二氧化碳致裂器在土石方工程中的应用

卢广海

(安能钻掘设备科技(深圳)有限公司,广东 深圳 518109)

1 前言

当今，矿山破岩、金属、非金属矿、煤矿的开采施工、地铁隧道岩石开挖、城市建筑施工，除了机械破岩施工，就是雷管炸药施工，前者效率低，后者危险极大，不仅影响环境，甚至会引发特大安全事故和暴恐事件。二氧化碳液气相变裂岩器（也称作：二氧化碳致裂器、二氧化碳开采器），是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破设备，其工作原理属于物理变化，具有破岩过程无火花外露、裂岩威力大、无需验炮、操作简便的优点。因此，在雷管炸药受限的破岩情况下，二氧化碳液气相变裂岩器是破岩施工首选。爆破、冻土层松动等工程施工领域得到了广泛的应用，尤其是土石方工程中更是得到了突飞猛进的发展。

进入二十一世纪后，国内许多企业研发了大量应用于土石方工程的二氧化碳致裂设备。如深圳市凯强力科技有限公司、河北鸿源机械集团公司、山东名世矿业机械有限公司、武汉市卡斯曼特机械有限公司、安能钻掘设备科技有限公司等，先后研发了多种型号的产品，并在我国土石方工程中得到了大量的推广应用。

2 二氧化碳致裂技术发展概况

20世纪50年代，英国CARDOX公司开发研制了液态二氧化碳相变致裂装置，当时称为Cardox管。该设备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[1]。2007年元月，淮北煤矿为解决煤矿爆破采用传统炸药放炮管理难度大、用人多等问题，淮北矿业集团公司和CARDOX公司有关技术人员合作，于2007年元月在芦岭煤矿进行了二氧化碳爆破试验[2]，从而开启了二氧化碳致裂技术在我国应用的先河。我国煤炭科学技术研究院有限公司、煤科集团沈阳研究院有限公司等科研单位也对该项技术进行了大量应用性研究工作。2013年7月～10月，煤炭科学技术研究院有限公司研发的二氧化碳致裂设备，在中电投纳雍县贝勒煤矿进行了落煤试验和致裂增透试验。试验结果表明，该项技术的应用，使瓦斯抽采钻孔周围煤层裂隙大幅度增加，煤层原生裂隙得到扩散，使瓦斯抽采量大幅提升，消除煤层突出危险性，为掘进工作面快速掘进创造了条件[1]。煤科集团沈阳研究院有限公司于2013年左右开始了该项技术的自主研发。2015年2月3日，经过近两年自主研发的全套技术及装备，取得了安标国家矿用产品安全标志中心颁发的安全标志证书[3]（见图1）。

由于二氧化碳致裂器在使用中展示出的安全性高（不存在炸药所具有的易爆危险、工作时不会产生任何明火或火花）、环境污染小（不产生硝烟、施工过程中扬尘量极小）、能替代传统炸药（炸药属于民爆产品受到严格监控）、以及爆破后不需要检炮等优势，在对生产安全、环保要求日益严苛的今天，二氧化碳致裂设备迅速突破煤矿施工领域，在采石、隧道、铁矿、壕沟、城建、水下

图1 煤科集团沈阳研究院有限公司研发的二氧化碳致裂器获国家矿用安全标志证书[3]

3 设备工作原理及主要部件

二氧化碳液气相变裂岩器的原理如图2所示：利用液态二氧化碳吸热体积瞬间膨胀的原理，将液态二氧化碳通过高压低温充装设备注入到二氧化碳储液钢管（也称致裂主管）内，装入泄压释能片、发热装置和密封圈，并保持储液管内液态二氧化碳压力在5～9MPa。将致裂管和起爆器通过电源线连接，把致裂管插入钻孔中固定好，启动起爆器，触发加热装置产生大量热量，使管内液态二氧化碳瞬间气化（二氧化碳液、气变化临界温度：31.06℃，临界压力：7.383 MPa，当温度高于31℃时液态二氧化碳会迅速气化），体积膨胀600倍，当管内气体压力超过泄压释能片极限强度（可设定）时，气体冲破泄压释能片，从泄能孔释放出来，瞬间产生强大的气团冲击力，沿着目标体自然裂隙冲开物料并将其推离主体，从而达到预裂松动的目的。致裂管每次使用后可以装填新的加热装置（发热剂）、泄压释能片，充装液态二氧化碳再次使用。具体施工工艺如图3所示。

二氧化碳液气相变裂岩设备主要组件由致裂主管、加热装置、泄能组件、充气组件、泄能释能片、其他辅助设备等组成，具体零部件的外形如图4所示。

图2 煤科集团沈阳研究院发布的二氧化碳致裂器工作原理示意图[3]

图3 煤科集团沈阳研究院发布的二氧化碳致裂器施工工艺流程图[3]

