干冰粉氣動壓裂混凝土質量比實驗研究

顏正勇,胡少斌,2,卞 怡,龐爍鋼,王 乾

(1.河海大學土木與交通學院,南京210098;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,南京210098)

由于政策的推進與社會的發展,礦山工程、隧道工程在市政建設中的應用日益增大。巖石破裂技術在礦山工程、隧道工程中起著不可替代的作用。如今在礦山工程中大多還使用傳統炸藥進行爆破施工,然而,炸藥存在意外爆燃、吸水失效、爆炸后有毒氣體含量超標等潛在事故風險[1]。為了克服這些問題,研發出一種新式的爆破方法——CO2致裂法。

高能氣體壓裂技術最早于19世紀60年代出現在美國[2],該技術是一種利用火(炸)藥在短時間內燃燒產生的沖擊波來壓裂巖體。相對于炸藥爆破,CO2相變膨脹致裂器的能量來源于內部發熱管的瞬態放熱,這種間接的作用方式導致致裂壓力持續時間延長,一方面降低了強沖擊擾動,另一方面更有利于裂縫網絡的形成。從19世紀60年代初期開始,液態CO2便在石油與天然氣工業上得到了使用,并在數十年間國外學者對液態CO2進行了大量的研究。直至1998年以前,國外共有超過1 200次壓裂作業利用了純液體大量的實驗研究表明,CO2相變爆破時不產生火花,威力可以用TNT當量表示,具有良好的適用性和安全性[4-6]。

目前國內在CO2氣動壓裂方面均采用液態CO2壓裂技術,然而液態CO2在儲存、運輸以及使用的過程中仍然存在不少問題。且由于膨脹管材料的限制,重復性CO2致裂器起爆時,其體內的高壓氣體不能壓裂膨脹管,只能在儲液管尾定向進行泄放,對儲液管的其他方向作用力較小,局限性很強[1];一次性CO2致裂器由于在爆破過程中直接形成具有極大的殺傷力,容易出現炸管、飛管現象,極具危險性,因此國家禁止一次性CO2致裂器的使用。

為了解決傳統液態CO2相變膨脹致裂裝置存在的安全隱患,同時滿足巖石多重破裂的需求,提出一種CO2靜態氣動壓裂工藝,利用CO2聚能劑,在解決了場地深孔高壓氣體快速封堵的基礎上,開展了場地CO2靜態氣動壓裂預制混凝土實驗。并在分析CO2氣動壓裂條件,以及混凝土試樣裂紋的擴展規律及破裂模式的同時,揭示CO2靜態氣動壓裂機制。研究成果為露天臺階破巖、基坑開挖、巖石破碎、隧道掘進、壓裂增滲作業提供了一種安全、環保、節能的破巖新方法[7]。

通過設立3組干冰粉與CO2質量比不同的氣動破裂混凝土實驗,得出干冰粉和CO2聚能劑質量比m對氣動破裂混凝土實驗效果影響規律。

1 CO2靜態氣動壓裂實驗

1.1 CO2聚能劑

CO2靜態氣動壓裂實驗主要是通過CO2聚能劑在CO2氣體中快速燃燒,釋放大量熱量促使干冰粉末快速氣化,從而在封閉空間形成瞬態高壓,并最終致裂混凝土試樣。調節CO2聚能劑的活性和熱值,可有效控制壓力上升速率和作用時間,既能避免瞬態強沖擊擾動和噪音,又能達到較為理想的動態加載速率,從而實現混凝土試樣的動態多重破裂。其中,固體干冰粉平均粒徑為0.2 mm,可根據實驗需要,調配出不同活性的聚能劑復合材料,它具有密度低、孔隙率高、比表面積大、燃燒熱高、導熱系數低等特點,具體參數如表1所示。

表1 CO2聚能劑基本物理化學參數Table 1 Basic physical and chemical parameters of CO2 concentrating agent

