致裂器對(duì)液態(tài)CO2相變破巖的功效影響分析

肖 婷，歐玉峰

(廣東中人工程集團(tuán)有限公司，廣州 510515)

液態(tài)CO2相變破巖主要依靠相變產(chǎn)生的氣體膨脹對(duì)外做功來實(shí)現(xiàn)[1]。與傳統(tǒng)的炸藥爆破方式不同，CO2本身無毒、無害，其液-氣相變是吸熱過程，不發(fā)光、發(fā)熱，也無新的產(chǎn)物生成，而且其相變破巖產(chǎn)生的粉塵少、飛石少、振動(dòng)小、振動(dòng)波頻率低、衰減慢，對(duì)環(huán)境影響小[2-3]，在環(huán)保和安全方面具有明顯的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

近年來在我國鐵路、公路、市政、礦山、水利等工程爆破領(lǐng)域中液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)得到了廣泛推廣應(yīng)用。在應(yīng)用中均采用“鉆爆法”破巖工藝，即通過對(duì)擬破巖體進(jìn)行鉆孔，再在鉆好的炮孔內(nèi)裝埋致裂器并使其處于做功態(tài)，激發(fā)孔內(nèi)的致裂器，使裝在其內(nèi)的CO2相變進(jìn)行做功破巖。而傳統(tǒng)裝藥“鉆爆法”，涉及嚴(yán)格而繁瑣的審批手續(xù)，在環(huán)境復(fù)雜或安全敏感區(qū)域施工受限，同時(shí)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)比來看，CO2相變破巖優(yōu)勢(shì)不言而喻。實(shí)踐表明，所使用的致裂器不同，其破巖功效不盡相同，甚至出現(xiàn)因致裂器選用不當(dāng)造成破巖失敗的結(jié)果。因此，需要深入分析致裂器因素對(duì)CO2相變破巖的功效影響，進(jìn)一步促進(jìn)液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)。

1 液態(tài)CO2相變工作的工況分析

1.1 液態(tài)CO2相變的質(zhì)能與做功關(guān)系

液態(tài)CO2相變做功過程由激發(fā)管內(nèi)化學(xué)藥劑，在引火頭發(fā)火激發(fā)作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放熱能和CO2吸熱發(fā)生液-氣相變并對(duì)外做功兩個(gè)過程組成[4-5]。將CO2相變過程理想化，忽略重力影響和激發(fā)管內(nèi)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)放熱過程，激發(fā)管釋放的熱能按“零能平衡”處理，即激發(fā)管內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)所放的熱，剛好能夠?qū)⑺渲铝压軆?nèi)的液態(tài)CO2完全相變氣化，這時(shí)，CO2相變致裂破巖過程，可視為氣體膨脹對(duì)外做功的過程。將液態(tài)CO2裝管后并嚴(yán)密填塞的炮孔，看成閉口系統(tǒng)，便可采用熱力學(xué)進(jìn)行分析[6]，此時(shí)進(jìn)入和離開系統(tǒng)的能量只包括熱量和作功兩項(xiàng)。顯然，“零能平衡”條件下，激發(fā)管釋放的熱能等于致裂管內(nèi)的CO2液-氣相變內(nèi)能增加與其對(duì)外所做的功之和，即：

(1)

式中：Q為激發(fā)管釋放的熱能，J；ΔU為CO2液-氣相變內(nèi)能增加，即相變氣化熱，J；P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，m3；Ⅰ 為氣體做功前初始狀態(tài)；Ⅱ 為氣體做功后狀態(tài)(常態(tài))。

理想狀態(tài)下液態(tài)CO2相變對(duì)外所做的功由氣體泄充動(dòng)能和體積膨脹能2部分組成[6-8 ]

由動(dòng)力學(xué)沖量守恒定律可得出氣體泄充動(dòng)能(Ec)為

(2)

式中：Ec為氣體泄充動(dòng)能，J；m為氣體質(zhì)量，kg；S為氣體對(duì)周圍約束的作用面積，m2；P為氣體壓強(qiáng)，Pa，N；t1為液態(tài)CO2剛開始?xì)饣瘯r(shí)對(duì)周圍約束的作用時(shí)間，s，取0；t2為氣體充泄對(duì)周圍約束的作用時(shí)間，即液態(tài)CO2完全氣化的時(shí)間，s。

