地热能源开发对于中国的绿色可持续发展和国家能源安全具有重要意义。在地热井建设过程中，需要在高温花岗岩地层中进行钻进，传统机械破岩方法面临效率低、钻头寿命短、钻速低等问题，使得钻井作业费用占总成本预算的比例可超过60%[1]。为了克服传统破岩钻进方式的不足，高温射流、微波、激光等常被用作物理辅助手段，通过高温效应使岩石产生劣化，进而加快破岩效率。这种劣化通过即时热量变化在岩石中诱发实时破裂（即实时高温热破裂），如果不能对实时热破裂机制有着较好的理解，就无法有效地发展和利用这些新型辅助破岩方式，甚至在未来工程实践中引起井壁围岩破裂失稳等灾难性后果。为此，研究花岗岩的实时高温热破裂机制对提高地热资源开发效率、促进高温辅助破岩技术的发展具有重要的意义。
目前，花岗岩在热处理后室温下的力学行为已经得到了广泛研究，但对实时高温下花岗岩热破裂规律的理解还不够充分[2-3]。近年来，越来越多的研究者在实时温度下（real-time temperature, 简称RT）进行了花岗岩热力耦合特性测试。例如，Yin等[4]对高温处理后（after heat treatment, 简称AT）和800℃实时高温下的花岗岩样品进行了单轴压缩试验。他们发现，与AT花岗岩相比，RT花岗岩延性转变的临界温度更低，峰值应力和弹性模量更小，而峰值应变和损伤更大。Kumari等[5]对花岗岩进行了实时三轴试验，试验围压为10~90 MPa，峰值温度为25~300℃。他们发现在选定的温度范围内，温度升高可导致花岗岩的强度升高和剪切参数降低。Wang等[6]对RT和AT花岗岩样品进行了单轴压缩试验，并比较了不同热处理条件下试样的应力-应变行为，发现RT试样的峰值应力和弹性模量低于AT试样，而峰值应变则表现出相反的趋势。Ma等[2]开发了一个实时高温真三轴系统，用来测试实时高温（最高400℃）下温度和水平应力对花岗岩力学行为的影响，他们发现RT对内聚力的影响比AT更大，并把这种现象归因于水平应力和实时高温的耦合效应。 RT和AT花岗岩的不同力学行为通常被解释为不同热载荷（如冷却过程）影响细微观热破裂行为进而导致试样内部细微观结构变化[7]。然而，由于当前设备无法对花岗岩实时热破裂进行直接观察，尚不清楚这些热应力裂纹的具体变形规律。目前进行岩石热破裂试验的主要困难是当前光学显微设备不能在高温条件下使用，通常只能对冷却至室温后的样品进行损伤观测。然而，高温花岗岩的裂纹网络是加热裂纹和冷却裂纹共同组成的，通过图像分析等手段无法区分裂纹是由加热引起的还是冷却引起的[8]。因此，只对冷却后试样进行观测无法获得热应力裂纹真正的实时高温演化过程。此外，由于冷却温度梯度变化、不同矿物热胀冷缩特性等的影响[9-10]，冷却过程可能会显著改变加热过程中形成的微观结构[11-12]。例如，Browning等[8]推测，在冷却过程中，岩浆岩中产生了更多的裂纹，并且根据加热和冷却过程中声发射信号的差异，发现这些裂缝的平均尺度更大。 综上所述，在热载荷作用下岩石内部的热破裂行为的动态可视化目前仍难以通过试验手段获得，只能根据冷却后试样的显微观察结果来进行定性推测。为了克服试验设备的不足，本研究将在试验数据的基础上采用离散元数值模拟手段对花岗岩的热破裂机制进行分析。多晶体花岗岩可以由离散UDEC块体模型表征，并通过块体接触相互连接和作用。UDEC块体可以分离，并自动检测新的接触，因此可以利用块体张拉和滑动来模拟矿物颗粒的热应力裂纹的产生和扩展[13]。鉴于此，本文将基于开发的花岗岩热力耦合UDEC晶粒模型来深入探究加热和冷却过程中花岗岩的实时热破裂规律及其对RT和AT试样宏观热力耦合特性的影响。
本研究采用基于花岗岩热力耦合晶粒模型，深入探究了加热和冷却对高温花岗岩实时热破裂行为的影响机制。利用随机分布和图像处理技术，在UDEC模型中复制了花岗岩矿物晶体的形态特征，并从宏细观尺度对花岗岩的实时热破裂机制进行了揭示。
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