全文要點(diǎn)：

1. 天然鈾是重要核電燃料、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)和能源資源，我國(guó)主要采用地浸采鈾法，提升儲(chǔ)層滲透性是關(guān)鍵。

2. 液態(tài)CO?相變致裂法較傳統(tǒng)爆破增滲，具有操作簡(jiǎn)單、爆破威力大、無污染的優(yōu)點(diǎn)。

3. 石家莊鐵道大學(xué)鄭永香團(tuán)隊(duì)針對(duì)含節(jié)理地層中該致裂效果，對(duì)比不同致裂器對(duì)節(jié)理巖體的穿透性，分析裂紋擴(kuò)展規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

4. 試驗(yàn)采用新型CO?相變致裂器（液態(tài)CO?相變爆破），較傳統(tǒng)致裂器傾向于均勻提升圍巖滲透性，爆破當(dāng)量258.56gTNT。

5. 裂紋擴(kuò)展模擬采用二維數(shù)值模擬，引入MAT_ADD_EROSION失效條件，展現(xiàn)裂紋形成、擴(kuò)展至貫通過程，增加模型可靠性。

6. 節(jié)理與爆破點(diǎn)間距增加，對(duì)爆破裂紋阻隔效果越明顯，長(zhǎng)度有限節(jié)理比無限節(jié)理阻隔更大。

7. 新型致裂器裂紋擴(kuò)展效果優(yōu)于常規(guī)，泄氣孔加彈頭起導(dǎo)向作用，近距離提升更明顯；無充填節(jié)理比有充填阻隔應(yīng)力波更顯著，彈頭致裂器增透效果最好。

8. 彈頭致裂器有效應(yīng)力最高，穿透和導(dǎo)向好但裂紋少，三維中泄氣孔交錯(cuò)可避免裂紋單一；新型致裂器在充填節(jié)理中效果優(yōu)于常規(guī)。

9. 無充填節(jié)理中，彈頭致裂器穿透效果最好，常規(guī)與新型致裂器受節(jié)理界面反射影響，裂紋擴(kuò)展受限明顯。

10. 未來需攻關(guān)致裂器與地層特征的匹配性和可操作性。

天然鈾是重要的核電燃料，是戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源和能源資源。目前我國(guó)主要開采方法是地浸采鈾法，提升儲(chǔ)層滲透性是提高地浸采鈾效果的關(guān)鍵。相較于傳統(tǒng)爆破增滲，液態(tài)CO相變致裂法具有操作簡(jiǎn)單、爆破威力大、無污染的優(yōu)點(diǎn)。石家莊鐵道大學(xué)鄭永香團(tuán)隊(duì)針對(duì)含節(jié)理地層中液態(tài)CO相變致裂效果這一問題，對(duì)比不同致裂器條件下對(duì)節(jié)理巖體的穿透性，分析裂紋擴(kuò)展規(guī)律，為柱狀爆破致裂器的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

新型CO相變致裂器爆破試驗(yàn)

本次試驗(yàn)裝置采用研發(fā)的新型CO相變致裂器，通過灌裝液態(tài)CO連接發(fā)熱裝置產(chǎn)生相變爆破。對(duì)比傳統(tǒng)CO致裂器，新型致裂器傾向于均勻提升四周圍巖的滲透性，在新型CO相變致裂器表面設(shè)置壓電式壓力傳感器，通過DASP軟件記錄壓力曲線。經(jīng)推算，該型號(hào)致裂器爆破當(dāng)量為258.56 gTNT炸藥。

圖1 新型致裂器設(shè)備

圖2 二氧化碳相變爆破壓力曲線

裂紋擴(kuò)展分析

根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)變問題將砂巖模型數(shù)值模擬轉(zhuǎn)化為二維數(shù)值模擬。在數(shù)值計(jì)算中引入*MAT_ADD_EROSION失效條件，通過定義失效拉、壓應(yīng)力，對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展進(jìn)行模擬，展現(xiàn)了裂隙區(qū)內(nèi)裂紋形成、擴(kuò)展至貫通的全過程，反映巖體的幾何非線性特性，模擬材料的結(jié)構(gòu)性破壞階段，增加了模型的直觀性和可靠性。

爆破壓力分析

進(jìn)行同等條件下的不同致裂器的致裂爆破模擬。在相同參考點(diǎn)下，彈頭致裂器爆破對(duì)參考點(diǎn)的有效應(yīng)力最高，說明彈頭致裂器對(duì)節(jié)理具有更好的穿透效果和對(duì)裂紋的穩(wěn)定導(dǎo)向，但爆破萌生裂紋較少，爆破后應(yīng)力相對(duì)集中。為避免裂紋方向單一、網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單這一現(xiàn)象，在實(shí)際三維中致裂器泄氣孔上下層采用交錯(cuò)式，貫穿多層次裂紋，來避免這種現(xiàn)象。而工況二的新型致裂器爆破較常規(guī)致裂器爆破在充填節(jié)理中致裂效果相對(duì)良好。相對(duì)于充填節(jié)理，無充填節(jié)理下傳播到裂紋與節(jié)理交界處的平均有效應(yīng)力顯然降低。改良下的彈頭致裂器爆破在3種工況中最為明顯，隨著參考點(diǎn)爆心距的增加，有效應(yīng)力的下降相對(duì)緩慢，對(duì)無充填節(jié)理的穿透效果最好，而其他2種工況在無充填節(jié)理中的穿透效果相對(duì)一般。

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李嘉偉, 鄭永香, 王偉, 等. 二氧化碳相變爆破作用下含節(jié)理巖體的裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬[J]. 金屬礦山, 2025(4): 154-163.

作者簡(jiǎn)介

鄭永香

工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。畢業(yè)于西南石油大學(xué)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，兼任河北省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)低碳能源巖石力學(xué)與工程專委會(huì)委員，《Rock Mechanics Bulletin》、《金屬礦山》青年編委。主研方向?yàn)閹r石力學(xué)和滲流力學(xué)，主要學(xué)術(shù)興趣有爆破增滲技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)、地?zé)衢_發(fā)和隧道工程。主持河北省教育廳青年拔尖項(xiàng)目1項(xiàng)、河北省自然科學(xué)基金1項(xiàng)，參與國(guó)家重大專項(xiàng)4項(xiàng)、河北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目1項(xiàng)，作為技術(shù)骨干參與大慶油田、塔里木油田、延長(zhǎng)油田和中石油勘探開發(fā)研究院等橫向項(xiàng)目5項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文20余篇，授權(quán)及申請(qǐng)國(guó)家專利10余項(xiàng)，參編教材2部，獲中國(guó)石油和化工自動(dòng)化應(yīng)用協(xié)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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