《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Fracturing rocks using expandable materials for steeply inclined thin vein mining
编辑推荐：
本研究提出一种采用膨胀材料(expandable materials/SCDA)对急倾斜薄矿脉(steeply inclined thin vein)进行压胀致裂(expansive splitting)的方法，旨在减小爆破对边围岩体的扰动。通过理论分析、实验
本研究提出一种采用膨胀材料(expandable materials/SCDA)对急倾斜薄矿脉(steeply inclined thin vein)进行压胀致裂(expansive splitting)的方法，旨在减小爆破对边围岩体的扰动。通过理论分析、实验室试验及数值模拟(PFC, Particle Flow Code)，研究了无边界力条件下五孔（变孔距）及施加边界力条件下六孔（不同边界力）布置下的破坏演化与能量转换(energy conversion)规律。无边界力的五孔工况中，减小孔距使应力、力链(force chain)及应变能(strain energy)向岩样中心集中，外围相应减小，导致中心局部化破裂及边缘大块产生；施加边界力的六孔工况中，平行边界力方向的应力分布、应变能演化及裂纹扩展受边界力影响甚微，而垂直边界力方向的裂纹扩展及应力/应变能积聚被显著抑制，增大边界力使岩体损伤模式由"井字型(tic-tac-toe)"转为"平行型(parallel configuration)"。膨胀材料的破岩机理为急倾斜薄矿脉的非爆开采(non-blasting mining)提供了理论基础。
论文解读：《Fracturing rocks using expandable materials for steeply inclined thin vein mining》（Kunmeng Li, Zhengchun Fu, Jintao Li, Yuanhui Li, Jiaqi Zhang, Lin Chen，发表于Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering）
一、研究背景与意义
传统急倾斜薄矿脉多采用浅孔爆破法(shrinkage or resuing stopping method)，但爆破冲击波(shock wave)会严重损伤不稳定围岩的下盘(footwall)与上盘(hanging wall/hanging wall failure)，引发矿石贫化率与损失率高、作业安全性差等问题。现有非爆破岩方法——如水力压裂(hydraulic fracturing)、气体压裂(gas pressure fracturing)、CO?相变致裂(CO? gas rod fracturing)、水力切割(hydraulic cutting)、机械破岩(mechanical rock breaking)、电爆(electric blasting)及微波破岩(microwave rock fracturing)——或因需复杂高压设备管路、或在硬岩金属矿效率低、或机制不清、或井下应用受限、或尚处实验室阶段。无声破碎剂(soundless chemical demolition agent, SCDA/expandable material)靠CaO水化体积膨胀产生准静态 expansive pressure（本研究中单孔φ34 mm实测约55 MPa），具低扰、安全、低成本特点，已在拆除与露天采石中应用，具备推广至急倾斜薄矿脉非爆开采的理论基础，但其多孔布置下含边界约束的破岩机理尚不明确，故开展本研究。
二、主要关键技术方法
