二氧化碳致裂器在土石方工程中的應(yīng)用

盧廣海

(安能鉆掘設(shè)備科技(深圳)有限公司,廣東 深圳 518109)

1 前言

當(dāng)今，礦山破巖、金屬、非金屬礦、煤礦的開采施工、地鐵隧道巖石開挖、城市建筑施工，除了機(jī)械破巖施工，就是雷管炸藥施工，前者效率低，后者危險(xiǎn)極大，不僅影響環(huán)境，甚至?xí)l(fā)特大安全事故和暴恐事件。二氧化碳液氣相變裂巖器（也稱作：二氧化碳致裂器、二氧化碳開采器），是一種理念先進(jìn)、方法安全、效果顯著的爆破設(shè)備，其工作原理屬于物理變化，具有破巖過程無火花外露、裂巖威力大、無需驗(yàn)炮、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。因此，在雷管炸藥受限的破巖情況下，二氧化碳液氣相變裂巖器是破巖施工首選。爆破、凍土層松動(dòng)等工程施工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是土石方工程中更是得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)研發(fā)了大量應(yīng)用于土石方工程的二氧化碳致裂設(shè)備。如深圳市凱強(qiáng)力科技有限公司、河北鴻源機(jī)械集團(tuán)公司、山東名世礦業(yè)機(jī)械有限公司、武漢市卡斯曼特機(jī)械有限公司、安能鉆掘設(shè)備科技有限公司等，先后研發(fā)了多種型號(hào)的產(chǎn)品，并在我國(guó)土石方工程中得到了大量的推廣應(yīng)用。

2 二氧化碳致裂技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)50年代，英國(guó)CARDOX公司開發(fā)研制了液態(tài)二氧化碳相變致裂裝置，當(dāng)時(shí)稱為Cardox管。該設(shè)備主要作為一種采煤器應(yīng)用于高瓦斯礦井的采煤工作面，代替炸藥，提高塊煤率[1]。2007年元月，淮北煤礦為解決煤礦爆破采用傳統(tǒng)炸藥放炮管理難度大、用人多等問題，淮北礦業(yè)集團(tuán)公司和CARDOX公司有關(guān)技術(shù)人員合作，于2007年元月在蘆嶺煤礦進(jìn)行了二氧化碳爆破試驗(yàn)[2]，從而開啟了二氧化碳致裂技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的先河。我國(guó)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司等科研單位也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量應(yīng)用性研究工作。2013年7月～10月，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研發(fā)的二氧化碳致裂設(shè)備，在中電投納雍縣貝勒煤礦進(jìn)行了落煤試驗(yàn)和致裂增透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使瓦斯抽采鉆孔周圍煤層裂隙大幅度增加，煤層原生裂隙得到擴(kuò)散，使瓦斯抽采量大幅提升，消除煤層突出危險(xiǎn)性，為掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件[1]。煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司于2013年左右開始了該項(xiàng)技術(shù)的自主研發(fā)。2015年2月3日，經(jīng)過近兩年自主研發(fā)的全套技術(shù)及裝備，取得了安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心頒發(fā)的安全標(biāo)志證書[3]（見圖1）。

由于二氧化碳致裂器在使用中展示出的安全性高（不存在炸藥所具有的易爆危險(xiǎn)、工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何明火或火花）、環(huán)境污染?。ú划a(chǎn)生硝煙、施工過程中揚(yáng)塵量極小）、能替代傳統(tǒng)炸藥（炸藥屬于民爆產(chǎn)品受到嚴(yán)格監(jiān)控）、以及爆破后不需要檢炮等優(yōu)勢(shì)，在對(duì)生產(chǎn)安全、環(huán)保要求日益嚴(yán)苛的今天，二氧化碳致裂設(shè)備迅速突破煤礦施工領(lǐng)域，在采石、隧道、鐵礦、壕溝、城建、水下

圖1 煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司研發(fā)的二氧化碳致裂器獲國(guó)家礦用安全標(biāo)志證書[3]

