二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望

周盛涛，罗学东，蒋 楠，张宗贤，姚颖康

1) 中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074 2) 江汉大学爆破工程湖北省重点实验室，武汉 430024 3) 奥卢大学奥卢矿业学院，奥卢 90014

由于资源开发、工程建设等方面的需要，人类对岩石破碎的需求从未停歇.早在公元前5世纪，我国就采用火爆法落矿.自19世纪以来，硝化甘油炸药的发明使爆破成为应用最广泛的岩石破碎开挖方法[1].爆破作为一种高加载率破岩方法，不可避免地带来振动、空气冲击波和飞石等公害[2-3]，且存在损伤原岩、对临近建筑物扰动较大等缺点.为克服爆破的诸多缺点，一些安全可靠的爆破替代技术逐步被引入岩石破碎与开挖领域.其中，CO2相变致裂具有安全性好、操作方便、破岩效率高、公害小等优点，在各类岩体破碎开挖工程中使用较多.

CO2相变致裂以超临界CO2与气态CO2之间的能量差作为破岩动力，致裂时液态CO2首先吸热转化为超临界态，再卸压膨胀转换为高压气体，破碎岩石.整个致裂过程不仅无火花，还能吸热抑燃，属于典型的物理爆炸[4].该技术起源于20世纪初，最初用于英国煤矿中的低透气高瓦斯煤层增透和开采，以达到减少开采煤尘、降低瓦斯爆炸风险的目的[5]，随后在美、德、法等国的煤矿中大量使用[6].得益于煤矿机械化生产的快速发展，20世纪70年代末，英国在采煤领域全方位推广了机械化开采，停止了CO2相变致裂管的使用[7].与此同时，此技术开始在钢铁、水泥、电力等领域崭露头角，用于结块清除、管道清堵、料仓破拱[8].

如今，CO2相变致裂在改善瓦斯抽放、复杂环境下岩土体开挖等领域破岩的优势再度得到关注，但因其致裂效果影响因素较多，理论研究尚处于起步阶段，生产规范还未形成，大规模推广应用仍存在一定困难.为推动该技术在岩石破碎与开挖领域的大规模应用，本文针对国内外CO2相变致裂相关研究成果，系统归纳分析了CO2相变致裂设备、致裂原理、致裂荷载、致裂效果影响因素及有害效应研究现状，介绍了该技术在各个领域的应用情况，并指出了该技术现有研究的不足和未来发展趋势.

1 二氧化碳相变致裂技术

1.1 致裂设备

CO2相变致裂对机械设备要求较高，使用时需配备CO2储液罐、CO2充填设备、CO2相变致裂管[7]（图1）.CO2相变致裂管由充装头、发热管、储液管、密封垫、剪切片及泄能头组成[4,7]，如图2所示.

图 1 二氧化碳相变致裂设备Fig.1 Mechanical equipment of the carbon dioxide phase transition fracturing

图 2 二氧化碳相变致裂管结构图Fig.2 Structure of carbon dioxide phase transition fracturing pipe

充装头上设置有充液阀，是液态CO2注入致裂管的通道；此外，还设置有电阻芯，用于传导起爆电流.发热管化学成分特殊，在极小的电流下即可发热，从而促使CO2由液态转化为超临界态[7,9].储液管通常由高强度合金材料制成，是CO2发生相态转换的场所.剪切片与密封垫在致裂管激发前对储液管起到密封作用，致裂管通电起爆时，剪切片厚度在起爆时控制致裂管爆力大小.泄能头通常与储液管材质相同，泄能头上设置的泄爆口（泄爆喷嘴）是高压CO2气体释放的通道.

1.2 致裂原理

当温度超过31.3 ℃且压力超过7.39 MPa时，二氧化碳进入超临界态.CO2相变致裂时，发热管通电释放大量热量，储液管内的液态CO2受热相变为超临界态，管内压力升高.当管内压力超过剪切片的额定压力时，剪切片发生破断，超临界CO2瞬间卸压膨胀为高压气体，破碎岩石.

