復(fù)雜環(huán)境下CO2膨脹爆破工程應(yīng)用

王 莉，陳 杰，李必紅

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014；2.福建省天玉方圓礦業(yè)有限公司，福建 龍巖 364000)

CO2膨脹爆破是一種新興的非炸藥爆破技術(shù)，近幾年來在我國得到了較快的發(fā)展。與傳統(tǒng)炸藥爆破相比，CO2膨脹爆破具有本質(zhì)安全、危害小易控制、無火花、無毒生氣體、爆溫低等特點(diǎn)，在某些安全要求高且不宜使用炸藥的工程中有著廣闊的應(yīng)用前景，正被越來越多地作為炸藥爆破技術(shù)應(yīng)用的有效補(bǔ)充[1-4]。

蓮塘風(fēng)電場位于湖南省桂陽縣境內(nèi)，設(shè)計安裝25臺單機(jī)容量為2 000 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其中，25#風(fēng)機(jī)周圍環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)機(jī)道路從居民區(qū)穿過，與省級文物古村落最近距離120 m。在風(fēng)機(jī)道路堅硬巖石開挖過程中，不能采取炸藥爆破的方法進(jìn)行；也曾嘗試過機(jī)械法和靜態(tài)破碎劑法，但均速度太慢，個別堅硬地段根本開挖不了；為確保安全并保證施工進(jìn)度，于是采用了CO2膨脹爆破技術(shù)。

1 作用機(jī)理

CO2是一種本質(zhì)安全的常見化合物，常溫下為無色、無味、無毒且不助燃的氣態(tài)；20 ℃時，加壓到5.6 MPa(密度為0.770 kg/m3)，可變成液態(tài)；高溫激發(fā)后，液態(tài)瞬間呈現(xiàn)600～1 000倍體積驟增(相當(dāng)于1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積)；高壓氣體膨脹做功就可實(shí)現(xiàn)巖石破碎的工程目的。

本CO2膨脹爆破工程選用的裝置為循環(huán)管，即主體結(jié)構(gòu)可以重復(fù)多次使用，主要由儲液管、充裝頭、激發(fā)管、儲液管、破裂片、噴氣頭等組成(見圖1)。儲液管是用于盛裝液態(tài)CO2并提供形成高壓狀態(tài)的腔體，由特種鋼材制作而成，提供貯存空間；充裝頭用于充裝CO2；激發(fā)管是一種快速放熱裝置，為CO2液氣相變提供能量；破裂片類似于壓力開關(guān)，當(dāng)管內(nèi)壓力大于其閾值后即破裂形成氣流通道；噴氣頭用于釋放高壓CO2氣體[4-5]。

圖1 循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of recycling device

CO2膨脹爆破破碎巖石是利用液態(tài)CO2轉(zhuǎn)變成氣態(tài)后體積膨脹做功的基本原理。外界電能引起激發(fā)管發(fā)生放熱反應(yīng)，液態(tài)CO2吸收能量后瞬時完成液-氣相變從而形成高壓CO2氣團(tuán)(見圖2)，該高壓氣團(tuán)首先在炮孔的不耦合空間內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散流動，當(dāng)流動到炮孔壁時產(chǎn)生碰撞并在巖體中形成巖石應(yīng)力波，該應(yīng)力波在巖體中做衰減傳播并使巖體產(chǎn)生大量裂縫，后續(xù)的高壓CO2氣流順著裂縫發(fā)展形成準(zhǔn)靜壓作用，在巖石應(yīng)力波和高壓氣流的準(zhǔn)靜壓作用下巖石產(chǎn)生破碎[5]。工程應(yīng)用中，將充裝好液態(tài)CO2的管體放置在炮孔中，聯(lián)接起爆即可。由于CO2氣團(tuán)的初始壓力較炸藥爆轟壓力至少低1個數(shù)量級，因此其產(chǎn)生的振動波、沖擊波及飛石等危害是遠(yuǎn)低于炸藥爆破的，但控制不好也易產(chǎn)生飛管等危害。

圖2 循環(huán)裝置高壓氣流Fig.2 High pressure flow of recycling device

2 CO2膨脹爆破的炮孔間距

2.1 CO2膨脹爆破的巖石應(yīng)力

基于上述的CO2膨脹爆破作用機(jī)理，建立起應(yīng)力波的形成與傳播簡易模型(見圖3)；對于多孔作用時，會產(chǎn)生應(yīng)力波的疊加；當(dāng)應(yīng)力波傳播到界面時會產(chǎn)生反射應(yīng)力波。于是可以得出不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值計算公式[5]

