二氧化碳相變致裂技術在司家營鐵礦的研究與應用

李國東 李 華 李萬濤 郝紅澤

（河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司）

現(xiàn)如今，在露天礦山生產過程中進行爆破和巖石破碎往往使用傳統(tǒng)方法，例如：化學炸藥和機械道具、合金鉆頭方式［1］，但都存在一些方面的不足，一定程度上制約了露天礦山的生產能力。然而二氧化碳相變致裂技術作為一種新型的致裂和破巖手段，和傳統(tǒng)利用炸藥對巖體進行爆破的的手段相比具有突出的優(yōu)點，比如污染少、飛石易控制、爆破振動小等［2］，所以可以將此技術考慮應用在露天礦山臺階推進和擴幫中。經過在露天礦山采場的臺階致裂試驗與初步應用，可以發(fā)現(xiàn)與使用最為廣泛的炸藥爆破相比較而言，二氧化碳相變致裂技術在本質上具有巨大的安全特性，同時能夠最大限度地減少了對礦區(qū)內的環(huán)境破壞，安全環(huán)保，能夠基本滿足司家營露天礦山一些特定的臺階推進、擴幫等需求，同時具有供其他礦山參考的價值。

1 工程概況

1.1 礦山基本情況

司家營鐵礦隸屬河鋼集團礦業(yè)公司，礦區(qū)位于河北省唐山市灤州市區(qū)東南約6 km處，是冀東礦脈的一部分，礦區(qū)鐵礦石產于前震旦系變粒巖中，屬鞍山式沉積變質鐵礦床。礦區(qū)內礦體南北長約10 km，東西寬約2 km。采場年采選600萬t鐵礦石，露天采場采用由上向下的多臺階方式逐層開采，由于采場邊坡地質條件復雜，尤其是東邊幫巖層傾向與邊坡坡面一致，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，部分區(qū)塊風化嚴重，個別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定。如若在此區(qū)段實施傳統(tǒng)炸藥爆破，將嚴重影響邊坡穩(wěn)定性，極可能發(fā)生不同程度的片幫和滑坡，而且在放炮區(qū)域半徑200 m范圍內東幫地表存在養(yǎng)豬場，炸藥爆破引起的爆破振動對牲畜存在安全隱患。基于以上兩方面原因考慮，決定在采場東幫個別區(qū)段展開二氧化碳相變致裂技術試驗與進一步應用。

1.2 礦山地質

司家營鐵礦礦區(qū)所在區(qū)域北部為基巖裸露區(qū)，出露地層有太古界、中上元古界、古生界，南部新生界，地層廣泛分布。東邊幫主要巖性為混合巖化黑云變粒巖和黑云變粒巖，部分地區(qū)有閃長巖入侵，其中東邊幫淺部是混合巖化黑云變粒巖，巖體風化程度較高；混合巖化黑云變粒巖因為風化水平存在一定程度的差異，可細分為強風化、中風化、微風化3種；深部主要是黑云變粒巖，巖體完整性較好、強度較高；且東邊幫巖體普遍存在順層層理結構，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，部分區(qū)塊風化比較嚴重，個別區(qū)段難以保證邊坡穩(wěn)定，從而嚴重影響采場作業(yè)人員和設備安全。

2 二氧化碳相變技術原理及主要致裂裝置

2.1 二氧化碳相變技術原理

二氧化碳作為一種常見的惰性氣體，在一定的溫度和壓力條件下，可以分別以液態(tài)、固態(tài)和超臨界態(tài)存在。利用二氧化碳氣體相變致裂原理，就是通過溫度的控制使得二氧化碳在一定的條件下發(fā)生相變。將液態(tài)二氧化碳儲存至儲液管內，儲液管內的液態(tài)二氧化碳在高溫裝置發(fā)熱后在極短時間內轉變?yōu)闅鈶B(tài)。由于氣體迅速膨脹，由此產生的高壓沖擊波使得定壓剪切片自動打開，鉆孔周圍的巖石受到瞬間巨大壓力的作用出現(xiàn)裂紋直到破裂。整個過程在極短時間內發(fā)生，只需0.4 ms，而且周圍環(huán)境對整個過程影響較小，二氧化碳屬于惰性氣體，非易燃易爆物質，與周圍環(huán)境的空氣不相融合，相變爆破過程就是體積膨脹的過程，不產生任何有害氣體［3-5］。

