CO2相變致裂應(yīng)力波傳播及影響規(guī)律試驗(yàn)研究*

何志堅(jiān)，張?jiān)娡?2，蔣 楠,3，羅學(xué)東,3，雷 宇

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.綠城中國(guó)控股有限公司，杭州 310012；3.江漢大學(xué) 爆破工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430024)

炸藥爆破因其復(fù)雜的物理化學(xué)過程、瞬間釋放大量能量等特點(diǎn)，易產(chǎn)生振動(dòng)、噪音、空氣污染等危害，雖仍普遍在工程中使用，但在易燃易爆環(huán)境或敏感復(fù)雜區(qū)域工程等復(fù)雜環(huán)境中無(wú)法很好地發(fā)揮其效果，而CO2相變致裂技術(shù)作為一種安全、環(huán)保的非炸藥爆破技術(shù)，在上述特殊復(fù)雜環(huán)境中使用效果較好，可大幅提高施工效率。CO2相變致裂破巖技術(shù)利用二氧化碳液-氣相變的膨脹能對(duì)巖石介質(zhì)做功，作用過程無(wú)火花，相變產(chǎn)物為無(wú)害、阻燃?xì)怏w，是一種環(huán)境友好型的綠色爆破技術(shù)。近年來，由于CO2相變致裂技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在煤層增透、礦山開采、水利水電工程、城市基坑開挖、隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域中得到廣泛使用[1-5]。

CO2相變致裂破巖應(yīng)力波的研究是目前工程爆破領(lǐng)域的熱門研究課題。Singh提出了貫通式錐形裂紋破碎原理[6]，認(rèn)為在高壓CO2氣體作用下，巖體內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)，巖體在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，并迅速朝向自由面方向發(fā)展，最終在巖石中形成錐形裂紋，該破巖方式效率高且飛石少。謝曉峰等將PDVF薄膜傳感器放置在管壁和卸能頭空腔內(nèi)[7]，測(cè)量CO2相變射流壓力曲線，表明CO2相變荷載為類似炸藥爆破的近三角形，但是荷載峰值遠(yuǎn)低于炸藥爆破荷載峰值。陶明等對(duì)比分析了CO2相變致裂破巖與傳統(tǒng)炸藥爆破的區(qū)別[8]，認(rèn)為CO2相變致裂破巖不會(huì)產(chǎn)生類似炸藥爆破的強(qiáng)沖擊波，極大程度上提高了破巖能量利用率。孫可明等通過CO2相變致裂實(shí)驗(yàn)[9,10]，認(rèn)為CO2相變致裂破巖過程是應(yīng)力波和高壓CO2氣體聯(lián)合作用過程，應(yīng)力波作用將致裂孔周圍巖體壓碎形成壓碎區(qū)和初始導(dǎo)向裂紋，隨著時(shí)間的推移，高壓CO2氣體進(jìn)入裂紋中產(chǎn)生氣楔作用，使裂紋二次擴(kuò)展形成裂隙區(qū)。肖誠(chéng)旭等為提高CO2相變致裂破巖威力[11]，使用多組不同CO2充裝量、剪切片厚度和活化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出只改變單一變量的情況下，改變剪切片厚度，對(duì)CO2相變致裂破巖威力影響最大。

到目前為止，研究學(xué)者普遍認(rèn)為CO2相變致裂破巖是應(yīng)力波和高壓CO2氣體聯(lián)合作用下的巖體裂紋擴(kuò)展行為，應(yīng)力波在巖體內(nèi)的傳播規(guī)律和應(yīng)力波的影響規(guī)律的研究仍未明晰，極大阻礙了對(duì)CO2相變致裂破巖機(jī)理的研究。本文基于自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試裝置，設(shè)計(jì)了CO2相變致裂應(yīng)力波測(cè)試方案，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集CO2相變致裂過程中的應(yīng)變信號(hào)，分析CO2相變激發(fā)的應(yīng)力波在巖體中的傳播及影響規(guī)律，研究成果對(duì)于CO2相變致裂破巖機(jī)理的深入研究具有重要的指導(dǎo)作用。

