二氧化碳爆破的優(yōu)勢與前景展望

彭 磊，苗成然，黃 強

（中國建筑第二工程局有限公司，廣東深圳 518000）

1 原理

二氧化碳氣體在一定的高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的二氧化碳壓縮至圓柱體容器（爆破管）內(nèi)，裝入破裂片、導熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成爆破前的準備工作；將爆破管和安全云毫差起爆器及電源線攜至爆破現(xiàn)場，把爆破管插入鉆孔中固定好，連接起爆器電源；當微電流通過高導熱棒時，產(chǎn)生的高溫擊穿安全膜，將液態(tài)二氧化碳氣化，急劇膨脹產(chǎn)生的高壓沖擊波使泄壓閥自動打開，被爆破物品或堆積物受幾何級當量沖擊向外推進。爆破過程只需0.4ms，且是低溫下運行，不產(chǎn)生任何有害氣體，不產(chǎn)生電弧和電火花，不受高溫、高熱、高濕、高寒影響，無震蕩，無粉塵。二氧化碳屬于惰性氣體，爆破原理是體積膨脹，屬于物理反應而非化學反應，如圖1所示。

圖1 液態(tài)二氧化碳相變制裂裝備結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

二氧化碳爆破系統(tǒng)由充裝間的裝備和爆破設備組成。

充裝間的設備有二氧化碳儲液罐、充裝機、充裝臺、拆裝機等。充裝間的作用是充裝爆破管、存儲爆破管、發(fā)放爆破管，以及對相關(guān)設備的維修等。

現(xiàn)場爆破設備主要是爆破管、發(fā)爆器。

爆破管是二氧化碳冷爆破的核心設備之一，由儲液管、充裝頭、釋放頭等組成。其采用超強度的特殊鋼材并經(jīng)過特殊處理而成，具有極高的強度和韌性。發(fā)爆器是啟動爆破管內(nèi)加熱器的核心設備，具有微差起爆實現(xiàn)光面爆破的功能，帶有人員閉鎖、時間閉鎖、地點閉鎖等多參數(shù)閉鎖，保證不安全不起爆。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 安全

安全是二氧化碳冷爆破的最大優(yōu)勢。

（1）二氧化碳化學、物理特性穩(wěn)定，非常安全，在整個爆炸過程中，沒有有害物質(zhì)產(chǎn)生。而且從物理性質(zhì)來看，二氧化碳的臨界溫度接近常溫，而氮氣和空氣的臨界溫度非常低，如表1所示。此外，根據(jù)國際規(guī)定，化工廠等必須收集二氧化碳，因此二氧化碳資源豐富，不像氮氣等其他氣體需要特別制備。

表1 相關(guān)氣體液化特征

（2）二氧化碳在生產(chǎn)、儲存、運輸中，遇火不會爆炸。

（3）二氧化碳爆破是冷爆破，所謂“冷”就是二氧化碳爆破是液態(tài)變成氣態(tài)的過程，會吸收大量的熱量，使周圍氣溫降低，不會引爆瓦斯、煤塵。二氧化碳爆破是一種理念先進、方法安全、效果顯著的爆破技術(shù)，具有爆破過程無火花外露、爆破威力大、無需驗炮、操作簡便等優(yōu)點。此外，二氧化碳的運輸、儲存和使用可獲得豁免審批

（4）二氧化碳冷爆破產(chǎn)生的振動微弱，破壞力很小，便于保護周圍建筑物。二氧化碳冷爆破的爆速遠低于炸藥爆破，沖擊力一般為400MPa，遠低于炸藥爆破的1 000-5 000MPa，其爆速約3m/s，破壞半徑僅2～3m。

（5）爆破不產(chǎn)生新的有害氣體，除爆破半徑1m內(nèi)的區(qū)域，無二氧化碳超標危害。

3.2 省心

省心是指用戶省心、社會省心、國家省心。所謂“用戶省心”是指：一公安機關(guān)不監(jiān)管。二氧化碳是非爆炸物品，非危化品，不是公安機關(guān)監(jiān)管的對象。二質(zhì)檢部門不監(jiān)管，二氧化碳爆破管等裝置體積小于500L，非質(zhì)檢部門監(jiān)管的壓力容器。

所謂“國家省心、社會省心”是指：一不用擔心造成重大、特大安全事故；二不用擔心發(fā)生爆恐案件。除此之外，應用二氧化碳冷爆破系統(tǒng)可以降低重大、特大安全生產(chǎn)事故以及爆恐案件發(fā)生的概率。

3.3 環(huán)保

二氧化碳冷爆破對環(huán)保的貢獻的表現(xiàn)如下：

（1）所用二氧化碳來自化工廠、燃煤電廠，屬于廢氣再利用。因此，二氧化碳無需制備，無需消耗能源。

（2）二氧化碳冷爆破的過程與炸藥爆炸不同，不會產(chǎn)生一氧化碳等有毒、有害的氣體，也不會產(chǎn)生粉塵。

（3）爆炸的噪聲很小，震動很小，基本沒有噪聲污染，不擾民。

3.4 同威

所謂“同威”，就是與炸藥爆炸的威力相當。“同威”首先表現(xiàn)為沖擊力、破壞力同炸藥相同。雖然二氧化碳冷爆破的沖擊力為400MPa左右，遠比炸藥的沖擊力小，但是炸藥爆炸的作用力是瞬間的，而二氧化碳冷爆破的時間可以延長至幾毫秒甚至更長。如果說炸藥是靠“爆發(fā)力”做工，那么二氧碳爆破就是靠“耐力”做工。“同威”其次表現(xiàn)在施工能力方面，炸藥爆破一般是暴力作業(yè)，爆破后的現(xiàn)場不易清理，而二氧化碳冷爆破是柔性作業(yè)，爆破后現(xiàn)場易清理，且完全能夠滿足基坑巖石爆破的需要。

