白云抽蓄電站二氧化碳液—氣相變膨脹破巖技術應用試驗

吳友旺 張華精 郭 榮

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350000)

1 概述

二氧化碳液—氣相變膨脹破巖技術(以下簡稱“二氧化碳破巖技術”或“CO2破巖技術”)，是通過壓縮灌裝機將液態CO2壓縮后灌裝入一種特制膨脹管，通過激活器快速放熱，在極短時間內將CO2從液態轉變為氣態，形成高壓CO2氣團；當氣團壓力超過破裂片壓力閥值時，高壓CO2氣體從噴氣頭往外噴射，在孔壁上激起應力波，在應力波和CO2氣體的共同作用下破碎巖石。二氧化碳破巖技術的作用機理介于爆破開挖和靜態膨脹劑脹裂破巖之間。

二氧化碳破巖技術所用器材也叫二氧化碳致裂器，英國在20世紀70年代就掌握了此項技術，多年前已獲得了英國、新西蘭等國的安全認定，是國際上一種理念先進、方法安全、效果顯著的爆破技術，在國外廣泛應用于鍋爐清堵、建筑物拆除、特殊區域爆破作業等方面。二氧化碳致裂器利用液態二氧化碳受熱氣化膨脹破斷巖石，解決了以往用炸藥爆破開采和預裂中破壞性震動大、作業危險性高、礦體粉碎等缺點，同時因二氧化碳致裂器不產生火花、屬于低溫致裂器、基本不揚塵(如煤塵)，操作、充裝、運輸危險性大，為礦山安全開采和預裂提供可靠保證，尤其適合高瓦斯煤礦的深層預裂，廣泛適用于煤礦和非煤礦山。我國在1996年前后也曾探索二氧化碳致裂技術用于高瓦斯煤礦的深層預裂排放瓦斯，后由于種種原因沒有推進。

2 試驗背景

福建永泰白云抽水蓄能電站工程是福建省內重點能源項目，位于福州市下轄永泰縣白云鄉，在工程建設當中，設計爆破作業項目眾多，開挖組織協調工作量大；同時，爆破作業區距離當地村莊、X114縣道等重要生產生活設施距離較近，作業環境較為復雜，采用火工品爆破，作業難度大，而采用靜態爆破，見效慢，爆落效果較差，成本大。因而利用二氧化碳破巖技術實現碎巖，是一種較好控制的方法。

同時，在節假日、大型政治經濟活動會議召開期間，經常可能因治安管制無法供應火工用品導致爆破作業暫停，而二氧化碳致裂器具有二氧化碳氣易采購、部分裝置可重復使用等優點，便于生產組織管理，因而二氧化碳破巖技術可優先作為在火工品無法供應的情況下巖石開挖的應急方案。

目前二氧化碳破巖技術主要用在非煤礦山中，而在水電工程中，還極少采用，因此，本工程進行了二氧化碳破巖工藝試驗。

3 試驗方案

3.1 試驗位置

考慮CO2破巖技術特點和試驗效果分析需要，試驗地點選在永泰白云抽水蓄能電站中控樓開挖作業區。試驗前，該區域清表工作已經完成，施工便道路基已基本成型，可觀察視野和安全避炮條件較好。

