二氧化碳相變破巖理論與裝備技術(shù)

涂書芳

(1.中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121；2.中國能建綠色民爆研究院，重慶 401121)

二氧化碳相變破巖技術(shù)是一種以物理爆炸為主的爆破方法，起源于20世紀(jì)30年代的歐美，1980年前后引入中國。最近10年，國內(nèi)采用二氧化碳相變破巖技術(shù)的企業(yè)逐步涌現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步拓展，從地下礦山開采擴(kuò)展到露天礦山開采，從煤礦領(lǐng)域跨越到非煤礦山，從市政工程拓展到水利水電工程。該技術(shù)通過激發(fā)管內(nèi)藥劑的化學(xué)反應(yīng)放熱使膨脹管內(nèi)溫度高于31.4℃時，超臨界二氧化碳在膨脹管中迅速發(fā)生相變氣化，體積膨脹600～700倍[1]，產(chǎn)生100～500 MPa的峰值壓力，引起巖石的破碎，卻不會導(dǎo)致巖石的過粉碎。

二氧化碳膨脹爆破的破巖機(jī)理和以強(qiáng)爆炸應(yīng)力波作用為主的炸藥類爆破不同，其作功主要依靠相變產(chǎn)生的氣體膨脹能[2]，不僅能量轉(zhuǎn)化利用的效率高，而且有利于控制巖體開挖過程中的危害效應(yīng)。破巖過程產(chǎn)生振動小、爆破飛石少，幾乎不會對周邊人員、設(shè)備和建筑造成影響，在爆破環(huán)境復(fù)雜、施工要求苛刻條件下的工程應(yīng)用具有無可替代的優(yōu)勢。同時，超臨界二氧化碳液-氣相變?yōu)槲鼰徇^程，屬于“冷爆破”[3-4]，不產(chǎn)生有害氣體，無明火，不會引爆瓦斯等可燃?xì)怏w。這種安全環(huán)保上的獨(dú)特優(yōu)勢，使其可用于臨近建筑物爆破、水電工程復(fù)雜部位施工、水下爆破、煤礦瓦斯抽采等作業(yè)場合，成為傳統(tǒng)炸藥類爆破方式的有益補(bǔ)充。

1 二氧化碳相變破巖理論研究進(jìn)展

二氧化碳相變破巖技術(shù)的工程應(yīng)用雖已有近百年歷史，但關(guān)于其致裂機(jī)理、動力效應(yīng)以及標(biāo)準(zhǔn)研究等還十分少見，理論研究整體滯后于工程實(shí)踐。

1.1 二氧化碳相變狀態(tài)演化過程

隨著溫度和壓力的變化，二氧化碳存在氣、液、固三種狀態(tài)，液、氣共存狀態(tài)的點(diǎn)叫臨界點(diǎn)，當(dāng)溫度高于31.4℃，壓力高于7.38 MPa時，二氧化碳便進(jìn)入到了超臨界狀態(tài)，即物化性質(zhì)介于氣體與液體之間，密度接近液體，同時具有低粘度、強(qiáng)擴(kuò)散和溶解特性[5]。如果忽略傳熱和摩擦阻力的影響，超臨界二氧化碳在膨脹管破巖過程中的流動過程可以近似為等熵降壓膨脹過程[6](見圖1)，二氧化碳?xì)怏w在膨脹管中絕熱膨脹對外做功，忽略同外界的熱量交換，膨脹所做的功以焓的減少為補(bǔ)償，其熱力學(xué)變化可由圖2所示的壓熵相圖表征。

圖1 二氧化碳相變示意圖

圖2 二氧化碳壓熵相圖

1.2 二氧化碳相變破巖荷載特征

峰值壓力是評價(jià)二氧化碳相變致裂能力的關(guān)鍵指標(biāo)，也是開展爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的最基礎(chǔ)的參數(shù)，國內(nèi)外大量學(xué)者采用不同手段對二氧化碳的相變致裂荷載開展了監(jiān)測。周科平等[7]設(shè)計(jì)了一套動態(tài)信號采集系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定液態(tài)二氧化碳膨脹管內(nèi)壓力與時間關(guān)系曲線，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二氧化碳膨脹爆破的對外做功過程是一個壓力值動態(tài)震蕩衰減過程，整個壓力曲線可以分為四個階段，整個液態(tài)二氧化碳汽化過程的時間為26～86 ms，高壓流體釋放時間約為160～260 ms。謝曉鋒等[8]通過將微米級壓電薄膜傳感器，測得二氧化碳相變致裂峰值壓力約158.3 MPa，遠(yuǎn)低于爆破峰值壓力3～10 GPa。