自CO2相变致裂技术问世以来，对其破岩机理的讨论从未间断.Singh[10]分析了致裂管Cardox的作用过程，认为致裂释放的高压CO2气体通过对岩体施压产生拉应力场，以较小的拉应力破坏岩石，岩体内部随后产生锥形裂隙，达到破岩目的（图3）.现有观点普遍认为，致裂时高压气体冲击钻孔壁，激发强烈的应力波，致裂孔近区岩体内部压应力远高于岩石的极限抗压强度，岩石受压破碎，形成压碎区.压碎区外岩体内部压应力低于岩石动抗压强度，但岩体受压产生的环向拉应力大于岩石的极限抗拉强度，岩石受拉破坏；高压气体随后进入拉破坏裂隙，初始裂隙发生二次扩展，这部分区域被称为裂隙区.应力波在裂隙区外侧不断衰减，该区域岩体仅受弹性波作用产生震动，属于震动区（图4）[11-13].CO2相变致裂荷载下的岩石破碎本质上是应力波与高压气体共同驱动下的岩体裂纹扩展行为.冲击动应力在高压CO2气体释放的瞬间破坏岩石，使其产生初始裂隙，裂纹尖端进而在远场应力与高压气体压力作用下向前扩展.裂纹扩展受气体压力、裂纹尺寸形状、射流方向等多因素共同控制[14-18].

图 3 贯通式锥型破碎Fig.3 Penetrating cone fracture

图 4 钻孔围岩分区示意图Fig.4 Surrounding rock zones of the borehole

2 二氧化碳相变致裂荷载

2.1 荷载特征

尽管CO2相变致裂压力曲线表现为类似爆破荷载的近三角形式[18-21]，但由于破岩能量来源不同，CO2相变致裂荷载与爆破荷载区别明显.CO2相变致裂时，气楔作用时长大于应力波作用时间，较大部分能量的表现形式为气楔作用，应力波能量占比较低，加载率偏小.CO2相变致裂峰值压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，升压段斜率小于爆破荷载的升压段斜率，高压作用持续时间较爆破荷载更长，属于中应变率长持时荷载[22]（表 1）.

表 1 不同破岩技术荷载参数对比[22-24]Table 1 Load parameters of different rock-breaking technologies

2.2 致裂压力测试

CO2相变致裂峰值压力是评价CO2相变致裂爆力的重要指标，致裂压力曲线特征分析是致裂理论研究的基础.CO2相变致裂峰值压力远低于爆破峰值压力，在传感器可测量程内，因此可直接开展致裂压力曲线测试.为获取致裂孔内冲击压力变化规律，谢晓锋等[25]将PVDF压电薄膜传感器布置在致裂管外壁和泄能头腔内，采集致裂孔内泄爆压力曲线，测试结果如图5所示.但由于采用PVDF压电薄膜传感器时，无法直接测试泄爆口处钻孔壁受荷特征，压力测试曲线的可用性仍有待验证.现阶段，大多数学者主要采用室内测试方法获取泄爆压力时程曲线，主要分为管内测试和管外测试.周西华等[26]直接测试致裂管内部压力，将压力测试曲线分为四段：①管内二氧化碳受热升压至泄能片破断压力；②剪切片破断后气体压力继续升高至峰值压力；③气体冲出，致裂管内压力和冲击波速度迅速下降；④应力波衰减为地震波（图6）.此外，剪切片破断后致裂管与大气连通，因此致裂管内压力测试曲线泄压段能在一定程度上反映相变致裂对目标介质的做功情况.周科平等[27]以此为依据分析致裂管内压力测试曲线，发现CO2相变致裂时最大加载速率约为227.19～299.34 GPa·s-1.

图 5 致裂孔内压力测试曲线[25]Fig.5 Pressure test curve in the fracturing hole[25]

图 6 致裂管内压力测试曲线示意图[26]Fig.6 Pressure test curve in the fracturing pipe[26]

