郑永香团队：二氧化碳相变爆破作用下含节理岩体的裂纹扩展数值模拟

全文要点：

1. 天然铀是重要核电燃料、战略性矿产和能源资源，我国主要采用地浸采铀法，提升储层渗透性是关键。

2. 液态CO₂相变致裂法较传统爆破增渗，具有操作简单、爆破威力大、无污染的优点。

3. 石家庄铁道大学郑永香团队针对含节理地层中该致裂效果，对比不同致裂器对节理岩体的穿透性，分析裂纹扩展规律，为现场实践提供理论基础。

4. 试验采用新型CO₂相变致裂器（液态CO₂相变爆破），较传统致裂器倾向于均匀提升围岩渗透性，爆破当量258.56gTNT。

5. 裂纹扩展模拟采用二维数值模拟，引入MAT_ADD_EROSION失效条件，展现裂纹形成、扩展至贯通过程，增加模型可靠性。

6. 节理与爆破点间距增加，对爆破裂纹阻隔效果越明显，长度有限节理比无限节理阻隔更大。

7. 新型致裂器裂纹扩展效果优于常规，泄气孔加弹头起导向作用，近距离提升更明显；无充填节理比有充填阻隔应力波更显著，弹头致裂器增透效果最好。

8. 弹头致裂器有效应力最高，穿透和导向好但裂纹少，三维中泄气孔交错可避免裂纹单一；新型致裂器在充填节理中效果优于常规。

9. 无充填节理中，弹头致裂器穿透效果最好，常规与新型致裂器受节理界面反射影响，裂纹扩展受限明显。

10. 未来需攻关致裂器与地层特征的匹配性和可操作性。

天然铀是重要的核电燃料，是战略性矿产资源和能源资源。目前我国主要开采方法是地浸采铀法，提升储层渗透性是提高地浸采铀效果的关键。相较于传统爆破增渗，液态CO相变致裂法具有操作简单、爆破威力大、无污染的优点。石家庄铁道大学郑永香团队针对含节理地层中液态CO相变致裂效果这一问题，对比不同致裂器条件下对节理岩体的穿透性，分析裂纹扩展规律，为柱状爆破致裂器的现场实践提供理论基础。

新型CO相变致裂器爆破试验

本次试验装置采用研发的新型CO相变致裂器，通过灌装液态CO连接发热装置产生相变爆破。对比传统CO致裂器，新型致裂器倾向于均匀提升四周围岩的渗透性，在新型CO相变致裂器表面设置压电式压力传感器，通过DASP软件记录压力曲线。经推算，该型号致裂器爆破当量为258.56 gTNT炸药。

图1 新型致裂器设备

图2 二氧化碳相变爆破压力曲线

裂纹扩展分析

根据弹性力学平面应变问题将砂岩模型数值模拟转化为二维数值模拟。在数值计算中引入*MAT_ADD_EROSION失效条件，通过定义失效拉、压应力，对岩石裂纹扩展进行模拟，展现了裂隙区内裂纹形成、扩展至贯通的全过程，反映岩体的几何非线性特性，模拟材料的结构性破坏阶段，增加了模型的直观性和可靠性。

爆破压力分析

进行同等条件下的不同致裂器的致裂爆破模拟。在相同参考点下，弹头致裂器爆破对参考点的有效应力最高，说明弹头致裂器对节理具有更好的穿透效果和对裂纹的稳定导向，但爆破萌生裂纹较少，爆破后应力相对集中。为避免裂纹方向单一、网络简单这一现象，在实际三维中致裂器泄气孔上下层采用交错式，贯穿多层次裂纹，来避免这种现象。而工况二的新型致裂器爆破较常规致裂器爆破在充填节理中致裂效果相对良好。相对于充填节理，无充填节理下传播到裂纹与节理交界处的平均有效应力显然降低。改良下的弹头致裂器爆破在3种工况中最为明显，随着参考点爆心距的增加，有效应力的下降相对缓慢，对无充填节理的穿透效果最好，而其他2种工况在无充填节理中的穿透效果相对一般。

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李嘉伟, 郑永香, 王伟, 等. 二氧化碳相变爆破作用下含节理岩体的裂纹扩展数值模拟[J]. 金属矿山, 2025(4): 154-163.

作者简介

郑永香

工学博士，副教授，硕士生导师。毕业于西南石油大学地质资源与地质工程专业，兼任河北省岩石力学与工程学会副秘书长，中国岩石力学与工程学会低碳能源岩石力学与工程专委会委员，《Rock Mechanics Bulletin》、《金属矿山》青年编委。主研方向为岩石力学和渗流力学，主要学术兴趣有爆破增渗技术、储层改造技术、地热开发和隧道工程。主持河北省教育厅青年拔尖项目1项、河北省自然科学基金1项，参与国家重大专项4项、河北省自然科学基金创新群体项目1项，作为技术骨干参与大庆油田、塔里木油田、延长油田和中石油勘探开发研究院等横向项目5项。发表SCI/EI论文20余篇，授权及申请国家专利10余项，参编教材2部，获中国石油和化工自动化应用协会科技进步二等奖1项。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：余思晨

审核：王小兵

利用提供参考依据。

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