(1)

式中：σCO2為CO2膨脹爆破的不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值；dg為膨脹管外徑；d0為炮孔孔徑；r為與炮孔中軸線的距離；[p]為破裂片壓力閾值；n為應(yīng)力增大倍數(shù)；ν為巖石泊松比。

圖3 巖石應(yīng)力波的形成與傳播模型Fig.3 Formation and propagation model of rock stress waves

2.2 炮孔間距的理論計算公式

基于巖石拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，當(dāng)相鄰炮孔連心線中點(diǎn)上的合應(yīng)力等于巖石的抗壓強(qiáng)度[σ]時巖石開始破裂，即：[σ]=2σCO2，據(jù)此便可以推導(dǎo)出炮孔間距計算公式：

(2)

式中：aCO2為CO2膨脹爆破的炮孔間距。

2.3 炮孔間距的經(jīng)驗(yàn)計算公式

由于炸藥爆破理論比較成熟，有很多炮孔間距確定方法。因此，只要建立起CO2膨脹爆破與炸藥爆破二者的炮孔間距當(dāng)量系數(shù)，就能很好的利用炸藥爆破的間距公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

根據(jù)巖石應(yīng)力波傳播理論[6-7]，可以得出：采用炸藥爆破時，不耦合裝藥結(jié)構(gòu)不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值計算公式：

(3)

式中：σExp為炸藥爆破不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值；ρ0為炸藥密度；D為炸藥爆速；dy為炸藥藥卷直徑。

當(dāng)巖石應(yīng)力值等于許用應(yīng)力時得到的距離即是各自的炮孔間距值，即：

σExp=σCO2=[σ]

(4)

聯(lián)立公式(1)、公式(3)和公式(4)，化簡整理得：

(5)

令：

(6)

則：

aCO2=KaExp

(7)

式中：K為間距系數(shù)；與炸藥和CO2膨脹爆破管有關(guān)；aExp為炸藥爆破時的炮孔間距，可由炸藥爆破經(jīng)驗(yàn)或計算得出。

3 飛管危害控制

在CO2膨脹爆破工程應(yīng)用中，爆破振動、飛石和沖擊波均可忽略不計[1]，需要重點(diǎn)考慮的危害效應(yīng)是飛管。

3.1 飛管形成原因

飛管指的是CO2膨脹爆破管體從炮孔沖出，類似于炸藥爆破的沖孔，如若控制不好個別飛管飛起高度可達(dá)100 m甚至更高。綜合分析，飛管的形成原因有：巖石強(qiáng)度大，CO2氣體不足以破碎巖石，氣體就會匯集于孔底形成推進(jìn)作用將CO2膨脹爆破管推出而產(chǎn)生飛管，類似于炮彈發(fā)射；抵抗線過大，形同于無限介質(zhì)，類似于炸藥鉆孔爆破時的“沖天炮”；填塞不到位，導(dǎo)致填塞物與膨脹管管體的摩擦力小，不足以起到封堵作用；當(dāng)CO2從噴射頭出來的壓力太小，不能夠破壞巖體，也會形成飛管。

3.2 飛管控制措施

1)確保CO2灌裝質(zhì)量。達(dá)到規(guī)定的充氣壓力和重量，并確保在運(yùn)輸途中不漏氣不泄壓。

2)控制填塞長度。嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行鉆孔，確保裝填到位，避免卡孔并要準(zhǔn)確測量填塞長度。

3)優(yōu)選填塞材料。選用干燥的米粒砂作為填塞材料，避免采用泥土、鉆灰或過細(xì)的沙子。

4)確保填塞質(zhì)量。不能出現(xiàn)假填塞，弱填塞，更不能出現(xiàn)不填塞；尤其是雨天，摩擦系數(shù)會相對較小，應(yīng)制定應(yīng)對措施。

5)設(shè)計防止飛管專用的封堵裝置。

4 工程應(yīng)用

4.1 工藝流程

根據(jù)施工的前后關(guān)系可以將整個現(xiàn)場施工分為3個階段共15個分步驟[8]。3個施工階段為：施工準(zhǔn)備、施工實(shí)施、施工交驗(yàn)，其中施工準(zhǔn)備階段包括培訓(xùn)、工房、設(shè)備3個分步驟，施工實(shí)施階段包括組裝、充氣、運(yùn)輸、置管、填塞、聯(lián)網(wǎng)、防護(hù)、警戒、起爆9個分步驟，施工交驗(yàn)階段包括檢查、起管、記錄3個分步驟。