1 CO2相變致裂應(yīng)力波測(cè)試原理

CO2相變致裂器是CO2相變致裂破巖技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，如圖1所示。此裝置通過使活化器通電產(chǎn)生大量熱量，儲(chǔ)液管中液態(tài)CO2不斷吸熱轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)，同時(shí)管內(nèi)壓力不斷增大。當(dāng)管內(nèi)壓力增大至定壓剪切片額定壓力時(shí)，剪切片被高壓沖破，管內(nèi)超臨界態(tài)CO2瞬間卸壓膨脹，轉(zhuǎn)化為高壓氣體從泄爆頭沖出，從而破壞致裂器周圍巖石，達(dá)到破巖目的[12]。

圖 1 CO2相變致裂器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of CO2 phase transition cracker

CO2相變致裂激發(fā)的應(yīng)力波在巖體中的傳播特點(diǎn)，可用應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)拧⒓铀俣萢以及位移s來表征，上述參數(shù)值在巖體中隨時(shí)空變化，且能互相轉(zhuǎn)化[13]。利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)采集測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)，再通過計(jì)算得到應(yīng)力是目前常用的一種應(yīng)力波測(cè)試手段[14]。因此，為測(cè)量CO2相變致裂作用下巖體內(nèi)部受到復(fù)雜的應(yīng)力作用，本試驗(yàn)使用石膏、鋼管、應(yīng)變片等材料，制作了一種可以測(cè)試三向應(yīng)變的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試計(jì)，如圖2(a)所示，隨后將其埋入預(yù)先鉆好的測(cè)試孔內(nèi)，保證應(yīng)變片與致裂器射流面處于同一深度且x方向指向致裂器，如圖2(b)所示。

圖 2 三向動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試計(jì)實(shí)物圖Fig. 2 Three-dimensional dynamic strain material object diagram

2 CO2相變致裂應(yīng)力波測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于湖北省鄂州市，試驗(yàn)對(duì)象為紅砂巖，其基本質(zhì)量等級(jí)以Ⅳ級(jí)為主，單軸抗壓強(qiáng)度約為31 MPa，無(wú)節(jié)理裂紋發(fā)育。為滿足原位測(cè)試要求，測(cè)試前對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地巖體進(jìn)行了平整切割，使自由面基本位于同一高程上，保證應(yīng)力波測(cè)試時(shí)場(chǎng)地足夠平整開闊，以減小地形不平整帶來的試驗(yàn)誤差。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地圖如圖3所示。

圖 3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地Fig. 3 Field test site

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究CO2相變激發(fā)的應(yīng)力波傳播與影響規(guī)律，定義射流方向?yàn)镸向，垂直于射流方向?yàn)镾向，在沿射流方向和垂直于射流方向距致裂孔不同距離處的巖體中埋設(shè)自制動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試計(jì)，對(duì)二氧化碳相變激發(fā)的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集，計(jì)算分析應(yīng)力波參數(shù)，從而研究應(yīng)力波在巖體中的傳播與影響規(guī)律。其中，液態(tài)CO2充裝量為750 g，定壓剪切片厚度為3.5mm，孔深90 cm，孔徑115 mm，測(cè)點(diǎn)距離致裂孔中心線的距離分別為2 m、4 m、8 m、10 m、12 m，如圖4所示。測(cè)試時(shí)，保證CO2相變致裂射流方向與M方向一致，即致裂管導(dǎo)氣孔連線與M方向重合。

圖 4 致裂孔與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系圖(單位：m)Fig. 4 The diagram of relationship between fracturing hole and monitoring point position(unit:m)

