致裂器对液态CO2相变破岩的功效影响分析

2022-10-09欧玉峰

工程爆破 2022年4期

肖婷，欧玉峰

(广东中人工程集团有限公司，广州 510515)

液态CO2相变破岩主要依靠相变产生的气体膨胀对外做功来实现[1]。与传统的炸药爆破方式不同，CO2本身无毒、无害，其液-气相变是吸热过程，不发光、发热，也无新的产物生成，而且其相变破岩产生的粉尘少、飞石少、振动小、振动波频率低、衰减慢，对环境影响小[2-3]，在环保和安全方面具有明显的独特优势。

近年来在我国铁路、公路、市政、矿山、水利等工程爆破领域中液态CO2相变破岩技术得到了广泛推广应用。在应用中均采用“钻爆法”破岩工艺，即通过对拟破岩体进行钻孔，再在钻好的炮孔内装埋致裂器并使其处于做功态，激发孔内的致裂器，使装在其内的CO2相变进行做功破岩。而传统装药“钻爆法”，涉及严格而繁琐的审批手续，在环境复杂或安全敏感区域施工受限，同时存在一定安全风险，对比来看，CO2相变破岩优势不言而喻。实践表明，所使用的致裂器不同，其破岩功效不尽相同，甚至出现因致裂器选用不当造成破岩失败的结果。因此，需要深入分析致裂器因素对CO2相变破岩的功效影响，进一步促进液态CO2相变破岩技术的应用与改进。

1 液态CO2相变工作的工况分析

1.1 液态CO2相变的质能与做功关系

液态CO2相变做功过程由激发管内化学药剂，在引火头发火激发作用下发生化学反应并释放热能和CO2吸热发生液-气相变并对外做功两个过程组成[4-5]。将CO2相变过程理想化，忽略重力影响和激发管内物质的化学反应放热过程，激发管释放的热能按“零能平衡”处理，即激发管内物质反应所放的热，刚好能够将所配致裂管内的液态CO2完全相变气化，这时，CO2相变致裂破岩过程，可视为气体膨胀对外做功的过程。将液态CO2装管后并严密填塞的炮孔，看成闭口系统，便可采用热力学进行分析[6]，此时进入和离开系统的能量只包括热量和作功两项。显然，“零能平衡”条件下，激发管释放的热能等于致裂管内的CO2液-气相变内能增加与其对外所做的功之和，即：

(1)

式中：Q为激发管释放的热能，J；ΔU为CO2液-气相变内能增加，即相变气化热，J；P为气体压力，Pa；V为气体体积，m3；Ⅰ 为气体做功前初始状态；Ⅱ 为气体做功后状态(常态)。

理想状态下液态CO2相变对外所做的功由气体泄充动能和体积膨胀能2部分组成[6-8 ]

由动力学冲量守恒定律可得出气体泄充动能(Ec)为

(2)

式中：Ec为气体泄充动能，J；m为气体质量，kg；S为气体对周围约束的作用面积，m2；P为气体压强，Pa，N；t1为液态CO2刚开始气化时对周围约束的作用时间，s，取0；t2为气体充泄对周围约束的作用时间，即液态CO2完全气化的时间，s。

由式(2)可得：

(3)

式中符号同式(2)。

理想状态下，视相变前后温度恒定，液态CO2相变体积膨胀能变化(Eh)状态，符合气体克拉伯龙方程形式[6-8]下的变化状态，即：

(4)

式中：Eh为体积膨胀能,J；m为气体质量，kg；M为气体摩尔质量，kg/mol；V为气体体积，m3；T为气体温度，K；R为常数，R= 8.34 Pa·m3·mol-1·k-1。

由式(3)式容易得出：

(5)

式中符号同式(4)。

式(2)、式(3)表明，在闭口系统下，液态CO2相变的气体泄充对外做功能力与其质量成反比。这与封闭条件下参与相变的质量越大，气化产生的气体越多，对气体泄充形成的阻力越大，气体泄充的做功能力越弱的实际相符。