現場試驗位置布置如圖1所示。

3.2 試驗內容

1)CO2破巖效果測試。

本次試驗設計了兩種不同的孔網參數和裝填參數，分兩次實施，進行對比分析，以充分掌握二氧化碳膨脹管的碎巖能力，主要測試CO2破巖后的巖石的松散程度及塊度分布。

2)安全效應測試。

測試以下內容：地面振動速度、空氣沖擊參數、個別巖石飛散距離、巖塊運動狀態。

4 現場試驗

4.1 孔網參數設計

兩種孔網參數和裝填參數分別詳見表1，表2。

表2 裝填參數

表1 孔網參數設計表

4.2 試驗方案一成果

4.2.1布孔平面示意

布孔平面示意詳見圖2。

4.2.2破巖效果

整體破巖效果不明顯，僅在2號、5號孔處產生巖石破碎現象：

1)臺階面前方：未出現巖塊坍塌現象，也未出現臺階面開裂現象；

2)臺階面上方：1號、3號、4號孔處未出現裂紋，2號、5號孔出現大量裂紋且出現孔口巖石破裂現象。

4.2.3地面振動效應

在鉆孔旁邊一側5 m處和14 m處，分別布設振動測試儀進行測試。第一次試驗只觸發了5 m處的振動測試儀，測得的地面最大振動速度為0.1 cm/s。

4.2.4沖擊效應

在靠近1號鉆孔12 m處，布設聲波(分貝)測試儀進行測試，測得的現場聲波值為65 dB。

4.2.5個別巖石飛散距離

在鉆孔后方約1 m，布設巖石碎片收集裝置進行測試，基本上未收集到大的塊石，只有少量的回落土。

4.3 試驗方案二成果

1)布孔平面示意。

布孔平面示意詳見圖3。

2)破巖效果。

整體破巖效果較好，臺階前方巖石散離原位，鉆孔連線處出現寬度達30 cm～50 cm的裂縫。

3)地面振動效應。

在鉆孔旁邊一側6 m處和15 m處，分別布設振動測試儀進行測試，測得的地面最大振動速度分別為0.21 cm/s和0.12 cm/s。

4)沖擊效應。

在靠近1號鉆孔12 m處，布設聲波(分貝)測試儀進行測試，測得的現場聲波值為65 dB。

5)個別巖石飛散距離。

在鉆孔后方約1 m處，布設巖石碎片收集裝置進行測試，基本上未收集到大的塊石，只有少量的回落土。

5 試驗分析及試驗結論

5.1 試驗方案一成果分析

試驗方案一未能達到預期的破巖效果，經分析，主要原因有兩點：

1)設計不耦合系數過大，115 mm的孔徑使用φ73 mm的膨脹管，膨脹管與孔壁間隙過大，降低了應力波作用力。

2)臺階面角度太緩，前排抵抗線過大，孔口抵抗線達2.5 m，底盤抵抗線達4 m～5 m，底盤抵抗線過大，而致使用的膨脹管數量不足，導致無法拉裂巖體。

5.2 試驗方案二改進及試驗成果

1)試驗方案二相比試驗方案一，主要做出了以下三方面的調整：

a.將孔徑由115 mm調整為90 mm，膨脹管直徑不變，不耦合系數由1.58降至1.23；

b.增加了膨脹管的使用數量，由13根膨脹管增加至17根；

c.清除巖體表面覆蓋的表土，底盤抵抗線由4 m～5 m降至2.5 m～3.5 m。

2)改進后，試驗效果良好，鉆孔連線處出現寬度達30 cm～50 cm的裂縫，7個孔有效碎巖約110 m3，開挖方案技術經濟性可行。

5.3 試驗結論

通過兩次CO2破巖試驗，得出如下結論：

1)CO2破巖技術具有在復雜環境下碎巖的作業能力；

2)開挖中采取較陡的臺階面角度，適當減小抵抗線，有利于提高CO2破巖的效果；

3)在破碎堅硬巖邊坡，抵抗線2.5 m～3.5 m時，采用孔徑90 mm，用φ73 mm膨脹管，孔距布置取1.5 m～1.8 m，孔深取2.7 m～3.8 m，能達到良好的破巖效果;

4)鉆孔孔徑90 mm時可使用φ73 mm膨脹管，而對鉆孔直徑115 mm的膨脹孔，使用的膨脹管直徑應相應提高，降低不耦合系數，提高應力波的作用效力；

5)CO2破巖技術由于振動較小，作用后基本無飛石。

6 結語

本次試驗是將CO2破巖技術首次應用于水利水電工程施工。試驗成果有助于后續進一步了解和掌握CO2破巖技術的破巖性能，并在后續施工中更多地進行開發和應用，同時進一步掌握和優化CO2破巖技術安全控制技術。