CO2液-气相变膨胀破岩技术

夏 军，李必红，陈丁丁

(国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙 410072)

CO2液-气相变膨胀破岩技术

夏 军，李必红，陈丁丁

(国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙 410072)

CO2液-气相变膨胀破岩技术具有鲜明的特点，受到采矿及爆破领域的青睐。当前，该技术的应用已由煤矿拓展至露天非煤矿山。主要介绍了CO2液-气相变膨胀破岩技术历史沿革、破岩装置、破岩机理、破岩能力等，以供参考。

CO2；液-气相变；膨胀破岩；破岩装置

0 引 言

美国的AIRDOX公司最早于1938年开始研究高压气体爆破，到1950～1960年代，世界上 一些采矿比较发达的国家如英、法、美、俄、波兰、挪威等已将高压气体爆破采煤设备用于采煤工作面。英国CARDOX公司开发研制了液态CO2相变致裂装置，称为Cardox管，早期主要作为一种采煤器应用于高瓦斯矿井的采煤工作面，代替炸药，提高块煤率，且不会引起瓦斯爆炸。随着大规模综采设备的问世，采煤效率极大的提高，Cardox管在采煤工作面的使用逐渐被取代。1990年代，我国开始引进该项技术，如1992年3月28日～3月29日在平顶山矿务局七矿地面针对模拟煤体进行了爆破筒试验，爆破效果良好。进入21世纪，国内CO2爆破器材生产商逐步涌现，应用范围进一步拓宽，从地下矿山开采拓展到露天矿山开采，从煤矿领域跨越到非煤矿山，出现了很多非煤矿山运用的成功范例。2014年以来，将CO2液-气相变膨胀设备应用于露天岩石开采的网络报道日渐增多，内容涉及产品作用原理、结构组成、操作使用、作业流程及应用案例等，尤以成功案例演示居多，未见有技术参数及性能指标的系列研究报道。2016年3月22日，中国工程爆破行业协会在北京举办了“非炸药爆破技术座谈会”，受邀公司就“CO2液-气相变膨胀破岩技术”进行了汇报与交流，汪旭光院士作了座谈会总结并就该技术的深入研究和推广应用发表了重要讲话。

1 CO2液-气相变膨胀破岩概念

物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。物质从一种相转变为另一种相的过程称为相变。液态CO2在外部激发能量作用下会由液态转变为气态，发生液-气相变，体积发生膨胀。通过控制激发能量的大小及液-气相变的时机，可使CO2气体介质瞬间膨胀，产生机械能对外做功，将该机械能用于破裂、破碎岩石，实现CO2液-气相变膨胀破岩。研究CO2液-气相变膨胀破岩过程、机理、特点等，可以更好地利用CO2液-气相变膨胀做功特性。CO2液-气相变膨胀破岩装置既是研究形成的技术产品，也是进行深入研究的技术手段，技术与装置相辅相成，相互促进与发展。

2 CO2液-气相变膨胀破岩装置

如诸多文献所述，该类利用CO2液-气相变膨胀作功的装置称作二氧化碳爆破筒、二氧化碳爆破装置、二氧化碳致裂器、二氧化碳开采器等，下文称CO2液-气相变膨胀破岩装置。

如图1所示，CO2液-气相变膨胀破岩装置主要由主管体、充装头、泄能头、定压破裂片、激发器、锥形底头及密封垫片等组成。其中，主管体用于盛装液态CO2并提供形成高压状态的腔体；充装头设置有用于充装CO2的充装孔及用于密闭充装孔的进气口阀门顶针；泄能头沿径向设置有数个出气口用于泄出高压气体(煤矿用泄能头较长，出气口较多；露天矿用泄能头较短，出气口常设置成对称的2个、4个等)；定压破裂片设置于泄能头的主管体内，初期起到密封作用，后期视管体内压力情况即时破裂；激发器主要成分为化工药剂，可用电引火头通过电能激发，用于加热主管体内液态CO2；锥形底头设置在最下方/最里端破岩装置的泄能端，以便破岩装置顺利置于钻设的膨胀孔中；密封垫片用于装置密封，防

止漏气。

破岩装置配套有充装设备及作业用附件，充装设备主要有二氧化碳储存罐、制冷压力泵及显示屏、液压旋紧机、计量充装台(架)及组装台(架)等；作业用附件主要有矿用欧姆表、矿用起爆器、连接杆、装填管卡具及旋紧扳手等。

图1 破岩装置结构示意

3 CO2液-气相变膨胀破岩机理

3.1 作用机理

CO2在大气中为无色、略带刺激性和酸性味的无毒气体，不能助燃，其密度为空气的1.53倍。在20℃、5.6×106Pa环境下CO2呈液体，液态CO2转变为气态，体积膨胀约为初始状态的600倍。将液态CO2密闭于高强度容器，通过热能快速激发使其发生液-气相变，在密闭容器形成高能量状态，压强可达300 MPa，高能量状态CO2突破定压(抗压强度常设定在数十至300 MPa)破裂片的封堵，瞬间释放产生爆炸效应，对周围介质冲击、压缩及膨胀做功。