由式(2)可得：

(3)

式中符號(hào)同式(2)。

理想狀態(tài)下，視相變前后溫度恒定，液態(tài)CO2相變體積膨脹能變化(Eh)狀態(tài)，符合氣體克拉伯龍方程形式[6-8]下的變化狀態(tài)，即：

(4)

式中：Eh為體積膨脹能,J；m為氣體質(zhì)量，kg；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；V為氣體體積，m3；T為氣體溫度，K；R為常數(shù)，R= 8.34 Pa·m3·mol-1·k-1。

由式(3)式容易得出：

(5)

式中符號(hào)同式(4)。

式(2)、式(3)表明，在閉口系統(tǒng)下，液態(tài)CO2相變的氣體泄充對(duì)外做功能力與其質(zhì)量成反比。這與封閉條件下參與相變的質(zhì)量越大，氣化產(chǎn)生的氣體越多，對(duì)氣體泄充形成的阻力越大，氣體泄充的做功能力越弱的實(shí)際相符。

式(4)、式(5)表明，在閉口系統(tǒng)下，液態(tài)CO2相變體積膨脹能變化對(duì)外做功的能力，與其質(zhì)量成正比。

上述分析表明：當(dāng)液態(tài)CO2質(zhì)量小，其相變對(duì)外做功能力也較小，并且主要以氣體泄充對(duì)外做功為主。當(dāng)液態(tài)CO2質(zhì)量較大，其相變對(duì)外做功能力也大，而且主要以相變體積膨脹能變化對(duì)外做功為主。

1.2 致裂器的作用

致裂器，是指存儲(chǔ)CO2并讓其在此受熱發(fā)生液-氣相變，同時(shí)對(duì)外做功的裝置，主要由激發(fā)管(也稱供熱管、活化管)和致裂管(也稱儲(chǔ)液管)組成[ 9]。

激發(fā)管是可內(nèi)置于致裂管內(nèi)為管內(nèi)CO2發(fā)生液-氣相變提供熱能的裝置。目前國內(nèi)主流激發(fā)管采用裝配式結(jié)構(gòu)，由管殼、管內(nèi)化學(xué)藥劑和引火頭組成[10]，其外形與結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)這種激發(fā)管的圍壓達(dá)到反應(yīng)條件壓強(qiáng)值時(shí)，化學(xué)藥劑在引火頭的發(fā)火激發(fā)作用下迅速反應(yīng)，并瞬間釋放出大量熱能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2相變的供熱。

致裂管是用于內(nèi)置激發(fā)管與CO2的重要裝置。按工藝使用分，國內(nèi)主流致裂管可分為重復(fù)性使用管、孔外充氣一次性管和孔內(nèi)充氣一次性管3種。

工程應(yīng)用表明，致裂器是CO2相變破巖的核心裝置，直接決定CO2參與相變破巖的質(zhì)量。致裂管的容量越大，可存儲(chǔ)的CO2便越多，參與相變破巖的CO2就越多，其做功的能力也越大。因此，致裂器對(duì)CO2相變破巖的影響是內(nèi)在的，根本性的，是本質(zhì)影響。故而，致裂器本身狀態(tài)對(duì)CO2相變破巖就顯得至關(guān)重要。

2 致裂管適配性影響分析

目前國內(nèi)不同規(guī)格的致裂管，其內(nèi)裝液態(tài)CO2的額定質(zhì)量是不同的。因此，激發(fā)管與致裂管的配置，亦即致裂器內(nèi)裝的藥劑質(zhì)量與液態(tài)CO2質(zhì)量配比，對(duì)破巖成效至關(guān)重要，其配比得當(dāng)，可使破巖獲得最佳功效，而其配比與最佳配比的差異越大，破巖功效越低。當(dāng)其配比超出極限范圍時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致破巖失敗或失控。

