二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理與應(yīng)用研究進(jìn)展

袁 永 ，陳忠順 ，梁小康 ，申海生 ，左 磊 ，孟朝貴 ，王圣志

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤巖體結(jié)構(gòu)改造是解決煤礦眾多技術(shù)難題的共性核心科學(xué)問題[1]。煤礦中的堅(jiān)硬厚及特厚煤層綜放開采、沖擊礦壓、低滲透性煤層瓦斯抽采、煤與瓦斯突出等是制約礦井安全高效生產(chǎn)的技術(shù)難題，而煤巖體致裂手段是實(shí)現(xiàn)煤巖性質(zhì)弱化、卸壓增透[2]的有效方法。依據(jù)沖擊應(yīng)力產(chǎn)生的形式與特征，常用的致裂方式有炸藥爆破、水壓致裂和二氧化碳相變爆破。傳統(tǒng)炸藥爆破因其施工要求高，炸藥材料受到嚴(yán)格管控，可控性、預(yù)見性較低等特點(diǎn)，使用的條件越發(fā)受到嚴(yán)格限制，如《煤礦安全規(guī)程》禁止在采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)使用炸藥爆破；水力壓裂則存在形成裂縫單一[3]、水資源需求大、保壓困難，工作面易污染等問題；二氧化碳相變爆破作為一種非炸藥破巖技術(shù)，在煤巖體結(jié)構(gòu)改造中起到重要補(bǔ)充作用。

二氧化碳相變爆破是一種非炸藥低擾動(dòng)破巖技術(shù)，它將二氧化碳密閉于專用爆破管內(nèi)，通過高熱快速激發(fā)，將液態(tài)二氧化碳迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的膨脹能量，快速釋放的高壓氣體在巖體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力場(chǎng)，從而達(dá)到致裂巖體的效果。該技術(shù)起源于1914 年歐美的CARDOX 技術(shù)，最開始應(yīng)用于高瓦斯煤層的開采。在美國、英國和加拿大被廣泛應(yīng)用，曾被美國礦業(yè)局譽(yù)為當(dāng)時(shí)煤礦領(lǐng)域最著名的技術(shù)發(fā)明[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在20 世紀(jì)40 年代，相變爆破生產(chǎn)了美國25%的井工煤炭產(chǎn)量，年爆破量曾經(jīng)達(dá)到了280 萬次之多[6]。隨著機(jī)械化采煤技術(shù)及相關(guān)綜采設(shè)備的不斷發(fā)展，該技術(shù)逐漸退出煤礦行業(yè)，逐漸轉(zhuǎn)向城區(qū)土石爆破和水泥行業(yè)清堵等方面，現(xiàn)階段共計(jì)100 多個(gè)國家應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)[7]。相變爆破技術(shù)在20 世紀(jì)90 年代引入我國，21 世紀(jì)初在我國高瓦斯礦井采煤工作面進(jìn)行采煤試驗(yàn)，經(jīng)過相關(guān)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了其應(yīng)用后，巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍黾?，從而發(fā)現(xiàn)了該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于礦井瓦斯治理的可行性[8]。2012 年來，該項(xiàng)技術(shù)被廣泛系統(tǒng)地應(yīng)用于礦井瓦斯綜合治理[9]，主要包括卸壓掘進(jìn)、卸壓均化瓦斯場(chǎng)、卸壓增透抽采瓦斯、頂板安全致裂、井筒揭煤和防治沖擊礦壓等多個(gè)方面[10]，在不同礦區(qū)均得到有效應(yīng)用推廣[7,11]。2014 年后從地下礦山拓展到露天礦山，應(yīng)用于礦山、道路、基坑等露天巖石爆破工程[12-13]。

盡管相變爆破在煤礦中的應(yīng)用得到不斷的發(fā)展，但其相關(guān)的基礎(chǔ)理論尚處于起步階段，相關(guān)的生產(chǎn)規(guī)范還沒有形成，大規(guī)模的推廣應(yīng)用仍舊存在一定困難。筆者依據(jù)二氧化碳相變爆破技術(shù)特征，確定了相變爆破致裂機(jī)理，分析了相變爆破影響因素，探究了相變爆破應(yīng)用場(chǎng)景，并提出二氧化碳相變爆破致裂技術(shù)研究展望，旨在推進(jìn)相變爆破的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 二氧化碳相變爆破技術(shù)特征

1.1 相變爆破原理

二氧化碳相變爆破是利用二氧化碳相變時(shí)產(chǎn)生的物理膨脹特性，將沖擊能量直接作用在周圍介質(zhì)中，它主要由排氣頭、定壓卸能片、儲(chǔ)液管、發(fā)熱管和注液頭組成（圖1）[14]。爆破產(chǎn)生原理如圖2 所示，將液態(tài)二氧化碳充裝進(jìn)管內(nèi)，利用發(fā)熱管對(duì)二氧化碳進(jìn)行加熱，隨著儲(chǔ)液管內(nèi)溫度不斷增加，二氧化碳發(fā)生汽化，體積急劇膨脹，壓力也隨之增加，當(dāng)儲(chǔ)液管內(nèi)的壓力大于定壓卸能片的強(qiáng)度時(shí)，定壓卸能片破裂，二氧化碳從排氣頭中噴出，周圍介質(zhì)受到二氧化碳沖擊作用產(chǎn)生破裂，同時(shí)高壓氣體能夠侵入裂隙，使之繼續(xù)擴(kuò)展[15]。

圖1 二氧化碳相變爆破系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of carbon dioxide phase change blasting system

