二氧化碳相變致裂技術(shù)在司家營(yíng)鐵礦的研究與應(yīng)用

李國(guó)東 李 華 李萬(wàn)濤 郝紅澤

（河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司）

現(xiàn)如今，在露天礦山生產(chǎn)過程中進(jìn)行爆破和巖石破碎往往使用傳統(tǒng)方法，例如：化學(xué)炸藥和機(jī)械道具、合金鉆頭方式［1］，但都存在一些方面的不足，一定程度上制約了露天礦山的生產(chǎn)能力。然而二氧化碳相變致裂技術(shù)作為一種新型的致裂和破巖手段，和傳統(tǒng)利用炸藥對(duì)巖體進(jìn)行爆破的的手段相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)，比如污染少、飛石易控制、爆破振動(dòng)小等［2］，所以可以將此技術(shù)考慮應(yīng)用在露天礦山臺(tái)階推進(jìn)和擴(kuò)幫中。經(jīng)過在露天礦山采場(chǎng)的臺(tái)階致裂試驗(yàn)與初步應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)與使用最為廣泛的炸藥爆破相比較而言，二氧化碳相變致裂技術(shù)在本質(zhì)上具有巨大的安全特性，同時(shí)能夠最大限度地減少了對(duì)礦區(qū)內(nèi)的環(huán)境破壞，安全環(huán)保，能夠基本滿足司家營(yíng)露天礦山一些特定的臺(tái)階推進(jìn)、擴(kuò)幫等需求，同時(shí)具有供其他礦山參考的價(jià)值。

1 工程概況

1.1 礦山基本情況

司家營(yíng)鐵礦隸屬河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，礦區(qū)位于河北省唐山市灤州市區(qū)東南約6 km處，是冀東礦脈的一部分，礦區(qū)鐵礦石產(chǎn)于前震旦系變粒巖中，屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床。礦區(qū)內(nèi)礦體南北長(zhǎng)約10 km，東西寬約2 km。采場(chǎng)年采選600萬(wàn)t鐵礦石，露天采場(chǎng)采用由上向下的多臺(tái)階方式逐層開采，由于采場(chǎng)邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是東邊幫巖層傾向與邊坡坡面一致，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，部分區(qū)塊風(fēng)化嚴(yán)重，個(gè)別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定。如若在此區(qū)段實(shí)施傳統(tǒng)炸藥爆破，將嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性，極可能發(fā)生不同程度的片幫和滑坡，而且在放炮區(qū)域半徑200 m范圍內(nèi)東幫地表存在養(yǎng)豬場(chǎng)，炸藥爆破引起的爆破振動(dòng)對(duì)牲畜存在安全隱患。基于以上兩方面原因考慮，決定在采場(chǎng)東幫個(gè)別區(qū)段展開二氧化碳相變致裂技術(shù)試驗(yàn)與進(jìn)一步應(yīng)用。

1.2 礦山地質(zhì)

司家營(yíng)鐵礦礦區(qū)所在區(qū)域北部為基巖裸露區(qū)，出露地層有太古界、中上元古界、古生界，南部新生界，地層廣泛分布。東邊幫主要巖性為混合巖化黑云變粒巖和黑云變粒巖，部分地區(qū)有閃長(zhǎng)巖入侵，其中東邊幫淺部是混合巖化黑云變粒巖，巖體風(fēng)化程度較高；混合巖化黑云變粒巖因?yàn)轱L(fēng)化水平存在一定程度的差異，可細(xì)分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化3種；深部主要是黑云變粒巖，巖體完整性較好、強(qiáng)度較高；且東邊幫巖體普遍存在順層層理結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，部分區(qū)塊風(fēng)化比較嚴(yán)重，個(gè)別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定，從而嚴(yán)重影響采場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)備安全。