式(4)、式(5)表明，在闭口系统下，液态CO2相变体积膨胀能变化对外做功的能力，与其质量成正比。

上述分析表明：当液态CO2质量小，其相变对外做功能力也较小，并且主要以气体泄充对外做功为主。当液态CO2质量较大，其相变对外做功能力也大，而且主要以相变体积膨胀能变化对外做功为主。

1.2 致裂器的作用

致裂器，是指存储CO2并让其在此受热发生液-气相变，同时对外做功的装置，主要由激发管(也称供热管、活化管)和致裂管(也称储液管)组成[ 9]。

激发管是可内置于致裂管内为管内CO2发生液-气相变提供热能的装置。目前国内主流激发管采用装配式结构，由管壳、管内化学药剂和引火头组成[10]，其外形与结构如图1所示。当这种激发管的围压达到反应条件压强值时，化学药剂在引火头的发火激发作用下迅速反应，并瞬间释放出大量热能，可实现对CO2相变的供热。

致裂管是用于内置激发管与CO2的重要装置。按工艺使用分，国内主流致裂管可分为重复性使用管、孔外充气一次性管和孔内充气一次性管3种。

工程应用表明，致裂器是CO2相变破岩的核心装置，直接决定CO2参与相变破岩的质量。致裂管的容量越大，可存储的CO2便越多，参与相变破岩的CO2就越多，其做功的能力也越大。因此，致裂器对CO2相变破岩的影响是内在的，根本性的，是本质影响。故而，致裂器本身状态对CO2相变破岩就显得至关重要。

2 致裂管适配性影响分析

目前国内不同规格的致裂管，其内装液态CO2的额定质量是不同的。因此，激发管与致裂管的配置，亦即致裂器内装的药剂质量与液态CO2质量配比，对破岩成效至关重要，其配比得当，可使破岩获得最佳功效，而其配比与最佳配比的差异越大，破岩功效越低。当其配比超出极限范围时，会直接导致破岩失败或失控。

实践中，激发管一经出厂便定型，内装药剂是定量的，误差一般不超过±1% 。而致裂管内装的CO2，一般在作业现场充装，受环境、操作及充装设备等因素的影响，其质量差异较大，通常需通过称重计量来准确把控和确定致裂管内装CO2的实际质量，国内几种致裂器标准配置如表1所示。

表1 国内几种致裂器标准配置

实践检验表明，上述几种主流致裂器，现场充装CO2时，将其药剂与CO2质量的实际配比与标准质量配比误差控制在±10%以内，正常情况下能获得满意破岩效果。当致裂器内装的药剂与CO2的质量配比失调时，出现破岩失败或失控的现象(见表2)。

表2 致裂器药剂与CO2质量配比失调的破岩结果

3 致裂管结构原理影响分析

不同类型的致裂管的结构与工作原理不同。重复性使用管是一种由充装头、管体、泄能头组成的组装管。泄能片和泄气孔设置在致裂管的底部，破岩工作时致裂管被封闭在炮孔这种闭口系统下，从泄气孔泄冲出来的高压气流，首先作用在炮孔底端岩壁上，进而由岩壁产生一种对致裂管向上的反作用力。

孔外充气一次性管是由带有提环与接线极的顶部端头和带有充气控制阀的封底，与适配的无缝钢管牢固焊接成一体性的腔体结构固定管。激发管由厂家标配，并预置在致裂管腔体内被封焊住，不可更换。

孔内充气一次性管是一种由顶盖、管壁及焊接缝、底盖组成的装配管，其管壁由轻钢卷曲有缝对接焊固后再与底盖焊接，形成薄壁管状结构的管体。焊接缝是管体薄弱部位，进而为致裂管在管内相变气体膨胀作用下的破裂起到定位作用，避免了“飞管”与管壁随机性破裂的结构问题。目前国内主流致裂管的典型结构及其工作原理[2]如图2所示，国内几种致裂管的结构尺寸及特性数据采集如表3所示。

