硬花岗岩在冲击载荷下破碎与粉化过程的高保真建模：一种基于FDEM的方法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：High-fidelity modelling of fragmentation and pulverisation in hard granite under percussion loading: a FDEM-based approach

　　

硬结晶岩石（如花岗岩）的破碎困难仍是地热与矿产资源高效开发的主要障碍。冲击钻进（percussive drilling）作为一种基于冲击的钻进技术，在硬地层中实现更高钻速（ROP）方面潜力显著；然而，冲击载荷下岩石破碎的调控机制仍解释不足。现有数值工具尚无法同时忠实捕捉实验观测到的岩石粉化（pulverisation）、碎片弹射，以及花岗岩相较于沉积岩（石灰岩与砂岩）形成的显著差异裂纹网络。此外，钻头回弹响应随活塞冲击能增大而变化、岩石粉化加剧等现象尚未受到足够关注。本研究在有限-离散元耦合（FDEM）框架内建立损伤模型，模拟Kuru Grey花岗岩在冲击载荷下的破碎行为，重点考虑损伤演化与摩擦接触行为的联合效应。该模型成功复现花岗岩区别于沉积岩的特征失效模式，并准确捕捉钻头回弹行为的非线性变化及岩石粉化随冲击能增加的演变。基于七项定量指标（涵盖钻头运动与岩石破碎特征）的验证显示数值结果与实验观测高度一致。模拟进一步揭示硬花岗岩中崩边（chipping）的生成与石灰岩、砂岩显著不同：在后两者中崩边主要由岩石弹性恢复诱发的撕裂驱动，而花岗岩中崩边主要由钻头贯入阶段高速弹射的粉化岩屑冲击所生成。

研究背景方面，硬结晶岩石如花岗岩常作为盖层或储层上覆层出现，其高强度导致钻速随单轴抗压强度从100 MPa升至200 MPa可下降达五倍，冲击钻进虽被广泛应用，但冲击载荷下岩石破碎机制仍不充分明确。实验受高速条件限制难以记录粉化过程与内部裂纹扩展，现有数值工具无法同时复现花岗岩粉化、碎屑弹射及区别于沉积岩的裂纹网络，且钻头回弹非线性与粉化加剧的能量去向成谜。为此，研究人员以Kuru Grey花岗岩为对象，采用帝国理工学院自研三维FDEM代码Solidity，在FDEM框架内嵌入线性损伤模型与应变率效应（DIF）、修正滑动摩擦处理，开展单齿冲击高保真模拟，旨在阐明硬花岗岩冲击破碎与粉化机制及回弹非线性转折的物理根源。

关键技术方法上，研究人员依托Mines Paris-PSL提供的Aising等人对Kuru Grey花岗岩、St Anne石灰岩、Rhune砂岩的单齿半球形硬质合金冲击实验数据（活塞冲击速度5.68–13 m/s，冲击能13.23–114.95 J）及CT扫描、高速摄像记录进行校验；数值端采用Solidity求解器，岩石试样为直径250 mm高150 mm圆柱，冲击中心25 mm直径内四面体网格细化至1 mm、外扩至50 mm为2 mm、边界10 mm，镶齿网格0.7 mm，总时间步2.5×10^-9 s；在六节点节理单元表征细观裂纹启裂基础上，向四面体单元引入耦合线性损伤模型（以有效位移δ_m计算损伤因子D，D_max=0.9）表征局部过压碎与粉化态刚度退化，并施加应变率动态增强因子（DIF_Compression、DIF_Tension）及降低的失效后滑动摩擦系数（0.18）以提升碎屑弹射真实性，参数经多速度点（5.68、9、13 m/s）多指标联合标定。

研究结果部分，按论文主体小节归纳如下。

1. 3.
   Model configuration（模型配置）：通过几何简化保留活塞-钻头质量比例，网格自适应加密冲击区，材料参数表列明Kuru Grey花岗岩密度2626 kg/m³、杨氏模量60 GPa、抗拉强度10.98 MPa、GI=50 J·m^-2、GII=1000 J·m^-2、内摩擦系数1.85；经校验裂纹延伸21 mm远小于试样半径边界比1:7，边界效应可忽略。
2. 4.
   High-fidelity validation of the impact model（冲击模型高保真验证）：以最大冲击应力、钻头贯入速度、回弹速度、贯入深度、碎片质量、径向裂纹长度、坑半径七项指标对比实验，数值在>9 m/s时回弹速度非线性下降与实验吻合，碎片质量与坑半径一致，径向裂纹因沿网格边界锯齿状扩展略短于实验但趋势一致，CT截面裂纹稀疏侧裂特征与实验可比。
3. 5.
   Rock pulverisation during impact（冲击过程岩石粉化）：模拟显示冲击后约150 μs内冲击中心单元达最大损伤态（粉化），随后侧裂向表面扩展成屑；9 m/s时转折点侧裂未及表面，11 m/s时大量屑片弹射，钻头动能损失由9 m/s的31.6%升至11 m/s的84.8%；最大主应力云图表明花岗岩高内摩擦与高GI/GII抑制向下中裂纹，应力集中靠侧裂尖端重分布与碎屑弹射联合释放；速度场显示花岗岩崩边由加载阶段粉化屑向上弹射施力周边推动侧裂，不同于石灰岩砂岩回弹撕裂机制。
4. 6.
   Discussion（讨论）：研究人员指出花岗岩回弹速度先升后降的转折与>9 m/s后粉化单元数激增直接相关，粉化加剧伴生碎屑间摩擦耗能上升；参数标定中滑动摩擦系数具失效材料残余强度等效角色，损伤模型与摩擦折减协同是复现粉化弹射的关键，微观参数须按数值框架内有效力学角色诠释。
5. 7.
   Conclusion（结论翻译）：本研究在FDEM框架内建立损伤模型高保真模拟硬花岗岩冲击钻进失效过程，经七项指标与CT裂纹网络验证精度良好。模拟揭示花岗岩粉化集中于冲击后150 μs内，崩边主要由贯入阶段粉化岩尘向外弹射冲击周边生成，而非回弹撕裂；实验观测的回弹速度随冲击能升高而下降、细屑增多的趋势由广泛单元损伤与碎屑摩擦耗能共同解释。未来工作应细化钻头-岩石交互各分量能耗分析，并将模型扩展至全尺寸钻头优化及矿物尺度纹理建模与AI加速多尺度模拟。

该研究发表于《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》，意义在于首次在FDEM内以宏观单元损伤退化近似微尺度粉化、联合摩擦处理复现硬花岗岩冲击回弹非线性与碎屑弹射机制，为硬岩冲击钻进参数设计与能耗优化提供了可校验的数值工具。