二氧化碳相變破巖技術(shù)在峰值壓力、升壓時間等方面與炸藥爆破和水力壓裂技術(shù)有較大區(qū)別，由表1可見，二氧化碳相變爆破后產(chǎn)生的壓力峰值在百兆帕量級[9-11]，壓力上升相對于炸藥緩慢且其高壓時間持續(xù)時間較長，大部分能量的表現(xiàn)形式為“氣楔作用”，峰值壓力與升壓時長介于爆破與水力壓裂之間，屬于中應(yīng)變率長持時荷載，因此二氧化碳相變破巖技術(shù)一般很少產(chǎn)生粉碎區(qū)。

表1 三種破巖技術(shù)釋放壓力技術(shù)參數(shù)表

1.3 二氧化碳相變破巖的振動效應(yīng)

鑒于二氧化碳相變破巖技術(shù)的特殊優(yōu)勢，國內(nèi)外大量學(xué)者對其誘發(fā)的振動效應(yīng)開展了研究。夏祥等[12]在浙江某核電站的基坑開挖現(xiàn)場開展二氧化碳致裂與炸藥爆破的爆破振動對比試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同炸藥當(dāng)量的情況下，二氧化碳膨脹管爆破的振動速度遠(yuǎn)小于炸藥爆破，僅為炸藥爆破振動的20%左右，而且降低幅度隨距離增大而增大。

通過數(shù)據(jù)回歸分析，在某爆破環(huán)境下采用炸藥爆破的誘發(fā)振動衰減公式：

(1)

二氧化碳相變破巖的振動衰減公式：

(2)

式中：R是距離爆源的距離；Qe是最大單響炸藥量；Qg是二氧化碳致裂能量轉(zhuǎn)換成等當(dāng)量的巖石炸藥的質(zhì)量。

對比公式(1)和(2)，可見二氧化碳相變破巖技術(shù)在中遠(yuǎn)區(qū)域的減振效果更顯著，在核電廠基坑、居民區(qū)和建筑物周邊的巖體開挖等對振動控制要求嚴(yán)格的場合具有明顯優(yōu)勢。

2 二氧化碳相變破巖裝備研究進(jìn)展

二氧化碳相變破巖裝備主要有二氧化碳儲液罐、充裝機(jī)、充裝架、膨脹管等，不同廠家的設(shè)備略有差異。最新研發(fā)的二氧化碳充裝機(jī)帶有自動計(jì)量控制、壓力監(jiān)測、實(shí)時預(yù)警和電腦在線顯示等功能，如圖3所示。充裝設(shè)備可以批量充裝，最多可實(shí)現(xiàn)對10個以上膨脹管的一次性充裝，極大地提高二氧化碳充裝效率。

圖3 二氧化碳相變破巖裝備

二氧化碳膨脹管由充裝頭、激發(fā)管、膨脹管、定壓片及泄能頭組成，如圖4所示。激發(fā)管通電激發(fā)后，為液態(tài)二氧化碳相變提供熱量；膨脹管儲存液態(tài)二氧化碳；充裝頭充裝液態(tài)二氧化碳，定壓片密封儲液管內(nèi)腔，控制二氧化碳相變致裂釋放能量的大??；泄能頭提供高壓氣體釋放通道。

圖4 二氧化碳膨脹管基本結(jié)構(gòu)

二氧化碳相變膨脹激發(fā)管是二氧化碳相變膨脹技術(shù)的核心部件[13]，在激發(fā)管產(chǎn)品方面，形成了與重復(fù)管、孔外充氣一次管、孔內(nèi)充氣一次管三種類型相匹配的不同規(guī)格型號的激發(fā)管產(chǎn)品，產(chǎn)品材料涵蓋牛皮紙材質(zhì)、PVC管材質(zhì)等，不同種類、規(guī)格激發(fā)管的研發(fā)顯著提升了激發(fā)管與膨脹管的匹配性。