圖2 二氧化碳相變爆破原理Fig.2 Principle of carbon dioxide phase change explosion

1.2 相變爆破器材與裝備

根據(jù)儲(chǔ)液管的形式和泄氣形式，相變爆破致裂管可分為重復(fù)使用致裂管和一次性致裂管（圖3）。重復(fù)使用致裂管采用管壁較厚（10 mm 以上）的鋼管作為儲(chǔ)液管、管內(nèi)的高壓氣體通過管底卸壓片破壞釋放；一次性致裂管管壁較?。?.5 mm），采用管板工藝加固，致裂管側(cè)面的焊縫為二氧化碳釋放通道[16]，二氧化碳?xì)怏w是從致裂管側(cè)面釋放而不是從致裂管底部釋放，這種氣體釋放方式，也有助于消除“飛管”問題，同時(shí)使得氣體膨脹壓力更加均勻地作用在炮孔壁上。雖然這兩種形式結(jié)構(gòu)不同，但其工作原理是相似的[17]。

圖3 不同相變爆破裝置結(jié)構(gòu)及射流特征Fig.3 Jet characteristics of different phase change blasting devices

傳統(tǒng)相變爆破多采用重復(fù)使用的致裂管，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。注液頭內(nèi)有一個(gè)充液閥和一個(gè)點(diǎn)火頭，充液閥用于每次爆破后重新充裝二氧化碳，點(diǎn)火頭電極與外部導(dǎo)線連接后可對(duì)發(fā)熱管加熱。發(fā)熱管是相變爆破過程中主要加熱元件，內(nèi)裝化學(xué)物質(zhì)，爆破時(shí)，點(diǎn)火頭電極通電后產(chǎn)生的熱能使化學(xué)物質(zhì)發(fā)生迅速反應(yīng)，釋放大量的熱量，使二氧化碳迅速汽化。定壓卸能片在相變爆破過程中主要用于控制爆破壓力，一旦汽化的二氧化碳?jí)毫Τ^爆破片強(qiáng)度，爆破片就發(fā)生破壞，氣體從而得到釋放，一般采用剪切型爆破片，這爆破片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，為保證密封效果，在爆破片和爆破筒主體之間加入起密封作用的墊片。排氣頭是二氧化碳是釋放通道，設(shè)有排氣孔，用于控制氣體釋放方式，依據(jù)其需求不同，可設(shè)置成不同形狀的排氣孔。儲(chǔ)液管是相變爆破裝置的主體，用來盛裝高壓的二氧化碳。

圖4 相變爆破裝置Fig.4 Phase change blasting device

1.3 相變爆破能量

相變爆破的能量密度比密實(shí)的化學(xué)炸藥小，對(duì)于相變爆破能量的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)相變爆破效果的評(píng)估至關(guān)重要，能夠量化研究該技術(shù)爆破能力。關(guān)于相變爆破能量的計(jì)算有采用壓縮氣體和水蒸氣容器爆炸能量、采用射流速度計(jì)算爆炸能量、采用爆容計(jì)算爆破能量、采用爆破振動(dòng)等效爆炸能量和采用真實(shí)狀態(tài)方程計(jì)算爆破能量方式，不同計(jì)算方式確定的相變爆破能量特征見表1。

表1 相變爆破能量計(jì)算方法Table 1 Calculation method for phase change blasting energy

相變爆破影響因素眾多，由于不同型號(hào)致裂管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，理論計(jì)算僅供參考[25]，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)不同相變爆破方式下爆破能量大小，繪制出單根相變爆破能量分布和單位質(zhì)量二氧化碳相變爆破能量分布如圖5 所示[15]，由于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法的差異導(dǎo)致相變爆破能量數(shù)值存在差異，但呈現(xiàn)整體分布特征，單根致裂管爆破能量集中在500～1 000 kJ，部分相變爆破能量計(jì)算數(shù)值較高，在2 500 kJ 左右。經(jīng)過對(duì)不同相變爆破能量統(tǒng)計(jì)可得，單根致裂管爆破能量平均值為1 018.3 kJ，中位數(shù)為904 kJ。單位質(zhì)量二氧化碳相變爆破能量平均值為825.5 kJ，中位數(shù)為618.3 kJ。較傳統(tǒng)炸藥爆破，相變爆破屬于一種低能量致裂方式[26]。

圖5 相變爆破能量分布Fig.5 Energy distribution diagram of phase change blasting

2 二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理

2.1 二氧化碳相變射流傳播特征

二氧化碳相變過后產(chǎn)生的射流是致裂煤巖體的根本動(dòng)力[27-28]。致裂管二氧化碳射流與巖體作用特征如圖6 所示。相變致裂管與圍巖之間多為不耦合結(jié)構(gòu)，二氧化碳從致裂管射流過后在致裂管與鉆孔孔壁之間衰減傳播，之后與孔壁碰撞形成沖擊壓力并在巖體中激發(fā)應(yīng)力波[29]，鉆孔孔壁在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生初始裂隙，隨后高壓二氧化碳進(jìn)入初始裂隙中對(duì)裂隙進(jìn)一步起到擴(kuò)展作用。

圖6 二氧化碳射流與巖體作用特征Fig.6 Characteristics of interaction between carbon dioxide jet and rock mass

為確定相變爆破引發(fā)鉆孔孔壁應(yīng)力波特征，做出如下假設(shè)：鉆孔中間充填物質(zhì)為空氣，因其作用較弱，將其按照真空處理；致裂管采用鋼材制成，將其視為剛體；整個(gè)過程不考慮溫度場(chǎng)的影響，二氧化碳在間隙發(fā)生等熵膨脹，遇到孔壁后產(chǎn)生沖擊應(yīng)力，在巖體中激發(fā)應(yīng)力波。

