二氧化碳膨脹爆破新型致裂管與安全技術研究

梅 比，高 星，方 瑩，朱振海，張北龍

(1.廣東興凱隆氣爆新技術有限公司，廣州 515000；2.廣東省爆破行業協會，廣州 515000，3.力凱工程裝備(深圳)有限公司，深圳 518000)

為了促進二氧化碳膨脹爆破技術的應用與發展，中國爆破行業協會在2016年10月將二氧化碳膨脹破巖技術研究列入中國爆破行業中長期(2016—2025)科學技術發展規劃[1]。2019年11月18日召開的中爆協六屆七次常務理事會2019年度工作報告指出[2]：“二氧化碳膨脹爆破具有振動小、無污染、本質安全性高的特點，是特別復雜環境下無法實施炸藥爆破作業的一種補充，并廣泛應用于煤礦井下放頂煤開采、瓦斯抽排放等爆破作業中，為促進爆破技術進步、提高爆破本質安全和社會公共安全水平發揮了重要作用”。

在此之前，國內學者對二氧化碳膨脹爆破的研究主要集中在二氧化碳相變機理、裂巖機理及在煤礦排放瓦斯等方面的應用方面，對二氧化碳膨脹爆破的器材及施工方法的研究較少[3-12]。由于過去二氧化碳膨脹爆破器材和施工工藝存在明顯的缺陷，客觀上存在“飛管”和被不法分子利用威脅公共安全的治安和安全隱患。但是，由于國家主管部門至今沒有對二氧化碳膨脹爆破作出具體的治安管理規定，導致這一技術的研究與應用受到較大的影響。

為了促進二氧化碳膨脹爆破技術的研究與應用，在中國爆破行業協會的指導下，對二氧化碳膨脹爆破器材、施工工藝及安全管理進行了初步研究，發明了新型致裂管、創新提出孔內充氣工藝、開發了末端管控信息系統，認為由爆破單位采用“新型致裂管+孔內充氣工藝+末端管控系統”可以有效地解決公安機關對二氧化碳膨脹爆破治安管理的難題。

1 二氧化碳膨脹爆破破巖原理與致裂管泄氣方式

1.1 二氧化碳膨脹爆破破巖原理

將液態二氧化碳充入致裂管中，將致裂管裝入炮孔，用起爆器起爆激發管(也叫發熱管)，起爆器輸出電流使激發管中電點火柴被點著，從而使激發管中的藥粉速燃，加熱致裂管中的液態二氧化碳，使其產生相變(由液態變為氣態)；相變后，致裂管內氣體壓力迅速提高到100～300 MPa，氣體體積膨脹到原來液態時的600倍以上；當氣體的壓力大于致裂管泄氣元件的抗剪強度時，高壓氣體從泄氣孔(縫)沖出，作用于炮孔壁上，使炮孔周圍的巖石開裂、破碎。

1.2 二氧化碳膨脹爆破致裂管泄氣方法

在本研究開始之前，國內有兩種致裂管，一種是通過致裂管內高壓氣體剪切破裂片而釋放能量(泄氣)，也稱為第一代致裂管；另外一種致裂管不用破裂片，當致裂管內氣體壓力大于焊縫的抗拉強度時，氣體能量就從致裂管側面的焊縫處釋放，也稱為第二代致裂管。圖1給出了兩種致裂管泄氣方式的比較。將致裂管與激發管組裝在一起并充好二氧化碳氣體后，我們稱它為致裂器，圖2給出了第一代致裂器的結構示意圖。

圖 1 兩種致裂管泄氣方式比較示意圖Fig. 1 Comparison diagram of two fracturing tube venting methods

圖 2 第一代二氧化碳膨脹爆破致裂器結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the structure of the first generation carbon dioxide expansion blasting cracker

2 第一、二代二氧化碳致裂管存在的安全問題

經過前幾年的工程應用，第一、二代二氧化碳致裂管暴露出以下安全問題：

(1)第一代致裂管由于需要回收重復使用，故其管壁很厚，一般在10 mm以上。使用第一代致裂管時，炮孔孔口不堵塞，容易發生“飛管”問題，從而造成安全事故，如圖3所示。2016年在貴州某地的施工中，致裂管飛出200多米砸斷附近的動車架空輸電系統，導致動車中斷運行，那次“肇事”者就是第一代致裂管。

