境污染等方面的优势，以便让矿业界相关科技工作者全面了解该技术，从而促进该技术的发展。
20世纪50年代，学术界研究高压电脉冲技术在矿石预处理中的应用，发现其能通过高压放电产生等离子体通道沿矿物界面扩展，提升矿物单体解离度，进而增加金属回收率和精矿品位。昆士兰大学的JK 矿物研究中心在高压电脉冲技术预处理矿石方面取得显著成果。施逢年教授在总结过去10年的研究进展中指出，高压电脉冲预处理技术改善矿石可碎性，降低加工成本，减少磨矿能耗，使产品粒度更细，进而提升矿石利用率和经济效益。研究表明，高压电脉冲技术利用矿石电学性质差异，形成放电通道，破碎和解离矿石，在此影响下，颗粒中的导电或介电金属矿物会改变电场分布。
艾芬豪矿业旗下的I-PULSE公司投资7600万美元致力于脉冲功率技术在矿业的应用研究，其子公司I-ROX专注于短时高强度电脉冲高效破碎岩石。该技术针对岩石抗拉弱点，可显著降低采矿作业时间、能源消耗及温室气体排放。此外，智利Escondida矿的技术人员正在研究将该技术应用于铜硫化物矿石的破碎，以改善矿石解离效果。
我国在高功率脉冲技术基础上开发的特种电气设备，在能源、矿业、环保等领域展现出广阔的应用前景，国内的众多高校和研究院都对高功率脉冲技术展开了深入研究。福州大学紫金地质与矿业学院研究了矿石高压电脉冲预处理技术；昆明理工大学和中国地质大学均对基于Selfrag高压脉冲矿石破碎机的矿石破碎技术进行了研究。其中，西安交通大学邱爱慈院士领导的团队研发的可控冲击波技术，处于世界领先地位，在国家科技攻关计划支持下，开发了利用放电等离子体驱动含能材料产生高强度冲击波的技术，并创造了井下特种高功率脉冲源及能量转换系统。
目前国内外对电脉冲功率破碎技术进行的试验结果均表明，该技术在实验室和小规模试验中表现出色，但在大规模工业应用中仍需进一步探索。未来有望将脉冲功率破碎技术与现有的破碎工艺相结合，形成复合型破磨工艺，改进现有的纯机械破碎、磨矿工艺，以实现最佳的破碎效果。
冲击波属于机械波的一种特殊形式，其区别于常规波的核心特征在于介质物理参数的阶跃式突变。当冲击波在固体或流体介质中传播时，会在纳秒至微秒量级的时间尺度内引发压力、温度、密度等参数的陡峭不连续界面（即冲击波阵面），冲击波对介质产生的瞬时功率密度极高，可在短时间内对介质造成剧烈压缩和损坏，导致矿石的晶格结构发生剪切破坏。
可控冲击波技术其“可控性”在于通过精确控制冲击波的能量、频率和作用时间等参数，实现对矿石破碎过程的精准调控，从而达到提高破碎效率、降低能耗和减少环境污染的目的。可控冲击波技术可灵活调控脉冲功率驱动源及负载参数，其冲击波的幅度、冲量以及作业区域均可进行有效管理。通过逐步累积电能，并借助高速开关的切换操作，可实现脉冲的压缩与功率的放大，即能够以单次或连续的短时高强度脉冲形式，迅速将等离子体产生的能量传递至负载。