高壓二氧化碳與鉆孔孔壁發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力會(huì)增加n倍，因此在不耦合結(jié)構(gòu)下，二氧化碳在鉆孔孔壁上產(chǎn)生的初始?jí)毫29]為

式中：P2和Pm分別為孔壁壓力和致裂管破裂壓力；dg和d0分別為致裂管和致裂孔直徑；n為壓力增大倍數(shù)。

二氧化碳在碰撞孔壁后壓力會(huì)迅速衰減，在鉆孔周圍形成準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，并且進(jìn)入應(yīng)力波產(chǎn)生的初始裂隙中并使裂紋擴(kuò)展。鉆孔中形成的初始準(zhǔn)靜態(tài)壓力P3[30]為

式中：K為二氧化碳?xì)怏w衰減系數(shù)。

相變爆破的本質(zhì)是二氧化碳爆破射流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波作用和準(zhǔn)靜態(tài)高壓氣體作用[31-32]。相變爆破作為一種物理爆破，利用二氧化碳相態(tài)變化產(chǎn)生的膨脹能量，其應(yīng)力波傳播速度?。▋H為炸藥爆破的1/10 左右），沖擊應(yīng)力峰值也遠(yuǎn)小于炸藥爆破[33]。水壓致裂則是利用鉆孔中高壓水的作用對(duì)介質(zhì)進(jìn)行壓力，其作用時(shí)間更長，壓力也更低，可以將其視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。不同致裂方式的壓力特征見表2，其壓力時(shí)間歷程曲線如圖7 所示[34]。依據(jù)不同沖擊應(yīng)力特征及所處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變率范圍，將炸藥爆破致裂、相變爆破致裂和水壓致裂分別確定為高應(yīng)力快速?zèng)_擊、中等沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)沖擊。相變爆破能量偏低，產(chǎn)生應(yīng)力波峰值小，加載速率低，形成的氣楔作用時(shí)長大，高壓作用持續(xù)時(shí)間長，屬于中等加載速率長持時(shí)載荷[35-36]。

表2 不同致裂方式技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of different methods

圖7 不同致裂方式壓力時(shí)間歷程曲線Fig.7 Pressure time history curve of different fracturing methods

2.2 中等加載速率下多重起裂機(jī)理

致裂鉆孔在動(dòng)態(tài)應(yīng)力波作用下會(huì)產(chǎn)生初始斷裂。致裂鉆孔周圍介質(zhì)受到外部原始地應(yīng)力作用和鉆孔內(nèi)部沖擊壓力P。如圖8 所示，鉆孔周圍介質(zhì)受力可以通過2 種狀受力特征疊加獲得[14]。

圖8 鉆孔受力分析Fig.8 Stress analysis of borehole

式中：σr為徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力；θ為該點(diǎn)的水平夾角；λ為水平側(cè)壓系數(shù)；H為巖體埋深；γ為巖層平均容重；R為致裂孔半徑；P為沖擊壓力；r為該點(diǎn)距離鉆孔中心距離。

根據(jù)式3 繪制出靜水壓力條件下鉆孔周圍受力特征如圖9 所示。沖擊應(yīng)力和地應(yīng)力作用產(chǎn)生的徑向應(yīng)力方向相同起到疊加作用，致裂孔周圍介質(zhì)承受較大的壓應(yīng)力作用；沖擊應(yīng)力和地應(yīng)力作用產(chǎn)生的切向應(yīng)力作用相反起到相互削弱作用，但由于沖擊應(yīng)力數(shù)值較大、衰減較快，致裂周圍較近處受到拉應(yīng)力作用，隨著距離增加，拉應(yīng)力數(shù)值逐漸降低并逐漸轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力。

圖9 鉆孔受力特征Fig.9 Stress characteristics of borehole

由于煤巖體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，相變爆破和地應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力峰值小于煤巖體抗壓強(qiáng)度。鉆孔周邊介質(zhì)受到徑向壓應(yīng)力作用和切向拉應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，在鉆孔周圍發(fā)生拉斷裂。

根據(jù)Mott 理論[10]，當(dāng)斷裂產(chǎn)生過后，會(huì)在斷裂周圍產(chǎn)生卸載波并向四周傳播，卸載波的傳播能夠有效地釋放應(yīng)力，也就是說，卸載波傳播過的區(qū)域即使受到?jīng)_擊應(yīng)力的作用也會(huì)產(chǎn)生卸載，不會(huì)產(chǎn)生新的斷裂，斷裂僅能產(chǎn)生在卸載波未影響的區(qū)域。

取鉆孔周圍一小段微元體分析（圖10），該微元體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生斷裂，當(dāng)應(yīng)變大于斷裂應(yīng)變（εc）時(shí)產(chǎn)生斷裂，發(fā)生斷裂后應(yīng)力得到充分卸載到0。

圖10 卸載波傳播過程Fig.10 Unloading wave propagation process

相變爆破卸載波傳播速度與材料本身性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)，對(duì)于相同材料的不同沖擊特征作用下鉆孔周圍介質(zhì)起裂特征如圖11 所示。依據(jù)沖擊破裂起裂機(jī)理和最終狀態(tài)，將不同沖擊形成的破壞分為3 條不同的路徑：①高應(yīng)力快速?zèng)_擊（Ⅰ→Ⅱ）；②準(zhǔn)靜態(tài)作用（Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ）；③中等沖擊（Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅶ→Ⅷ）：