2 二氧化碳相變技術(shù)原理及主要致裂裝置

2.1 二氧化碳相變技術(shù)原理

二氧化碳作為一種常見的惰性氣體，在一定的溫度和壓力條件下，可以分別以液態(tài)、固態(tài)和超臨界態(tài)存在。利用二氧化碳?xì)怏w相變致裂原理，就是通過溫度的控制使得二氧化碳在一定的條件下發(fā)生相變。將液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)存至儲(chǔ)液管內(nèi)，儲(chǔ)液管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳在高溫裝置發(fā)熱后在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。由于氣體迅速膨脹，由此產(chǎn)生的高壓沖擊波使得定壓剪切片自動(dòng)打開，鉆孔周圍的巖石受到瞬間巨大壓力的作用出現(xiàn)裂紋直到破裂。整個(gè)過程在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，只需0.4 ms，而且周圍環(huán)境對(duì)整個(gè)過程影響較小，二氧化碳屬于惰性氣體，非易燃易爆物質(zhì)，與周圍環(huán)境的空氣不相融合，相變爆破過程就是體積膨脹的過程，不產(chǎn)生任何有害氣體［3-5］。

2.2 二氧化碳致裂器構(gòu)造

二氧化碳致裂器構(gòu)造見圖1。

（1）儲(chǔ)液管。用于儲(chǔ)存液態(tài)二氧化碳，由高強(qiáng)度合金鋼材制成，耐高壓高溫，可重復(fù)使用。

（2）充裝頭。液態(tài)二氧化碳通過此連接裝置儲(chǔ)存到儲(chǔ)液管中。

（3）泄能頭。二氧化碳流突破定壓剪切片，經(jīng)泄能頭噴射而出，實(shí)現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w瞬間釋放，可控制射流方向。

（4）定壓剪切片。用于控制二氧化碳?xì)怏w釋放的閥門，當(dāng)儲(chǔ)液管的內(nèi)壓超過其破裂強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破裂，其厚度可控制泄放壓力。

（5）發(fā)熱管。電流通過后發(fā)熱，為二氧化碳變?yōu)闅鈶B(tài)提供熱量。

3 二氧化碳相變技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

二氧化碳相變技術(shù)所采用的是純液態(tài)狀態(tài)下的二氧化碳，這項(xiàng)技術(shù)最先是北美在20世紀(jì)80年代提出來(lái)的，研究人員對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)開展了一些初步的應(yīng)用。后期經(jīng)過數(shù)年的改進(jìn)與提高，在國(guó)外數(shù)千井次的壓裂施工中得到了廣泛應(yīng)用。在我們國(guó)內(nèi)有一些大型油田利用二氧化碳相變技術(shù)陸續(xù)進(jìn)行了比較多的試驗(yàn)和嘗試，而且取得了相當(dāng)好的效果。目前，國(guó)內(nèi)油田已經(jīng)進(jìn)行了純液態(tài)二氧化碳?jí)毫言囼?yàn)，取得成功［6］。二氧化碳相變技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤礦和高速公路建設(shè)破碎解石施工以及地鐵車站基坑開挖中得到廣泛應(yīng)用。其產(chǎn)生振動(dòng)和噪音較小，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，效果較好［7］。

4 二氧化碳相變技術(shù)在采場(chǎng)的試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及部件

試驗(yàn)設(shè)備及部件見圖2。

4.2 二氧化碳相變致裂設(shè)計(jì)參數(shù)

在采場(chǎng)選取人工預(yù)先鑿好的臺(tái)階臨空面進(jìn)行試驗(yàn)，鉆孔直徑為216 mm，孔深為6 m，填塞長(zhǎng)度為3 m，孔間距為3.5 m，孔數(shù)為6個(gè)。利用爆破振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)振。

4.3 二氧化碳相變致裂工藝

二氧化碳致裂工藝流程見圖3。

二氧化碳致裂施工工藝如下。

（1）施工準(zhǔn)備。此項(xiàng)工作主要利用鉤機(jī)等工具為鉆孔的場(chǎng)地進(jìn)行一定程度的平整，為接下來(lái)潛孔鉆機(jī)的鉆孔合格率提供一定的保證。