3 設(shè)備工作原理及主要部件

二氧化碳液氣相變裂巖器的原理如圖2所示：利用液態(tài)二氧化碳吸熱體積瞬間膨脹的原理，將液態(tài)二氧化碳通過高壓低溫充裝設(shè)備注入到二氧化碳儲(chǔ)液鋼管（也稱致裂主管）內(nèi)，裝入泄壓釋能片、發(fā)熱裝置和密封圈，并保持儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳?jí)毫υ?～9MPa。將致裂管和起爆器通過電源線連接，把致裂管插入鉆孔中固定好，啟動(dòng)起爆器，觸發(fā)加熱裝置產(chǎn)生大量熱量，使管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化（二氧化碳液、氣變化臨界溫度：31.06℃，臨界壓力：7.383 MPa，當(dāng)溫度高于31℃時(shí)液態(tài)二氧化碳會(huì)迅速氣化），體積膨脹600倍，當(dāng)管內(nèi)氣體壓力超過泄壓釋能片極限強(qiáng)度（可設(shè)定）時(shí)，氣體沖破泄壓釋能片，從泄能孔釋放出來，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的氣團(tuán)沖擊力，沿著目標(biāo)體自然裂隙沖開物料并將其推離主體，從而達(dá)到預(yù)裂松動(dòng)的目的。致裂管每次使用后可以裝填新的加熱裝置（發(fā)熱劑）、泄壓釋能片，充裝液態(tài)二氧化碳再次使用。具體施工工藝如圖3所示。

二氧化碳液氣相變裂巖設(shè)備主要組件由致裂主管、加熱裝置、泄能組件、充氣組件、泄能釋能片、其他輔助設(shè)備等組成，具體零部件的外形如圖4所示。

圖2 煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院發(fā)布的二氧化碳致裂器工作原理示意圖[3]

圖3 煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院發(fā)布的二氧化碳致裂器施工工藝流程圖[3]

圖4 二氧化碳致裂器主要部件

（1）致裂主管（致裂管），是高強(qiáng)度可重復(fù)使用的鋼管，耐高壓、高溫管狀容器，用于儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳。部件外形見圖5，部件構(gòu)成見圖6。

圖5 致裂主管

圖6 致裂主管組裝圖

（2）加熱裝置（發(fā)熱管），由有啟爆器、化學(xué)發(fā)熱材料、PVC或者牛皮紙包裝物組成，是提供熱量的裝置。其中發(fā)熱材料是幾種化工材料配制而成，它在空氣中具有難燃性，即常溫常壓下無法明火點(diǎn)燃或引爆。需在一定的均勻圍壓下方可引燃，可根據(jù)致裂管充裝液態(tài)二氧化碳變氣體所需熱量值調(diào)整熱源劑量。部件外形見圖7，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖8。

圖7 加熱裝置

圖8 加熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（3）泄能組件，用于固定泄能釋能片 ，封閉氣體，高壓氣體釋放孔，施工中可根據(jù)情況使用不同方向的釋放孔。部件外形見圖9。

圖9 泄能組件

（4）充氣組件（充裝機(jī)和充裝臺(tái)），封閉氣體，是液態(tài)二氧化碳進(jìn)入儲(chǔ)液鋼管的開關(guān)，連接導(dǎo)通加熱裝置電路組件。部件外形見圖10。

圖10 充氣組件

（5）泄能釋能片，是控制釋放氣體壓力的組件，使用不同規(guī)格的剪切片可得到不同釋放壓力。

（6）其他輔助設(shè)備有液態(tài)二氧化碳充裝機(jī)，用于向儲(chǔ)液鋼管充裝液態(tài)二氧化碳。主要由以下幾部分組成：

①杜瓦罐 （儲(chǔ)液罐），用于儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳。部件外形見圖11。

圖11 杜瓦罐

②旋緊系統(tǒng)，主要由氣扳機(jī)和空壓機(jī)組成，用于致裂管兩端充氣組件、泄能組件的拆解組裝。見圖12。

4 設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

二氧化碳致裂設(shè)備相較于傳統(tǒng)的炸藥爆破，產(chǎn)生的振動(dòng)微弱，破壞力很小，因此對(duì)于保護(hù)建筑物等具有天然的優(yōu)勢(shì)。具體表現(xiàn)在：