圖11 不同沖擊作用下致起裂機(jī)理Fig.11 Crack initiation mechanism under different impact effects

①產(chǎn)生不同形式斷裂的核心是沖擊波傳播速率和應(yīng)力峰值大小的差異。當(dāng)沖擊應(yīng)力數(shù)值大、速率快時(shí)，應(yīng)力作用直接超過其抗壓強(qiáng)度，煤體產(chǎn)生壓縮破壞，同時(shí)沖擊速率快，在卸載波還未完全形成時(shí)，煤體已經(jīng)完全破壞，卸載波無法形成有效卸載作用（Ⅰ→Ⅱ），在鉆孔周圍形成粉碎破裂區(qū)。

②隨著沖擊應(yīng)力峰值降低，達(dá)不到煤體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，但產(chǎn)生的切向應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體在沖擊應(yīng)力形成的切向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生初始斷裂（A、B），初始斷裂產(chǎn)生過后，卸載波隨之從斷裂處向四周傳播（Ⅰ→Ⅲ）；如果沖擊應(yīng)力速率較慢，卸載波已經(jīng)傳至整個(gè)區(qū)域，煤體得到有效卸載，在鉆孔內(nèi)應(yīng)力作用下也不會(huì)產(chǎn)生新的斷裂，最終形成單條裂隙（Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ）。

③如果沖擊速率介于上述2 種條件之間時(shí)，在產(chǎn)生初次斷裂（Ⅰ→Ⅲ）之后，沖擊波仍會(huì)持續(xù)對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生作用，沖擊波傳播快于卸載波傳播，在卸載波未到達(dá)的區(qū)域由于拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生新的斷裂（C、D）點(diǎn)（Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ）；新的斷裂繼續(xù)產(chǎn)生卸載波（Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ→Ⅵ）；如果卸載波還未完全擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域時(shí)，仍舊會(huì)產(chǎn)生新的斷裂（E、F）點(diǎn)（Ⅰ→Ⅲ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅶ）；直至卸載波傳播至整個(gè)區(qū)域。在這種周而復(fù)始的卸載波和沖擊波相互作用下，煤體最終形成多重?cái)嗔研螒B(tài)，在鉆孔周圍形成多個(gè)起裂點(diǎn)。

二氧化碳相變爆破應(yīng)力峰值較傳統(tǒng)炸藥爆破小，較水壓致裂大；作用時(shí)長較傳統(tǒng)炸藥爆破大，較水壓致裂小。采用不同沖擊波類型探討了不同沖擊特征下煤體裂隙分布特征，利用數(shù)值模擬方式確定了不同沖擊載荷下裂隙分布特征，并與相關(guān)研究[23]對(duì)比，得到如圖12 所示的不同沖擊條件下煤體裂隙分布特征。數(shù)值模擬得出的結(jié)果和理論分析、實(shí)驗(yàn)得到效果具有一致性。

圖12 不同沖擊致裂特征Fig.12 Cracking characteristics under different impact effects

在高應(yīng)力快速?zèng)_擊致裂的傳統(tǒng)爆破作用下，爆破產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊波遠(yuǎn)大于煤體抗壓強(qiáng)度，在鉆孔周圍煤體中形成壓縮粉碎區(qū)，爆破產(chǎn)生能量未能充分利用形成多裂隙狀態(tài)；在相變爆破致裂條件下，沖擊應(yīng)力峰值降低，作用時(shí)長增加，鉆孔周圍的煤體產(chǎn)生拉破壞形成斷裂，由于沖擊作用時(shí)間較長，在鉆孔周圍形成多條裂隙，并有部分裂隙在應(yīng)力持續(xù)作用下形成貫穿煤體的主裂隙；在水壓致裂條件下，煤體受到準(zhǔn)靜態(tài)作用，僅在拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生單條裂隙。

2.3 高壓氣體多重裂隙擴(kuò)展

二氧化碳相變射流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波會(huì)在致裂孔孔壁上產(chǎn)生初始的多重?cái)嗔?，隨后高壓二氧化碳楔入，初始的多重裂隙會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展[37]。動(dòng)態(tài)應(yīng)力波形成的初始裂隙可以簡(jiǎn)化為楔形，多重楔形裂紋的擴(kuò)展模型如圖13 所示，由于在高壓氣體作用下裂紋傳播速度較小，將多重裂紋的傳播過程視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

圖13 多重裂隙擴(kuò)展模型Fig.13 Multiple crack propagation model

根據(jù)彈性理論，對(duì)稱雙翼裂紋擴(kuò)展的裂隙寬度w[38]為

式中：Lf為裂紋長度；θ為裂紋上某一點(diǎn)的相對(duì)位置；θ1，θ2分別為裂紋擴(kuò)展瞬間的相對(duì)長度和相對(duì)微段長度；v為泊松比；G為剪切模量；rw為鉆孔半徑；f(θ,Lf/rw)為考慮裂紋位置與裂紋形狀、鉆孔尺寸的權(quán)重系數(shù)，可以表示為

式中：Lf為裂紋數(shù)目。

該因子同時(shí)考慮到了裂紋和鉆孔形狀的影響，當(dāng)裂紋長度相對(duì)于裂紋之間的距離較小時(shí)，該因子是統(tǒng)一的，而當(dāng)裂紋長度較大時(shí)，該因子接近fNθ，與裂紋數(shù)目相關(guān)。

