Page 91 - 《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

3 次冲击后，裂缝渗流通道单一，在出口端聚集，导致试样渗透率较低；3 次冲击后，贯通性的裂缝数
量明显增多，增加了从入口到出口的渗流通道，试样渗透率得到提升；9 次冲击后，裂缝高度发育且连通性
较好，渗流路径更为复杂、渗流规模更大，试样渗透率显著提升。试样主裂缝内流体流线清晰反映了流
体微观运移特征，流体的渗流行为受控于裂缝尺寸和裂缝形态。可见，提升冲击次数可增加裂缝的复杂
程度，提升了试样渗透性能，但同时裂缝壁面的粗糙性和较多的喉道也对流体渗流起到一定的抑制作用。

3.3 冲击次数对渗透率的影响

基于 1.4 节渗透率测试方法，获得了循环冲 表 2 循环冲击下试样实测和数值模拟渗透率
击下试样实测和数值模拟渗透率，见表 2。随着
Table 2 Actual measurement and numerical simulation of
冲击次数增加至 3、6、9 次，实测渗透率增加到 permeability of specimens under cyclic impact
0.72、4.491 4.22 mD，相比于无冲击情况下提升 渗透率/mD
方法
了 380.00%、2 893.33% 和 9 380.00%；数值模拟渗 无冲击 冲击3次 冲击6次 冲击9次
透率增加到 3.88、13.80、42.40 mD，相比于无冲 实测值 0.15 0.72 4.49 14.22
击情况下提升了 340.91%、1 468.18% 和 4 718.18%。 数值模拟值 0.88 3.88 13.80 42.40
随着冲击次数的增加，试样的动态力学强
度逐渐降低，表现出较明显的疲劳效应，这一过程伴随着裂缝的扩展和贯通。冲击次数较低时，裂缝主
要集中于局部区域，渗透率变化不显著；随着冲击次数的增加，裂缝逐渐扩展并连通，试样内部形成贯通
性渗流通道，渗透率显著提升，证实了循环冲击作用对提升试样渗透率的积极作用。但实测渗透率均低
于模拟渗透率，其原因可能是：(1) 试样在冲击后裂缝内部存在微小矿物颗粒或粉末，在实测渗透率过程
中堵塞渗流通道；(2) 数值模拟中仅考虑了裂缝对微观流体渗流的影响，未考虑围压的作用，实测渗透率
中试样承载有围压，其裂缝开度要低于数值模拟的模型；(3) CT 扫描及三维重构过程中存在误差，CT 扫
描的分辨率无法完全捕捉到试样中微小裂缝，导致三维重构裂缝模型比实际更为理想化。以上原因导
致实测渗透率要低于数值模拟渗透率，尽管如此，本文采用的冲击后裂缝微观渗流模拟方法，可以较好
地模拟流体微观渗流行为，可用于揭示爆破后砂岩型铀矿裂缝非均匀渗流特性。

4 结 论

基于 SHPB 实验、CT 扫描及三维重构、渗透率测试及数值模拟等技术，首先分析了循环冲击作用下
试样的动态力学性能及宏细观破坏特征，其次量化了冲击后试样孔裂缝的三维结构参数，获得了冲击次
数对孔裂缝参数的影响规律，最后，揭示了主裂缝中流体微观渗流过程，阐明了循环冲击作用对试样的
增渗效果，主要结论如下：
(1) 循环冲击过程中试样动态应力-应变曲线呈现明显的压密阶段，累积损伤使得试样承载能力降
低；循环冲击作用下试样平均应变率呈现非线性变化，反映了试样内部裂缝“扩展-压实-再扩展-再压
实”的过程，证实了其能量循环蓄积-释放的特点；冲击次数与峰值强度和弹性模量呈线性负相关关系，
与峰值应变呈现线性正相关关系，循环冲击作用使得试样内部疲劳损伤，降低了其动态力学性能，有利
于诱导更多损伤裂缝；
(2) 循环冲击后试样内部裂缝不断扩展、最终形成“锥形”环状裂缝，属于压剪破坏模式；随着冲击
次数的增加，试样中小裂缝占比降低而大裂缝占比升高，反映出小而孤立的裂缝逐步形成大且相互贯通
的裂缝，中裂缝同时存在错断、连通的双重效应，其变化呈现非线性特征；
(3) 试样主裂缝流体压力随着冲击次数增大而减小，分支裂缝和孤立裂缝压力较大，对流体渗流作
用不大；渗流过程中流线清晰反映了裂缝尺寸和裂缝形态对微观渗流的控制作用，随着冲击次数增大，
流体渗流通道更多、渗流规模更大，但裂缝壁面的粗糙性和较多的喉道也对流体渗流起到一定的抑制
作用；
(4) 循环冲击 3 次时，试样形成单一裂缝，渗透率提升 340.91%～380.00%；循环冲击 6 次时，裂缝初

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