3.2 管体内CO2状态变化

CO2液-气相变膨胀破岩装置主管体内通过制冷压力泵充装CO2，充装压力常设定约10 MPa，温度不高于常温，管体内CO2主要呈液态、伴有小量气态；充装完毕的破岩装置将与周围环境发生热交换，如静置在露天作业环境下，其主管体温度较充装初期有一定的增加，压力可达数十兆帕，管体内CO2主要呈密相液态；激发器激发后，瞬间放出大量的热，主管体内温度尤其是压力快速升高，由于CO2的临界温度为31.06℃，临界压力为7.382 MPa，CO2快速由液态转变为超临界态。超临界态的CO2呈气态状，并不会液化，密度接近于液体，是气体的几百倍；黏度接近于气体，比液体小两个数量级；扩散系数介于气体和液体之间，约为气体的1/100，比液体大几百倍，具有较大的溶解能力。

3.3 CO2膨胀破岩过程

当主管体内高能量状态CO2突破泄能头定压破裂片的封堵作用，超临界状态CO2瞬间发生液-气相变，形成高压气体从泄能头侧面出气口泄出。初期，高压气体冲击、压缩周围岩石介质，引起近区岩石的压缩变形、径向位移，形成切向拉应力，产生径向裂隙；随后，压缩变形、径向位移过程中积蓄的弹性变形能开始释放，形成朝向泄能中心的径向拉应力，在已形成的径向裂隙间产生环状裂缝；期间，CO2气体渗入岩石介质原有裂隙或高压气体冲击、压缩形成的裂隙，发挥气楔作用，使裂隙进一步扩展、相互贯通，实现岩石的松动、破裂、破碎或局部抛掷；随着高压气体不断扩张，膨胀区容腔内压力整体下降，直至常压。

4 CO2液-气相变膨胀破岩能力

CO2液-气相变膨胀破岩能力与破岩装置内CO2的储量及相态、激发器释放热量、定压破裂片的选用、泄能端头出气口的数量及形状等因素有关。已有研究表明，CO2液-气相变膨胀后，压力峰值在数百兆帕量级，压力上升相对于炸药爆破较为缓慢且其高压持续时间较长，相对于水力压裂，其压力却更大。表1为某型号装置试验的技术参数对比，图2为几种技术的升压曲线对比示意。

表1 技术参数对比表

常见岩石的抗压强度为数十兆帕至数百兆帕，抗拉强度为数兆帕至数十兆帕。CO2液-气相变膨胀形成的压力峰值可高于岩石抗压强度一个数量级、可高于岩石抗拉强度二个数量级。依据CO2液-气相变膨胀破岩机理，可以得到：

(1)CO2液-气相变膨胀产生的压应力及拉应力强度可满足所有常见岩石破岩的要求；

图2 三种技术的升压曲线对比示意

(2)应关注自由面、最小抵抗线、孔距、孔径等“炮孔参数”，充分利用高压气体对岩石的拉应力破坏效应；

(3)从能量匹配角度来看，CO2液-气相变膨胀做功适合用于破岩作业，其能量利用率高，爆破振动、爆破飞石、爆破噪音等危害小甚至可忽略不计，且不产生爆破高温、爆破毒气；

(4)与炸药瞬间化学爆炸相比，CO2液-气相变对与其临近岩石的破碎能力要弱，表现为对岩石的破碎程度、破碎范围要小。对于岩石抗压能力强、岩层完整性好、自由面少的情形，CO2液-气相变膨胀破岩效果要弱于炸药破岩。

5 结 语

CO2液-气相变膨胀破岩技术无需炸药、雷管，可作为传统炸药爆破破岩技术的重要补充；其相变产物温度低、无火花、无毒害气体等，可拓展破岩技术应用领域，尤其对地下煤矿开采、有瓦斯爆炸危险矿区具有独特优势；其膨胀破岩能力可高于岩石抗压强度一个数量级，在达到破岩目的的同时不产生爆破振动、爆破飞石及爆破噪声等危害；从能量利用率来看，可避免炸药爆破破岩在爆破压碎区存在的能量损耗及爆破过程中高温造成的能量损耗等。

当前，关于CO2液-气相变膨胀破岩技术的研究与应用都还不够系统与深入；技术普及教育还较滞后，部分技术推广人员对该技术特点认识不全面，盲目夸大甚至错误的宣讲偶有发生；市场上的产品质量良莠不齐，技术应用案例演示次数多、总结分析少，这些都对CO2液-气相变膨胀破岩技术的应用与推广造成不良影响。期盼CO2液-气相变膨胀破岩技术研究单位及团体能够加强交流与沟通，技术应用单位及个人能够客观地对待这项技术，共同致力于该技术的不断完善与发展。

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2016-09-25)

夏 军(1979-)，男，安徽庐江人，副教授，博士，主要从事弹药工程与爆炸技术、反恐技术研究，Email：68475460＠qq.com。