CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)

夏 軍，李必紅，陳丁丁

(國防科學技術(shù)大學指揮軍官基礎(chǔ)教育學院，湖南長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)

夏 軍，李必紅，陳丁丁

(國防科學技術(shù)大學指揮軍官基礎(chǔ)教育學院，湖南長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)具有鮮明的特點，受到采礦及爆破領(lǐng)域的青睞。當前，該技術(shù)的應用已由煤礦拓展至露天非煤礦山。主要介紹了CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)歷史沿革、破巖裝置、破巖機理、破巖能力等，以供參考。

CO2；液-氣相變；膨脹破巖；破巖裝置

0 引 言

美國的AIRDOX公司最早于1938年開始研究高壓氣體爆破，到1950～1960年代，世界上 一些采礦比較發(fā)達的國家如英、法、美、俄、波蘭、挪威等已將高壓氣體爆破采煤設(shè)備用于采煤工作面。英國CARDOX公司開發(fā)研制了液態(tài)CO2相變致裂裝置，稱為Cardox管，早期主要作為一種采煤器應用于高瓦斯礦井的采煤工作面，代替炸藥，提高塊煤率，且不會引起瓦斯爆炸。隨著大規(guī)模綜采設(shè)備的問世，采煤效率極大的提高，Cardox管在采煤工作面的使用逐漸被取代。1990年代，我國開始引進該項技術(shù)，如1992年3月28日～3月29日在平頂山礦務(wù)局七礦地面針對模擬煤體進行了爆破筒試驗，爆破效果良好。進入21世紀，國內(nèi)CO2爆破器材生產(chǎn)商逐步涌現(xiàn)，應用范圍進一步拓寬，從地下礦山開采拓展到露天礦山開采，從煤礦領(lǐng)域跨越到非煤礦山，出現(xiàn)了很多非煤礦山運用的成功范例。2014年以來，將CO2液-氣相變膨脹設(shè)備應用于露天巖石開采的網(wǎng)絡(luò)報道日漸增多，內(nèi)容涉及產(chǎn)品作用原理、結(jié)構(gòu)組成、操作使用、作業(yè)流程及應用案例等，尤以成功案例演示居多，未見有技術(shù)參數(shù)及性能指標的系列研究報道。2016年3月22日，中國工程爆破行業(yè)協(xié)會在北京舉辦了“非炸藥爆破技術(shù)座談會”，受邀公司就“CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)”進行了匯報與交流，汪旭光院士作了座談會總結(jié)并就該技術(shù)的深入研究和推廣應用發(fā)表了重要講話。

1 CO2液-氣相變膨脹破巖概念

物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程稱為相變。液態(tài)CO2在外部激發(fā)能量作用下會由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，發(fā)生液-氣相變，體積發(fā)生膨脹。通過控制激發(fā)能量的大小及液-氣相變的時機，可使CO2氣體介質(zhì)瞬間膨脹，產(chǎn)生機械能對外做功，將該機械能用于破裂、破碎巖石，實現(xiàn)CO2液-氣相變膨脹破巖。研究CO2液-氣相變膨脹破巖過程、機理、特點等，可以更好地利用CO2液-氣相變膨脹做功特性。CO2液-氣相變膨脹破巖裝置既是研究形成的技術(shù)產(chǎn)品，也是進行深入研究的技術(shù)手段，技術(shù)與裝置相輔相成，相互促進與發(fā)展。

2 CO2液-氣相變膨脹破巖裝置

如諸多文獻所述，該類利用CO2液-氣相變膨脹作功的裝置稱作二氧化碳爆破筒、二氧化碳爆破裝置、二氧化碳致裂器、二氧化碳開采器等，下文稱CO2液-氣相變膨脹破巖裝置。

