全文要點：

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

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

3. 石家莊鐵道大學鄭永香團隊針對含節(jié)理地層中該致裂效果，對比不同致裂器對節(jié)理巖體的穿透性，分析裂紋擴展規(guī)律，為現(xiàn)場實踐提供理論基礎。

4. 試驗采用新型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，爆破當量258.56gTNT。

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

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

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

8. 彈頭致裂器有效應力最高，穿透和導向好但裂紋少，三維中泄氣孔交錯可避免裂紋單一；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，裂紋擴展受限明顯。

10. 未來需攻關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。目前我國主要開采方法是地浸采鈾法，提升儲層滲透性是提高地浸采鈾效果的關鍵。相較于傳統(tǒng)爆破增滲，液態(tài)CO相變致裂法具有操作簡單、爆破威力大、無污染的優(yōu)點。石家莊鐵道大學鄭永香團隊針對含節(jié)理地層中液態(tài)CO相變致裂效果這一問題，對比不同致裂器條件下對節(jié)理巖體的穿透性，分析裂紋擴展規(guī)律，為柱狀爆破致裂器的現(xiàn)場實踐提供理論基礎。

新型CO相變致裂器爆破試驗

本次試驗裝置采用研發(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，該型號致裂器爆破當量為258.56 gTNT炸藥。

圖1 新型致裂器設備

圖2 二氧化碳相變爆破壓力曲線

裂紋擴展分析

根據(jù)彈性力學平面應變問題將砂巖模型數(shù)值模擬轉化為二維數(shù)值模擬。在數(shù)值計算中引入*MAT_ADD_EROSION失效條件，通過定義失效拉、壓應力，對巖石裂紋擴展進行模擬，展現(xiàn)了裂隙區(qū)內裂紋形成、擴展至貫通的全過程，反映巖體的幾何非線性特性，模擬材料的結構性破壞階段，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。在相同參考點下，彈頭致裂器爆破對參考點的有效應力最高，說明彈頭致裂器對節(jié)理具有更好的穿透效果和對裂紋的穩(wěn)定導向，但爆破萌生裂紋較少，爆破后應力相對集中。為避免裂紋方向單一、網(wǎng)絡簡單這一現(xiàn)象，在實際三維中致裂器泄氣孔上下層采用交錯式，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)理中致裂效果相對良好。相對于充填節(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，隨著參考點爆心距的增加，有效應力的下降相對緩慢，對無充填節(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)理巖體的裂紋擴展數(shù)值模擬[J]. 金屬礦山, 2025(4): 154-163.

作者簡介

鄭永香

工學博士，副教授，碩士生導師。畢業(yè)于西南石油大學地質資源與地質工程專業(yè)，兼任河北省巖石力學與工程學會副秘書長，中國巖石力學與工程學會低碳能源巖石力學與工程專委會委員，《Rock Mechanics Bulletin》、《金屬礦山》青年編委。主研方向為巖石力學和滲流力學，主要學術興趣有爆破增滲技術、儲層改造技術、地熱開發(fā)和隧道工程。主持河北省教育廳青年拔尖項目1項、河北省自然科學基金1項，參與國家重大專項4項、河北省自然科學基金創(chuàng)新群體項目1項，作為技術骨干參與大慶油田、塔里木油田、延長油田和中石油勘探開發(fā)研究院等橫向項目5項。發(fā)表SCI/EI論文20余篇，授權及申請國家專利10余項，參編教材2部，獲中國石油和化工自動化應用協(xié)會科技進步二等獎1項。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數(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、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居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)。

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