脉冲功率驱动源是一个标准的RLC充、放电回路，如图1所示，高压电源的控制兼顾整个脉冲功率驱动源的控制。脉冲功率驱动源在调节电能释放时，金属丝会经历一系列复杂的变化过程，主要包括固态加热阶段—熔化阶段—汽化阶段—等离子体形成与膨胀阶段—熄灭阶段。具体而言，脉冲功率驱动源调节电能释放，金属丝先熔化蒸发，后呈现非线性磁流体力学性态。伴随着电离辐射，金属丝从固态、液态、气态最终转变为等离子体态，形成了低密度、高温度的等离子体包围低温度、稠密丝核的核冕结构，随着等离子体的快速膨胀，电流迅速从丝核转移到等离子体通道内，使能量沉积随后形成冲击波作用于矿石，其破碎程度受电脉冲能量和矿物结构影响。利用爆炸产生的等离子体流束，作用于具有不同介电常数和电导率的矿物界面，引起能量沉积，实现不同矿石的破碎与解离。
高压电脉冲技术通过绝缘液体（如纯净水）作为能量传递介质，利用电能转化为冲击波机械能，实现对矿石或煤层的破碎/致裂。可控冲击波是在高压电脉冲基础上发展的改进技术，目前高压电脉冲破碎技术可分为直接对矿石放电破碎和在水下形成冲击波破碎，而水中产生可控冲击波的模式主要分为金属丝爆炸和液电效应等。液电效应以水为放电载体，通过电极间隙击穿水介质形成等离子体膨胀，引发水蒸气膨胀产生冲击波；金属丝爆炸是指短时间内高密度电流聚集使金属丝熔化、气化和爆炸，以等离子体通道膨胀和冲击波叠加来增强能量。液电效应虽操作简单、可重复使用、压力可控，但金属丝爆炸在能量利用率、抗拉伸、易成型及模拟炸药爆炸和参数调整方面更具优势。
可控冲击波破碎通过液电效应或电极放电产生瞬时冲击波，形成拉伸应力场，诱导矿石内部微裂纹扩展，以机械波（压缩波、拉伸波）形式传递能量，需精准控制放电位置以优化能量聚焦。相比之下，直接对矿石放电的核心是利用介电常数差异，在不同介电常数的矿物边界处积聚电荷，引发等离子体通道膨胀，在内部通道达到一定程度后发生爆炸而产生冲击波，通过热应力膨胀和电化学作用破坏矿石结构，选择性破碎含金属矿石颗粒，促进金属矿物解离。因波源在矿石内部，故波长较短，破碎作用力集中，所需能量水平较低，作用面窄，导致矿石从内部解离。而可控冲击波是金属丝在水中爆炸产生冲击波后作用于矿石，所需能量更高，因波源在矿石外部，故波长可反射、折射作用在更多矿石上。
两种技术在实际的矿石破碎应用中存在显著差异。目前直接对矿石放电破碎的高压电脉冲破碎技术应用具有一定困难，该技术需要较高的放电电压，且高压脉冲放电破碎设备的电极与矿石间距较小，设备质量与稳定性要求高，限制了大规模矿石处理，该技术受限于单一放电通道，每次操作只能针对特定裂隙放电，主要表现为点状或线状。相对而言，可控冲击波技术可通过较低强度、多次、多点均衡作业，实现对作业位置和作业强度的精准控制。可控冲击波均匀作用于矿石内部和表面的含矿裂隙，实现精确处理矿石中的裂隙，能量可沉积在密度不连续的介质，对不含矿的脉石影响小，使含矿岩石达到预弱化，便于磨矿且不产生过粉碎，有助于提高后续选矿的回收率。
矿石破碎机理的研究是选矿过程的重要环节，它直接影响着选矿的生产效率和加工质量。传统机械破碎机理主要包括挤压、剪切和剥磨等方式，这种破碎方式需克服矿石的抗压强度，能耗较高且易导致设备磨损。相比之下，可控冲击波技术通过产生高频拉伸应力波，使矿石内部产生微裂纹并扩展，对矿石产生了拉伸力，由于矿石的抗拉伸力通常远小于抗压强度，所以降低破碎能耗。