如圖1所示，CO2液-氣相變膨脹破巖裝置主要由主管體、充裝頭、泄能頭、定壓破裂片、激發(fā)器、錐形底頭及密封墊片等組成。其中，主管體用于盛裝液態(tài)CO2并提供形成高壓狀態(tài)的腔體；充裝頭設(shè)置有用于充裝CO2的充裝孔及用于密閉充裝孔的進氣口閥門頂針；泄能頭沿徑向設(shè)置有數(shù)個出氣口用于泄出高壓氣體(煤礦用泄能頭較長，出氣口較多；露天礦用泄能頭較短，出氣口常設(shè)置成對稱的2個、4個等)；定壓破裂片設(shè)置于泄能頭的主管體內(nèi)，初期起到密封作用，后期視管體內(nèi)壓力情況即時破裂；激發(fā)器主要成分為化工藥劑，可用電引火頭通過電能激發(fā)，用于加熱主管體內(nèi)液態(tài)CO2；錐形底頭設(shè)置在最下方/最里端破巖裝置的泄能端，以便破巖裝置順利置于鉆設(shè)的膨脹孔中；密封墊片用于裝置密封，防

止漏氣。

破巖裝置配套有充裝設(shè)備及作業(yè)用附件，充裝設(shè)備主要有二氧化碳儲存罐、制冷壓力泵及顯示屏、液壓旋緊機、計量充裝臺(架)及組裝臺(架)等；作業(yè)用附件主要有礦用歐姆表、礦用起爆器、連接桿、裝填管卡具及旋緊扳手等。

圖1 破巖裝置結(jié)構(gòu)示意

3 CO2液-氣相變膨脹破巖機理

3.1 作用機理

CO2在大氣中為無色、略帶刺激性和酸性味的無毒氣體，不能助燃，其密度為空氣的1.53倍。在20℃、5.6×106Pa環(huán)境下CO2呈液體，液態(tài)CO2轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積膨脹約為初始狀態(tài)的600倍。將液態(tài)CO2密閉于高強度容器，通過熱能快速激發(fā)使其發(fā)生液-氣相變，在密閉容器形成高能量狀態(tài)，壓強可達300 MPa，高能量狀態(tài)CO2突破定壓(抗壓強度常設(shè)定在數(shù)十至300 MPa)破裂片的封堵，瞬間釋放產(chǎn)生爆炸效應，對周圍介質(zhì)沖擊、壓縮及膨脹做功。

3.2 管體內(nèi)CO2狀態(tài)變化

CO2液-氣相變膨脹破巖裝置主管體內(nèi)通過制冷壓力泵充裝CO2，充裝壓力常設(shè)定約10 MPa，溫度不高于常溫，管體內(nèi)CO2主要呈液態(tài)、伴有小量氣態(tài)；充裝完畢的破巖裝置將與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換，如靜置在露天作業(yè)環(huán)境下，其主管體溫度較充裝初期有一定的增加，壓力可達數(shù)十兆帕，管體內(nèi)CO2主要呈密相液態(tài)；激發(fā)器激發(fā)后，瞬間放出大量的熱，主管體內(nèi)溫度尤其是壓力快速升高，由于CO2的臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.382 MPa，CO2快速由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)。超臨界態(tài)的CO2呈氣態(tài)狀，并不會液化，密度接近于液體，是氣體的幾百倍；黏度接近于氣體，比液體小兩個數(shù)量級；擴散系數(shù)介于氣體和液體之間，約為氣體的1/100，比液體大幾百倍，具有較大的溶解能力。

3.3 CO2膨脹破巖過程

當主管體內(nèi)高能量狀態(tài)CO2突破泄能頭定壓破裂片的封堵作用，超臨界狀態(tài)CO2瞬間發(fā)生液-氣相變，形成高壓氣體從泄能頭側(cè)面出氣口泄出。初期，高壓氣體沖擊、壓縮周圍巖石介質(zhì)，引起近區(qū)巖石的壓縮變形、徑向位移，形成切向拉應力，產(chǎn)生徑向裂隙；隨后，壓縮變形、徑向位移過程中積蓄的彈性變形能開始釋放，形成朝向泄能中心的徑向拉應力，在已形成的徑向裂隙間產(chǎn)生環(huán)狀裂縫；期間，CO2氣體滲入巖石介質(zhì)原有裂隙或高壓氣體沖擊、壓縮形成的裂隙，發(fā)揮氣楔作用，使裂隙進一步擴展、相互貫通，實現(xiàn)巖石的松動、破裂、破碎或局部拋擲；隨著高壓氣體不斷擴張，膨脹區(qū)容腔內(nèi)壓力整體下降，直至常壓。