國內(nèi)二氧化碳膨脹致裂管主要形成了三代產(chǎn)品[14]，第一代致裂管管壁很厚(10 mm以上)，可重復(fù)使用，但是由于炮孔孔口不堵塞，容易引發(fā)“飛管”造成安全事故，因此被逐漸淘汰。第二代致裂管為一次性使用膨脹管，裝入炮孔后孔口需要進(jìn)行堵塞。雖然大概率降低了“飛管”現(xiàn)象，但是需要先充好氣再搬運(yùn)到施工現(xiàn)場，在搬運(yùn)過程中容易發(fā)生爆管事故。第三代致裂管是在第二代致裂管的基礎(chǔ)上增加了一套滿足孔內(nèi)充氣的組件，鋼管的管壁比較簿，一般1.5～2.5 mm，管側(cè)面的焊縫成為釋放高壓氣體的通道，一次性使用，既可有效克服第一、二代致裂管存在的安全問題，又極大地降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

3 二氧化碳相變破巖技術(shù)推廣應(yīng)用進(jìn)展

二氧化碳相變破巖技術(shù)效率介于機(jī)械破碎與炸藥破碎間，一般硬度巖石均可采用該技術(shù)，而且不受作業(yè)次數(shù)的限制。二氧化碳相變破巖技術(shù)克服了炸藥爆破的審批難、破壞性大等缺點(diǎn)，近年來應(yīng)用范圍逐漸拓展至礦山開采、隧道掘進(jìn)、市政工程、煤炭瓦斯抽采、水利水電工程等領(lǐng)域[15-16]。

3.1 復(fù)雜環(huán)境下巖土開挖施工

相對于液壓破碎錘施工，二氧化碳相變破巖技術(shù)顯著提高了工程施工進(jìn)度，爆破飛石、爆破沖擊波等有害效應(yīng)均可得到有效控制，實(shí)測爆破振動峰值僅為炸藥爆破1/20左右。在復(fù)雜環(huán)境，例如城鎮(zhèn)風(fēng)景名勝區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、旅游區(qū)、公路鐵路附近、重要目標(biāo)附近等復(fù)雜環(huán)境下巖土開挖施工中具有獨(dú)特優(yōu)勢。表2給出了幾個典型工程的二氧化碳膨脹爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 典型工程的二氧化碳膨脹爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 煤炭瓦斯抽采

二氧化碳相變過程具有降溫作用，而且又是惰性氣體，可以避免因炸藥爆炸產(chǎn)生明火導(dǎo)致的相關(guān)事故。二氧化碳膨脹爆破整個過程處在低溫條件下，與周圍環(huán)境的液體、氣體不相融合，不產(chǎn)生任何有害氣體，不產(chǎn)生電弧和電火花，因此二氧化碳相變破巖技術(shù)在瓦斯治理、圍巖應(yīng)力主動控制煤礦開采領(lǐng)域具有不可替代的絕對優(yōu)勢。

3.3 水下爆破施工

傳統(tǒng)的水下炸藥爆破作業(yè)時會產(chǎn)生較大的水下沖擊波，對水下生態(tài)系統(tǒng)造成極大的破壞。隨著長江大保護(hù)等國家環(huán)保政策的實(shí)施，水下炸藥爆破的局限性也越來越明顯。二氧化碳水下膨脹破巖產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度僅是炸藥爆破的1/30，對鄰近的水生物幾乎無影響，目前已在航道疏通爆破、港口建設(shè)、水下炸礁、水下清淤、巖塞爆破等工程中推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語

本文從二氧化碳相變狀態(tài)演化過程、破巖荷載特征、誘發(fā)振動效應(yīng)等方面系統(tǒng)綜述了近年來二氧化碳相變破巖理論研究方面的進(jìn)展，同時從充裝設(shè)備、激發(fā)管、致裂管等方面介紹了二氧化碳相變破巖技術(shù)配套裝備方面的研究進(jìn)展，從礦山開采、隧道掘進(jìn)、市政工程、煤炭瓦斯抽采、水下爆破等不同應(yīng)用場景介紹了該技術(shù)的推廣應(yīng)用情況。

二氧化碳相變膨脹技術(shù)無需炸藥、雷管，解決了特殊環(huán)境下不允許使用炸藥爆破破巖的難題，隨著二氧化碳相變破巖理論與裝備技術(shù)的不斷突破，將成為傳統(tǒng)炸藥類爆破方式的有益補(bǔ)充。