二氧化碳相变破岩理论与装备技术

涂书芳

(1.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆 401121；2.中国能建绿色民爆研究院，重庆 401121)

二氧化碳相变破岩技术是一种以物理爆炸为主的爆破方法，起源于20世纪30年代的欧美，1980年前后引入中国。最近10年，国内采用二氧化碳相变破岩技术的企业逐步涌现，该技术的应用范围也进一步拓展，从地下矿山开采扩展到露天矿山开采，从煤矿领域跨越到非煤矿山，从市政工程拓展到水利水电工程。该技术通过激发管内药剂的化学反应放热使膨胀管内温度高于31.4℃时，超临界二氧化碳在膨胀管中迅速发生相变气化，体积膨胀600～700倍[1]，产生100～500 MPa的峰值压力，引起岩石的破碎，却不会导致岩石的过粉碎。

二氧化碳膨胀爆破的破岩机理和以强爆炸应力波作用为主的炸药类爆破不同，其作功主要依靠相变产生的气体膨胀能[2]，不仅能量转化利用的效率高，而且有利于控制岩体开挖过程中的危害效应。破岩过程产生振动小、爆破飞石少，几乎不会对周边人员、设备和建筑造成影响，在爆破环境复杂、施工要求苛刻条件下的工程应用具有无可替代的优势。同时，超临界二氧化碳液-气相变为吸热过程，属于“冷爆破”[3-4]，不产生有害气体，无明火，不会引爆瓦斯等可燃气体。这种安全环保上的独特优势，使其可用于临近建筑物爆破、水电工程复杂部位施工、水下爆破、煤矿瓦斯抽采等作业场合，成为传统炸药类爆破方式的有益补充。

1 二氧化碳相变破岩理论研究进展

二氧化碳相变破岩技术的工程应用虽已有近百年历史，但关于其致裂机理、动力效应以及标准研究等还十分少见，理论研究整体滞后于工程实践。

1.1 二氧化碳相变状态演化过程

随着温度和压力的变化，二氧化碳存在气、液、固三种状态，液、气共存状态的点叫临界点，当温度高于31.4℃，压力高于7.38 MPa时，二氧化碳便进入到了超临界状态，即物化性质介于气体与液体之间，密度接近液体，同时具有低粘度、强扩散和溶解特性[5]。如果忽略传热和摩擦阻力的影响，超临界二氧化碳在膨胀管破岩过程中的流动过程可以近似为等熵降压膨胀过程[6](见图1)，二氧化碳气体在膨胀管中绝热膨胀对外做功，忽略同外界的热量交换，膨胀所做的功以焓的减少为补偿，其热力学变化可由图2所示的压熵相图表征。

图1 二氧化碳相变示意图

图2 二氧化碳压熵相图

1.2 二氧化碳相变破岩荷载特征

峰值压力是评价二氧化碳相变致裂能力的关键指标，也是开展爆破参数设计和优化的最基础的参数，国内外大量学者采用不同手段对二氧化碳的相变致裂荷载开展了监测。周科平等[7]设计了一套动态信号采集系统，通过实验室内测定液态二氧化碳膨胀管内压力与时间关系曲线，试验发现二氧化碳膨胀爆破的对外做功过程是一个压力值动态震荡衰减过程，整个压力曲线可以分为四个阶段，整个液态二氧化碳汽化过程的时间为26～86 ms，高压流体释放时间约为160～260 ms。谢晓锋等[8]通过将微米级压电薄膜传感器，测得二氧化碳相变致裂峰值压力约158.3 MPa，远低于爆破峰值压力3～10 GPa。

二氧化碳相变破岩技术在峰值压力、升压时间等方面与炸药爆破和水力压裂技术有较大区别，由表1可见，二氧化碳相变爆破后产生的压力峰值在百兆帕量级[9-11]，压力上升相对于炸药缓慢且其高压时间持续时间较长，大部分能量的表现形式为“气楔作用”，峰值压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，属于中应变率长持时荷载，因此二氧化碳相变破岩技术一般很少产生粉碎区。

表1 三种破岩技术释放压力技术参数表

1.3 二氧化碳相变破岩的振动效应

鉴于二氧化碳相变破岩技术的特殊优势，国内外大量学者对其诱发的振动效应开展了研究。夏祥等[12]在浙江某核电站的基坑开挖现场开展二氧化碳致裂与炸药爆破的爆破振动对比试验，试验发现同炸药当量的情况下，二氧化碳膨胀管爆破的振动速度远小于炸药爆破，仅为炸药爆破振动的20%左右，而且降低幅度随距离增大而增大。

通过数据回归分析，在某爆破环境下采用炸药爆破的诱发振动衰减公式：

(1)

二氧化碳相变破岩的振动衰减公式：

(2)

