紅砂巖地層路基開挖可拋擲液態(tài)CO2相變致裂技術*

張萬虎，馮 路，劉孝義，于建新，董 斌，劉 攀

(1.中國化學工程重型機械化有限公司，北京 102611；2.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454003)

0 引言

爆破技術廣泛用于礦產資源開采和城市基礎設施建設中，炸藥爆破產生的有害效應嚴重影響生態(tài)環(huán)境和作業(yè)人員的身體健康。炸藥爆破不僅產生巨大噪聲、振動、沖擊波、粉塵和爆破飛石，還會產生一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NxOy)、硫氧化合物(SOx)等有毒有害氣體[1]。

近年來逐漸發(fā)展起來的液態(tài)CO2相變致裂技術，具有振動低、噪聲小、飛石少、無有害氣體、破巖效率高等優(yōu)點[2]，主要應用于煤層增透和瓦斯抽采等方面。郭志興[3]在平頂山七礦開展了CO2爆破試驗，驗證了液態(tài)CO2相變破巖過程和安全性。劉佩東[4]通過數值模擬與現場試驗的對比分析，得出設置控制孔的條件下，液態(tài)CO2相變致裂的有效半徑為5～6m。徐穎等[5-6]首次較詳細地介紹了高壓氣體爆破采煤法，指出高壓氣體爆破更有利于煤礦的經濟效益，且不會引燃瓦斯煤塵，同時會沖淡工作面瓦斯?jié)舛取Ｖ毂赜碌萚7]通過模擬分析得出，不耦合系數越大，圍巖受到的損傷破壞越小，孔間距對爆破損傷范圍基本無影響，其值越大越不能形成有效的預裂縫。孫可明等[8]通過不同溫度和壓力下的超臨界CO2氣爆試驗，充分利用內窺鏡的觀察和對氣體外觀的測量，統(tǒng)計和分析了氣體爆炸后裂紋的數量及其長度等爆炸響應的相關信息。張柏林等[9]通過試驗得出，在相同孔距下“隔二爆一”致裂效果優(yōu)于“隔一爆一”布孔方式。王兆豐等[10-11]對CO2相變破巖技術的TNT當量、煤層增透、瓦斯抽采等方面進行了研究。朱拴成等[12]利用液態(tài)CO2致裂技術有效解決了巷道三角區(qū)懸頂問題。張悅等[13]應用CO2增透預裂技術提升了煤層透氣性系數與瓦斯抽放效率，提高了工作面的掘進效率。但國內外關于液態(tài)CO2相變破巖理論的研究很少，理論研究落后于工程實踐。對復雜地質條件下液態(tài)CO2爆破研究也多數在工程實踐方面，對理論研究及規(guī)律性的總結較少。

炸藥爆破不能完全適用于所有的地質條件，尤其是有些對周邊環(huán)境的影響有著嚴格要求的工程。安徽省安慶高新區(qū)山口片綜合開發(fā)PPP項目中勇進路建設工程項目，其周邊主要為山林、溝塘、農田，道路紅線周邊有現狀道路(縣道、鄉(xiāng)道、村村通等)、溝渠、高壓桿線、通信光纜等，地質條件復雜，邊坡開挖高度高，且屬于航空管制區(qū)域，不適合采用炸藥爆破。本文以該工程為背景，開展一次性液態(tài)CO2致裂器在路基邊坡施工中的應用研究，通過不同爆破參數下的致裂試驗效果分析，得出合理的爆破方案，為后續(xù)類似工程的爆破參數設計提供參考。

1 工程概況

勇進路建設工程全長約6.8km，道路紅線寬度60m，為城市主干路，建設地點位于安慶市大觀區(qū)山口鄉(xiāng)，道路沿線地貌單元屬于長江左岸Ⅲ級階地及河漫灘相，微地貌為丘陵崗地及崗地間的中小型沖溝，地形起伏不平，全線地形起伏>70m。巖體基本質量等級屬Ⅳ級，局部屬Ⅲ級，屬干燥型路基土。巖石一般呈棕紅色、紫紅色，為塊狀結構，砂質膠結，巖芯一般呈短柱狀，局部夾礫，屬砂質礫巖。礦物成分主要為石英及長石，堅硬程度屬較軟巖，巖體完整程度屬較完整，局部屬完整。