表3 国内几种致裂管的结构尺寸及主要特性

致裂管的结构直接决定了致裂管的工作原理及应用工艺，对CO2相变破岩的功效具有直接影响。

重复性使用管的定压泄能片可起到稳定破岩工况的作用，有利于破岩，效果也往往能令人满意。但因存在“飞管”隐患，安全风险较高，需有防“飞管”的工艺措施，加上管的整体笨重，其应用的作业效率往往较低。

孔外充气一次性管管内相变气体膨胀致使管体破裂进而对外做功的方向，是由管体最薄弱部位决定的，极具随机性。实践中，当致裂管的管体强度均匀时，在相变气体膨胀作用下，致裂管会沿轴向形成贯穿整管的致裂缝，更有甚者会被胀裂成管皮，其破岩功效也最理想。当致裂管管体强度不均匀，尤其焊接不牢固时，致裂管在相变气体膨胀作用下一般在顶部开裂，其破岩效果降低，甚至出现顶部端头被冲出炮孔外的“冲管”现象，而导致破岩失控，带来安全风险。

孔内充气一次性管先将其装入炮孔内封堵好再对其充灌CO2，操作的安全风险大为降低，但灌充管内的CO2实际质量，无法用称重方式准确计量，仅依靠充装机上的气体流量计显示确定。整体上，致裂管的焊接质量、装配连接质量、充装机上气体流量计的精度等因素，均会对这种致裂器的破岩功效构成直接影响，成为其破岩工况不稳定的重要因素。实践应用表明，对接口焊接强度过高的致裂管，在管内相变气体膨胀作用下，不沿此焊缝破裂，破裂部位呈显随机性，其破岩的效果也往往低于预期。而对接口焊接强度过低的致裂管，在对其充气时，管壁便沿此焊缝过早破裂，出现致裂管被气“胀爆”的早爆现象，导致破岩失败，并带来极大安全风险。当致裂管的部件连接不紧密、不牢靠时，充装CO2致裂管会出现漏气，甚至在相变气体膨胀作用下出现顶盖被冲出炮孔外的“冲管”现象，进而导致破岩失败，安全失控。当气体流量计的计量失准，实际灌装的CO2少于额定量过多时，破岩出现“假做功”的失败现象。

4 致裂器应用工艺影响分析

不同类型的致裂器，其应用的操作工艺不同。重复性使用管应用时按“拆装—充气计量—搬输—入孔—填塞—链锁锚固—联线起爆”的流程进行操作。单根管从拆装充气到连线破岩起爆，现场统计显示，平均耗时需10 min以上，作业效率整体较低。而且填塞要求高，用振动棒捣实填塞，密实度不足均会有“飞管”现象出现。

孔外充气一次性管的应用工艺流程为“充气计量—搬输—入孔—填塞—联线起爆”。现场统计显示，单根管从充气到连线破岩起爆，连续作业平均耗时不足7 min。但是，当充气位置离炮孔较远时，充气后由于管内激发管的药剂已处于高围压的反应活化态，此时采用人力搬运这种致裂器，操作存在较大的安全风险。

孔内充气一次性管应用的工艺流程为“部件装配—搬运—入孔—填塞—充气—联线起爆”。据现场统计，装配单根此类致裂器，单人作业用时一般需要10 min，加上后续作业时间，连续作业用时平均20 min。此类致裂器组件多，每一部件的质量和装配环节若出现问题，均会导致致裂器工况异常，最终影响其破岩效果。因此，实际应用中这种致裂器的工况影响因素多，稳定性较差，出现问题后不易处理，在工程实践中对有问题管的炮孔，常以“废管”“弃孔”被迫放弃起爆的方式进行处理。