3 CO2相變致裂應(yīng)力波測(cè)試結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力波傳播規(guī)律分析

3.1.1 應(yīng)變波形分析

利用DHDAS動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集波形數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，得到測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。以典型的M1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，應(yīng)變時(shí)程曲線如圖5所示，應(yīng)變正值代表應(yīng)變片受拉產(chǎn)生拉應(yīng)變，應(yīng)變負(fù)值表示應(yīng)變片受壓產(chǎn)生壓應(yīng)變[15]。

由圖5可知，M1監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑向(X向)和垂向(Z向)上產(chǎn)生壓應(yīng)變，切向(Y向)產(chǎn)生拉應(yīng)變，垂向峰值應(yīng)變最大，徑向峰值應(yīng)變次之，切向峰值應(yīng)變最小。應(yīng)變信號(hào)中，0.1 s附近區(qū)間，三個(gè)方向上應(yīng)變信號(hào)發(fā)生突躍，表明應(yīng)力波在此時(shí)傳播到測(cè)點(diǎn)位置，使得測(cè)點(diǎn)徑向和垂向受到壓應(yīng)力的作用，而切向受到拉應(yīng)力作用。隨后應(yīng)變逐漸減小，但未減小至0，說明應(yīng)力波通過測(cè)點(diǎn)后，測(cè)點(diǎn)位置處的石膏應(yīng)變磚進(jìn)入塑性變形階段，其變形不能回到初始階段，存在殘余變形。

圖 5 M1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線Fig. 5 Strain time-history curve of monitoring point M1

3.1.2 峰值應(yīng)力衰減規(guī)律分析

假設(shè)試件的三個(gè)主應(yīng)變分別為εx、εy和εz，根據(jù)廣義胡克定理，試件三個(gè)方向的主應(yīng)力σx、σy和σz分別為

(1)

式中:E為被測(cè)試件的動(dòng)彈性模量；μ為被測(cè)試件材料的動(dòng)泊松比；θ為體積應(yīng)變，θ=ε1+ε2+ε3。原位試驗(yàn)中石膏應(yīng)變磚動(dòng)彈性模量E為400 MPa，動(dòng)泊松比μ為0.3。

結(jié)合表1、表2和圖6可知，兩方向上各點(diǎn)優(yōu)勢(shì)應(yīng)力方向均為垂向，徑向峰值應(yīng)力略大于切向峰值應(yīng)力，并且隨傳播距離的增大，M方向和S方向的峰值應(yīng)力均呈指數(shù)型衰減，兩方向峰值應(yīng)力擬合關(guān)系式如表3所示。對(duì)比M方向和S方向峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，CO2相變致裂峰值應(yīng)力大小存在明顯的方向差異，主要原因?yàn)槭蹸O2相變致裂器特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)影響，高壓CO2氣體從導(dǎo)氣孔射流而出時(shí)，高壓氣體高速?zèng)_擊與之正對(duì)的炮孔孔壁，所以射流方向受到了更大的沖擊力。

圖 6 峰值應(yīng)力隨爆心距的變化情況Fig. 6 Variations of peak stress with blasting center distance

表 1 射流方向各測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力

表 2 垂直于射流方向各測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力

表 3 峰值應(yīng)力隨爆心距變化擬合關(guān)系式

3.2 應(yīng)力波影響規(guī)律分析

由于二氧化碳相變致裂射流方向上峰值應(yīng)力更大，在原有試驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，取致裂器射流方向上距離炮孔2 m位置，即圖4中M1點(diǎn)位處布置自制應(yīng)變測(cè)試計(jì)。本次實(shí)驗(yàn)分別探究CO2充裝量與剪切片厚度對(duì)CO2相變激發(fā)的應(yīng)力波峰值的影響，因此選取CO2充裝量與剪切片作為變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中CO2相變致裂器的管長(zhǎng)分別為75 cm、90 cm、105 cm、120 cm，CO2充裝量分別為585 g、750 g、870 g、960 g；剪切片厚度選取1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm；孔深90 cm，孔徑115 mm，不同型號(hào)的二氧化碳相變致裂器利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)變信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為應(yīng)力進(jìn)行分析。