2 CO2相變致裂原理

液態(tài)CO2相變致裂屬于物理變化，通過化學反應產生的大量熱量，加熱液態(tài)CO2發(fā)生相變，壓力劇增至20～60MPa，液態(tài)CO2沖破定壓剪切片迅速轉化為氣態(tài)，整個過程中，CO2體積膨脹600多倍，氣體充滿整個鉆孔，釋放的膨脹能致裂鉆孔周邊的煤(巖)體；從起爆至結束整個過程只需0.4ms，爆破過程就是體積膨脹的過程，屬物理做功過程。

為實現快速施工，保證施工安全，試爆采用一次性MZL220-89/1000型CO2致裂管，其構造包含如圖1所示儲液管與加熱管，結構更加簡便，質量更小，便于施工，管壁厚2mm，致裂結構如圖1所示，相關參數為：儲液管外徑89mm、長1 000mm、容積4.65L，泄放壓力220MPa，CO2充量(3.8±0.2)kg，最大設計充裝壓力15MPa，管體凈重15kg。

圖1 一次性致裂管結構

3 CO2相變致裂試驗

3.1 試驗方案

選取K5+440—K5+600段作為試爆致裂段，此處巖石類別、風化程度和節(jié)理發(fā)育情況均具有代表性，與后期致裂地段地質情況接近。

第1次試驗，鉆孔深6m，孔徑115mm，采用垂直鉆孔，布孔設置2排，第1排布置7個孔，第2排布置6個孔，排間距均為1.5m，采用梅花形布置，臨界面的坡度為1∶0.7，孔網參數為：鉆孔13個，孔徑115mm，孔深6m，孔距1.5m，排間距1.5m，單孔管1根，最小抵抗線5.7m。現場布置如圖2所示。

圖2 試爆致裂相關參數(單位：cm)

第2次試驗，此處地質條件與第1次的相同，第1排布孔間距為1.5m，排間距為1.3m，梅花形布設，第1排距臨空面邊緣1.5m左右。鉆孔深度6m，臨界面坡度為1∶0.7，頂寬距臨界面1.5m，孔網參數為：鉆孔13個，孔徑115mm，孔深6m，孔距1.5m，排間距1.3m，單孔管1根，最小抵抗線5.7m。

第3次試驗，地質條件與前兩次一致，鉆孔深7m，孔徑115mm，采用傾斜鉆孔，鉆孔傾斜度為1∶0.5，布孔設置2排，第1排設置23孔，間距1.5m，第2排設置22孔，與第1排錯位布設，采用梅花形布設，前、后排間距1.3m。臨界面坡度為1∶0.7，頂寬距臨界面1.5m，鉆孔的傾斜度按1∶0.5確定，孔網參數為：鉆孔45個，孔徑115mm，孔深7m，孔距1.5m，排間距1.3m，單孔管2根，最小抵抗線2.9m。

3.2 鉆孔設計

采用GXY-1-150型潛孔鉆機(見圖3a)進行施工，采用空壓機傳輸動力，考慮到環(huán)保問題，潛孔鉆機采用除塵設備進行鉆孔，鉆孔時控制好預裂孔的位置、方向、孔深和間距，保證長度誤差在±5cm，方向誤差在±1°。鉆孔完畢即進行清孔，并對鉆孔質量進行檢查，合格后按設計裝填、連線、堵塞孔口進行試爆致裂。

圖3 鉆孔

根據鉆孔實際情況調整鉆桿傾角與鉆機位置，確保臺階孔角度誤差在±1°、深度誤差在±5cm；當孔口位置偏差>2倍孔徑時，重新鉆孔，成孔后對鉆孔質量進行檢查(見圖3b)。

