Page 82 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 王 伟，等： 循环冲击作用下砂岩裂缝扩展及渗透率响应特征 第 6 期

cyclically. This cyclic accumulation and release of energy lead to a process of crack "expansion, compaction, re-expansion, re-
compaction". During the cyclic impact process, small and isolated cracks inside the specimen gradually develop into larger,
interconnected fractures. Simultaneously, medium-sized cracks exhibit dual effects of faulting and connectivity, presenting
nonlinear characteristics. Cyclic impacts induce more complex fractures in the specimens, leading to an increased number of
fluid seepage pathways and a larger scale of seepage. When subjected to three cycles of impact, the sample forms a single
crack, resulting in a permeability increase of 340.91%−380.00%. After six cycles of impact, the cracks begin to connect,
leading to a permeability increase of 1 468.18%−2 893.33%. With nine cycles of impact, a connected network of cracks forms,
resulting in a permeability increase of 4 718.18%−9 380.00%. The cyclic impact significantly enhances the permeability of
sandstone, with crack propagation and connectivity being the key driving factors for the increase in permeability.
Keywords: sandstone-type uranium mines; cyclic shock; SHPB; CT scan; seepage simulation

天然铀是重要战略资源和能源矿产，加快铀资源开发力度对保障我国资源能源安全重大战略至关
[1]
[2]
重要 。原地浸出（简称地浸）是目前我国铀矿的主流开采方式 ，截至 2020 年底，我国地浸产能已占到
天然铀产能的 90% 以上 。地浸采铀技术要求矿床具有良好的渗透性，然而我国 70% 以上砂岩型铀矿
[3]
[4]
[5]
呈现低渗透特征 ；同时，地浸中产生的矿物沉淀堵塞孔隙也造成矿床地浸效率降低 。由此可见，解决
矿床低渗透造成的开采难题，是当前及未来地浸采铀领域迫切需要突破的关键技术瓶颈。
储层改造是提升低渗透储层渗透性的关键技术，以水力压裂为代表的物理改造方法已在石油、页岩
气、煤层气、干热岩开采等领域得到了应用。但铀矿矿层薄、数量多、分布散，以静态荷载进行储层改造
[6]
易形成长大裂缝，造成溶浸液渗流短路，对地浸效果的提升反而不利 。于此，王伟等 [7] 提出了低渗透砂
岩型铀矿爆破改造方法，采用动荷载使矿层产生密集复杂缝网，符合地浸开采需求，有望成为铀矿储层
改造增渗的有效技术。
爆破增渗的实质是岩石动态致裂，针对该内容，前人已开展了大量的研究工作。在研究动态冲击作
用下岩石力学性能变化方面，李晓锋等 [8] 分析了岩石动强度因子、耗散能密度及其破碎尺寸与应变率的
变化关系，建立了相应的关系模型。考虑到地应力的作用，吕晓聪等 [9] 开展了围压约束下砂岩的动态力
学性能实验，认为在围压作用下砂岩具有明显的脆性-延性转化特征，且围压具有阻止试样剪切失稳的作
用；刘少赫等 [10] 研究了围压对岩石冲击损伤的影响，发现低围压状态下岩石的累积损伤程度明显更高。
地下工程中常存在循环冲击作用，王志亮等 [11] 基于等幅循环冲击实验，发现随冲击次数增加，岩石峰值
应力呈现出整体减小的趋势，而峰值应变、平均应变率及累积比能量吸收值则表现出相反的变化趋势；
许金余等 [12] 和于洋等 [13] 分析了应力-应变曲线随冲击荷载循环次数的变化特征，揭示了循环冲击作用下
动态弹性模量、损伤因子等物理量的变化关系。考虑到岩层含水及冻融的条件，陈海亮等 [14] 和张蓉蓉等 [15]
研究了含水、冻融条件下循环冲击后砂岩动态力学性能及损伤演化规律。循环冲击作用下岩石冲击破
坏形态各异，Zhou 等 [16] 、张明涛等 [17] 、金解放等 [18] 和褚夫蛟等 [19] 开展了循环冲击荷载作用下的力学性
质、断裂行为和破坏形态，发现随着冲击次数的增加，岩石的破坏形态随之变化，静载作用下砂岩破坏后
呈现锥形破坏形式。
为了进一步刻画冲击后试样的细观损伤特性，Kawakata 等 [20] 和 Huang 等 [21] 通过 CT 扫描技术分析
了在围压和动态作用下岩石孔隙和裂缝的演变规律，实现了对岩石细观损伤的量化。李学帅等 [22] 研究
发现循环荷载下类砂岩材料损伤变量随循环次数的增加呈线性增长趋势，表明其在疲劳循环过程中损
伤逐渐积累。为了研究动态损伤后岩体的渗流行为，安然等 [23] 结合 CT 扫描结果进行渗流模拟，从定性
和定量角度探究了岩体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律；Ju 等 [24] 通过 CT 成像技术和格子玻尔兹
曼法（LBM）定量且直观地表征砂岩的微观结构、流速、渗透率的空间分布，分析了砂岩体积变形对流
速、有效孔隙度和渗透率的影响。王晓雨等 [25] 和孔茜等 [26] 测试了冲击致裂后岩石的渗透率，发现冲击
后岩石渗透率显著提升，但其提升效果又同时受到围岩的限制作用。
综上所述，前人在考虑矿层原位条件的基础上，针对岩石动态致裂机理及规律开展了大量的探索，

061421-2