圖 3 第一代致裂器破巖情況及飛管現象Fig. 3 The rock breaking situation and flying tube phenomenon of the first generation fracturing device

(2)第二代致裂管改為一次性使用不回收，裝入炮孔后孔口進行堵塞。這樣做雖然解決了“飛管”問題，但是，需要先充好氣再搬運到工地，再裝入炮孔。這種作業方式存在兩類安全隱患：一是搬運帶高壓氣體的致裂器到作業現場的過程中容易發生爆管傷人事故(湖北某市曾發生過這樣的事故，導致搬運人員受傷)；二是充好氣的致裂器容易成為不法分子威脅公共安全的工具。

(3)為防止不法分子打著二氧化碳膨脹爆破的幌子非法制造爆炸物威脅公共安全(如在致裂管中裝填民用爆炸物品、易制爆危險化學品、煙火藥等)，公安機關需要現場打開致裂器進行檢查。由于充好氣體的致裂器在現場無法打開，故不能滿足公安機關現場打開致裂器進行治安檢查的需要。

上述問題的存在困擾著行業主管部門制訂相應的治安管理辦法和安全操作規程，直接影響了二氧化碳膨脹爆破技術的深入研究與推廣應用。

3 孔內充氣方法的提出與第三代致裂管的研究

3.1 孔內充氣方法的提出

針對第一、二代致裂管存在的問題，我們經過反復研究，提出了先裝管后充氣的孔內充裝作業方法并研制了第三代致裂管，使用孔內充裝方法和第三代致裂管，可有效地克服第一、二代致裂管存在的安全問題。

孔內充裝方法是：在裝管之前，從儲存室分別把激發管和致裂管(未充氣)搬運到工地，在現場進行組裝，組裝好了以后，把未充氣的致裂器裝入炮孔，然后，將炮孔堵塞起來。所有炮孔都堵塞好以后，再逐個給致裂器充氣，都充好氣以后，再進行后續的連線、防護、警戒、起爆作業。

3.2 第三代致裂管的研究

3.2.1 第三代致裂管的結構特點

第三代致裂管(已申請國家相關專利)如圖4所示，在外形上與第二代致裂管基本相似，主要差異在于第三代致裂管有一套滿足孔內充氣的組件，另外管壁厚度比第二代致裂管薄得多，大大減輕了操作人員的勞動強度。目前，根據施工中常用鉆頭直徑的大小，主要有4種不同規格(直徑)的致裂管，可分別充裝1 kg、3 kg、5 kg和10 kg二氧化碳氣體(液態)。圖5給出了第三代致裂管(內含激發管)結構示意圖，其結構特點如下：

(1)鋼管的管壁比較簿，僅1.5 mm,一次性使用。

(2)采用卷板工藝加工，致裂管側面的焊縫成為釋放二氧化碳高壓氣體的通道。

(3)致裂管的正常工作壓力是8 MPa，極限可承受25 MPa的壓力。

1-單向閥，2-電點火柴，3-激發管，4-管壁(鋼或PE)，5-后堵蓋，6-前堵蓋1-check valve,2-electric matches,3- excitation tube,4- tube wall(steel or PE),5- rear blocking cover,6- front blocking cover圖 5 第三代致裂管(含激發管)結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the structure of the third generation fracturing tube(including excitation tube)

3.2.2 第三代致裂管的安全特性

(1)以使用5 kg規格的二氧化碳致裂管(長1.6 m)為例，炮孔深度一般是5～6 m，堵塞長度最少有3～4 m，最小抵抗線一般為2 m左右。由于堵塞長度大于最小抵抗線，因此，起爆后氣體膨脹能量難以將致裂管向上沖出炮孔，因而，解決了產生“飛管”的問題。