3.5 廣泛

廣泛包含兩個方面，一是二氧化碳資源分布廣泛，容易采購；二是二氧化碳冷爆破用途廣泛，可用于露天剝離與開采、道路施工、基坑開挖、隧道施工、石材開采、堵塞疏通、水下爆破等。尤其在有爆炸氣體粉塵環(huán)境、城市內(nèi)部及周邊、高溫等特殊環(huán)境條件下使用，具有炸藥爆破沒有的優(yōu)勢。

3.6 低價

從發(fā)展角度來看，二氧化碳冷爆破的成本低于炸藥。

（1）從施工成本來看，爆炸物品的監(jiān)管費用奇高，且節(jié)假日時使用申請不易過批，導致炸藥爆破的成本遠高于二氧化碳爆破。

（2）《反恐法》第21條和第22條要求對雷管進行電子編碼，對炸藥進行自動編碼，使爆炸物品的價格大幅度提高。而隨著技術(shù)的完善，二氧化碳冷爆破的成本會逐漸降低，因此，二氧化碳冷爆破的成本將全面低于炸藥爆破。

（3）防恐、反恐成本和社會心理壓力成本為零。應用炸藥等物品產(chǎn)生的防恐、反恐成本以及社會心理壓力成本是二氧化碳冷爆破所沒有的。

4 主要問題及前景展望

4.1 主要問題

二氧化碳爆破機理、破巖機理、爆破參數(shù)設計、爆破安全與控制、效果評價、爆破規(guī)程等方面的研究滯后。

（1）爆破機理研究滯后。目前，液態(tài)二氧化碳加熱膨脹的溫度、壓力、沖擊力等數(shù)據(jù)不明，爆破力與二氧化碳體積的關(guān)系也沒有明確結(jié)論。

（2）破巖機理研究滯后。二氧化碳爆破是靠什么能量破巖，如何有效控制，如何進一步提高爆破強度、破巖能力等問題還沒有解決。

（3）如何進行二氧化碳爆破設計，包括孔深、孔數(shù)、孔徑、排距、孔距等如何計算的問題還沒有解決。

（4）爆破管的原材料需要進口，價格高、供貨周期長制約了推廣速度。

（5）缺少針對露天、隧道、煤礦、高溫區(qū)域、水下等不同工程環(huán)境的成套裝備以及安全技術(shù)措施、勞動組織、施工經(jīng)驗等缺少相應的規(guī)程。

（6）爆破管漏氣、上下管占用人員多、勞動強度大等問題未徹底解決。

4.2 前景展望

二氧化碳爆破技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出了替代炸藥爆破的趨勢，隨著其爆破能力的提升、技術(shù)的完善，其在煤礦爆破、特殊爆破、精細爆破等領域?qū)⑼耆蛘呋咎娲ㄋ幈啤Ｄ壳埃趸急圃诘缆肥┕ぁ⒙短觳墒确矫娴膽糜泻艽筮M展，未來將成為具有影響力爆破技術(shù)。

5 發(fā)展策略

5.1 國家政策層面

二氧化碳冷爆破技術(shù)的發(fā)展要從技術(shù)創(chuàng)新、防恐反恐、安全生產(chǎn)等角度展開研究。相關(guān)部門應給出明確的發(fā)展方向和扶持政策，首先在炸藥爆破危害大的領域形成技術(shù)突破，推動二氧化碳冷爆破技術(shù)的發(fā)展。

（1）在煤礦全面推廣二氧化碳冷爆破技術(shù)，替代炸藥爆破。

（2）在城鎮(zhèn)推廣二氧化碳冷爆破技術(shù)，替代炸藥爆破。杜絕爆炸物品在城鎮(zhèn)內(nèi)部的違法運輸、違法使用，可以提高反恐、防恐能力，消除炸藥爆破對建筑物的損害以及噪聲擾民、粉塵和有害氣體等危害。

（3）在特種爆破領域推廣二氧化碳冷爆破技術(shù)，例如高速公路拓寬、淺層爆破、高溫區(qū)爆破、沖擊地壓區(qū)爆破、建筑物附近爆破等。

（4）加速在露天、隧道等領域的推廣使用。

5.2 專業(yè)技術(shù)層面

（1）進一步提高爆破能力。一是提高初期爆破沖擊力至600MPa以上；二是延長破巖時間，增強爆破管相關(guān)附件的防沖擊能力；三是增加爆破管的有效儲存容積。

（2）開展對各類二氧化碳爆破裝備的研究和工程實驗，形成細分的專業(yè)成套裝備和爆破工藝。例如，煤礦二氧化碳成套爆破裝備和爆破工藝，用于掘進、放頂煤、堵塞疏通、微震動等。

（3）深化機理研究，建立相關(guān)數(shù)學模型，形成相關(guān)技術(shù)標準體系，指導技術(shù)的快速推廣。

（4）開展替代材料的研究，實現(xiàn)爆破管的國產(chǎn)化。

（5）研發(fā)施工機器人、機械手，降低勞動強度，提高勞動效率。

（6）加強監(jiān)控技術(shù)研究，采集爆破數(shù)據(jù)；建立云數(shù)據(jù)庫，為安全生產(chǎn)和改進作業(yè)、提高效率提供數(shù)據(jù)支撐。

（7）研究并制定相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)程，提升行業(yè)監(jiān)管能力，推動行業(yè)有序健康發(fā)展。

（8）開展新一代二氧化碳冷爆破技術(shù)的研究，例如無管冷爆破技術(shù)、無回收管技術(shù)，實現(xiàn)安全、高效、低勞動強度、低成本、強替代能力和更大發(fā)展空間的目標。