4 CO2液-氣相變膨脹破巖能力

CO2液-氣相變膨脹破巖能力與破巖裝置內(nèi)CO2的儲量及相態(tài)、激發(fā)器釋放熱量、定壓破裂片的選用、泄能端頭出氣口的數(shù)量及形狀等因素有關(guān)。已有研究表明，CO2液-氣相變膨脹后，壓力峰值在數(shù)百兆帕量級，壓力上升相對于炸藥爆破較為緩慢且其高壓持續(xù)時間較長，相對于水力壓裂，其壓力卻更大。表1為某型號裝置試驗的技術(shù)參數(shù)對比，圖2為幾種技術(shù)的升壓曲線對比示意。

表1 技術(shù)參數(shù)對比表

常見巖石的抗壓強度為數(shù)十兆帕至數(shù)百兆帕，抗拉強度為數(shù)兆帕至數(shù)十兆帕。CO2液-氣相變膨脹形成的壓力峰值可高于巖石抗壓強度一個數(shù)量級、可高于巖石抗拉強度二個數(shù)量級。依據(jù)CO2液-氣相變膨脹破巖機理，可以得到：

(1)CO2液-氣相變膨脹產(chǎn)生的壓應力及拉應力強度可滿足所有常見巖石破巖的要求；

圖2 三種技術(shù)的升壓曲線對比示意

(2)應關(guān)注自由面、最小抵抗線、孔距、孔徑等“炮孔參數(shù)”，充分利用高壓氣體對巖石的拉應力破壞效應；

(3)從能量匹配角度來看，CO2液-氣相變膨脹做功適合用于破巖作業(yè)，其能量利用率高，爆破振動、爆破飛石、爆破噪音等危害小甚至可忽略不計，且不產(chǎn)生爆破高溫、爆破毒氣；

(4)與炸藥瞬間化學爆炸相比，CO2液-氣相變對與其臨近巖石的破碎能力要弱，表現(xiàn)為對巖石的破碎程度、破碎范圍要小。對于巖石抗壓能力強、巖層完整性好、自由面少的情形，CO2液-氣相變膨脹破巖效果要弱于炸藥破巖。

5 結(jié) 語

CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)無需炸藥、雷管，可作為傳統(tǒng)炸藥爆破破巖技術(shù)的重要補充；其相變產(chǎn)物溫度低、無火花、無毒害氣體等，可拓展破巖技術(shù)應用領(lǐng)域，尤其對地下煤礦開采、有瓦斯爆炸危險礦區(qū)具有獨特優(yōu)勢；其膨脹破巖能力可高于巖石抗壓強度一個數(shù)量級，在達到破巖目的的同時不產(chǎn)生爆破振動、爆破飛石及爆破噪聲等危害；從能量利用率來看，可避免炸藥爆破破巖在爆破壓碎區(qū)存在的能量損耗及爆破過程中高溫造成的能量損耗等。

當前，關(guān)于CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)的研究與應用都還不夠系統(tǒng)與深入；技術(shù)普及教育還較滯后，部分技術(shù)推廣人員對該技術(shù)特點認識不全面，盲目夸大甚至錯誤的宣講偶有發(fā)生；市場上的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，技術(shù)應用案例演示次數(shù)多、總結(jié)分析少，這些都對CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)的應用與推廣造成不良影響。期盼CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)研究單位及團體能夠加強交流與溝通，技術(shù)應用單位及個人能夠客觀地對待這項技術(shù)，共同致力于該技術(shù)的不斷完善與發(fā)展。

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2016-09-25)

夏 軍(1979-)，男，安徽廬江人，副教授，博士，主要從事彈藥工程與爆炸技術(shù)、反恐技術(shù)研究，Email：68475460＠qq.com。