与传统的钻孔和爆破方法相比，机械化挖掘在岩石破碎方面具有显著优势，包括连续作业、减少对周围岩石的破坏、降低振动以及消除有毒气体。
1,2然而，机械挖掘机的效率受到岩石质量、强度和磨蚀性的强烈影响，尤其是对于小型、灵活的机械设备（如掘进机和液压冲击锤）而言。
3掘进机通常在单轴抗压强度（UCS）高达120 MPa的坚硬岩石中效果较好，
4而当岩石的UCS超过70 MPa时，冲击锤的效率会显著下降。
5为了提高机械挖掘机在坚硬岩石中的性能，人们开始研究微波辅助的机械岩石破碎技术，即在机械挖掘前通过微波辐照对岩石进行预破裂或处理。6, 7, 8 Hassani等人6证明，增加微波功率和辐照时间可以显著提高表面温度并显著降低岩石强度。后续的研究探索了微波辅助的隧道掘进机（TBM）、9, 10, 11, 12, 13掘进机14, 15,1617以及冲击锤1617的应用。这些研究一致表明，微波诱导的裂纹可以减少机械挖掘所需的切割力和能量消耗。例如，Lu等人9对玄武岩块（25 × 25 × 7 cm3）进行了单点微波辐照（3–7千瓦，持续20–60秒），然后进行了TBM圆盘切割测试，结果显示工具磨损、推力、扭矩和能量消耗都有显著降低。Hartlieb等人2使用24千瓦的微波系统以棋盘图案对花岗岩块（50 × 50 × 30 cm3）进行辐照，随后进行了圆锥形镐切割测试，切割力减少了10–30%。Ma等人17在使用液压锤之前，用汇聚波导天线对50立方厘米的闪长岩进行了处理，发现4千瓦的功率和1分钟的辐照时间是最优的——这使能耗降低了24%以上，破碎时间缩短到了几秒。这些结果证实了微波辅助机械岩石破碎的技术可行性。
这种混合方法的性能在很大程度上取决于微波诱导的宏观裂纹的范围和几何形状。2裂纹的数量、长度和深度受多种因素影响，包括岩石性质7,18, 19, 20、微波参数6,21, 22, 23、围压24,25以及试样尺寸26,27。试样尺寸尤为重要：在小型试样中，裂纹可以容易地延伸到边界并深入内部；而在大型试样中（或者当辐照点远离边界时），裂纹的长度和深度会受到限制。26,27在这种情况下，裂纹可能仅停留在表面附近，对后续的机械破碎作用有限。16,28这表明一些先前使用高输入能量或小型试样的研究可能高估了微波预处理的实际效果，因为在这些条件下裂纹可以完全穿透试样并促进破碎。2,10,17然而，在实际的采矿或隧道施工中，尽管存在节理，岩石通常在大范围内是连续的29,30，这可能会大大降低微波预处理的效果。
为了解决这一限制，我们提出了一种新的微波辅助的实验室挖掘方法（图1）。在这种方法中，在微波辐照之前，通过钻孔或其他方式在隧道面上创建第二个自由表面。这使得裂纹能够在深度方向上充分发展，从而更容易被掘进机或冲击锤破碎。实施这种方法需要明确了解辐照点与第二个自由表面之间的距离对裂纹产生和扩展的影响。
除了对岩石微波诱导断裂的实验研究外，还包括有限元方法（FEM）8,31,32、离散元方法（DEM）33, 34, 35和有限差分方法（FDM）36, 37, 38等数值方法也被广泛用于研究微波诱导的岩石断裂。然而，由于微波与岩石的相互作用涉及电磁、热、机械和损伤过程的耦合，单一方法（如仅使用FEM）难以再现真实的裂纹分布模式。Rui等人11提出了一种弱耦合的COMSOL–4D晶格弹簧模型（4D-LSM）方法，其中电磁场和热场在COMSOL中求解，而温度驱动的裂纹扩展在晶格弹簧模型中模拟。这种解耦方法比整体模拟方法更能真实地再现微波辅助断裂的过程，Nie等人39已经验证了其有效性。
本研究的目的是通过结合实验和数值方法来研究自由表面距离对微波诱导裂纹的影响。首先，使用优化的介电加载汇聚波导天线（DLCWA）对不同自由表面距离的大规模辉长岩试样进行了微波辐照实验，记录了辐照面和自由表面的裂纹特征（包括数量、长度和方向）。然后，使用经过验证的COMSOL–4D-LSM模型分析了裂纹的产生和扩展机制，并确定了裂纹到达自由表面所需的临界微波能量。最后，分析了关键岩石物理和力学参数对微波诱导裂纹特征的影响。