3.2.1 CO2充裝量對(duì)應(yīng)力波峰值的影響

此次實(shí)驗(yàn)選取四種不同型號(hào)的CO2致裂器和厚度為3.5 mm的定壓剪切片，以探究不同CO2充裝量對(duì)應(yīng)力波峰值的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)場(chǎng)地四次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)變，利用式(1)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力隨二氧化碳充裝量的變化如圖7所示。

圖 7 峰值應(yīng)力隨二氧化碳充裝量變化情況Fig. 7 Variations of peak stress with CO2 filling amount

由圖7可知，峰值應(yīng)力隨著CO2充裝量的增加而增大，但增大幅度逐漸減小，原因是定壓剪切片的存在限制了峰值應(yīng)力閾值，若僅增大CO2充裝量，必然會(huì)對(duì)CO2相變致裂破巖能量造成極大的浪費(fèi)。由上述結(jié)論可知CO2充裝量并非影響峰值應(yīng)力的唯一因素，單純?cè)黾覥O2充裝量無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效破巖，定壓剪切片厚度對(duì)CO2相變致裂峰值應(yīng)力的影響不可忽視。為進(jìn)一步提高CO2相變致裂破巖效率，需研究定壓剪切片厚度對(duì)CO2相變致裂應(yīng)力波峰值應(yīng)力的影響。

3.2.2 剪切片厚度對(duì)應(yīng)力波峰值的影響

此次實(shí)驗(yàn)選取三種不同厚度的剪切片和管長(zhǎng)為90 cm的CO2相變致裂器，以探究不同剪切片厚度對(duì)應(yīng)力波峰值的影響規(guī)律。為滿足單一變量的條件，在充裝前后稱取致裂器的重量，保證三次試驗(yàn)CO2充裝量一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)場(chǎng)地三次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)變，利用式(1)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力隨剪切片的厚度變化如圖8所示。

圖 8 峰值應(yīng)力隨剪切片厚度變化情況Fig. 8 Variations of peak stress with shear slice thickness

由圖8可知，CO2充裝量一定時(shí)，隨著剪切片厚度的增大，試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)峰值應(yīng)力均在增大，并呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。產(chǎn)生此結(jié)果的原因是儲(chǔ)液管中高壓CO2需破壞剪切片才能從泄爆頭處沖出，從而對(duì)周圍巖體產(chǎn)生沖擊作用，當(dāng)剪切片越厚，破壞剪切片后初始應(yīng)力也就越大，在CO2致裂器周邊固定位置處監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力波峰值應(yīng)力也就越大。因此定壓剪切片的厚度決定了CO2相變致裂應(yīng)力波峰值應(yīng)力的大小，故理論上剪切片越厚，峰值應(yīng)力則越大，反之則越小。

4 結(jié)論

(1)基于自主研發(fā)的三向應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，得到了二氧化碳相變致裂應(yīng)變波形數(shù)據(jù)，其中2 m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑向和垂向上產(chǎn)生壓應(yīng)變，切向產(chǎn)生拉應(yīng)變，且垂向峰值應(yīng)變最大，徑向峰值應(yīng)變次之，切向峰值應(yīng)變最小。

(2)根據(jù)射流方向和垂直于射流方向峰值應(yīng)力隨爆心距的變化情況，兩個(gè)方向的峰值應(yīng)力隨傳播距離的增大均呈指數(shù)型衰減，且射流方向的峰值應(yīng)力明顯大于垂直于射流方向的峰值應(yīng)力。

(3)CO2充裝量與定壓剪切片厚度均對(duì)CO2相變致裂應(yīng)力波的峰值應(yīng)力有影響。定壓剪切片厚度一定時(shí)，峰值應(yīng)力隨著CO2充裝量的增加而增大，但增大速率逐漸降低； CO2充裝量一定時(shí)，峰值應(yīng)力隨著剪切片厚度的增加而增大，且呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。