式中：R是距离爆源的距离；Qe是最大单响炸药量；Qg是二氧化碳致裂能量转换成等当量的岩石炸药的质量。

对比公式(1)和(2)，可见二氧化碳相变破岩技术在中远区域的减振效果更显著，在核电厂基坑、居民区和建筑物周边的岩体开挖等对振动控制要求严格的场合具有明显优势。

2 二氧化碳相变破岩装备研究进展

二氧化碳相变破岩装备主要有二氧化碳储液罐、充装机、充装架、膨胀管等，不同厂家的设备略有差异。最新研发的二氧化碳充装机带有自动计量控制、压力监测、实时预警和电脑在线显示等功能，如图3所示。充装设备可以批量充装，最多可实现对10个以上膨胀管的一次性充装，极大地提高二氧化碳充装效率。

图3 二氧化碳相变破岩装备

二氧化碳膨胀管由充装头、激发管、膨胀管、定压片及泄能头组成，如图4所示。激发管通电激发后，为液态二氧化碳相变提供热量；膨胀管储存液态二氧化碳；充装头充装液态二氧化碳，定压片密封储液管内腔，控制二氧化碳相变致裂释放能量的大小；泄能头提供高压气体释放通道。

图4 二氧化碳膨胀管基本结构

二氧化碳相变膨胀激发管是二氧化碳相变膨胀技术的核心部件[13]，在激发管产品方面，形成了与重复管、孔外充气一次管、孔内充气一次管三种类型相匹配的不同规格型号的激发管产品，产品材料涵盖牛皮纸材质、PVC管材质等，不同种类、规格激发管的研发显著提升了激发管与膨胀管的匹配性。

国内二氧化碳膨胀致裂管主要形成了三代产品[14]，第一代致裂管管壁很厚(10 mm以上)，可重复使用，但是由于炮孔孔口不堵塞，容易引发“飞管”造成安全事故，因此被逐渐淘汰。第二代致裂管为一次性使用膨胀管，装入炮孔后孔口需要进行堵塞。虽然大概率降低了“飞管”现象，但是需要先充好气再搬运到施工现场，在搬运过程中容易发生爆管事故。第三代致裂管是在第二代致裂管的基础上增加了一套满足孔内充气的组件，钢管的管壁比较簿，一般1.5～2.5 mm，管侧面的焊缝成为释放高压气体的通道，一次性使用，既可有效克服第一、二代致裂管存在的安全问题，又极大地降低了现场作业人员的劳动强度。

3 二氧化碳相变破岩技术推广应用进展

二氧化碳相变破岩技术效率介于机械破碎与炸药破碎间，一般硬度岩石均可采用该技术，而且不受作业次数的限制。二氧化碳相变破岩技术克服了炸药爆破的审批难、破坏性大等缺点，近年来应用范围逐渐拓展至矿山开采、隧道掘进、市政工程、煤炭瓦斯抽采、水利水电工程等领域[15-16]。

3.1 复杂环境下岩土开挖施工

相对于液压破碎锤施工，二氧化碳相变破岩技术显著提高了工程施工进度，爆破飞石、爆破冲击波等有害效应均可得到有效控制，实测爆破振动峰值仅为炸药爆破1/20左右。在复杂环境，例如城镇风景名胜区、文物保护区、旅游区、公路铁路附近、重要目标附近等复杂环境下岩土开挖施工中具有独特优势。表2给出了几个典型工程的二氧化碳膨胀爆破设计参数。

表2 典型工程的二氧化碳膨胀爆破设计参数

3.2 煤炭瓦斯抽采

二氧化碳相变过程具有降温作用，而且又是惰性气体，可以避免因炸药爆炸产生明火导致的相关事故。二氧化碳膨胀爆破整个过程处在低温条件下，与周围环境的液体、气体不相融合，不产生任何有害气体，不产生电弧和电火花，因此二氧化碳相变破岩技术在瓦斯治理、围岩应力主动控制煤矿开采领域具有不可替代的绝对优势。

3.3 水下爆破施工

传统的水下炸药爆破作业时会产生较大的水下冲击波，对水下生态系统造成极大的破坏。随着长江大保护等国家环保政策的实施，水下炸药爆破的局限性也越来越明显。二氧化碳水下膨胀破岩产生的冲击波强度仅是炸药爆破的1/30，对邻近的水生物几乎无影响，目前已在航道疏通爆破、港口建设、水下炸礁、水下清淤、岩塞爆破等工程中推广应用。

4 结 语

本文从二氧化碳相变状态演化过程、破岩荷载特征、诱发振动效应等方面系统综述了近年来二氧化碳相变破岩理论研究方面的进展，同时从充装设备、激发管、致裂管等方面介绍了二氧化碳相变破岩技术配套装备方面的研究进展，从矿山开采、隧道掘进、市政工程、煤炭瓦斯抽采、水下爆破等不同应用场景介绍了该技术的推广应用情况。

二氧化碳相变膨胀技术无需炸药、雷管，解决了特殊环境下不允许使用炸药爆破破岩的难题，随着二氧化碳相变破岩理论与装备技术的不断突破，将成为传统炸药类爆破方式的有益补充。