管外压力测试较管内测试形式更加多样.Ke等[28]在射流方向上设置一列压力传感器，采集得到自由场中各位置处压力，并将压力曲线正相段分为四段— —射流压力迅速升高至峰值、压力略降至某一固定压力、射流压力维持在固定值、压力逐渐衰减至0.致裂管在钻孔中起爆后，高压CO2气体在受限空间内发生聚集运移.为准确获取致裂孔内气体压力变化特征，雷云[29]与郑天照[20]用无缝钢管模拟致裂孔，测试轴向渗失条件下的气体压力变化，发现射流核心冲击区压力具有峰前线性升高和峰后非线性下降的三角脉冲特点；随着与泄爆口距离的增加，致裂峰值压力呈指数形式降低.为模拟致裂高压气体在目标煤（岩）体中的渗失，郑天照[20]进一步在钢管侧壁增设径向渗失孔，发现气爆能量在渗失孔周围聚集，渗失孔周围压力表现为梯形脉冲.此外，气楔压力是影响裂纹扩展长度的关键因素，但由于岩石破裂时裂纹扩展具有随机性，气楔压力曲线监测难度较大.孙可明等[16]通过在混凝土试件中预制弱面的方式克服了这一问题，发现气楔压力服从负指数衰减规律.

总体而言，学者们提出了一系列CO2相变致裂压力测试方法，分析了CO2相变致裂压力变化特征，但上述测试方法的可靠性仍待探讨.随着荷载特征研究的深入，系统分析不同压力测试方法的准确性，对比优选合理的致裂压力测试方法，是未来二氧化碳相变致裂基础研究的重要发展方向.

2.3 致裂荷载表征方法

尽管压力测试曲线能直观表示二氧化碳相变致裂爆力，但致裂压力测试试验条件要求高，开展难度大.为方便理论分析和数值计算中对CO2相变致裂荷载进行定量描述，学者们提出多种相变致裂荷载表征方法，其中，最常见的是用压力容器爆炸能量表征致裂总能量.董庆祥等[30]对比三种常用的压力容器爆炸能量计算方法，提出应选用压缩气体和水蒸气容器爆炸能量计算方法计算致裂总能量E：

其中，E为致裂总能量，kJ；P为致裂器内气体的绝对压力，MPa；V为储液管容积，m3；k为二氧化碳的绝热指数，取1.295.

Ke等[20]、郭勇等[31]利用 Span Wagner状态方程，从爆炸热力学角度分析了致裂总能量.作为爆炸能量的外部表现形式，致裂振动在一定程度上能反映爆源总能量大小，郭杨霖[32]、Yang等[33]对比三硝基甲苯（TNT）爆炸和CO2相变致裂振动时程曲线的均方根值和振动能量，计算得到1 kg二氧化碳的TNT当量分别为430 g和380 g，均能满足工程需求.孙可明等[34]通过拟合气爆口的压力测试曲线得到了CO2气爆射流对应的JWL方程参数，用JWL方程描述了致裂荷载.

上述研究表明，CO2相变致裂荷载表征研究现阶段主要集中在致裂总能量计算方面，忽略了致裂能量的作用过程，具有一定局限性.因此，有必要结合CO2相变致裂过程，深入研究考虑能量作用过程的致裂荷载定量表征方法.

2.4 致裂荷载影响因素

CO2相变致裂泄爆总能量主要由液态CO2充装量和剪切片厚度控制.CO2充装量主要通过影响二氧化碳泄压持时和峰值致裂压力控制致裂总能量，肖诚旭[35]通过分析不同剪切片厚度、CO2充装量下的膛压测试结果发现，当CO2充装量由1075 g增至1475 g时，峰值致裂压力仅提高11.6%，远小于剪切片厚度对峰值压力的影响.谢晓锋等[13]拟合了致裂总能量与剪切片破断压力的特征曲线，发现致裂总能量随剪切片破断压力的增大而增大.此外，Lu等[7]认为致裂总能量不仅与峰值致裂压力有关，还与喷嘴射流速度、气体密度和管外压力有关.其中，喷嘴射流速度是射流流场中的关键参数，CO2相变射流流场受喷嘴形状、数量和面积等因素共同控制.黄晓实等[36]研究认为，楔形喷嘴压力场长而集中，且峰值压力更大；方形喷嘴压力场粗且密集，压力分布更加分散.周航[19]研究发现，双孔喷嘴的CO2射流压力曲线经历应力激增、应力剧减、应力减速衰减三个阶段，而四孔喷嘴压力曲线有应力升高、应力激增、应力剧减和应力衰减四个阶段；泄爆喷嘴总面积越接近致裂管内截面面积，致裂峰值压力越大.