图4 二氧化碳致裂器主要部件

（1）致裂主管（致裂管），是高强度可重复使用的钢管，耐高压、高温管状容器，用于储存液态二氧化碳。部件外形见图5，部件构成见图6。

图5 致裂主管

图6 致裂主管组装图

（2）加热装置（发热管），由有启爆器、化学发热材料、PVC或者牛皮纸包装物组成，是提供热量的装置。其中发热材料是几种化工材料配制而成，它在空气中具有难燃性，即常温常压下无法明火点燃或引爆。需在一定的均匀围压下方可引燃，可根据致裂管充装液态二氧化碳变气体所需热量值调整热源剂量。部件外形见图7，内部结构见图8。

图7 加热装置

图8 加热装置内部结构

（3）泄能组件，用于固定泄能释能片 ，封闭气体，高压气体释放孔，施工中可根据情况使用不同方向的释放孔。部件外形见图9。

图9 泄能组件

（4）充气组件（充装机和充装台），封闭气体，是液态二氧化碳进入储液钢管的开关，连接导通加热装置电路组件。部件外形见图10。

图10 充气组件

（5）泄能释能片，是控制释放气体压力的组件，使用不同规格的剪切片可得到不同释放压力。

（6）其他辅助设备有液态二氧化碳充装机，用于向储液钢管充装液态二氧化碳。主要由以下几部分组成：

①杜瓦罐 （储液罐），用于储存液态二氧化碳。部件外形见图11。

图11 杜瓦罐

②旋紧系统，主要由气扳机和空压机组成，用于致裂管两端充气组件、泄能组件的拆解组装。见图12。

4 设备的优点及应用

二氧化碳致裂设备相较于传统的炸药爆破，产生的振动微弱，破坏力很小，因此对于保护建筑物等具有天然的优势。具体表现在：

图12 旋紧系统

①工作介质：CO2，无色、无味、无毒，不助燃，来源广泛，成本低廉；

②工作状况：可控，弱声波、微振动、无飞石，不污染环境，无火花、无毒害气体等；

③致裂效率：单点每天可开挖1000立方以上；

④开采成本：针对不同岩质工况，情况不一，总体上说，略高于爆破，低于机械破碎；

⑤操作程序：操作安装简单，但需要按操作要求操作，接受专业培训；

⑥适用范围：环境复杂，不宜爆破的石方开挖。

起爆至结束整个过程只需0.4毫秒，且是低温下运行，不受高温、高热、高湿、高寒影响。在井下爆破时对瓦斯具有稀释作用，无震荡，无粉尘。二氧化碳不属于易燃易爆物质，爆破过程就是体积膨胀的过程，物理做功而非化学反应。

目前，国际上约有140多个国家应用过CO2破岩技术，主要应用在以下方面：（1）煤矿矿山开采；（2）隧道掘进；（3）石材开采；（4）城市基坑开挖；（5）水下爆破；（6）岩石二次分解；（7）管道疏通；（8）竖井开挖和沟槽开挖。

在国内，除了煤矿应用外，在非煤露天矿山开采、管道疏通、水泥除垢、城市基坑开挖等应用比较广泛，名贵石材开采、隧道掘进和地铁建设等也开始逐步地应用推广并取得了良好的社会经济效益。

5 设备在工程实地中的使用概况

5.1 河北武安工业园区

河北武安工业园区青龙山智能装备制造产业园定位是：国家级智能装备制造产业基地、国家级循环经济示范基地、中国精密铸造基地、华北地区重要的关键基础零部件研发生产基地、华北新型材料研发生产基地。该基地产能规模1000万吨、产值一千亿元。产业园总规划面积15平方公里。由于产业园毗邻市区，不允许爆破施工。因此，二氧化碳致裂施工法得到了大显身手的机会。

该产业园签约了格力电器等高新技术企业（见图13），坚持“大众产品高品质化、高端产品市场化”。该产业园的成功建设，将成为华北地区的一张高科技产业集群方面的名片，产业园施工现场见图14。因此二氧化碳致裂施工法在该项目中的应用，具有十分典型的示范意义。

图13 河北武安工业园区签约格力电器

图14 产业园施工现场

二氧化碳致裂器应用现场见图15。二氧化碳致裂器现场组装见图16、图17。用二氧化碳致裂器破碎的土石方情况见图18、图19。

5.2 贵州贝勒煤矿

2013年在贵州贝勒煤矿进行的煤层深孔预裂增透、提高瓦斯抽采率实验中，预裂深度达100米，同时进行了高瓦斯突出煤层工作面快速掘进、落煤、煤（岩）巷道掘进（揭石门）、硬顶煤综合工作面强制放顶、消除突出危险性冲击地压、巷道底鼓修复等工作。这些实验均达到了各项指标要求，解决了多年困扰煤矿安全的许多问题。国家煤矿防爆安全设备质量监督检验中心（辽宁抚顺），对该设备进行了检测，检测结果认定该设备及附属装置在可爆炸瓦斯气体（CH4）中使用时不会点燃引爆瓦斯，能够达到煤矿井下安全性能指标。

图15 二氧化碳致裂器应用现场

图16 二氧化碳致裂器现场组装

图17 二氧化碳致裂器现场组装

图18 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情况

图19 用二氧化碳致裂器破碎的土石方情况

2016年9月下旬在广州佛山地铁石湾站口实验施工，10月在广州市地铁天河公园站口实验，地铁口处于闹市区，车辆、行人距离施工点不足20米且正常通行，对于使用炸药有一定的安全隐患，利用该设备则顺利完成了实验施工作业。

