二氧化碳爆破在水庫大壩施工中的應用分析

(山東水總有限公司，山東 濟南 272100)

1 引 言

二氧化碳爆破始于20世紀50年代，80年代在美國開始發展，主要是想避免因炸藥爆破產生火焰引起爆炸事故而專門為高瓦斯礦井的采煤工作面研發的。2015年，隨著科技的發展，國內二氧化碳爆破器材廠商逐步涌現(主要部件仍然依靠進口，國產故障率略高) ，但當前其成熟度不足，仍處在不斷成長和發展階段。

目前二氧化碳爆破在水利工程方面的水庫大壩施工中應用較多，大壩[1]是攔擋水河的堤堰，可分為土壩、重力壩、混凝土面板堆石壩、拱壩等。

2 二氧化碳冷爆破原理

二氧化碳冷爆破原理就是將二氧化碳氣體在一定的高壓下轉變為液態，通過高壓泵將液態的二氧化碳壓縮至圓柱體容器(爆破筒)內，裝入安全膜、破裂片、導熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成了爆破前的準備工作。將爆破筒和起爆器及電源線攜至爆破現場，把爆破筒插入鉆孔中固定好，連接起爆器電源。當微電流通過高導熱棒時，產生高溫擊穿安全膜，瞬間將液態二氧化碳氣化，急劇膨脹產生高壓沖擊波致泄壓閥自動打開，利用液態二氧化碳吸熱氣化時體積急劇膨脹產生的高壓使巖體開裂(見圖 1)。

圖1 二氧化碳冷爆破工作原理示意圖

3 二氧化碳爆破技術在實際施工中的系統構成[2]

莊里水庫位于山東省南四湖湖東地區十字河流域，地處棗莊市的滕州市和山亭區境內，壩址位于滕州市羊莊鎮西江和前臺村北。水庫設計總庫容1.33億m3。

該工程使用二氧化碳爆破的原因如下：

由于該工程中導流明渠樁號0+354～0+460處距離西江村民房較近，為加快施工進度、保證工期，在該導流明渠段采用二氧化碳爆破方法進行施工。

二氧化碳爆破技術在該工程中的施工工藝如下：

首先，采用充裝機將液態的二氧化碳裝入爆破管內(還要裝入爆破片、加熱器等)，并將爆破管裝入炮孔，對炮孔進行嚴密封閉；然后采用智能云安全發爆器激活爆破管里面的加熱器，使液態二氧化碳在快速加熱的條件下，急速膨脹1000～2000倍以上，產生強大的沖擊力。然后，沖破爆破片，沿著設定的出氣孔快速沖出，沖出后，由于爆破鉆孔封閉，不能自由外泄，從而對周圍的巖石產生沖擊，產生破壞作用，形成破巖效果。

智能二氧化碳冷爆破系統由地面操作間裝備、施工現場設備，以及智能云系統平臺組成。設備配置見表1。

表1 設備配置

3.1 地面操作間與設備

地面操作間應設置在井口附近，有軌道直接進入的地方，面積 50m2以上。便于分類、分區域存放爆破管等。地面操作間的設備有二氧化碳儲液罐、充裝機、充裝臺、拆裝機等(如圖 2所示)。

圖2 地面操作車間設備示意圖

操作間的作用是充裝爆破管、存儲爆破管、發放爆破管，以及對相關設備的維修等。

3.2 施工現場設備

設備主要是爆破管、智能云安全發爆器、90型風動鉆巖機。

3.2.1 爆破管

爆破管是智能二氧化碳冷爆破的核心設備之一，結構見圖3，由儲液管、充裝頭、釋放頭等組成。采用超強度的特殊鋼材經過特殊處理而成，具有極高的強度和韌性(見圖3)。

圖3 二氧化碳冷爆破管結構示意圖

3.2.2 智能云安全發爆器

圖4 智能云安全發爆器

如圖4所示，智能云安全發爆器，是點燃爆破管內加熱器的核心設備，同時具有微差起爆實現光面爆破的功能。人員閉鎖、時間閉鎖、地點閉鎖等多參數閉鎖，確保不安全就不能起爆的本質安全功能，以及與智能云通信連接等功能。

3.2.3 鉆眼設備

150型鑿巖機是以壓縮空氣為動力的中深孔鑿巖機具，適用于0.9m×0.9m到2.0m×2.0m的斷面，鉆孔直徑100mm，有效孔深 3m。在巖基中采用直徑 100mm的十字形合金釬頭，平均純鑿巖速度可達680mm/分。該鉆架結構簡單，拆運方便，工作安全可靠，效率高。