可控冲击波技术其作用机理涉及破裂、撕裂以及弹性声波扰动等多种方式。其利用矿石抗拉伸力低的特性，瞬态冲击使矿石解理面和薄弱处优先形成裂纹扩展，应用时可以机械破碎与冲击波破碎协同作用，形成一种复合型破碎方式。苏士龙等揭示了可控冲击波在煤层中可形成冲击波带、压缩波带和高弹性波带，这些波带分别通过破裂煤层形成裂缝、以剪切和拉张的方式形成缝网、剥离煤粉以疏通渗流通道，剪切拉伸力能够使矿石内部应力场发生变化，这一机制在矿石中同样适用。冲击波作用时在矿石内部产生大量的微裂纹，这些微裂纹有助于降低矿石的抗压强度，提高破碎效率，当冲击波压力超过矿石硬度阈值时，沿矿物交界面或缺陷优先破裂。叶海旺等研究石墨矿石动力学特性时，利用高速摄影和电子扫描技术，发现冲击荷载下石墨鳞片破坏程度受压力大小和方向影响，拉伸破坏可降低内部断裂。应力波作用下，矿物晶粒易沿晶断裂，裂纹沿层理弱面扩展，形成沿冲击荷载方向的拉伸劈裂。
可控冲击波破碎技术具备选择性破碎的特性，关键在于它能够沿着矿物的交界面进行破碎，当冲击波作用于矿石时，通过等离子通道膨胀产生的拉伸应力突破矿石抗拉强度极限，实现选择性破碎，其传播速度和能量密度决定破碎效果。冲击波在破碎过程中以非线性传播、反射和衍射形式迅速传播，随后能量逐步衰减，这与矿石微观结构密切相关。当施加外力时，矿物更容易沿其解理面破碎，这使得解理方向成为破碎的薄弱点，且优先破碎解理较强的矿物。
可控冲击波技术通过提升矿石单体解离度和形成矿物界面微裂纹，促进矿石解离度的提升，进而提高了选矿过程中的回收率。冲击波作用下矿石内部会产生复杂的微观应力场，这种应力分布与矿物内部的微观结构特征紧密相关，例如矿物的晶格类型、位错、夹杂物和孔洞等。矿物解理面的优先破碎不仅依赖宏观应力场，更与微观晶面断裂能密切相关。在矿石破碎过程中，矿物晶体的断裂机制、晶面的暴露以及晶体的各向异性等因素都会影响破碎效率和破碎产物的特性。何建勇等提出晶面断裂键能密度概念，用于评估矿物晶体解理和断裂难易及晶面反应性，该方法基于初始最大断裂能，能有效预测晶面断裂优先级。矿物受外力时，不同晶面断裂能差异导致断裂行为特性不同。陈海俊等通过数值模拟证明可控冲击波可优化硬岩预裂过程，减少综采工作面阻力。
冲击波通过界面能量沉积，使有用矿物与脉石在破碎过程中产生差异性解离（如粗粒废石易碎、细粒有用矿物抗冲击强）。不同矿物解理面能量差异导致破碎选择性不同，从而实现粗粒废石优先破碎与有用矿物富集。
左蔚然等在研究高压电脉冲破碎含铜多金属矿石时，通过调节冲击波脉冲参数，选择性破坏黄铜矿与石英之间的界面结合，高压电脉冲处理后，铜 品位随粒度减小显著富集（69.2%的Cu富集到-13.2mm粒级）。试验表明，这种破碎模式能有效提升最终浮选产品的指标，精矿铜回收率为60.29%，比机械破碎产品浮选精矿铜回收率（57.96%）高2.33个百分点。由此可知，通过高压脉冲诱导矿物选择性破碎，可实现有用矿物富集。
可控冲击波对不含矿物的矿石作用小、破碎度低，通过可控冲击波技术可优化矿物颗粒的界面解离与有用组分的富集效率，破碎过筛后可抛除部分含矿量低的矿石粗粒，可减少碎磨矿石的处理量，提高富集效率，降低能耗。
可控冲击波通过能量聚集于金属矿物与脉石界面，沿晶界扩展微裂纹，实现矿物解离，其作用机制在煤层、页岩和矿石中具有普适性，但需针对矿石特性优化参数。