2017年6月在湖南省益阳市（中交二航局）滨江隧道实验施工作业，政府重点工程，该隧道山体倾斜、砂岩石、5级围岩，距离资江30米，隧道山体最薄处80厘米左右，上拱11米、宽14米，六部开挖法，隧道上面是益阳自来水厂不足10米。利用该设备完全满足了施工进度和安全要求，经测试5米远距离震动能量0.02、声音是90分贝。

2017年5月与中国石油（天津）东方地球物理勘探有限公司合作，利用 “二氧化碳致裂器”73#、90#型号管在天津南港区进行了石油勘探实验，目的是为了发展新式震源，实现地震勘探震源的多样性，检验“二氧化碳致裂器”震源在本地区的激发效果。实验取得了成功，初步达到预期目的。

湖北某大型水泥厂使用该设备清堵已有两年了，在水泥生产中，有很多地方容易发生结拱、堵塞和结皮现象。为了清理堵料，很多时候需要停止设备运转，工人进入设备内部才能进行清理，高温和物料塌落威胁着工人的生命安全。利用二氧化碳液气相变技术可以在不需要停机冷却的情况下对预热器、蓖冷机、粘土仓、铁粉仓、水泥库、均化库等常见堵料位快速清理，从而保障人员安全和机器设备的正常生产。

无论是谷类、面粉、玉米、大豆、食糖、食盐、水泥、石膏、煤、肥料、催化剂、矿石、火药等物料清理均可以使用。

6 国内外研究现状

美国的AIRDOX公司最早于1938年开始研究高压气体爆破，到上世纪50～60年代，世界上一些采矿比较发达的国家，如英、法、美、俄、波兰、挪威等国已将高压气体爆破采煤设备用于采煤工作面。英国CARDOX公司开发研制的液态CO2相变致裂装置，早期主要作为一种代替炸药的采煤器，既能提高块煤率，也不会引起瓦斯爆炸，曾获得英国安全与健康理事会关于该设备为非爆品的认证。上世纪80年代，该技术迅速发展，逐步应用到爆破震源、金属制品成型、地下矿山、露天矿山开采等领域，成为一种有潜力的新型爆破器材。

上世纪90年代，我国煤矿开始引进该项技术；21世纪，国内开始生产，但主要部件依靠进口；随着煤矿对该技术的淘汰，慢慢移植到露天岩石破碎领域。

2014年以来，将CO2液气相变裂岩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，但也出现了很多意外事故。从市面上了解到的信息看，二氧化碳液气相变裂岩技术在国内呈现出两多的发展态势，即厂家多，种类多样。截止到2017年上半年，据不完全统计在国内各省参与该行业企业分布情况如下：

河北4家；北京3家；山东7家；湖北2家；湖南4家；广东2家；山西2家；浙江3家；福建2家；重庆1家；四川1家；致裂管种类分为重复使用型和一次性使用型。重复使用型“二氧化碳致裂器”，主要由储液管、充气头、泄能装置、加热装置等组成，做功后只需更换少数零部件、如活化器、泄能片等，重新充装入液态二氧化碳，即可再次使用；一次性“二氧化碳致裂器”，主要由储液管、充液阀、发热装置等组成，爆破后管体即做废品处理，两者的作用机理一样，都是利用二氧化碳气体做功，但是一次性二氧化碳致裂器存在很大安全隐患，已经被禁止使用。

7 设备发展趋势探讨

二氧化碳液气相变裂岩技术在工程实践中得到了初步推广和应用，从理论上讲，这项新技术是为了更加安全更加方便岩体破碎施工，是一项绿色环保技术，解决一部分炸药雷管不能使用的工况或工程，但在实践中，这项技术出现一部分无序发展，也带来一些不安全的社会隐患，为了更安全合理有序发展应用此项技术和产品，国家出台相应的管理规范及监管条例是必然的。

相变裂岩技术主要为机械设备部分和加热装置两大部分组成，机械设备部分相对安全管控容易些，也基本不具备社会安全危害性，可以由相关的行业、企业标准规范，相关质监部门监管。

加热装置中的热源剂是这项技术设备的重点部分，也是国家危化品监管的部分，热源剂相对民爆火工品是更安全的产品，但由于内含有高氯化物（高氯酸钾）也属于管控物品，仍需要国家监管其生产、运输、贮藏、使用，以确保使用人员安全与社会公共安全！

8 结束语

二氧化碳液气相变裂岩技术是爆破工程领域诞生的新技术，是传统爆破的有效补充，尤其是适合于特殊工况作业，如城市市政工程施工、城区隧道施工、城市地铁、道路施工，以及距离文物景点、水利设施较近的施工现场，能发挥最佳效果，对减少公共安全事故有极大的作用。随着国家建设的飞速发展，相信二氧化碳液气相变技术会发挥其独特的优势，服务于国家经济建设。

甘肃·天水·仙人崖