復雜環境下CO2膨脹爆破工程應用

王 莉，陳 杰，李必紅

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

CO2膨脹爆破是一種新興的非炸藥爆破技術，近幾年來在我國得到了較快的發展。與傳統炸藥爆破相比，CO2膨脹爆破具有本質安全、危害小易控制、無火花、無毒生氣體、爆溫低等特點，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用前景，正被越來越多地作為炸藥爆破技術應用的有效補充[1-4]。

蓮塘風電場位于湖南省桂陽縣境內，設計安裝25臺單機容量為2 000 kW的風力發電機組。其中，25#風機周圍環境復雜，風機道路從居民區穿過，與省級文物古村落最近距離120 m。在風機道路堅硬巖石開挖過程中，不能采取炸藥爆破的方法進行；也曾嘗試過機械法和靜態破碎劑法，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度，于是采用了CO2膨脹爆破技術。

1 作用機理

CO2是一種本質安全的常見化合物，常溫下為無色、無味、無毒且不助燃的氣態；20 ℃時，加壓到5.6 MPa(密度為0.770 kg/m3)，可變成液態；高溫激發后，液態瞬間呈現600～1 000倍體積驟增(相當于1個標準大氣壓下的體積)；高壓氣體膨脹做功就可實現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管，即主體結構可以重復多次使用，主要由儲液管、充裝頭、激發管、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CO2并提供形成高壓狀態的腔體，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，當管內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 循環裝置結構Fig.1 Structure of recycling device

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

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

2 CO2膨脹爆破的炮孔間距

2.1 CO2膨脹爆破的巖石應力

基于上述的CO2膨脹爆破作用機理，建立起應力波的形成與傳播簡易模型(見圖3)；對于多孔作用時，會產生應力波的疊加；當應力波傳播到界面時會產生反射應力波。于是可以得出不同距離處的巖石應力波峰值計算公式[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為應力增大倍數；ν為巖石泊松比。

圖3 巖石應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

基于巖石拉應力破壞準則，當相鄰炮孔連心線中點上的合應力等于巖石的抗壓強度[σ]時巖石開始破裂，即：[σ]=2σCO2，據此便可以推導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 炮孔間距的經驗計算公式

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量系數，就能很好的利用炸藥爆破的間距公式進行轉換。

根據巖石應力波傳播理論[6-7]，可以得出：采用炸藥爆破時，不耦合裝藥結構不同距離處的巖石應力波峰值計算公式：

(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。

當巖石應力值等于許用應力時得到的距離即是各自的炮孔間距值，即：

σExp=σCO2=[σ]

(4)

聯立公式(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；與炸藥和CO2膨脹爆破管有關；aExp為炸藥爆破時的炮孔間距，可由炸藥爆破經驗或計算得出。

3 飛管危害控制

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

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100 m甚至更高。綜合分析，飛管的形成原因有：巖石強度大，CO2氣體不足以破碎巖石，氣體就會匯集于孔底形成推進作用將CO2膨脹爆破管推出而產生飛管，類似于炮彈發射；抵抗線過大，形同于無限介質，類似于炸藥鉆孔爆破時的“沖天炮”；填塞不到位，導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灌裝質量。達到規定的充氣壓力和重量，并確保在運輸途中不漏氣不泄壓。

2)控制填塞長度。嚴格按照設計要求進行鉆孔，確保裝填到位，避免卡孔并要準確測量填塞長度。

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

4)確保填塞質量。不能出現假填塞，弱填塞，更不能出現不填塞；尤其是雨天，摩擦系數會相對較小，應制定應對措施。

5)設計防止飛管專用的封堵裝置。

4 工程應用

4.1 工藝流程

根據施工的前后關系可以將整個現場施工分為3個階段共15個分步驟[8]。3個施工階段為：施工準備、施工實施、施工交驗，其中施工準備階段包括培訓、工房、設備3個分步驟，施工實施階段包括組裝、充氣、運輸、置管、填塞、聯網、防護、警戒、起爆9個分步驟，施工交驗階段包括檢查、起管、記錄3個分步驟。

4.2 技術參數

25#風機道路設計坡度要求控制在14°～18°，而實際原始地形為山地，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。為有效應對工程應用的具體情況，我們設計了多種不同長度的CO2膨脹爆破管。在實際施工中，根據不同的炮孔深度采用不同長度的CO2膨脹爆破管。根據現場實際情況，采用95#循環管，分為垂直孔和水平孔2種情況進行參數設計。

1)炮孔間距。對于蓮塘風電場25#風機道路，有如下參數：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#循環管dg=95 mm，[p]=150 MPa；炮孔d0=110 mm；對應的乳化炸藥ρ0=1 050 kg/m3，D=4 000 m/s，dy=90 mm，經驗值aExp=3.0～3.6 m。

將上述數值代入式(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驗值：aCO2=0.333 9aExp=1.00～1.20 m。

實際工程應用中，炮孔間距取1.2 m、排距取1.0 m。

2)垂直孔參數。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。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。

上述參數為基準參數，具體可根據現場實際情況，由技術人員進行調整。

4.3 炮孔裝填結構

針對25#風機道路開挖實際情況，進行了炮孔裝填結構優化設計(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用填塞材料隔開約10 cm；孔囗端壓上1個廢輪胎(內用砼進行了充填)；裝填過程中，應確保導線不被損壞。

圖4 炮孔結構Fig.4 Blasthole structure

4.4 起爆網路

采取串聯電起爆網路，即將CO2膨脹爆破管的腳線串聯，然后與干線連接，構成串聯回路，用爆破專用起爆器進行起爆。

4.5 爆破效果

根據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雜環境下的道路開挖。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

5 結語

以蓮塘風電場25#風機道路工程為背景，介紹了CO2膨脹爆破技術在露天硬巖道路開挖中的應用，并對CO2膨脹爆破作用機理、炮孔間距的確定及危害效應的控制等進行了分析，優化了CO2膨脹爆破施工工藝流程及施工技術參數，重點研究了“飛管”危害專項控制措施，實現了復雜環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。