研究人员制作与丹东金矿实际矿石力学参数匹配的类矿石试件（砂:水泥:石膏:饱和酒精-松香溶液=5:4:0.5:0.5，UCS≈75.1 MPa，E≈35.2 GPa，ν≈0.25），加工为200 mm立方体并设置底部不穿通钻孔（孔径C=34 mm，孔深h=180 mm，装药长160 mm，封堵长20 mm）。设计两类试验：①五孔梅花形(plum-shaped)布置于自由边界条件，改变孔距B（69/61/56.57/46 mm）及中心孔充/不充填SCDA；②六孔平行排列(parallel layout, 3行×2列)施加法向边界力（40 kN→1 MPa、300 kN→7.5 MPa于200×200 mm面）。实验室试验以高速摄像监测裂纹起裂-扩展-最终破裂形态；数值模拟采用PFC3D（五孔无约束）与PFC2D（六孔约束），通过颗粒膨胀系数标定至壁面力≈55 MPa（膨胀系数expansion coefficient=2.5），并行监测力链、裂纹、应变能与摩擦耗散。理论与数值叠加弹性厚壁圆筒孔壁受均布expansive pressure及远场边界应力求解环向应力(hoop stress, σθ/σzz、σyy)分布。
三、研究结果
3.2.1 五孔无边界力(5 holes without boundary forces)
经理论叠加法求各点法向应力，减小孔距B（即增大抵抗线A）使岩样中心区域环向拉应力(hoop tensile stress)与应变能高度集中，边缘应力与应变能降低，形成中心与外缘明显应力梯度；B=46 mm时中心最小环向应力高于边缘，B=72 mm时应力沿试样较均匀。实验室与PFC模拟验证：随孔距减小，中心裂纹密集成X形贯通破裂，边缘大块比例升高；孔距过大则开裂均匀但贯穿性弱。若中心孔不充填SCDA，虽增加自由面但因总膨胀力下降，破裂稀疏且大块占比最高。破岩效率项目1(B=69 mm)与项目2(B=61 mm)相当且较高，推荐孔距约65–70 mm。
3.2.2 六孔有边界力(6 holes with boundary forces)
理论叠加表明：平行边界力方向(Y轴方向)环向应力受边界力影响很小，叠加后裂纹仍易沿孔连线中点起裂并向两端发展，1 MPa与无边界力曲线近似重合，7.5 MPa使中点略抑而端部略促但不改总体趋势。垂直边界力方向(Z轴方向)边界力引入负环向应力显著抑制裂纹萌生扩展，且边界力越大抑制越强（7.5 MPa较1 MPa环向应力降约16 MPa），应变能垂直方向低于平行方向且随边界力增大变化微弱，平行方向应变能随边界力增大显著上升。实验室与PFC模拟显示：边界力1 MPa形成井字型(tic-tac-toe)破裂网络贯穿六孔；边界力7.5 MPa仅平行边界力方向的同列孔间发育裂纹及力链，呈平行型(parallel configuration)损伤，垂直方向孔间裂纹被压制，证实边界力强烈限制垂直其方向的破裂发展并促使损伤模式转变。
3.3 能量转换演化(Energy conversion evolution during expansion fracturing)
数值监测八类能量：平行黏结应变能(epbstrain)、线性接触应变能(estrain)、接触阻尼耗能(edashpot)、滑移能(eslip)、边界功(eboundary)、局域阻尼耗能(edamp)、动能(ekinetic)、体力能(ebody)。五孔无边界力：estrain下降（键断裂释放粒间应力），edamp与eslip上升（碎块滚动滑移），ekinetic先升后降；中心孔不充能时各能量幅值整体降低。六孔约束：主要为estrain向edamp转化，边界力增大时eslip与ekinetic更显著，印证垂直边界力方向受抑、平行方向能量积聚增强的机制。
四、讨论与结论翻译（Conclusions）
研究人员得出以下结论：
(1) 提出将膨胀材料压胀致裂(expansive splitting using expandable materials/SCDA)用于急倾斜薄矿脉开采的非爆采矿方法。
(2) 五孔全充填且无边界力时，减小孔距使岩心区应力、力链及应变能更大更集中，边缘更小更分散，导致中心裂纹密集、边缘大块比例升高；若中心孔不充填，尽管自由面增加但总膨胀力降低，破裂松散且大块占比更高；实验室破岩效率项目1与项目2相当较优，推荐孔距约65–70 mm。
(3) 六孔受边界力作用时，边界力对平行其方向的应力分布、应变能演化及裂纹扩展影响极小，但显著抑制垂直其方向的裂纹发展及应力/应变能积聚；随边界力增大，岩体损伤模式由井字型(tic-tac-toe configuration)转变为平行型(parallel configuration)。
研究局限性在于实验室采用小尺度均质完整水泥基试件，与实际含节理、各向异性、大尺度的现场岩体存在差异；理论分析采用线弹性与叠加法简化。研究成果阐明膨胀材料压胀致裂基本机理，为现场应用提供理论基础，后续需在真实节理岩体及各矿岩条件下开展现场试验验证。
