关于二氧化碳（CO2）压裂管爆破作用下岩石中三维断裂网络演化机制的研究

《Simulation Modelling Practice and Theory》：Study on the evolution mechanism of three-dimensional fracture networks in rock induced by CO 2 fracturing tube blasting

CO2水力压裂管三维裂隙网络演化规律及爆破效率优化研究，通过现场试验与PFC3D数值模拟验证，揭示分形维度1.578的裂隙网络特征及能量释放规律，分析膨胀比与装药时间对裂隙分布和能量传递的影响，建立HIG模型优化爆破参数。

　　近年来，随着全球气候变化问题的日益严峻，传统的爆炸破岩技术因其带来的安全风险和环境污染问题，逐渐受到挑战。作为一项新兴的非爆炸性岩层破碎技术，二氧化碳（CO?）相变爆破技术因其安全性、稳定性和环保性，逐渐在煤矿开采、地铁建设、天然气开采等领域得到应用。该技术的核心在于利用液态CO?在高温高压条件下的快速相变，使其体积迅速膨胀，从而释放能量并形成裂隙网络，实现对岩体的有效破碎。尽管CO?爆破技术在实际工程中展现出一定的优势，但对其作用机制的理解仍存在诸多不足，尤其是在三维裂隙网络的演化过程以及能量释放的动态变化方面，相关研究尚不充分。

本研究旨在通过现场爆破试验和三维数值模拟，深入探讨CO?爆破技术对岩石裂隙网络的形成与演化机制。通过现场试验获取岩石力学参数和爆破特征参数，进一步构建基于三维颗粒流代码（PFC3D）的爆破数值模型，并对模型的准确性进行验证。在此基础上，研究团队对不同膨胀率和加载时间条件下的爆破过程进行了数值模拟，以揭示爆破能量和加载时间对裂隙网络形成及能量演化的影响规律。该研究不仅有助于深化对CO?相变爆破技术作用机制的理解，也为提高该技术的爆破效率提供了理论依据和技术支持。

现场试验采用1立方米的岩石试件进行爆破测试，目的是获取真实的爆破数据，为后续的数值模拟提供参考。试验过程中，研究人员记录了爆破后岩石的裂隙分布情况、岩块破碎程度以及爆破过程中产生的压力变化等关键信息。这些数据被用于验证数值模型的准确性，确保模拟结果能够真实反映实际爆破过程。通过对比现场试验和数值模拟的结果，研究人员发现，CO?爆破技术形成的裂隙网络具有较高的分形维数，表明其结构复杂且具有一定的自相似性。同时，与传统炸药爆破相比，CO?爆破产生的岩块更加均匀，这可能与其低扰动的爆破特性有关。

在数值模拟方面，研究团队采用了三维颗粒流代码（PFC3D）这一先进的数值工具，其优势在于能够将连续介质分解为大量颗粒，从而更精确地模拟岩石内部的裂隙演化过程。PFC3D中的并行键模型（PBM）被用于描述岩石颗粒之间的相互作用，使得模拟结果能够更好地反映岩石的实际物理和力学特性。通过调整模拟中的膨胀率和加载时间等参数，研究人员能够观察不同条件下裂隙网络的形成过程以及能量释放的动态变化。模拟结果显示，随着膨胀率的增加，裂隙数量和密度均呈上升趋势，表明更高的膨胀率能够更有效地引发裂隙扩展。此外，膨胀率与输入能量之间存在线性正相关关系，这表明在爆破过程中，能量的释放程度与膨胀率密切相关。

另一方面，研究还发现，裂隙数量与加载时间之间存在二次反比关系。这意味着在较短的加载时间内，裂隙网络的形成更为密集，但随着加载时间的延长，裂隙数量的增长趋于平缓，甚至可能出现减少的趋势。这种现象可能与岩石内部裂隙扩展的动力学过程有关，即在较短的加载时间内，爆破能量的集中释放可能导致裂隙的快速扩展，而在较长的加载时间内，能量释放的持续性可能影响裂隙扩展的效率。因此，加载时间的控制对于优化爆破效果具有重要意义。

此外，研究还关注了爆破过程中裂隙网络的动态演化过程。通过实时监测和可视化技术，研究人员能够清晰地观察到裂隙的扩展路径及其相互连接的方式。结果表明，CO?爆破形成的裂隙网络主要由相互连接的径向和环向裂隙平面组成，这种结构有助于提高爆破效率并减少对周围岩体的扰动。相比之下，传统炸药爆破形成的裂隙网络往往更加随机和不规则，这可能导致更大的破碎不均匀性和更高的能量损耗。

在实际应用中，CO?爆破技术的推广仍面临一些挑战。首先，由于爆破过程中涉及高温高压条件，对设备的制造和控制提出了更高的要求。其次，爆破技术的实施需要精确控制膨胀率和加载时间等关键参数，以确保裂隙网络的形成符合预期。此外，由于CO?相变过程的复杂性，如何准确预测和控制爆破能量的释放，仍然是当前研究的一个重要方向。

为了克服这些挑战，研究团队在本研究中提出了一种新的方法，即通过现场试验获取岩石的力学参数和爆破特征参数，并结合三维数值模拟，对CO?爆破过程进行系统研究。这种方法不仅能够提高模拟的准确性，还能为实际工程中的爆破设计提供科学依据。通过调整膨胀率和加载时间等参数，研究人员能够探索不同条件下爆破效果的变化规律，从而为优化爆破参数、提高爆破效率提供理论支持。

本研究的结果表明，CO?爆破技术在形成裂隙网络方面具有较高的效率和稳定性。特别是在控制膨胀率和加载时间的情况下，该技术能够实现较为均匀的岩石破碎效果，减少对周围环境的影响。此外，研究还发现，裂隙网络的密度和复杂度与膨胀率密切相关，这意味着在实际工程中，通过调整膨胀率可以有效控制裂隙的分布和扩展范围。这一发现对于优化爆破参数、提高爆破效率具有重要意义。

同时，研究还揭示了加载时间对爆破效果的显著影响。较短的加载时间虽然能够促使裂隙网络的快速形成，但可能导致能量释放过于集中，从而影响爆破的均匀性和稳定性。相反，较长的加载时间虽然能够减少裂隙的密集分布，但可能会降低爆破效率。因此，如何在保证爆破效果的前提下，合理控制加载时间，是当前CO?爆破技术研究的一个关键问题。

在实际工程应用中，CO?爆破技术的推广还需要进一步的技术改进和优化。例如，如何提高爆破设备的可靠性和安全性，如何优化膨胀率和加载时间的控制策略，以及如何提高爆破能量的利用效率等，都是需要解决的问题。此外，由于CO?相变过程的复杂性，还需要进一步研究其在不同岩石类型和地质条件下的适用性，以确保该技术能够广泛应用于各种工程场景。

总体而言，本研究通过现场试验和三维数值模拟，系统地探讨了CO?爆破技术对岩石裂隙网络形成和演化的影响机制。研究结果不仅为理解CO?爆破技术的作用原理提供了新的视角，也为优化该技术的爆破参数和提高其应用效果奠定了基础。未来的研究可以进一步探索CO?爆破技术在不同地质条件下的适用性，以及如何通过改进设备设计和控制策略，提高该技术的经济效益和环境友好性。此外，还可以结合更多的实验数据和模拟结果，建立更为精确的预测模型，为实际工程中的爆破设计提供科学依据和技术支持。