温度-围压共同作用下高压磨料射流冲击花岗岩破岩特征实验研究
葛兆龙
崔予怀
邓青林
上官剑铭
姚志
李忠潭
史卓林
蒲厚翰
重庆大学煤矿动力灾害与控制全国重点实验室,重庆 400044;重庆大学资源与安全学院,重庆 400044
摘要：深部资源能源开发过程中高地温、高地压的特征显著影响岩石的力学行为,对磨料射流等岩石破碎技术提出了更高的挑战,而现有研究无法满足深地工程设计的需求.为揭示深部岩层中温度与地应力共同作用下高压磨料射流的破岩机制,以花岗岩作为研究对象,设置25、100、200、300℃与 400℃五级温度梯度以及 0、10、20、30 MPa与 40 MPa五个围压水平,通过室内水射流实验平台开展冲击实验,并结合计算机断层扫描(CT)技术、三维重构技术与扫描电镜(SEM)技术,全面探究了花岗岩在不同温-压组合条件下的宏微观破坏模式、断裂形貌与裂纹演化特征.实验结果表明:温度升高劣化花岗岩结构,增强其易破碎性,试样在 200℃以上开始出现复杂的裂纹网络,至 400℃时结构完整性大幅削弱,在无围压条件下,400℃时冲孔深度相较常温提升约82.1%,裂纹体积和面积分别提升 88.2倍和 114.6倍;围压显著抑制裂纹扩展,常温条件下,围压从 0提升至 40 MPa使得冲孔深度减少约 60.7%,裂纹体积和面积分别下降 49.9%和 49.1%;温度与围压的共同作用呈现出非线性的响应关系,在 30 MPa以下围压限制破碎,而在 400℃高温与40 MPa高围压共同作用时,裂纹体积与面积反而增加;基于CT扫描的三维重构结果表明,在无围压条件下,裂纹空间分布变化的临界温度区间为 200～300℃,超过此区间裂纹体积和面积迅速增大;而在 40 MPa围压下,该临界温度区间延迟至 300～400℃范围内;SEM结果进一步揭示了磨料压痕、交错热裂纹与剪切剥蚀、犁削沟槽与碎屑剥落等典型的破碎特征,反映出磨料磨蚀、热应力和流体冲刷等多重作用机制.研究揭示了磨料射流破岩机制在不同热-力组合条件下,从"磨料磨蚀"主导向"热-力协同破碎"的转变过程,表明深部射流破岩过程中可利用岩体热劣化和流固温差诱导的热应力降低射流破岩能耗,同时应结合围压水平优化射流参数以避免裂纹扩展受阻,提高破岩效果.
关键词：磨料射流高温岩石围压破裂机制热致裂纹
分类号：TD327(矿山压力与支护)
资助基金：国家科技重大专项(2024ZD1003803)国家自然科学基金(U23A20597)重庆市自然科学基金面上资助项目(CSTB2024NSCQ-MSX0503)
论文发表日期：2025-09-27
在线出版日期：2025-10-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 4166-4181 )
英文信息