實(shí)踐中，激發(fā)管一經(jīng)出廠便定型，內(nèi)裝藥劑是定量的，誤差一般不超過±1% 。而致裂管內(nèi)裝的CO2，一般在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)充裝，受環(huán)境、操作及充裝設(shè)備等因素的影響，其質(zhì)量差異較大，通常需通過稱重計(jì)量來準(zhǔn)確把控和確定致裂管內(nèi)裝CO2的實(shí)際質(zhì)量，國內(nèi)幾種致裂器標(biāo)準(zhǔn)配置如表1所示。

表1 國內(nèi)幾種致裂器標(biāo)準(zhǔn)配置

實(shí)踐檢驗(yàn)表明，上述幾種主流致裂器，現(xiàn)場(chǎng)充裝CO2時(shí)，將其藥劑與CO2質(zhì)量的實(shí)際配比與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量配比誤差控制在±10%以內(nèi)，正常情況下能獲得滿意破巖效果。當(dāng)致裂器內(nèi)裝的藥劑與CO2的質(zhì)量配比失調(diào)時(shí)，出現(xiàn)破巖失敗或失控的現(xiàn)象(見表2)。

表2 致裂器藥劑與CO2質(zhì)量配比失調(diào)的破巖結(jié)果

3 致裂管結(jié)構(gòu)原理影響分析

不同類型的致裂管的結(jié)構(gòu)與工作原理不同。重復(fù)性使用管是一種由充裝頭、管體、泄能頭組成的組裝管。泄能片和泄氣孔設(shè)置在致裂管的底部，破巖工作時(shí)致裂管被封閉在炮孔這種閉口系統(tǒng)下，從泄氣孔泄沖出來的高壓氣流，首先作用在炮孔底端巖壁上，進(jìn)而由巖壁產(chǎn)生一種對(duì)致裂管向上的反作用力。

孔外充氣一次性管是由帶有提環(huán)與接線極的頂部端頭和帶有充氣控制閥的封底，與適配的無縫鋼管牢固焊接成一體性的腔體結(jié)構(gòu)固定管。激發(fā)管由廠家標(biāo)配，并預(yù)置在致裂管腔體內(nèi)被封焊住，不可更換。

孔內(nèi)充氣一次性管是一種由頂蓋、管壁及焊接縫、底蓋組成的裝配管，其管壁由輕鋼卷曲有縫對(duì)接焊固后再與底蓋焊接，形成薄壁管狀結(jié)構(gòu)的管體。焊接縫是管體薄弱部位，進(jìn)而為致裂管在管內(nèi)相變氣體膨脹作用下的破裂起到定位作用，避免了“飛管”與管壁隨機(jī)性破裂的結(jié)構(gòu)問題。目前國內(nèi)主流致裂管的典型結(jié)構(gòu)及其工作原理[2]如圖2所示，國內(nèi)幾種致裂管的結(jié)構(gòu)尺寸及特性數(shù)據(jù)采集如表3所示。

表3 國內(nèi)幾種致裂管的結(jié)構(gòu)尺寸及主要特性

致裂管的結(jié)構(gòu)直接決定了致裂管的工作原理及應(yīng)用工藝，對(duì)CO2相變破巖的功效具有直接影響。

重復(fù)性使用管的定壓泄能片可起到穩(wěn)定破巖工況的作用，有利于破巖，效果也往往能令人滿意。但因存在“飛管”隱患，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，需有防“飛管”的工藝措施，加上管的整體笨重，其應(yīng)用的作業(yè)效率往往較低。

孔外充氣一次性管管內(nèi)相變氣體膨脹致使管體破裂進(jìn)而對(duì)外做功的方向，是由管體最薄弱部位決定的，極具隨機(jī)性。實(shí)踐中，當(dāng)致裂管的管體強(qiáng)度均勻時(shí)，在相變氣體膨脹作用下，致裂管會(huì)沿軸向形成貫穿整管的致裂縫，更有甚者會(huì)被脹裂成管皮，其破巖功效也最理想。當(dāng)致裂管管體強(qiáng)度不均勻，尤其焊接不牢固時(shí)，致裂管在相變氣體膨脹作用下一般在頂部開裂，其破巖效果降低，甚至出現(xiàn)頂部端頭被沖出炮孔外的“沖管”現(xiàn)象，而導(dǎo)致破巖失控，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