1.2 實驗系統及流程

CO2靜態氣動壓裂實驗系統主要由固體干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲加熱裝置、高壓氣體封堵子系統、平衡閥、電起爆器等組成(見圖1)。通過在打好孔的預制混凝土內裝入PVC管,并用石膏填充固化后放入干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲激發裝置,采用高壓氣體封孔技術將提前打好的孔封住,經過凝固悶壓過后,使用電起爆器對預制混凝土進行爆破,具體流程如圖2所示。其中電阻絲裝置是由電阻發熱絲和聚能劑塊體(由CO2聚能劑粉末壓制而成)構成,電阻發熱絲被預制在聚能劑塊體中心,CO2聚能劑塊體能夠有效提高燃燒熱值密度,能在短時間內提供足夠熱量,誘發近場干冰粉氣化,進一步激發遠場CO2聚能劑塊體產生燃燒放熱反應。

圖1 CO2靜態氣動壓裂實驗系統Fig.1 CO2 static pneumatic fracturing experiment system

圖2 實驗步驟Fig.2 Experimental step

1.3 實驗方案

CO2靜態氣動壓裂實驗是在閉合空間內放入干冰粉和CO2聚能劑,干冰粉升華轉變成的CO2氣體,與CO2聚能劑經過點燃反應釋放大量的熱使干冰粉完全轉變成氣態共同對預制混凝土做功,實現對預制混凝土的壓裂效果。為了觀察CO2聚能劑和干冰粉的質量比對預制混凝土壓裂效果的影響,設計了不同質量比的CO2靜態氣動壓裂實驗。本實驗配制了15 g的CO2聚能劑,設計3組實驗,干冰粉質量和CO2聚能劑質量比m分別為8∶1、7∶1、6∶1(見表2),且干冰粉粒度為0.2 mm,實驗段長度為200 mm。

表2 實驗工況Table 2 Experimental conditions

2 實驗結果與分析

2.1 評估方式

CO2靜態氣動壓裂實驗是研究CO2聚能劑與CO2氣體反應放熱的方式,是不同質量比CO2氣體做功對預制混凝土壓裂效果的體現。實驗結果可能是,預制混凝土完全壓裂或者在預制混凝土上呈現出明顯的裂縫。為了詳細描述實驗的壓裂效果,設置了幾個評估因素:混凝土裂隙的開度、長度、裂隙延伸方向、裂隙分布方位和混凝土破碎體的塊度、破碎度等。裂隙的開度、長度可以直觀的反映實驗的壓裂效果,能初步確定實驗產生的應力波大小及加載速率;裂隙的延伸方向和分布方位,可以確定巖體的結構面方位;塊度、破碎度可以反映爆破效果的好壞。

2.2 實驗結果

不同質量比的CO2靜態氣動壓裂試件破壞如圖3所示,當干冰粉的質量為120 g,聚能劑質量為15 g,m為8∶1的條件下,接電起爆0.5 s后,200-1預制混凝土試樣被壓裂成3個大塊,2個小塊并發出悶響聲(見圖3a);干冰粉的質量為105 g,聚能劑質量為15 g,m為7∶1的條件下,接電起爆1 s后,200-2預制混凝土試樣被壓裂成3個大塊,2個小塊并發出悶響聲(見圖3b);干冰粉的質量為90 g,聚能劑質量為15 g,m為6∶1的條件下,接電起爆1 s后發出悶響聲,但200-3預制混凝土未被完全壓裂且表面無明顯裂縫(見圖3c)。

圖3 試樣破壞情況Fig.3 Sample destruction

在CO2氣動壓裂條件下,200-1與200-2混凝土試樣均破裂成3個大塊體和2個小塊體,并且3個大塊體破裂面貫穿整個試樣(見圖4a和圖5a)。實驗發現,兩組實驗圓柱形混凝土試樣均呈現多重破裂模式,3個主斷裂面大概互成120°夾角(見圖4c和圖5c)。在實驗過程中還發現,混凝土試樣破裂后自由散落塊體(尺寸大于20 cm的主破裂體)有規則分布于初始位置四周,分布范圍以點火位置為中心,直徑2 m的圓形范圍內(見圖4a和圖5a)。