(2)由于二氧化碳氣體是從致裂管側面釋放而不是從致裂管底部釋放，這種氣體釋放方式，也有助于消除 “飛管”問題，同時使得氣體膨脹壓力更加均勻地作用在炮孔壁上。

(3)操作中，必須把致裂管先放入炮孔內，孔口堵塞好以后再充氣，這樣做，可保證充氣時致裂管萬一開裂也不會威脅作業人員的安全。

(4)帶有泄壓保險機構。當在孔外充裝二氧化碳氣體時，充裝壓力達到1 MPa時，保險機構開始動作，如繼續充裝二氧化碳氣體，就會出現“前面充，后面漏”的效果，確保在孔外充氣時致裂管內的氣體壓力達不到4 MPa，也就是說，達不到激發管產生發熱效應所需要的圍壓。

(5)由于充氣需要專用充氣設備(儲氣罐和充氣機)，因此，離開專用設備無法把二氧化碳氣體充入致裂管內。此外，在常規情況下充氣至少需要兩人以上協同作業，多人同時作業可以互相監督，可以防止個別人員搞非法事情。因此，即使致裂管丟失、被盜或被不法分子拿到手，他們也無法充裝二氧化碳氣體威脅公共安全。

3.2.3 第一、二、三代致裂管的性能比較

第三代致裂管是在第一、二代致裂管基礎上改進設計而成的，圖6給出了第三代致裂管的實物圖片。表1給出了第一、二、三代致裂管的結構特點和安全性能的比較。

圖 6 第三代二氧化碳膨脹爆破器材Fig. 6 The third-generation carbon dioxide expansion blasting equipment

表 1 第一、二、三代致裂管結構特點和安全性能比較表Table 1 Comparison table of structural characteristics and safety performance of the first,second and third generation fracturing tubes

4 二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統的研發

為了加強對二氧化碳膨脹爆破的安全管理，率先開發了二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統，該系統可以有效倒逼二氧化碳膨脹爆破從業單位落實企業主體責任；對激發管、致裂管實行電子標簽溯源管理并與器材流向各環節上的責任人員進行綁定，嚴格落實經手人員的責任；對現場存放、出入庫(柜)行為進行視頻監控管理，嚴防激發管、致裂管流失、被盜事件的發生。系統主要功能在于：

4.1 二氧化碳膨脹爆破器材流向溯源管理功能

由器材生產廠家通過系統下載、打印電子標識，粘貼在激發管、致裂管上，并掃碼入庫同時把相關信息輸入信息系統；銷售、使用單位出入庫保管、使用時分別掃碼確認，將銷售、使用環節上的經手人員與器材進行綁定，落實流向各環節上操作人員的責任，確保激發管、致裂管得到有效監控，杜絕流失、被盜。

4.2 作業現場視頻監控管理功能

在作業現場建立視頻監控技術防范系統，采集二氧化碳激發管、致裂管儲存場所的開關門信息、領用視頻監控信息，滿足管理部門遠程訪問、查詢和管理的需要。

4.3 公安屬地管理數據共享功能

本系統為屬地公安機關進行治安管理、查詢統計、數據共享預留了功能模塊和數據接口，屬地公安機關如果希望通過本系統對本轄區從事二氧化碳膨脹爆破的單位、項目、器材進行查詢統計和治安管理，只需要在本系統上用手機號注冊一個管理員用戶賬號，就可以查看到流入本轄區的二氧化碳膨脹爆破器材的“來龍去脈”以及各環節上的責任人員，還可以查看本轄區各項目現場器材出入庫的視頻圖像等信息。

4.4 使用易制爆專用儲存柜現場存放激發管

為了做好防盜、防搶工作，在項目作業現場建設一個值班室、一個器材室(可以用集裝箱代替)，激發管存放在器材室里的一個專用儲存柜里，這個專用儲存柜本是供易制爆危險化學品小劑量單位存放易制爆危險化學品用的，實行“雙人雙鎖”管理。圖7給出了專用儲存柜實物照片，該儲存柜取得公安部權威機構的防盜安全檢測報告。

圖 7 易制爆危險化學品小劑量存放專用儲存柜Fig. 7 Special storage cabinet for low-dosestorage of explosive hazardous chemicals