孔內(nèi)充氣一次性管先將其裝入炮孔內(nèi)封堵好再對(duì)其充灌CO2，操作的安全風(fēng)險(xiǎn)大為降低，但灌充管內(nèi)的CO2實(shí)際質(zhì)量，無法用稱重方式準(zhǔn)確計(jì)量，僅依靠充裝機(jī)上的氣體流量計(jì)顯示確定。整體上，致裂管的焊接質(zhì)量、裝配連接質(zhì)量、充裝機(jī)上氣體流量計(jì)的精度等因素，均會(huì)對(duì)這種致裂器的破巖功效構(gòu)成直接影響，成為其破巖工況不穩(wěn)定的重要因素。實(shí)踐應(yīng)用表明，對(duì)接口焊接強(qiáng)度過高的致裂管，在管內(nèi)相變氣體膨脹作用下，不沿此焊縫破裂，破裂部位呈顯隨機(jī)性，其破巖的效果也往往低于預(yù)期。而對(duì)接口焊接強(qiáng)度過低的致裂管，在對(duì)其充氣時(shí)，管壁便沿此焊縫過早破裂，出現(xiàn)致裂管被氣“脹爆”的早爆現(xiàn)象，導(dǎo)致破巖失敗，并帶來極大安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)致裂管的部件連接不緊密、不牢靠時(shí)，充裝CO2致裂管會(huì)出現(xiàn)漏氣，甚至在相變氣體膨脹作用下出現(xiàn)頂蓋被沖出炮孔外的“沖管”現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致破巖失敗，安全失控。當(dāng)氣體流量計(jì)的計(jì)量失準(zhǔn)，實(shí)際灌裝的CO2少于額定量過多時(shí)，破巖出現(xiàn)“假做功”的失敗現(xiàn)象。

4 致裂器應(yīng)用工藝影響分析

不同類型的致裂器，其應(yīng)用的操作工藝不同。重復(fù)性使用管應(yīng)用時(shí)按“拆裝—充氣計(jì)量—搬輸—入孔—填塞—鏈鎖錨固—聯(lián)線起爆”的流程進(jìn)行操作。單根管從拆裝充氣到連線破巖起爆，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)顯示，平均耗時(shí)需10 min以上，作業(yè)效率整體較低。而且填塞要求高，用振動(dòng)棒搗實(shí)填塞，密實(shí)度不足均會(huì)有“飛管”現(xiàn)象出現(xiàn)。

孔外充氣一次性管的應(yīng)用工藝流程為“充氣計(jì)量—搬輸—入孔—填塞—聯(lián)線起爆”?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)顯示，單根管從充氣到連線破巖起爆，連續(xù)作業(yè)平均耗時(shí)不足7 min。但是，當(dāng)充氣位置離炮孔較遠(yuǎn)時(shí)，充氣后由于管內(nèi)激發(fā)管的藥劑已處于高圍壓的反應(yīng)活化態(tài)，此時(shí)采用人力搬運(yùn)這種致裂器，操作存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

孔內(nèi)充氣一次性管應(yīng)用的工藝流程為“部件裝配—搬運(yùn)—入孔—填塞—充氣—聯(lián)線起爆”。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，裝配單根此類致裂器，單人作業(yè)用時(shí)一般需要10 min，加上后續(xù)作業(yè)時(shí)間，連續(xù)作業(yè)用時(shí)平均20 min。此類致裂器組件多，每一部件的質(zhì)量和裝配環(huán)節(jié)若出現(xiàn)問題，均會(huì)導(dǎo)致致裂器工況異常，最終影響其破巖效果。因此，實(shí)際應(yīng)用中這種致裂器的工況影響因素多，穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)問題后不易處理，在工程實(shí)踐中對(duì)有問題管的炮孔，常以“廢管”“棄孔”被迫放棄起爆的方式進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及統(tǒng)計(jì)分析表明，致裂器對(duì)液態(tài)CO2相變破巖的功效影響是本質(zhì)的，能直接決定破巖的成敗，而國內(nèi)目前的這幾種主流致裂器，還不足以完美滿足液態(tài)CO2相變破巖的高效、安全、穩(wěn)定等綜合功效要求。工程實(shí)踐亟待有工況穩(wěn)定、安全可靠、操作便捷、適用寬泛的致裂器出現(xiàn)。