圖12 旋緊系統(tǒng)

①工作介質(zhì)：CO2，無色、無味、無毒，不助燃，來源廣泛，成本低廉；

②工作狀況：可控，弱聲波、微振動(dòng)、無飛石，不污染環(huán)境，無火花、無毒害氣體等；

③致裂效率：?jiǎn)吸c(diǎn)每天可開挖1000立方以上；

④開采成本：針對(duì)不同巖質(zhì)工況，情況不一，總體上說，略高于爆破，低于機(jī)械破碎；

⑤操作程序：操作安裝簡(jiǎn)單，但需要按操作要求操作，接受專業(yè)培訓(xùn)；

⑥適用范圍：環(huán)境復(fù)雜，不宜爆破的石方開挖。

起爆至結(jié)束整個(gè)過程只需0.4毫秒，且是低溫下運(yùn)行，不受高溫、高熱、高濕、高寒影響。在井下爆破時(shí)對(duì)瓦斯具有稀釋作用，無震蕩，無粉塵。二氧化碳不屬于易燃易爆物質(zhì)，爆破過程就是體積膨脹的過程，物理做功而非化學(xué)反應(yīng)。

目前，國(guó)際上約有140多個(gè)國(guó)家應(yīng)用過CO2破巖技術(shù)，主要應(yīng)用在以下方面：（1）煤礦礦山開采；（2）隧道掘進(jìn)；（3）石材開采；（4）城市基坑開挖；（5）水下爆破；（6）巖石二次分解；（7）管道疏通；（8）豎井開挖和溝槽開挖。

在國(guó)內(nèi)，除了煤礦應(yīng)用外，在非煤露天礦山開采、管道疏通、水泥除垢、城市基坑開挖等應(yīng)用比較廣泛，名貴石材開采、隧道掘進(jìn)和地鐵建設(shè)等也開始逐步地應(yīng)用推廣并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

5 設(shè)備在工程實(shí)地中的使用概況

5.1 河北武安工業(yè)園區(qū)

河北武安工業(yè)園區(qū)青龍山智能裝備制造產(chǎn)業(yè)園定位是：國(guó)家級(jí)智能裝備制造產(chǎn)業(yè)基地、國(guó)家級(jí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范基地、中國(guó)精密鑄造基地、華北地區(qū)重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件研發(fā)生產(chǎn)基地、華北新型材料研發(fā)生產(chǎn)基地。該基地產(chǎn)能規(guī)模1000萬噸、產(chǎn)值一千億元。產(chǎn)業(yè)園總規(guī)劃面積15平方公里。由于產(chǎn)業(yè)園毗鄰市區(qū)，不允許爆破施工。因此，二氧化碳致裂施工法得到了大顯身手的機(jī)會(huì)。

該產(chǎn)業(yè)園簽約了格力電器等高新技術(shù)企業(yè)（見圖13），堅(jiān)持“大眾產(chǎn)品高品質(zhì)化、高端產(chǎn)品市場(chǎng)化”。該產(chǎn)業(yè)園的成功建設(shè)，將成為華北地區(qū)的一張高科技產(chǎn)業(yè)集群方面的名片，產(chǎn)業(yè)園施工現(xiàn)場(chǎng)見圖14。因此二氧化碳致裂施工法在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，具有十分典型的示范意義。

圖13 河北武安工業(yè)園區(qū)簽約格力電器

圖14 產(chǎn)業(yè)園施工現(xiàn)場(chǎng)

二氧化碳致裂器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見圖15。二氧化碳致裂器現(xiàn)場(chǎng)組裝見圖16、圖17。用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況見圖18、圖19。