5 第三代致裂管和孔內充裝方法的應用情況

目前，第三代致裂管和孔內充裝方法已經在四個方面獲得初步應用，一是場地平整工程(汕頭市項目)；二是基坑開挖工程(惠州市項目)；三是隧洞開挖工程(汕尾市項目)；四是水下航道疏浚工程(廣西項目)。

5.1 對二氧化碳膨脹爆破鉆爆參數優化研究

研究表明：一根5 kg(氣體重量)的二氧化碳致裂管(外徑76 mm、長1600 mm)，適用的鉆孔孔徑為90 mm，對于微風化巖石，最小抵抗線1.8～2.2 m，孔距2～2.2 m，排距1.8～2 m，孔深5～5.5 m，堵塞長度3～4 m，單位耗氣量在0.21～0.31 m3/kg(單位m3/kg是指一公斤液態二氧化碳爆破破碎多少立方米的巖石)。

5.2 爆破振動效應測試與研究

5.2.1 露天場平爆破實測爆破振動情況

在露天場平工程(肇慶市項目)中，一次起爆8根5kg的致裂器(成一排)，在最小抵抗線的反方向距離爆破中心10 m、15 m、20 m的地方布置測振傳感器(三維)，測得徑向(X方向)振動幅值最大，分別是0.72 cm/s、0.60 cm/s和0.23 cm/s，對應的頻率分別是60.15 Hz、50.31 Hz和38.46 Hz。典型的波形圖見圖8所示。

圖 8 典型的二氧化碳膨脹爆破振動波形(測點距離爆區中心后方15 m)Fig. 8 Typical vibration waveform of carbon dioxide expansion blasting(measuring point is 15 m behind the center of blasting area)

5.2.2 與同等炸藥量爆破振動效應的比較

如果用同樣的炸藥量進行爆破(8個炮孔，每個炮孔裝5 kg炸藥)，按照《爆破安全規程》13.2節中的公式(1)進行計算，其中系數k取150，衰減指數α取1.5，如果是40 kg炸藥同時起爆，則在距離爆區10 m、15 m、20 m處的爆破振動峰值分別為：29.52 cm/s、15.52 cm/s、10.08cm/s；如果8個炮孔逐孔起爆，最大一段藥量是5 kg,則在距離爆區10 m、15 m、20 m處的爆破振動峰值分別為：10.02 cm/s、5.45 cm/s、3.53 cm/s。將炸藥爆破振動效應計算值與二氧化碳爆破振動效應實測值比較，可以發現5 kg炸藥同時起爆引起的爆破振動計算幅值分別是40 kg二氧化碳氣體膨脹爆破引起的振動效應實幅值的14倍(10 m處)、9倍(15 m處)、15倍(20 m處)。

5.3 爆破沖擊波和噪聲的測試研究

同上爆破條件下，(1)對于空氣沖擊波，在距離爆區臨空面右前方20m處布置傳感器，儀器未觸發，最大峰值壓力低于儀器觸發電平(0.16 kPa)；(2)對于噪聲， 在距離爆區臨空面右前方20 m處布置傳感器，測得噪聲為106.1 dB。

隧洞開挖和水下開挖尚處于嘗試階段，不過已經取得了可行性研究成果。爆破參數優化還有待進一步研究。

6 結論

(1)研究、提出了孔內充裝的作業方法，為二氧化碳膨脹爆破提供了一種更加安全的作業方法。

(2)研究并發明了第三代致裂管，為解決二氧化碳爆破“飛管”事故、消除人搬車運“氣彈”可能早爆傷人的安全隱患、杜絕致裂管被不法分子利用威脅公共安全等問題提供了安全保障，滿足了公安機關現場檢查時可以拆開致裂器進行檢查的需要。

(3)研發了二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統，為管理部門加強二氧化碳爆破器材的流向管理和遠程監督管理提供了信息化手段。

(4)在場地平整、基坑開挖、隧洞開挖和水下航道疏浚工程方面進行的相關研究取得的鉆爆參數和安全操作注意事項，有助于管理部門制訂相關管理辦法，對于爆破行業制訂相關安全操作規程具有一定的參考價值。