根據(jù)斷裂力學(xué)理論和疊加原理，對(duì)稱雙翼型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子可以由地應(yīng)力作用下裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子和高壓氣體作用下裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子疊加得到：

同時(shí)在引入關(guān)于裂紋數(shù)目的權(quán)重因子f1Nθ，得到多重裂隙擴(kuò)展作用下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子：

因此，二氧化碳相變爆破應(yīng)力氣體協(xié)同致裂過程如圖14 所示。二氧化碳相變會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力波和準(zhǔn)靜態(tài)的高壓氣體，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)力波處于中等加載速率范圍內(nèi)，會(huì)在致裂孔孔壁形成多重初始裂隙，高壓二氧化碳隨后貫入到裂紋內(nèi)，在氣體壓力函數(shù)和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子相互作用下，驅(qū)動(dòng)著裂紋不斷向外擴(kuò)展，最終到達(dá)破碎煤巖體的目的。

圖14 相變爆破應(yīng)力氣體協(xié)同致裂過程Fig.14 Phase change blasting stress gas coupling cracking process

3 相變爆破致裂影響因素

3.1 泄能方向

不同的二氧化碳相變爆破致裂裝備會(huì)形成如圖15所示的底部泄能和側(cè)壁泄能等不同的方式。采用數(shù)值模擬方式研究不同泄能方式損傷破壞特征如圖16所示[40]。

圖15 不同泄能方式加載示意Fig.15 Schematic of loading with different energy release methods

圖16 不同泄能方式損傷破壞特征Fig.16 Damage and failure characteristics of different energy release methods

不同泄能方式形成的損傷破壞區(qū)域均成橢圓形分布，最大的損傷破壞區(qū)域半徑為1.1 m。底部泄能處形成水平方向?yàn)殚L軸，垂直方向?yàn)槎梯S的橢圓形，在煤巖體底部作用均勻，而遠(yuǎn)離卸壓區(qū)域的位置損傷較小，當(dāng)煤巖體受到側(cè)壁泄能相變爆破影響時(shí)，由于致裂管周圍不均勻釋放，在爆破孔壁周圍形成非對(duì)稱分布，在靠近泄能槽處煤巖體損傷破壞區(qū)域更大。

3.2 煤巖體性質(zhì)

煤巖體性質(zhì)會(huì)受到所處的地質(zhì)構(gòu)造和形成原因的影響，這會(huì)對(duì)相變爆破致裂效果產(chǎn)生影響。以煤巖體彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度3 種因素（分別為A1、B1、C1）建立正交分析，選取三水平，各個(gè)因素水平見表3。

表3 煤巖體性質(zhì)因素水平Table 3 Level table of coal properties factors

根據(jù)正交表設(shè)置9 種不同的方案，通過數(shù)值模擬方式研究不同方案下模型損傷破壞體積變化特征，分析各個(gè)因素的極差數(shù)據(jù)如圖17 所示[41]。隨著因素A1彈性模量的增加，相變爆破破壞體積先增加后減??；隨著因素B1泊松比的增加，相變爆破破壞體積逐步增加，但增加到一定值時(shí)增速減緩；隨著因素C1抗壓強(qiáng)度的增加，相變爆破破壞體積先增加后減小，對(duì)于較小強(qiáng)度煤體，由于相變爆破會(huì)形成大量的破碎區(qū)消耗能量，煤體破壞效果反而會(huì)稍微降低。

圖17 煤巖體性質(zhì)極差分析Fig.17 Range analysis of coal properties

對(duì)于不同因素引起的數(shù)據(jù)差異進(jìn)行方差分析，計(jì)算各個(gè)因素的誤差見表4，其中F比是對(duì)應(yīng)因素均方和與誤差均方和的比值，F(xiàn)的比值越大，表明該因素對(duì)試驗(yàn)效果的影響程度越大。因此，對(duì)于爆破效果的影響因素由大到小分別為抗壓強(qiáng)度、泊松比和彈性模型。對(duì)于不同性質(zhì)煤巖體進(jìn)行相變爆破致裂方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整相應(yīng)方案。

表4 煤巖體性質(zhì)方差分析Table 4 Variance analysis of coal properties

3.3 相變爆破參數(shù)

針對(duì)相變爆破參數(shù)，同樣的采用正交分析研究二氧化碳充裝量、泄能片爆破壓力和致裂孔間距等3 個(gè)因素（分別為A2、B2、C2）對(duì)致裂效果的影響，各個(gè)因素水平表見表5。

表5 相變爆破參數(shù)因素水平Table 5 Level table of phase change blasting parameters

相變爆破參數(shù)因素影響下失效比例指標(biāo)極差分析如圖18 所示[41]，由圖可知，隨著因素A2充裝量的增加，煤體失效比例指標(biāo)增加；隨著因素B2爆破壓力增加，煤體失效比例指標(biāo)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，過高的爆破壓力引起的能量高度集中反而不利于相變爆破致裂效果；隨著因素C2致裂孔間距的增加，煤體失效比例指標(biāo)減小，相變爆破致裂效果與致裂孔間距呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖18 相變爆破參數(shù)極差分析Fig.18 Range analysis of phase change blasting parameters

對(duì)相變爆破各參數(shù)進(jìn)行方差分析見表6，對(duì)于相變爆破二氧化碳充裝量、爆破壓力和致裂孔間距3個(gè)因素，相變爆破致裂孔間距對(duì)于爆破參數(shù)影響最大，其次是二氧化碳充裝量，爆破壓力對(duì)于相變爆破效果影響最小。在相變爆破參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重調(diào)整相變爆破致裂孔間距以適應(yīng)不同條件。