可以看出，现有研究主要围绕单一变量下致裂荷载的变化特征展开，但CO2相变致裂荷载受多因素共同控制，分析不同因素对致裂荷载的影响权重，建立多因素CO2泄爆射流荷载数学模型，对CO2相变致裂工程应用有重要意义.

3 二氧化碳相变致裂效果影响因素

CO2相变致裂应用过程中，其致裂效果是最主要的关注点之一.CO2相变致裂效果受爆源参数与外部因素共同控制，明晰不同因素对致裂效果的影响规律，能有效指导孔网参数选取，优化致裂效果，对提高致裂破岩效率意义重大.近年来，部分学者通过理论分析、室内试验、现场试验和数值模拟等手段在此领域进行了初步探究.

3.1 爆源参数

CO2充装量和峰值致裂压力是CO2相变致裂爆源参数，主要通过控制致裂管爆力影响致裂效果.周西华等[37]以井下相变致裂后瓦斯现场抽采效果为评价指标，发现致裂有效半径与峰值致裂压力呈正相关，当峰值压力增至280 MPa后，致裂半径的增长趋于平缓（图7）.孙可明等[15]统计了混凝土试件室内致裂试验的主裂纹条数N和裂纹累计长度D，发现主裂纹数量和裂纹累计长度均与峰值致裂压力P呈对数函数关系（图8）.除峰值致裂压力外，CO2充装量是保证致裂较长持时的关键因素，对致裂效果的影响不容忽视.田泽础[38]研究发现，CO2充装量越大时，致裂压碎区范围越大，裂缝数目越多，破岩块度分布范围越广.工程应用中，综合考虑两种爆源参数对破岩效果的影响，对提升破岩效果有重要意义.

图 7 有效影响半径随致裂峰值压力的变化情况[37]Fig.7 Variation of effective influence radius with varying peak fracturing pressures[37]

图 8 不同峰值压力下裂纹累计长度和主裂纹条数变化情况[15]Fig.8 Variation in cumulative crack lengths and the number of main cracks with varying peak fracturing pressures[15]

3.2 孔网参数设计

工程爆破中，合理的孔网参数设计方案能有效控制爆炸能量分布，得到理想的破岩效果.矩形布孔和梅花形布孔是爆破中常用的布孔形式，实践表明，上述两种布孔方式下致裂破岩效果区别明显.矩形布孔时，致裂孔孔间贯通面积小，大块率较高；而梅花形布孔时，裂纹在行、列与对角线方向上均能贯通，是一种更优的布孔方式[39].王兆丰等[40]、李豪君等[41]在平煤十三矿开展井下增透试验，对比矩形和梅花形布孔时的煤层增透效果，发现梅花形布孔时，瓦斯抽采达标仅需100～125 d，较矩形布孔时短15～20 d.群孔CO2相变致裂破岩时，可考虑采用梅花形布孔优化破岩效果.

岩体爆破开挖时，若设置有控制孔，应力波会在控制孔处发生反射叠加，促进爆生裂纹发育.CO2相变致裂中，无控制孔时裂纹一般受自由面应力波反射叠加作用发生贯通，有控制孔时裂纹常沿致裂孔与控制孔连线方向发育，控制孔对裂纹扩展有导向作用[39].谢晓锋等[13]开展了三种含控制空孔的桩井开挖试验（图9），发现控制空孔布置过多时（方案1），会增加气体逸散途径，减弱破岩效果；控制空孔设置过少时（方案2），致裂效果较差，需要二次破裂；仅当控制空孔数量设置合理时（方案3）破岩效果较好，说明控制孔过多与过少均会弱化破岩效果，选择合适的控制孔数量有利于提升破岩质量.此外，周西华等[42]、Kang等[43]、题正义与陈波[44]借助数值模拟发现，有控制孔时致裂影响范围更大，煤层CO2相变致裂增透时，可先利用控制孔优化致裂效果，后利用控制孔抽采瓦斯.

图 9 三种不同的桩井开挖方案[12].（a）方案 1；（b）方案 2；（c）方案 3Fig.9 Three different pile well excavation schemes[12]: (a) scheme 1；(b) scheme 2；(c) scheme 3

针对CO2相变致裂孔网参数的定性研究已经明确了布孔方式与控制孔对致裂效果的影响，但科学的致裂孔网参数设计标准尚未形成，因此以既有研究为基础，系统探究钻孔数量、间距、布置方式对致裂效果的影响规律，建立一套CO2相变致裂孔网参数设计规范，是未来CO2相变致裂破岩应用研究的重点研究方向.