2.2 二氧化碳致裂器構造

二氧化碳致裂器構造見圖1。

（1）儲液管。用于儲存液態(tài)二氧化碳，由高強度合金鋼材制成，耐高壓高溫，可重復使用。

（2）充裝頭。液態(tài)二氧化碳通過此連接裝置儲存到儲液管中。

（3）泄能頭。二氧化碳流突破定壓剪切片，經泄能頭噴射而出，實現(xiàn)二氧化碳氣體瞬間釋放，可控制射流方向。

（4）定壓剪切片。用于控制二氧化碳氣體釋放的閥門，當儲液管的內壓超過其破裂強度時發(fā)生破裂，其厚度可控制泄放壓力。

（5）發(fā)熱管。電流通過后發(fā)熱，為二氧化碳變?yōu)闅鈶B(tài)提供熱量。

3 二氧化碳相變技術國內應用現(xiàn)狀

二氧化碳相變技術所采用的是純液態(tài)狀態(tài)下的二氧化碳，這項技術最先是北美在20世紀80年代提出來的，研究人員對此技術進行了試驗，并在現(xiàn)場開展了一些初步的應用。后期經過數年的改進與提高，在國外數千井次的壓裂施工中得到了廣泛應用。在我們國內有一些大型油田利用二氧化碳相變技術陸續(xù)進行了比較多的試驗和嘗試，而且取得了相當好的效果。目前，國內油田已經進行了純液態(tài)二氧化碳壓裂試驗，取得成功［6］。二氧化碳相變技術在國內煤礦和高速公路建設破碎解石施工以及地鐵車站基坑開挖中得到廣泛應用。其產生振動和噪音較小，對周邊環(huán)境影響較小，效果較好［7］。

4 二氧化碳相變技術在采場的試驗與應用

4.1 試驗設備及部件

試驗設備及部件見圖2。

4.2 二氧化碳相變致裂設計參數

在采場選取人工預先鑿好的臺階臨空面進行試驗，鉆孔直徑為216 mm，孔深為6 m，填塞長度為3 m，孔間距為3.5 m，孔數為6個。利用爆破振動測試儀對6個測點進行測振。

4.3 二氧化碳相變致裂工藝

二氧化碳致裂工藝流程見圖3。

二氧化碳致裂施工工藝如下。

（1）施工準備。此項工作主要利用鉤機等工具為鉆孔的場地進行一定程度的平整，為接下來潛孔鉆機的鉆孔合格率提供一定的保證。

（2）布孔。根據工程的特點、地質條件、巖石性質、臺階高度等，不同條件下布孔的方式不同。此次的二氧化碳致裂在采場的試驗采取三角形布孔方式。見圖4。

（3）鉆孔。鉆孔設備采用露天潛孔鉆機進行施工，鉆孔可以采用垂直孔，也可采用斜孔。根據采場實際臺階推進和擴幫的需求而定。

（4）安裝二氧化碳致裂器。致裂器由于長度和重量原因宜采取挖掘機進行安裝，安裝之前，要先檢查鉆孔深度是否符合要求。

（5）填塞。致裂管安裝完成后，填充致裂孔孔隙。

（6）網路連接。網路連接的接頭要用高質量絕緣膠布纏緊，保證連接可靠。

（7）啟動電源致裂。

（8）回收致裂器。在致裂完之后，收集致裂器，檢查是否有損壞，以備下次使用，降低成本。

4.4 二氧化碳致裂效果評價標準

（1）致裂后的巖塊和爆堆需適合挖掘機作業(yè)。

（2）致裂對緊鄰爆區(qū)臺階邊坡的破壞力度較小。

（3）致裂產生的振動對一定范圍內的構筑物和人員不會產生安全危害。

（4）相鄰炮孔之間巖面的不平整度不應大于15 cm［8］。

（5）滿足規(guī)范要求。

（6）產生的振動不對鄰近構筑物或周圍居民造成安全影響。

4.5 試驗測試結果與分析

4.5.1 現(xiàn)場二氧化碳致裂效果

現(xiàn)場二氧化碳致裂效果見圖5。

4.5.2 振動速度波形及其數據處理

由于總共有6個振動測點，每個測點分別得出水平徑向、垂直向和軸向3個方向的振動圖像，因振動圖像較多，在此以1號測點3個方向振動圖像為例。分別見圖6~圖8。然后將6個測點的圖像數據統(tǒng)計結果見表1。

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根據有關爆破振動研究資料顯示，在3個振動方向上，建筑物受到水平方向的影響力最大，使建筑物產生水平剪力進而可能導致破壞，在試驗區(qū)邊界（6 m處的近點）的測點顯示，其最大振動速度沿地面方向，最大速度為7.385 6 cm/s；水平方向X中，最大振動速度為10.122 8 cm/s，小于規(guī)范要求值。此次試驗效果達到預期，破巖程度良好。

4.6 試驗總結

試驗結果表明，二氧化碳氣體相變技術的致裂能力基本滿足中風化巖層臺階施工要求，可操作性強，工藝簡單。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該致裂方法對臺階周邊震動、飛石、污染、噪音等影響較小，二氧化碳致裂可控性相比普通炸藥爆破存在巨大優(yōu)勢。

5 結 論

經過在露天礦山采場的致裂試驗和初步應用，可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比，二氧化碳相變技術具有其本質的安全特性。從儲存、運輸、攜帶、使用、回收等方面均無安全隱患，并且二氧化碳致裂在實施過程中不產生任何有害氣體，無粉塵、無破壞性震動，最大限度地減少了對礦區(qū)內的環(huán)境破壞，安全環(huán)保。能夠基本滿足司家營露天礦山一些特定的臺階推進和擴幫需求，同時具有供其他礦山參考的價值。