3.3 智能云系統平臺

智能云系統平臺，是監管監控二氧化碳冷爆破的智能平臺(見圖5)。其主要功能如下：

a.收集每一次的冷爆破數據，包括孔深、孔數、孔距、巖性、爆破效果，以及起爆時間、操作人員、地點等。

b.對冷爆破作業實現安全閉鎖，不安全就不能起爆。

c.為改進完善冷爆破作業提供數據支持。

d.強化管理力度，避免事故發生。

圖5 智能二氧化碳冷爆破智能云平臺示意圖

4 二氧化碳爆破技術的作業步驟

4.1 總體操作步驟

在地面操作間組裝→充裝氣體→采用皮卡車運輸到爆破地點→起爆→回收報管→運輸到地面車間→拆卸清洗→再組裝

4.2 地面操作間操作步驟

4.2.1 二氧化碳冷爆破管充裝前的準備工作

a.需要給充裝機、拆裝機供應 380V 交流電。

b.儲液罐有足夠的液態二氧化碳。

c.爆破管和相應的耗材(加熱棒、爆破片、墊片)。

d.萬用表、鉗子、扳手、內六角等工具。

4.2.2 組裝

a.將爆破管儲液管放在陳列架上，將鐵絲插入主管中，并使帶鉤的一端從主管刻字的一端伸出。然后用鐵絲鉤住加熱裝置的導線并拉動鐵絲使導線從儲液管的另一端伸出。

b.將定壓剪切裝上密封墊，并與加熱裝置的導線連接在一起(注意定壓減切片凸起的一端朝里)。然后拉出加熱裝置，使定壓減切片完全進入儲液管內。

c.先擰緊釋放管，再擰緊充裝閥，均擰到手無法擰動為止。

d.將擰好的爆破管放在拆裝機鉗口上，并將充裝閥一頭插入拆裝頭里。然后順時針旋轉急停按鈕，按下啟動按鈕以啟動拆裝機。

e.按住夾緊按鈕壓力上升到10MPa以上后放開。然后按住緊固按鈕，當壓上升至10MPa時，放開緊固按鈕。

f.按住松開按鈕，然后將爆破管掉頭。

g.重復步驟e。

h.測量電阻，電阻在1～2Ω為正常。

4.2.3 充氣

a.將爆破管放在充裝臺上對好充裝孔，擰緊夾緊桿并用內六角扳手打開充裝閥。然后打開爆破管所對應的球閥，關閉沒有爆破管的球閥。

b.按下充裝機上的清零鍵，將稱重儀表清零。

c.放氣：每天首次工作前，需要放氣，將整個管道排空。先打開充裝臺上的進口球閥和出口球閥。然后按下放氣按鈕，直到出口球閥噴出連續不斷的白色氣體后，關閉出口球閥。

d.洗管：按下放氣按鈕后，關閉進口球閥，然后打開出口球閥，將致裂器內的二氧化碳放出，放出一大部分后關閉出口球閥。重復兩到三次。

e.充裝：關閉出口球閥后，按下增壓按鈕，待爆破管充滿后機器會自動停止。機器停止后，用內六角扳手將爆破管的充裝閥關閉，然后關閉進口球閥，再打開出口球閥，將多余氣體放出。

f.測試密封性：將爆破管的充裝閥和釋放管分別放入水中，確保沒有大量氣泡。

4.3 爆破操作步驟

4.3.1 設備運輸

爆破管長1.2m，外徑83mm，充裝液態二氧化碳后質量約為25kg。儲液管采用優質進口鋼材加工而成，結實耐用，可重復使用4000次，除了接通電路能啟動爆破外，磕碰、撞擊、高溫都不會對裝置產生損壞;儲液管在地面充裝液態二氧化碳后，由礦方安排人員提前用礦車運輸至爆破地點;實驗無法進行時或者用不完的儲液管必須及時回收，妥善保管。