3.3 围压作用

深部岩体的破裂失稳往往受地应力场影响，地应力既能提高目标破碎岩体强度，又能对裂纹扩展起到导向作用，不同地应力场对CO2相变致裂破岩效果的影响规律是其用于深部岩体破碎开挖的核心问题.孙可明等[34,45-46]分析不同初应力下的致裂效果发现，裂隙数量与长度均随初始应力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围也与初始应力呈负相关关系.此外，初始压应力能促进裂纹沿初始压应力方向起裂扩展，同时通过阻碍高压气体进入方向与其垂直的裂隙，抑制初始压应力垂直方向上的裂纹扩展.试验表明，控制垂直向初始应力不变，逐渐增大水平向初始应力时，水平向初始应力变化不影响该方向上裂纹的发育方向，但控制垂直向裂纹扩展向水平方向发生偏转，且偏转角度随着两方向应力差的增大而增大，此外，垂直向裂纹扩展长度随应力差的增大而减小.田泽础[38]研究发现，主应力差对非聚能方向上的裂纹发育有明显影响，主应力差较大时，非聚能方向上径向裂纹发育明显；反之，该方向上裂纹扩展范围较小.

学者们已围绕不同应力下致裂裂纹扩展变化规律开展了一些探索，但研究中往往忽略CO2泄爆射流的定向致裂特点.随着深部地下工程的发展，综合考虑CO2相变射流定向致裂特点与岩体应力赋存条件，分析不同应力状态下射流方向对裂纹起裂扩展的影响规律，提出不同地应力下CO2定向致裂控制方案，是未来CO2致裂应用于深部岩体控制开挖的重要研究课题.

4 二氧化碳相变致裂有害效应研究

岩体开挖安全控制与环境保护是工程爆破领域的关键课题，分析动力破岩过程中地震波、飞石、噪声、粉尘、空气污染等有害效应的形成与传播机制，对复杂环境下岩体开挖工程安全与环保意义重大.由表1可知，CO2相变致裂峰值压力与加载率较低，对应的应力波峰值强度较小，致裂时高压CO2气体沿岩体裂隙和微裂缝扩散，岩石以受拉破坏为主，难以抛掷形成飞石，噪声、振动也较小[4].

尽管致裂激发的振动强度较低，但由于CO2相变致裂常被用于复杂敏感环境下的岩体开挖工程中，其振动控制要求较高，振动效应不可忽视.研究表明，CO2相变致裂振动由气爆应力波激发，振速与应力均随传播距离增大而减小[34,47]，振速曲线频率集中在0～100 Hz内[48]，不发生高频振荡[25]，强度远小于爆破振动[49]，典型CO2相变致裂振速时程曲线如图10所示.

图 10 典型CO2相变致裂振动速度时程曲线[25]Fig.10 Velocity-time history curve of a typical carbon dioxide phase transition fracturing vibration[25]

飞石、噪声、粉尘、空气污染是露天爆破安全控制中的重要内容，部分学者针对上述露天施工有害效应进行了初步探索.李启月等[50]在基坑致裂开挖时设置防爆毯，发现致裂时无飞石产生，扬尘较少，16 m外声音强度小于76 dB，能满足敏感区域开挖的要求.此外，CO2相变致裂低加载率的特点有利于岩石断裂，岩石以受拉破坏为主，从源头上抑制了破岩粉尘的产生.刘光辉与王海亮[51]通过现场致裂试验发现，致裂破岩产生的粉尘和炮烟较爆破减少了50%.整体而言，CO2相变致裂的飞石、噪声、粉尘较小，环保优势明显.陶明等[49]通过理论计算发现，每破碎1 m3的岩石，爆破生成气体总量约为0.202～0.217 kg，CO2相变致裂气体生成量为0.21 kg.尽管两种方法破岩生成的气体总量接近，但爆破时往往会产生CO、NO、NO2等多种有害气体，CO2相变致裂仅涉及CO2的相态转换，致裂时释放无毒无害无味的CO2气体，较爆破更加安全环保.