圖4 實驗效果(m=8∶1)Fig.4 Experimental effect

圖5 實驗效果(m=7∶1)Fig.5 Experimental effect

在氣動壓裂過程中形成了類似“炸藥”爆破產生的爆破漏斗(見圖4b和圖5b),2次壓裂實驗,爆破漏斗頂角分別為74.5°和75.2°。由利文斯頓爆破漏斗理論:當炸藥威力大時,傳給巖石的能量高,則其臨界深度值比較大;炸藥威力小,其臨界深度較小。比較圖4b和圖5b中漏斗的臨界深度值,可以發現在m為8∶1時臨界深度值大。所以CO2聚能劑和干冰的質量比為8∶1時產生的能量更大。

觀察圖4c和圖5c發現,在圖4c上形成的裂隙較之圖5c上形成的裂隙短,但有著更多的裂隙,即CO2聚能劑和干冰粉質量比為8∶1時形成的裂隙短,m為7∶1時形成的裂隙更長;但是m為8∶1時形成的裂隙比7∶1時形成的裂隙少。根據巖體破碎的一般規律“作用緩慢的荷載有利于裂隙的貫通和形成較長的裂隙,而高速率的載荷容易產生較多裂隙,但卻抑制了裂隙的貫通。

2.3 實驗理論分析

當接電起爆過后,CO2聚能劑和CO2氣體反應對混凝土試樣產生沖擊波,沖擊波作用到防滲套筒管壁后產生應力波。由于初期的沖擊時間短,所以由應力波形成的應力狀態或動態應力場很快消失,因此剛開始反應時形成的裂隙范圍較小,當CO2氣體滲入裂隙并在靜壓作用下,產生類似于氣楔的效果,使裂隙進一步擴展[8-9]。因混凝土試樣在CO2氣體的靜壓作用下破裂時間長,使混凝土試樣破碎和分離的進程一直在持續,并最終使混凝土試樣完全破碎。在本次CO2靜態氣動壓裂實驗中,高壓CO2的靜壓作用是導致混凝土試樣破裂的主要原因。所以CO2靜態氣動壓裂實驗將混凝土試樣壓裂,是應力波和產生的高壓CO2氣體共同破壞的作用。

1)接電起爆時,CO2聚能劑和干冰粉初期氣化產生的CO2氣體反應生成應力波,在應力波作用下,混凝土試樣產生了徑向裂隙。

2)初期產生的應力波遇混凝土試樣表面自由面反射,形成反射拉伸波。在反射拉伸波的作用下,混凝土試樣的自由面附近的混凝土發生了片落現象[10]。

3)應力波形成的徑向裂隙內滲入干冰粉,其氣化產生的高壓CO2氣體起到類似于“氣楔”的劈裂作用,使混凝土試樣內裂隙前端的拉應力增大,裂隙仍能繼續擴展[11-12]。由于高壓CO2氣體的壓力和CO2氣體本身沖入裂隙并貫穿了混凝土試樣,所以混凝土試樣最終被壓裂,形成了多個塊體。

3 結語

1)干冰粉運輸方便,不需要高壓容器,且CO2聚能劑是非爆炸性產品,屬于貨物運輸里的非限制性貨物,不受運輸限制。填充干冰粉時使用高壓存儲容器,不需要增壓泵,同體積干冰密度大,填充的干冰粉質量也較大。

2)在本次靜態氣動壓裂實驗中,CO2聚能劑與干冰粉質量比m為8∶1時的壓裂效果最好,但是就壓裂裂隙的貫通性來看,m為7∶1時的最好。但此實驗并沒有驗證繼續調節干冰粉的質量時,靜態氣動壓裂實驗的壓裂效果。因此只能得出m介于7∶1與8∶1之間時的靜態氣動壓裂效果較好。

3)CO2靜態氣動壓裂的效果比不上傳統的炸藥爆破壓裂,但其具有的低擾動、低噪音、破裂效果良好的特點,是可以用來代替一部分傳統炸藥爆破技術的。