表6 相變爆破參數(shù)方差分析Table 6 Variance analysis of phase change blasting parameters

3.4 其他影響因素

除了二氧化碳泄能口方向、煤巖體性質(zhì)和爆破參數(shù)外，相變爆破還會(huì)受到初始地應(yīng)力、鉆孔布置參數(shù)和鉆孔切槽特性等因素的影響。

在地下采礦過程中相變爆破通常受到初始地應(yīng)力的影響，且隨著開采深度的不斷增加，地應(yīng)力影響逐漸增加。因初始地應(yīng)力會(huì)與爆破產(chǎn)生應(yīng)力波產(chǎn)生疊加作用，會(huì)影響動(dòng)態(tài)應(yīng)力波的傳播規(guī)律，進(jìn)而影響裂紋傳播特征。初始地應(yīng)力產(chǎn)生的圍壓效應(yīng)會(huì)對(duì)相變爆破致裂產(chǎn)生的裂隙起到抑制作用[42]，但地應(yīng)力形成的主應(yīng)力差會(huì)引導(dǎo)裂紋方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[35,43]。

多排鉆孔進(jìn)行相變爆破時(shí)，常用的布孔方式有矩形布孔和菱形布孔2 種不同方式。在鉆孔孔距和排距相同的條件下，菱形布孔較矩形布孔方式裂隙貫通范圍更廣[35,44]。采用菱形布孔進(jìn)行相變爆破后瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間小于矩形布孔，致裂增透效果更優(yōu)[45]。為進(jìn)一步提升相變爆破效果，可以考慮通過設(shè)置控制孔（空孔）的方式提升相變爆破效果。控制孔可以為相變爆破提供輔助自由面，應(yīng)力波在控制孔處疊加反射，加速裂紋的擴(kuò)展[46]。但相變爆破依靠高壓二氧化碳致裂巖樣，當(dāng)控制孔布置過多時(shí)，高壓氣體會(huì)沿著裂隙通過控制孔逸出，降低相變爆破致裂效果[47]。

為控制相變爆破裂紋擴(kuò)展方向，相關(guān)學(xué)者結(jié)合切槽定向爆破方式，提出了二氧化碳切槽定向致裂技術(shù)[48]。對(duì)圓形致裂孔進(jìn)行切槽后，切槽處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)降低了槽尖起裂應(yīng)力，使得裂紋沿槽線方向起裂，對(duì)裂紋擴(kuò)展方向起到了引導(dǎo)的作用。

4 相變爆破致裂工程應(yīng)用

4.1 高瓦斯煤體相變爆破致裂增透

二氧化碳相變爆破過程會(huì)形成多重裂隙，不僅會(huì)促進(jìn)瓦斯的有效解析，而且能夠?yàn)橥咚固峁┯行У牧鲃?dòng)通道。依據(jù)圖12 所做的相變爆破裂隙特征，建立多重裂隙煤體瓦斯?jié)B流特征如圖19 所示[14]。相變爆破過后裂隙區(qū)域煤體滲透率遠(yuǎn)大于原始煤體滲透率，相變爆破形成的多重裂隙形成瓦斯流動(dòng)的有效通道，因其數(shù)目多，分布范圍廣，能夠?qū)φ麄€(gè)煤體中的瓦斯起到卸壓增透作用。

圖19 多重裂隙煤體瓦斯?jié)B流特性Fig.19 Gas seepage characteristics of coal bodies with multiple fractures

潞安集團(tuán)高河煤礦主采3 號(hào)煤層，原始瓦斯含量為11.16 m3/t，采用二氧化碳相變爆破進(jìn)行卸壓增透提高抽采效率，通過實(shí)施二氧化碳相變爆破預(yù)裂過后瓦斯抽采效果如圖20 所示，壓裂鉆孔瓦斯抽采濃度提高3 倍以上，煤層透氣性系數(shù)整體提高10～20 倍，提高了瓦斯抽采效率，保障了礦井安全生產(chǎn)。

圖20 相變爆破致裂增透效果Fig.20 Permeability enhancement of phase change blasting fracturing

4.2 相變爆破預(yù)裂提升塊煤率

塊煤率是煤礦井下開采的煤炭資源成塊狀的比率，是衡量煤炭品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。在我國西北部賦存的淺埋煤層中，由于煤體本身硬度較大，綜采時(shí)煤體不易從煤壁剝落[49]，導(dǎo)致采煤機(jī)效率低、截割速度慢、塊煤率降低。采用人工干預(yù)手段降低煤體硬度、增加煤體裂隙發(fā)育程度，能夠有效地提升工作面塊煤率，降低采煤設(shè)備的比能耗和提高設(shè)備的工作效率。

采用PFC 數(shù)值模擬軟件，研究煤體預(yù)裂前后截割特征如圖21 所示[50]。煤體預(yù)裂過后，經(jīng)過滾筒截割時(shí)，原本形成的大塊煤進(jìn)一步破碎為小塊煤，形成的塊煤間尺寸差異性降低，截割力分布更加均勻。

圖21 截割塊度變化Fig.21 Change in cutting block size

榆神礦區(qū)40105 工作面回采4-2 煤層，煤層硬度為3.0，在回采巷道兩側(cè)平行于工作面布置2 排鉆孔進(jìn)行二氧化碳相變爆破，二氧化碳相變爆破過后，塊煤粒級(jí)變化如圖22 所示[51]。相變爆破預(yù)裂過后粒度大于100 mm 的煤塊占比減小，而粒度小于100 mm塊體粒度增大，與數(shù)值模擬結(jié)論一致?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明相變爆破能夠有效提升回采的塊煤率。