与爆破不同，浅孔CO2相变致裂时，若致裂孔封堵不密实，孔内的高压气体可推动致裂管向外运动，发生“飞管”，致裂管最高可脱离致裂孔向上抛出20～30 m.此时，致裂能量主要用于致裂管抛掷，岩体致裂效果较差，同时也对施工作业人员的安全造成一定威胁.为保证致裂效果，提高CO2相变致裂安全性，可采用封孔止飞、机械止飞、泄爆口止飞等方法进行控制[52]，保障致裂管起爆稳定性.

CO2相变致裂有害效应较爆破更小，致裂破岩整体安全可控，相关研究多集中于定性描述与评价方面.近年来，城市建筑物近接致裂破岩工程越来越多，系统探究CO2相变致裂动力响应特征，提出完整的致裂有害效应安全控制方法，是保障其应用安全的重点.

5 二氧化碳相变致裂应用现状分析

5.1 富瓦斯煤层增透与煤炭开采

近年来，CO2相变致裂在煤矿生产中成功应用的报道越来越多，尤其表现在富瓦斯煤层增透领域[43,53-54].CO2相变致裂用于煤层增透时，致裂产生的复杂裂缝破坏了瓦斯吸附平衡，原煤中瓦斯逐渐解吸为游离态；此外，致裂释放的CO2与甲烷形成竞争吸附关系，并能在煤岩裂缝中逐步驱替甲烷，能有效提高瓦斯抽采率.最初，王兆丰等[55]将CO2相变致裂引入九里山矿进行煤层增透试验，试验分别设置有致裂孔、控制孔、水力冲孔（图11）；致裂当天致裂孔瓦斯抽采流量由0.004 m3·min-1提升至 0.078 m3·min-1，10 d内致裂孔平均瓦斯抽采流量为 0.057 m3·min-1，是致裂前的 4.3 倍，为水力冲孔抽采的2.3倍；此外，试验前后流量衰减系数由0.384 d-1降至0.046 d-1，表明CO2相变致裂增透不仅效果较好，瓦斯抽采可持续性也较好.随后，周西华等[37,42]将该技术引入七台河煤矿增透中，致裂后煤层透气性系数提高了17.49～22.76倍，平均瓦斯抽采体积分数提高了56.4%.李丰亮等[56]将此技术用于玉溪煤矿的强化增透卸压消突，致裂后钻屑瓦斯解吸指标降低11倍，日均进尺提高92.8%，保证了矿井高效安全生产.Cao等[57]将多根致裂管前后相连，提出多簇气体相变致裂技术，并在李村煤矿等多个煤矿中取得了良好的抽采与掘进效果.此外，张嘉凡等[58]尝试将该技术用于开采煤炭，发现块煤率提高了20%～50%，在薄层煤岩中开采较好.

图 11 九里山矿煤层增透试验钻孔布置图[55]Fig.11 Borehole layout of the coal permeability improvement experiment in Jiulishan Mine[55]

上述研究主要集中在致裂作用下煤层增透效果分析与煤炭开采应用方面，忽略了井下CO2相变致裂带来的次生风险.实践表明，尽管二氧化碳在煤层中能有效驱替瓦斯，但部分CO2气体仍可能沿钻孔及贯通煤岩裂隙向巷道扩散，导致井下有限空间内二氧化碳超限，造成一定的安全风险.因此，有必要开展井下二氧化碳超限防治研究，为井下致裂煤层增透施工提供安全保障.

5.2 工程建设与石方开采

针对不同破碎对象，CO2相变致裂的破碎效率均能维持在较高水平，可充分满足各类工程需要.除在煤矿应用较多外，该技术已被逐步引入工程建设与石方开采领域，在桩井开挖、路基开挖、隧道掘进等工程中展现出其优势.Caldwell[4]介绍了Cardox管在澳大利亚桩井开挖工程的成功实例，开挖19.6 m深的竖井时，单次致裂进尺0.9 m，同一断面仅需23个致裂孔，且能较好达到开挖目的.Parsakhoo等[59-60]将此技术引入Hyrcanian森林路基开挖工程中，降低了飞石抛掷风险，成功保护了拟建区附近的树木.此外，由于城市地铁营建的安全要求较高，长沙、广州、南京、乌鲁木齐等地的部分地铁车站与区间隧道中已采用CO2相变致裂进行开挖掘进，有效缩短了工期，降低了施工成本.