（2）布孔。根據(jù)工程的特點(diǎn)、地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、臺(tái)階高度等，不同條件下布孔的方式不同。此次的二氧化碳致裂在采場(chǎng)的試驗(yàn)采取三角形布孔方式。見圖4。

（3）鉆孔。鉆孔設(shè)備采用露天潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔可以采用垂直孔，也可采用斜孔。根據(jù)采場(chǎng)實(shí)際臺(tái)階推進(jìn)和擴(kuò)幫的需求而定。

（4）安裝二氧化碳致裂器。致裂器由于長(zhǎng)度和重量原因宜采取挖掘機(jī)進(jìn)行安裝，安裝之前，要先檢查鉆孔深度是否符合要求。

（5）填塞。致裂管安裝完成后，填充致裂孔孔隙。

（6）網(wǎng)路連接。網(wǎng)路連接的接頭要用高質(zhì)量絕緣膠布纏緊，保證連接可靠。

（7）啟動(dòng)電源致裂。

（8）回收致裂器。在致裂完之后，收集致裂器，檢查是否有損壞，以備下次使用，降低成本。

4.4 二氧化碳致裂效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）致裂后的巖塊和爆堆需適合挖掘機(jī)作業(yè)。

（2）致裂對(duì)緊鄰爆區(qū)臺(tái)階邊坡的破壞力度較小。

（3）致裂產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)一定范圍內(nèi)的構(gòu)筑物和人員不會(huì)產(chǎn)生安全危害。

（4）相鄰炮孔之間巖面的不平整度不應(yīng)大于15 cm［8］。

（5）滿足規(guī)范要求。

（6）產(chǎn)生的振動(dòng)不對(duì)鄰近構(gòu)筑物或周圍居民造成安全影響。

4.5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

4.5.1 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳致裂效果

現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳致裂效果見圖5。

4.5.2 振動(dòng)速度波形及其數(shù)據(jù)處理

由于總共有6個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別得出水平徑向、垂直向和軸向3個(gè)方向的振動(dòng)圖像，因振動(dòng)圖像較多，在此以1號(hào)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向振動(dòng)圖像為例。分別見圖6~圖8。然后將6個(gè)測(cè)點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

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根據(jù)有關(guān)爆破振動(dòng)研究資料顯示，在3個(gè)振動(dòng)方向上，建筑物受到水平方向的影響力最大，使建筑物產(chǎn)生水平剪力進(jìn)而可能導(dǎo)致破壞，在試驗(yàn)區(qū)邊界（6 m處的近點(diǎn)）的測(cè)點(diǎn)顯示，其最大振動(dòng)速度沿地面方向，最大速度為7.385 6 cm/s；水平方向X中，最大振動(dòng)速度為10.122 8 cm/s，小于規(guī)范要求值。此次試驗(yàn)效果達(dá)到預(yù)期，破巖程度良好。

4.6 試驗(yàn)總結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化碳?xì)怏w相變技術(shù)的致裂能力基本滿足中風(fēng)化巖層臺(tái)階施工要求，可操作性強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該致裂方法對(duì)臺(tái)階周邊震動(dòng)、飛石、污染、噪音等影響較小，二氧化碳致裂可控性相比普通炸藥爆破存在巨大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

經(jīng)過在露天礦山采場(chǎng)的致裂試驗(yàn)和初步應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比，二氧化碳相變技術(shù)具有其本質(zhì)的安全特性。從儲(chǔ)存、運(yùn)輸、攜帶、使用、回收等方面均無(wú)安全隱患，并且二氧化碳致裂在實(shí)施過程中不產(chǎn)生任何有害氣體，無(wú)粉塵、無(wú)破壞性震動(dòng)，最大限度地減少了對(duì)礦區(qū)內(nèi)的環(huán)境破壞，安全環(huán)保。能夠基本滿足司家營(yíng)露天礦山一些特定的臺(tái)階推進(jìn)和擴(kuò)幫需求，同時(shí)具有供其他礦山參考的價(jià)值。