圖22 相變爆破預(yù)裂煤體塊度變化Fig.22 Change in block size of pre cracked coal body in phase change blasting

4.3 工作面相變爆破預(yù)裂頂板

工作面回采過程中上隅角懸頂不僅會(huì)引起瓦斯積聚，而且大面積懸頂?shù)耐蝗豢迓鋾?huì)引起其他次生災(zāi)害的發(fā)生[52]。采用二氧化碳相變爆破的方式預(yù)裂頂板，能夠在頂板中產(chǎn)生裂隙，在工作面回采過后上隅角區(qū)域會(huì)隨之垮落。沙坪煤礦9204 工作面相變爆破預(yù)裂效果如圖23 所示。通過鉆孔窺視儀對(duì)頂板鉆孔進(jìn)行窺視，致裂前煤層頂板完整、裂隙不發(fā)育，致裂過后，致裂孔內(nèi)出現(xiàn)多條裂隙。工作面推進(jìn)過預(yù)裂區(qū)域后采空區(qū)頂板垮落較好。

圖23 相變爆破預(yù)裂頂板效果對(duì)比Fig.23 Comparison of effect of phase change blasting on pre-splitting the roof

由于礦壓較小，頂板堅(jiān)硬完整，綜放工作面在初采期間底板難以垮落。為了避免工作面懸頂大面積的突然垮落，減少初采期間放煤損失，在磁窯溝煤礦進(jìn)行相變爆破的預(yù)裂試驗(yàn)。在初采開切眼位置及端頭兩巷布置相變爆破致裂孔，對(duì)工作面基本頂進(jìn)行預(yù)裂，最終效果對(duì)比如圖24 所示。采用相變爆破致裂過后，工作面基本頂內(nèi)產(chǎn)生貫通裂隙，破壞了頂板完整結(jié)構(gòu)，隨著開采的不斷推進(jìn)，工作面采空區(qū)全部垮落、正常放煤推進(jìn)距離和初次來壓步距均減小了50%左右。

圖24 相變爆破致裂初采放頂效果Fig.24 Effect of phase change blasting on initial mining and topping

5 相變爆破致裂研究展望

對(duì)于二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理的研究得到了初步進(jìn)展，同時(shí)在高瓦斯煤層卸壓增透、塊煤率提升及工作面頂板預(yù)裂等場(chǎng)景中得到成功應(yīng)用。未來在相變爆破致裂機(jī)理方面應(yīng)在致裂多速率研究、多尺度分析和多物理場(chǎng)耦合方面等方面進(jìn)一步研究。同時(shí)開展延時(shí)相變爆破技術(shù)研究，拓寬相變爆破應(yīng)用場(chǎng)景。

1）進(jìn)一步明晰煤巖體多速率作用下起裂機(jī)理。各種致裂手段的本質(zhì)是煤巖體在不同應(yīng)力作用下破壞斷裂特征，煤巖體裂隙分布特征與不同致裂手段形成的加載速率相關(guān)（圖25）。進(jìn)一步研究不同應(yīng)變率作用下斷裂特征與沖擊應(yīng)力的關(guān)系，能夠?yàn)橹铝逊绞降倪x擇提供更科學(xué)理論基礎(chǔ)。采用巖石動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法構(gòu)建煤巖體在相變爆破中等速率條件下的本構(gòu)關(guān)系，開展不同加載速率下中心圓孔受力破壞特征試驗(yàn)，建立煤巖體裂紋數(shù)目、破碎塊度與加載速率之間的定量關(guān)系。

圖25 不同加載速率沖擊破碎特征Fig.25 Impact fragmentation characteristics at different loading rates

2）進(jìn)行相變爆破致裂煤巖體多尺度分析。二氧化碳相變爆破致裂在宏觀上表現(xiàn)為裂隙的擴(kuò)展，在微觀層面上，二氧化碳相變作用對(duì)于孔隙的影響也是不可忽略的重要因素[53]，另外，二氧化碳會(huì)與部分礦物發(fā)生反應(yīng)，改變煤巖體礦物特征，也會(huì)影響煤巖體性質(zhì)的變化，對(duì)于相變爆破致裂效果分析仍需要建立宏微觀統(tǒng)一模型來評(píng)價(jià)。通過圖像識(shí)別、微震監(jiān)測(cè)反演等方式確定宏觀裂隙的擴(kuò)展特征，采用掃描電鏡、CT 掃描、核磁共振、低溫氮吸附、壓汞實(shí)驗(yàn)等方法建立致裂前后孔隙變化特征，通過XRD、FTIR、GCMS 等儀器測(cè)定煤巖體礦物成分及微晶結(jié)構(gòu)變化特征[3]，如圖26 所示。最終利用分形的方法建立不同表征方法跨尺度之間的聯(lián)系，形成相變爆破致裂煤巖體多尺度模型。