石方开采领域中，土耳其Artem Insaat采石场运用Cardox管开采方解石，日产量可达1500 t；Bulawayo的金矿中，两根Cardox管与五孔爆破采石方量相等[9].近年来，由于压碎区范围小，CO2相变致裂技术在玉石开采领域也有应用，以提高玉石开采的完整性.

5.3 其他应用

CO2相变致裂不仅能应用于岩石破碎开挖领域，也能应用于其他领域.在汽车生产领域，CO2相变致裂产生的高压CO2射流能有效应用于汽车喷漆前的清污处理[61].现有研究表明，地球物理勘探中，CO2相变致裂激发的初至波传播距离能达到1 km，对应的高频段有效反射信息较炸药震源资料剖面更丰富，是一种能有效替代炸药的绿色可靠震源[62-63].长时间以来，高纬度地区开辟航道的需求旺盛，大范围破冰作业是航道开辟的先决条件，Mellor[64]在New Hampshire和Alaska的湖泊上进行了气爆破冰尝试，发现CO2相变致裂能有效应用于破碎大体积浮冰.此外，徐超等[65]提出CO2相变致裂和水力压裂可联合用于干热岩储层建造的构想，为深部地热能开发提供了新的思路.整体而言，作为一种新型绿色环保的破碎技术，CO2相变致裂应用前景广阔，并有望在更多领域发挥功用[66].

6 研究展望

随着安全生产与绿色建造理念不断深入人心，安全环保的气爆破岩技术较传统炸药爆破将更有发展潜力.尽管国内外学者借鉴爆破理论研究方法，针对CO2相变致裂开展了诸多有益探索，但实际工程应用中，仍存在致裂成缝控制难度大，致裂效果不稳定等问题.此外，由于CO2相变致裂破岩速度快、致裂管结构复杂，CO2相变致裂破岩理论体系仍未完善，孔网参数设计标准尚未建立，一定程度上制约了该技术的大规模推广应用.为提高破岩效率，优化破岩方法，仍需进一步开展工作：

（1）二氧化碳相变致裂破岩机理分析.

CO2相变致裂破岩过程中，一般认为致裂裂纹由应力波与高压气体协同驱动扩展，但应力波与高压气体在岩体内部的传播衰减特点、破岩能量占比仍未明确，二者协同破岩的力学机制有待进一步探究.此外，现阶段一般将CO2相变致裂假定为同断面等压爆破，实际破岩时，泄爆口正对的岩体受到的冲击应力更大，表现出明显的聚能特点.分析CO2相变致裂冲击力学模式，定量描述相变致裂泄爆压力曲线，建立CO2泄爆力学模型，探究应力波与高压气体的传播衰减规律，能为明晰岩体致裂破坏模式提供理论支撑.

（2）致裂管结构优化设计与参数优选.

CO2相变致裂时，致裂总能量大小由剪切片厚度与液态CO2充装量共同控制，CO2射流压力曲线还受泄爆喷嘴尺寸、数量、设计位置等因素影响，各参数对泄爆荷载的影响规律现阶段仍未明确.有必要开展致裂管结构优化设计研究，确定不同规格致裂管的剪切片强度、充装量、喷嘴直径的优选匹配关系，降低泄爆射流能量损失，全方位提高致裂管爆力，为CO2相变致裂大范围推广应用提供设备支持.

（3）致裂孔网参数设计规范建立.

由于炸药管控日益严格，岩石破碎的需求依旧旺盛，工程师们已尝试在各类岩体破碎开挖工程中使用CO2相变致裂技术.直至今日，系统的致裂破岩技术指导规范仍未形成，致裂孔网参数选取方法尚未达成共识，应用时只能依据工程经验进行孔网参数设计，CO2相变致裂破岩优势还未得到充分挖掘，能量利用率整体偏低.针对赋存于复杂工程地质环境中的各类目标岩体，分析揭示岩体强度、裂隙、层理等多因素对破岩效果的影响规律，建立完整的CO2相变致裂孔网参数设计规范，能为CO2相变致裂的工程应用提供有效指导，是满足CO2相变致裂条件下岩石高效破碎开挖需求的必由之路.