5.2 貴州貝勒煤礦

2013年在貴州貝勒煤礦進(jìn)行的煤層深孔預(yù)裂增透、提高瓦斯抽采率實(shí)驗(yàn)中，預(yù)裂深度達(dá)100米，同時(shí)進(jìn)行了高瓦斯突出煤層工作面快速掘進(jìn)、落煤、煤（巖）巷道掘進(jìn)（揭石門）、硬頂煤綜合工作面強(qiáng)制放頂、消除突出危險(xiǎn)性沖擊地壓、巷道底鼓修復(fù)等工作。這些實(shí)驗(yàn)均達(dá)到了各項(xiàng)指標(biāo)要求，解決了多年困擾煤礦安全的許多問題。國(guó)家煤礦防爆安全設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（遼寧撫順），對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果認(rèn)定該設(shè)備及附屬裝置在可爆炸瓦斯氣體（CH4）中使用時(shí)不會(huì)點(diǎn)燃引爆瓦斯，能夠達(dá)到煤礦井下安全性能指標(biāo)。

圖15 二氧化碳致裂器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

圖16 二氧化碳致裂器現(xiàn)場(chǎng)組裝

圖17 二氧化碳致裂器現(xiàn)場(chǎng)組裝

圖18 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況

圖19 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情況

2016年9月下旬在廣州佛山地鐵石灣站口實(shí)驗(yàn)施工，10月在廣州市地鐵天河公園站口實(shí)驗(yàn)，地鐵口處于鬧市區(qū)，車輛、行人距離施工點(diǎn)不足20米且正常通行，對(duì)于使用炸藥有一定的安全隱患，利用該設(shè)備則順利完成了實(shí)驗(yàn)施工作業(yè)。

2017年6月在湖南省益陽(yáng)市（中交二航局）濱江隧道實(shí)驗(yàn)施工作業(yè)，政府重點(diǎn)工程，該隧道山體傾斜、砂巖石、5級(jí)圍巖，距離資江30米，隧道山體最薄處80厘米左右，上拱11米、寬14米，六部開挖法，隧道上面是益陽(yáng)自來水廠不足10米。利用該設(shè)備完全滿足了施工進(jìn)度和安全要求，經(jīng)測(cè)試5米遠(yuǎn)距離震動(dòng)能量0.02、聲音是90分貝。

2017年5月與中國(guó)石油（天津）東方地球物理勘探有限公司合作，利用 “二氧化碳致裂器”73#、90#型號(hào)管在天津南港區(qū)進(jìn)行了石油勘探實(shí)驗(yàn)，目的是為了發(fā)展新式震源，實(shí)現(xiàn)地震勘探震源的多樣性，檢驗(yàn)“二氧化碳致裂器”震源在本地區(qū)的激發(fā)效果。實(shí)驗(yàn)取得了成功，初步達(dá)到預(yù)期目的。

湖北某大型水泥廠使用該設(shè)備清堵已有兩年了，在水泥生產(chǎn)中，有很多地方容易發(fā)生結(jié)拱、堵塞和結(jié)皮現(xiàn)象。為了清理堵料，很多時(shí)候需要停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，工人進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部才能進(jìn)行清理，高溫和物料塌落威脅著工人的生命安全。利用二氧化碳液氣相變技術(shù)可以在不需要停機(jī)冷卻的情況下對(duì)預(yù)熱器、蓖冷機(jī)、粘土倉(cāng)、鐵粉倉(cāng)、水泥庫(kù)、均化庫(kù)等常見堵料位快速清理，從而保障人員安全和機(jī)器設(shè)備的正常生產(chǎn)。

無論是谷類、面粉、玉米、大豆、食糖、食鹽、水泥、石膏、煤、肥料、催化劑、礦石、火藥等物料清理均可以使用。

6 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)的AIRDOX公司最早于1938年開始研究高壓氣體爆破，到上世紀(jì)50～60年代，世界上一些采礦比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，如英、法、美、俄、波蘭、挪威等國(guó)已將高壓氣體爆破采煤設(shè)備用于采煤工作面。英國(guó)CARDOX公司開發(fā)研制的液態(tài)CO2相變致裂裝置，早期主要作為一種代替炸藥的采煤器，既能提高塊煤率，也不會(huì)引起瓦斯爆炸，曾獲得英國(guó)安全與健康理事會(huì)關(guān)于該設(shè)備為非爆品的認(rèn)證。上世紀(jì)80年代，該技術(shù)迅速發(fā)展，逐步應(yīng)用到爆破震源、金屬制品成型、地下礦山、露天礦山開采等領(lǐng)域，成為一種有潛力的新型爆破器材。