圖26 相變爆破致裂效果多尺度分析Fig.26 Multiscale analysis of phase change blasting fracturing

3）研究相變爆破致裂過程中多物理場(chǎng)耦合特征。二氧化碳相變爆破過程中不僅涉及到煤巖體固體力學(xué)物理場(chǎng)，還包括二氧化碳流場(chǎng)變化特征[54]，同時(shí)相變過程會(huì)引發(fā)溫度場(chǎng)相應(yīng)變化[55]，二氧化碳與礦物的反應(yīng)[56]涉及化學(xué)場(chǎng)，整個(gè)相變爆破致裂應(yīng)從熱-流-固-化等多場(chǎng)耦合特征進(jìn)行進(jìn)一步分析。另外，可以進(jìn)一步引入相場(chǎng)損傷的方式來表明裂紋擴(kuò)展特征。通過研究4 個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系（圖27），建立多物理場(chǎng)PDE 方程，采用COMSOL 等多場(chǎng)耦合軟件，研究不同物理場(chǎng)在相變爆破過程中演化規(guī)律，確定不同因素對(duì)于致裂效果影響大小，從不同物理場(chǎng)角度針對(duì)性提出提升相變爆破致裂效果方法。

圖27 相變爆破致裂多場(chǎng)耦合特征Fig.27 Multi field coupling characteristics of phase change blasting fracturing

4）開展延時(shí)相變爆破致裂技術(shù)研究。目前，相變爆破多采用小規(guī)模、一次性爆破方式，單次破巖體量較小，隨著電子雷管的開發(fā)與普及，使得大規(guī)模延時(shí)相變爆破技術(shù)具備了可行性[57]，能夠達(dá)到提升爆破效果和降低爆破振動(dòng)的雙重目的，進(jìn)一步拓寬相變爆破技術(shù)應(yīng)用范圍。煤巖體中原生靜態(tài)裂隙和爆破產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)裂隙之間也會(huì)產(chǎn)生相互影響（圖28），不同階段的裂隙一方面會(huì)形成后續(xù)爆破的自由面，另一方面也可能成為二氧化碳泄氣通道，需要研究裂隙與相變爆破致裂的互饋影響關(guān)系，并確定延時(shí)相變爆破網(wǎng)絡(luò)時(shí)空演化規(guī)律，明確裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化特征及其與相變爆破參數(shù)的相關(guān)性，最終形成基于爆破參數(shù)合理設(shè)計(jì)的相變爆破裂隙網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方法。

圖28 延時(shí)相變爆破裂紋擴(kuò)展研究Fig.28 Research of delayed phase change blasting crack propagation

5）擴(kuò)展二氧化碳相變爆破工程應(yīng)用范圍。相變爆破致裂雖然在一些工程中得到了成功應(yīng)用，但多依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，相關(guān)技術(shù)規(guī)范還未形成，相變爆破致裂優(yōu)勢(shì)沒有得到充分發(fā)揮。在相變爆破設(shè)備裝置、參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范和智能管控等方面還需要進(jìn)一步研究，開發(fā)適用于不同工況的致裂管體和釋放噴嘴，研究相變爆破直接定向致裂設(shè)備，形成相變爆破孔網(wǎng)布置和爆破參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范，建立相變爆破致裂全過程智能管理監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?yàn)槎趸枷嘧儽七M(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用提供指導(dǎo)。

6 結(jié) 論

1）二氧化碳相變爆破能量的本質(zhì)是二氧化碳相變時(shí)物理膨脹。根據(jù)相變爆破裝置可分為重復(fù)使用致裂管和一次性致裂管，二者工作原理相似，泄能方式不同。二氧化碳相變爆破能量采用不同能量計(jì)算方式均表明，相較于傳統(tǒng)炸藥爆破，相變爆破屬于一種低能量爆破方式。

2）二氧化碳相變射流能夠產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力波和高壓氣體雙重作用，煤巖體在中等沖擊作用下，受到拉應(yīng)力破壞產(chǎn)生徑向初始斷裂，并在沖擊波和卸載波綜合作用下形成多重起裂特征，高壓氣體在多重裂隙中進(jìn)一步擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)裂隙向外擴(kuò)展，相變爆破裂隙在應(yīng)力氣體協(xié)同作用下擴(kuò)展演化。

3）泄能方向、煤巖體性質(zhì)、相變爆破參數(shù)、初始地應(yīng)力、鉆孔布置參數(shù)和鉆孔切槽特性等因素均會(huì)對(duì)二氧化碳相變爆破致裂效果產(chǎn)生影響。泄能方向?qū)γ簬r體破壞起到直接作用，引發(fā)非對(duì)稱損傷破壞，煤巖體性質(zhì)對(duì)于爆破效果的影響因素由大到小分別為抗壓強(qiáng)度、泊松比和彈性模型，相變爆破參數(shù)對(duì)于爆破效果的影響因素由大到小分別為致裂孔間距、充裝量和爆破壓力，初始地應(yīng)力、鉆孔布置參數(shù)和鉆孔切槽特性等影響裂紋發(fā)育擴(kuò)展特征。

4）二氧化碳相變爆破致裂在各種工程中得到了成功應(yīng)用。揭示了相變爆破多重裂隙滲流特征，多重裂隙形成了瓦斯流動(dòng)的主要通道，對(duì)低滲煤體卸壓增透能夠起到有效作用；對(duì)比了預(yù)裂前后煤體截割特征，預(yù)裂爆破能夠減少特大塊煤體的產(chǎn)生，形成更加均勻的塊煤；相變爆破預(yù)裂頂板產(chǎn)生的裂隙能夠促進(jìn)頂板的垮落。

5）未來對(duì)于相變爆破致裂基礎(chǔ)理論的研究應(yīng)主要集中在煤巖體多速率下起裂機(jī)理、相變爆破致裂多尺度分析、致裂過程中多物理場(chǎng)耦合特征和延時(shí)相變爆破技術(shù)，進(jìn)一步揭示二氧化碳相變爆破致裂機(jī)理，拓寬二氧化碳相變爆破致裂工程應(yīng)用場(chǎng)景。