4.3.2 打眼

選擇鉆機類型：硬巖選擇YGZ150鑿巖機 按照施工技術措施打眼要求打眼。

4.3.3 連接

a.把裝好氣的爆破管與沒裝氣的爆破管的DC插頭連接。

b.用銷子把兩個爆破管連接在一起，沒裝氣的爆破管要安裝上提拉頭供栓鋼絲繩用。

c.用萬用表測量兩端的電阻，電阻應該在4Ω左右，電阻太大和電阻為0都不合格。

d.把連接好的爆破管放到炮孔里面。

e.用棉紗對爆破孔進行封孔。

f.用φ20的鋼絲繩把所有的爆破管進行固定，最后固定在巷道壁錨桿上。

g.用φ15的鋼絲繩把每個爆破管的頭部拴起來。

h.根據智能云安全發爆器功率將所有爆破管用導線連接好(單個孔中的爆破管為串聯，電阻值累計增加)。

4.3.4 爆破

a.打孔：φ83爆破管需要打φ100的孔，孔深3m。

b.將第一根爆破管和第二根爆破管先連接好，插好插銷。依次連接，一共連接5根管，并將第一根爆破管的DC插頭剪短，把兩根線纏在一起，并用絕緣膠布纏好。然后把錐頭連上。

c.將連接好的兩根爆破管插入孔中，插入前先把提拉桿插到第二根爆破管的釋放管中，然后插入孔中。

4.3.5 回收

a.將回收好的爆破管用礦車運到操作間，把爆破管放在拆裝機鉗口上，并將充裝閥一頭插入拆裝頭里。然后順時針旋轉急停按鈕，按下啟動按鈕以啟動拆裝機。

b.按住夾緊按鈕，壓力上升到10MPa以上后放開。然后按住拆卸按鈕，旋轉一至兩圈后，放開拆卸按鈕。

c.按住松開按鈕，然后將爆破管掉頭。

d.重復步驟b。

e.將爆破管內部的殘渣清理干凈，以便下次使用。

4.3.6 智能云控制

a.按照爆破的順序把爆破母線連接在智能云安全發爆器上，最先起爆的連接在1號端子兩端，依次先后排列。

b.測量網絡阻止，以一個爆破管的電阻是2Ω為標準，參考計算。

c.按下起爆按鍵進行起爆。

d.起爆完成后，要把智能云安全發爆器的數據傳到智能云安全監控主機里面。

e.智能云安全監控主機自動把數據上傳到大數據。

f.根據大數據的數據進行以后爆破的調整。

4.4 爆破技術方案(見圖6)

a.交叉布眼，眼垂直工作面。

b.炮眼參數：眼的直徑是 100mm。

c.二氧化碳冷爆破參數：?炮孔間距0.9m;?炮孔排距0.9m;?炮孔深度3m;?封孔細砂0.024m3。

圖6 爆破孔布置示意圖

4.5 工程進度完成情況

本次爆破施工歷時40余天，每天放2次炮，每次放炮用時3h，每次放炮600m3，每天可以爆破大約1200m3。共完成爆破工程量為47285m3。

5 二氧化碳爆破特點分析

根據二氧化碳爆破在實際施工中的應用情況，作如下分析。

5.1 二氧化碳爆破的優勢

a.環保：定向爆破對周圍環境不產生破壞、不產生有毒氣體，沒有揚土，能夠較好地改善工作環境。

b.有效：爆破力量可控。

c.安全：二氧化碳氣體比炸藥更有安全性，組裝、填充、運輸和安裝等過程安全可靠，無需處理啞炮。

d.便利：不屬于民爆產品，運輸、儲存和使用不需要審批，利用較安全的二氧化碳填充，可適應不同的工作環境。

e.經濟：部分系統裝置可以重新利用3000次以上，使用成本低。

f.快速：組裝、充裝安裝和爆破操作簡單，爆破準備時間短，可提高工作效率。

5.2 二氧化碳爆破的劣勢

a.效率低：步驟過于煩瑣，每天可使用的次數少，環節多了出問題的概率就會提高。

b.產量低：無法實現多排爆破，造成單次爆破的爆破筒數量不宜超過兩排，超過一排就容易卡住或炸壞爆破筒。

c.效果低：威力小。

5.3 總結

目前國內的二氧化碳爆破施工雖然已有技術突破，但依然還有很長的一段路要走，需要改進和提升的技術還很多。爆破量與傳統的炸藥爆破相比差距較大，同樣不能爆破作業的情況下循環使用的間隔時間長。特別在水利工程中應用時，因受周圍水環境、地質環境及居民居住環境等影響，一定要認真分析施工現場情況，因地制宜制定爆破施工方案。

6 結 語

本文通過對二氧化碳爆破在實際施工中的分析，總結了二氧化碳爆破的特點。重要的是在今后的實際工程應用中還需要相關施工技術人員對技術手段不斷更新，對理論體系不斷完善，使該項技術在施工中順利應用。