上世紀(jì)90年代，我國(guó)煤礦開始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)；21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)開始生產(chǎn)，但主要部件依靠進(jìn)口；隨著煤礦對(duì)該技術(shù)的淘汰，慢慢移植到露天巖石破碎領(lǐng)域。

2014年以來，將CO2液氣相變裂巖設(shè)備應(yīng)用于露天巖石開采的網(wǎng)絡(luò)報(bào)道日漸增多，內(nèi)容涉及產(chǎn)品作用原理、結(jié)構(gòu)組成、操作使用、作業(yè)流程及應(yīng)用案例等，尤以成功案例演示居多，但也出現(xiàn)了很多意外事故。從市面上了解到的信息看，二氧化碳液氣相變裂巖技術(shù)在國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)出兩多的發(fā)展態(tài)勢(shì)，即廠家多，種類多樣。截止到2017年上半年，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)在國(guó)內(nèi)各省參與該行業(yè)企業(yè)分布情況如下：

河北4家；北京3家；山東7家；湖北2家；湖南4家；廣東2家；山西2家；浙江3家；福建2家；重慶1家；四川1家；致裂管種類分為重復(fù)使用型和一次性使用型。重復(fù)使用型“二氧化碳致裂器”，主要由儲(chǔ)液管、充氣頭、泄能裝置、加熱裝置等組成，做功后只需更換少數(shù)零部件、如活化器、泄能片等，重新充裝入液態(tài)二氧化碳，即可再次使用；一次性“二氧化碳致裂器”，主要由儲(chǔ)液管、充液閥、發(fā)熱裝置等組成，爆破后管體即做廢品處理，兩者的作用機(jī)理一樣，都是利用二氧化碳?xì)怏w做功，但是一次性二氧化碳致裂器存在很大安全隱患，已經(jīng)被禁止使用。

7 設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)探討

二氧化碳液氣相變裂巖技術(shù)在工程實(shí)踐中得到了初步推廣和應(yīng)用，從理論上講，這項(xiàng)新技術(shù)是為了更加安全更加方便巖體破碎施工，是一項(xiàng)綠色環(huán)保技術(shù)，解決一部分炸藥雷管不能使用的工況或工程，但在實(shí)踐中，這項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)一部分無序發(fā)展，也帶來一些不安全的社會(huì)隱患，為了更安全合理有序發(fā)展應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品，國(guó)家出臺(tái)相應(yīng)的管理規(guī)范及監(jiān)管條例是必然的。

相變裂巖技術(shù)主要為機(jī)械設(shè)備部分和加熱裝置兩大部分組成，機(jī)械設(shè)備部分相對(duì)安全管控容易些，也基本不具備社會(huì)安全危害性，可以由相關(guān)的行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相關(guān)質(zhì)監(jiān)部門監(jiān)管。

加熱裝置中的熱源劑是這項(xiàng)技術(shù)設(shè)備的重點(diǎn)部分，也是國(guó)家危化品監(jiān)管的部分，熱源劑相對(duì)民爆火工品是更安全的產(chǎn)品，但由于內(nèi)含有高氯化物（高氯酸鉀）也屬于管控物品，仍需要國(guó)家監(jiān)管其生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯藏、使用，以確保使用人員安全與社會(huì)公共安全！

8 結(jié)束語(yǔ)

二氧化碳液氣相變裂巖技術(shù)是爆破工程領(lǐng)域誕生的新技術(shù)，是傳統(tǒng)爆破的有效補(bǔ)充，尤其是適合于特殊工況作業(yè)，如城市市政工程施工、城區(qū)隧道施工、城市地鐵、道路施工，以及距離文物景點(diǎn)、水利設(shè)施較近的施工現(xiàn)場(chǎng)，能發(fā)揮最佳效果，對(duì)減少公共安全事故有極大的作用。隨著國(guó)家建設(shè)的飛速發(fā)展，相信二氧化碳液氣相變技術(shù)會(huì)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

甘肅·天水·仙人崖