4.2 技術(shù)參數(shù)

25#風(fēng)機(jī)道路設(shè)計坡度要求控制在14°～18°，而實(shí)際原始地形為山地，因此CO2膨脹爆破開挖的深度會隨地形的變化而變化，炮孔深度各不相同。為有效應(yīng)對工程應(yīng)用的具體情況，我們設(shè)計了多種不同長度的CO2膨脹爆破管。在實(shí)際施工中，根據(jù)不同的炮孔深度采用不同長度的CO2膨脹爆破管。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用95#循環(huán)管，分為垂直孔和水平孔2種情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。

1)炮孔間距。對于蓮塘風(fēng)電場25#風(fēng)機(jī)道路，有如下參數(shù)：石灰石ρm=2 420 kg/m3，Cp=3 430 m/s，ν=0.1，[σ]=1.58 MPa，n=10；CO2膨脹爆破采用95#循環(huán)管dg=95 mm，[p]=150 MPa；炮孔d0=110 mm；對應(yīng)的乳化炸藥ρ0=1 050 kg/m3，D=4 000 m/s，dy=90 mm，經(jīng)驗(yàn)值aExp=3.0～3.6 m。

將上述數(shù)值代入式(2)，可以得出炮孔間距的理論值：aCO2=1.297 m。

將上述數(shù)值代入式(6)，可以得出：K=33.39%。

將K值代入式(7)，可以得出炮孔間距的經(jīng)驗(yàn)值：aCO2=0.333 9aExp=1.00～1.20 m。

實(shí)際工程應(yīng)用中，炮孔間距取1.2 m、排距取1.0 m。

2)垂直孔參數(shù)。鉆孔直徑115 mm，鉆孔深度3.2 m，爆破外徑95 mm，爆破管長度1.6 m；孔距1.2 m，排距1.0 m，每孔1根爆破管，底部緩沖層厚10 cm，囗部填塞長1.5 m。

3)水平孔參數(shù)。鉆孔直徑115 mm，鉆孔深度4.0 m，爆破外徑95 mm，爆破管長度1.6 m；孔距1.5 m，排距1.2 m，每孔1根爆破管，底部緩沖層厚20 cm，囗部填塞長2.2 m。

上述參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，具體可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，由技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整。

4.3 炮孔裝填結(jié)構(gòu)

針對25#風(fēng)機(jī)道路開挖實(shí)際情況，進(jìn)行了炮孔裝填結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(見圖4)，炮孔裝填要求如下：底部緩沖段厚度不宜小于10 cm，其材料為鉆屑；上部填塞段長度約等于管體長度；專用止飛器與管體之間應(yīng)用填塞材料隔開約10 cm；孔囗端壓上1個廢輪胎(內(nèi)用砼進(jìn)行了充填)；裝填過程中，應(yīng)確保導(dǎo)線不被損壞。

圖4 炮孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Blasthole structure

4.4 起爆網(wǎng)路

采取串聯(lián)電起爆網(wǎng)路，即將CO2膨脹爆破管的腳線串聯(lián)，然后與干線連接，構(gòu)成串聯(lián)回路，用爆破專用起爆器進(jìn)行起爆。

4.5 爆破效果

根據(jù)CO2膨脹爆破前后效果(見圖5)可以看出：爆破效果較好，能夠有效地破碎硬巖，并且具有微振動、弱噪聲、無飛散的良好效果，安全順利地完成了該復(fù)雜環(huán)境下的道路開挖。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

5 結(jié)語

以蓮塘風(fēng)電場25#風(fēng)機(jī)道路工程為背景，介紹了CO2膨脹爆破技術(shù)在露天硬巖道路開挖中的應(yīng)用，并對CO2膨脹爆破作用機(jī)理、炮孔間距的確定及危害效應(yīng)的控制等進(jìn)行了分析，優(yōu)化了CO2膨脹爆破施工工藝流程及施工技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)研究了“飛管”危害專項(xiàng)控制措施，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下道路開挖工程的CO2膨脹爆破施工，保障了民房及省級文物古村落的安全。