冲击波能量优先作用于低抗拉强度界面（如金属矿物与脉石晶界），形成初始裂纹，重复冲击波加载下，导致裂纹扩展、裂纹密度提升。冲击波以破裂、撕裂、剪切等模式作用于煤层，形成多方向裂隙，张永民等研究发现可控冲击波技术进入煤层后，以单点重复作业形式向煤层作用柱面冲击波，以疲劳破坏形式致裂煤层，产生多方向的多条裂隙，增加煤层气的渗透通道，煤矿井下作业裂纹延伸示意图如图2 所示。冲击波重复加载导致能量积累，裂纹扩展速率随脉冲数增加呈指数增长，苏士龙研究证实冲击波技术能破坏煤层结构，促进裂隙连通，形成渗透网络，大幅提高煤层渗透性。
上述众多煤层与页岩研究证实冲击波重复加载能有效扩展裂隙，为矿石破碎提供了裂隙扩展机制参考，但需针对矿石硬度与矿物嵌布特性优化参数。如硬质矿石需提高峰值压力和脉冲数以突破抗拉强度极限；而软质矿石则可通过低频冲击实现选择性破碎。可控冲击波技术通过相似的裂隙扩展机制致裂矿石可产生裂纹，使原本孤立的孔隙和裂隙相互连通，形成裂隙网络，水在裂隙中通过毛细作用填充微小孔隙，并借助不可压缩性对裂隙施加持续静压力，抑制裂隙闭合，增强矿石破碎效果。页岩压裂和煤层中的裂缝扩展机制在一定程度上可以为矿石破碎提供参考，尤其是在诱导裂纹和微裂纹扩展方面。然而，矿石破碎仍需特别考虑矿石硬度与矿物嵌布特性等差异，需进一步研究冲击波能量、频率和作用次数对裂纹扩展的具体影响，以优化技术参数。
传统碎磨工艺能耗占比高达60%～70%，因此研究者更关注矿石颗粒的预弱化效果而非微米级破碎。可控冲击波技术通过沿矿物交界面扩展裂纹网络，显著提升矿石孔隙度，从而降低后续磨矿能耗。可控冲击波技术通过优化矿石内部结构（如孔隙网络和裂纹扩展），显著改善破碎产物的粒度分布，减少过粉碎现象，提升选别效率，降低后续磨矿能耗。
冲击波利用金属矿物与非金属矿物密度差异界面的能量聚集效应，沿矿物界面（如硫化物与脉石晶界）优先扩展裂纹，引导金属矿物颗粒选择性破碎，减少过粉碎，达成按品质分级的效果。可控冲击波技术可调整能量以适应不同硬度矿石，避免过度粉碎，减少细泥生成，实现均匀粒度分布，降低能耗。
传统机械破碎易导致金属与脉石连生体过粉碎，而冲击波通过界面能量聚焦减少连生体，与传统机械破碎相比，可控冲击波技术显著增加产物中细粒级（如-0.074mm）占比，为后续分选提供有利条件。MA等通过对锡多金属矿石施加可控冲击波技术进行预处理，发现处理后的矿石其抗压强度显著降低，降幅达到91.23%，孔隙度相较于未处理矿石提升了5.38%，破碎产物平均粒径相较于未处理矿石降低了17.98%，磨矿时间缩短了25%，破碎矿石的能耗亦减少了20%。证明可控冲击波对粒度分布具有优化潜力，表明可控冲击波预处理技术可有效实现矿石预弱化目标。
因此，可控冲击波技术破碎，能够有效降低矿石破碎阻力，优化破碎产物粒度特性，尤其适用于品位下降、硬度增加的复杂矿石。其绿色选矿特性（如减少细泥生成）和低能耗优势符合行业发展趋势。
可控冲击波技术在矿石破碎、选别效率和矿石解离度方面存在显著优势。可控冲击波通过裂纹扩展和选择性破碎机制，有效提升矿物解离度。在相同的破碎条件下，可控冲击波更倾向于破碎金属含量较高的矿石颗粒，可有效提高破碎效率，实现矿石中有价值成分的富集。可控冲击波以球面波延伸作用于矿石沿矿物界面扩展微裂纹，形成平整解理面与贯穿裂纹，有效提高了矿物解离度。
