液態CO2相變致裂的振動特性探討

吳殿勇

(泰安市公安局治安警察支隊槍爆大隊，山東 泰安 271000)

1 液態CO2相變致裂技術背景

液態CO2相變致裂技術起源于英國CARDOX公司，最初主要是用在高瓦斯礦井下，用來代替炸藥，避免引起瓦斯爆炸，在提高塊煤率和提高采煤效率等方面起到重要的作用。由于對危化物的管控力度加大，運用傳統炸藥爆破巖石技術進行石方開挖受到了約束。

近幾年，液態CO2相變致裂技術在爆破能力方面表現出能夠替代炸藥的趨勢，并且得到快速推廣，為解決傳統炸藥爆破巖石技術進行石方開挖受到政策約束的問題提供了新方法。據統計，在我國企業職工傷亡事故中，各類爆炸事故總數（包括由爆破引起的事故）占傷亡事故總數的40%以上。相對于傳統炸藥爆破，液態CO2相變致裂不僅安全性能可靠，而且擁有致裂時產生的振動速率小、飛石少、揚塵小、無明火、操作簡單、成本低等優點。液態CO2致裂技術是國內近幾年新興的非炸藥破巖技術，具有安全、環保、經濟、高效的特點，因此，相比較于傳統炸藥爆破，對液態CO2相變致裂的態度不存在抵觸心理。隨著液態CO2相變致裂能力的提升、技術的完善，預計5年內逐漸形成行業規模，在道路施工、地鐵施工、露天采石等方面將有很大發展前景，被視為傳統爆破技術應用的有效補充。

但液態CO2致裂技術也存在著問題。例如，液態CO2相變致裂能力等沒有定量的數據，設計無理論和規律可循；液態CO2相變致裂技術設備成套性差、自動化程度差；液態CO2相變致裂技術爆破機理研究滯后，液態CO2加熱膨脹的溫度、壓力等過程不清楚等，均是液態CO2相變致裂技術亟需解決的問題。

2 液態CO2相變膨脹破巖機理

應用液態CO2致裂技術的裝置是液態CO2致裂器，該裝置是由充裝閥、激活器、膨脹管、密封片、定壓剪切片、泄能頭等幾部分構成。該技術的核心是通過壓縮灌裝機將液態CO2壓縮后灌入特制的膨脹管內，連接電極，通過激活器將其快速加熱，將CO2在極短的時間內，從液態轉變為氣態，形成高壓CO2氣團（類似于爆轟氣體產物），當氣團壓力超過位于膨脹管底部的定壓剪切片的設計壓力值時，高壓CO2氣體就從泄能頭側面的泄能口排出。在致裂現場的施工過程，首先將已經充裝完畢的液態CO2致裂器吊裝入事先用鉆機打好的致裂孔中；其次用特質的細砂填充致裂孔，并充分振搗，使致裂器膨脹管管壁與致裂孔之間被細砂密實；第三，用鋼纜連接各個致裂器頂端，以防止破巖時致裂器從致裂孔中飛起產生意外事故；第四，將各致裂器的激活器連接電極；最后用萬用表檢驗測量導通，實施致裂巖石。

CO2是空氣中常見的化合物，常溫下是一種無色、無毒和不助燃的氣體。液態CO2是無色、無味的透明液體，在20℃時，將CO2加壓到5．6MPa（密度為0．770kg/m3）即可變為無色液體，常儲存在鋼瓶中。液態CO2在受到高溫激發后，在極短的時間內呈現600～800倍的體積驟增（相當于1個標準大氣壓下的體積）。高壓CO2氣體將定壓剪切片破壞，從泄能頭側面的泄能口排出，瞬間產生強大的推力，首先氣體的高壓將引起周圍的巖石壓縮變形，促使巖石產生裂隙；其次高壓CO2氣體滲入巖石原有的裂隙中，通過氣楔作用，將巖石原有裂隙進一步擴展，最后達到裂隙相互貫通，實現巖石的松動、破裂、破碎。

3 振動監測

3.1 工程概況

該工程爆破巖石主要為中風化花崗巖，節理裂隙較發育，屬中等堅硬的巖石。第一次致裂的炮孔數目16個，炮孔孔間距為3．0m、排距2．5m、孔深3．0m，爆破土石方總方量約360m3。第二次致裂的炮孔數目16個，炮孔孔間距為2．0m、排距2．0m、孔深3．0m，爆破土石方總方量約190m3。現場采用TC-4850型三維爆破振動測量儀，每次爆破布置三個測點，每個測點布置1個傳感器，同時對爆破振動信號在水平徑向（測點與爆源連線之間的水平方向）、水平切向（垂直于水平徑向的方向）和豎直方向（垂直于地面的方向），兩次液態CO2致裂的測點1、2和3距爆源的距離為32．5m（17．5m）、29m(22m)和33m（40m）。

3.2 監測數據

通過TC-4850型三維爆破振動測量儀監測，在兩次液態CO2相變致裂爆破中，分別在水平徑向、水平切向以及豎直方向三個監測方向產生的振動與頻率詳見表1，第一次、第二次致裂巖石共得到的六個振動波形圖。

表1 振動測試數據表

4 結語

通過對表1中和6個振動波形圖的分析，可以得出以下結論：兩次運用液態CO2相變致裂產生最大振速的時間約為 0．03s、頻率范圍為 18．9 ～ 69．4Hz、整個振動持續時間在0．8s以內（主要的振動波形在0～0．2s內）。從振動時間上來看，振動速度達到峰值的時間比炸藥爆炸時爆破振動到達峰值的時間要短；從頻率和爆破振動作用持續時間上來看，兩者幾乎相當；從爆破規模上來看相應的振動速度要低一些。

雖然液態二氧化碳致裂破碎的威力比炸藥爆炸要小、產生的振動相對弱一些，但也會產生爆破振動效應，應引起高度重視，既要使液態CO2致裂技術成為傳統炸藥爆破破碎技術有效的補充，又要合理、合法地運用，防止出現施工安全隱患。