上述解离度提升效果在不同矿石中均得到验证，其核心机制在于冲击波对矿物界面的精准作用。左蔚然等在研究多宝山铜矿时发现电脉冲破碎在所有粒级均对黄铜矿的解离有促进作用；其中，对于0.3～0.15mm粒级，高压电脉冲破碎产品的黄铜矿解离度比机械破碎产品提高了21.89%。曹云霄在研究低品位菱镁矿脉冲破碎时，利用液电效应与电破碎综合作用破碎菱镁矿，故其放电通道同时存在菱镁矿本身和水介质中；工艺矿物学研究表明，菱镁矿与脉石矿物有效解离的粒度范围为0～600μm，观测破碎颗粒形貌，发现颗粒表面产生了平整解理面、不规则断裂口，破碎裂纹沿边界产生并延伸，且其破碎方式存在解离破碎、混合破碎和贯穿破碎三种模式，而贯穿破碎模式占比越高，裂纹网络连通性越强，解离度提升越显著。与菱镁矿类似，锡多金属矿石破碎也表现出明显的界面优先破碎特性，研究结果表明，可控冲击波预处理能够显著提高矿物的可选粒级产率、金属的浮选回收率和重选作业的效率，锡金属单体解离度提升12%～15%，浮选回收率提高8%～10%。
因此，可控冲击波技术通过精准作用于矿物界面、优化裂纹扩展模式，显著提升矿物解离度，为复杂矿石的高效分选提供新路径。
可控冲击波技术应用于选矿是一项具有重大意义的新技术，在形成新质生产力、优化矿石内部结构以及促进矿石解离等方面展现出显著优势，且各方面相互关联、层层递进。从长远来看，可控冲击波技术在选矿行业具有广阔的应用前景。随着技术的不断发展和完善，其成本有望逐渐降低，应用范围也将不断扩大，为选矿行业的可持续发展提供有力支撑。
1）可控冲击波技术通过精确控制能量释放，选择性作用于矿石中的目标矿物，有效降低碎磨和选矿成本，提高选矿效率。它优化了矿石的孔隙结构和裂纹扩展，改善了破碎产物的粒度分布，减少了过粉碎，优先破碎高金属含量颗粒，提升了破碎效率和矿物回收率。此外，该技术通过增强矿物解离度和微裂纹形成，实现了矿物与脉石的差异性解离，利用矿物解理面的能量差异，优先破碎废石并富集有用矿物，为提高选矿回收率创造了有利条件。
2）应用可控冲击波技术于矿石处理领域，将有效应对矿石品位降低、有用矿物粒度细化、矿石硬度增加等挑战。该技术有助于降低破碎磨矿过程中的能耗，并提升矿物加工指标。通过减少矿石的过度粉碎现象，实现目标矿物与脉石矿物的有效分离，从而提高产品品质和选矿效率，增加矿山的经济收益。此外，该技术与当前“双碳”目标下的绿色选矿需求高度一致，通过与现有的破碎磨矿流程相结合，形成复合型破磨工艺，改进现有的纯机械破碎、磨矿工艺，减少矿业生产对环境的影响，有望实现资源利用效率和经济效益的双重提升。
3）未来有望发展智能化可控冲击波碎矿动态调控系统，通过多模态传感器（XRT与声发射）结合AI算法，实现冲击波参数与矿石特性的实时匹配，达到提高破碎矿物单体解离度；同时可推动材料学、人工智能与地质工程等跨学科联合研发自适应型冲击波装备。建立全球矿石冲击波响应数据库，涵盖硬度、嵌布特征及解离能阈值等关键参数，针对硫化矿、氧化矿等不同种类矿物匹配适宜冲击波破碎模式。
（文中引用大量重要文献，受篇幅限制予以省略，详情请查阅原文）