3.3 致裂管安裝

鉆孔完成后對孔深、間距、孔徑及傾斜度進行檢查，必要時對孔進行試放管，驗收合格后安裝致裂管。

第1次試爆致裂時，地質為中風化砂巖，致裂管安裝按布孔設置，鉆孔為梅花形布孔，每個孔內裝1根致裂管，放在孔洞底部，接線及回填碎石(4.95～9.5mm)。

第2次試爆地質條件與第1次相同，布孔間距第1排為1.5m，第2排與第1排排距為1.3m，梅花形布設，第1排距臨空面邊緣1.5m左右；鉆孔深度6m，所有孔洞均裝1根致裂管，并用碎石回填。

第3次綜合以上原因，項目部立即組織方案優(yōu)化，在相同地質條件下進行布孔，布孔間距均為1.3m，鉆孔深7m，裝2根致裂管，并用碎石回填。

3.4 炮孔填塞

用干細砂或石屑作為孔洞填充料，采用細木棍封孔搗實，孔封堵時需注意致裂管導線，防止振搗中對線路損壞。

3.5 灑水防護

鉆孔過程中，對試爆區(qū)的臨界面進行綠網覆蓋，并灑水養(yǎng)護，避免灰塵飛揚影響附近村民生活，保護附近生態(tài)紅線區(qū)水質安全。

3.6 連線起爆

采用高能起爆器起爆。起爆前，首先檢查起爆器是否完好正常，然后等待起爆命令。起爆后，及時切斷電源，將主線與起爆器分離。

爆破完成后，致裂破碎5min后由致裂破碎工程技術人員對現場進行檢查，只有在檢查完畢確認安全后，才能發(fā)出解除警戒信號和允許其他人員進入施工現場。

4 致裂效果分析

第1次試爆時，地質條件為中風化砂巖，一次性致裂管安裝按試驗方案設置。起爆后，振動與聲音較小，未將中風化砂巖致裂，周邊無裂縫。

第2次試爆，地質條件與第1次相同，起爆后，臨空面有土體滑落，山體未見滑塌，現場檢測后，一次性CO2致裂管均已爆破，未將中風化砂巖致裂。

第3次試爆，孔底與臨界面抵抗線較小。起爆后，致裂區(qū)域5m范圍內砂巖被致裂，在鉆孔平臺頂面和臨界面均存在較大裂縫。在致裂區(qū)平面區(qū)域，距臨界面7m位置有1道較平順的裂縫，縫寬在20～40cm，在致裂區(qū)兩端外側也存在寬3～5cm裂縫。在致裂區(qū)臨界面一側，起爆后有多道裂縫，其中裂縫最大的在3～5m處，裂縫達10～30cm，隨后裂縫逐步向兩端延伸，且裂縫寬度越來越小，從現場位置深度來看，主要在致裂管爆破區(qū)域，在孔洞位置的4～7m處，也是致裂效果最佳區(qū)域。

前2次試爆未將中風化砂巖致裂，結合現場地質及試爆結果，總結出需優(yōu)化的參數設計：①試爆致裂未充分考慮紅砂巖黏土地質條件的特殊性，地質軟硬程度不均，可能在致裂過程中存在能量在裂隙中消散吸收現象；②布孔間距過大，能量不能完全集中；③抵抗線底部距離過大，無法致裂；④單根致裂管能量過小，不足以將中風化砂巖致裂。

優(yōu)化后的參數范圍：布孔方式采用梅花形布設，孔、排間距1.3～1.5m，不宜過大，孔深6～7m，最小抵抗線2.5～3.0m，適用于紅砂巖地層等同類地質條件下的土石方開挖，其他地質條件可適當調整孔網參數以達到最優(yōu)致裂效果，巖石條件較為堅硬，單孔致裂管數可選擇2～3根，鉆孔深3.5～5m，單孔宜裝1根1m或1.2m長致裂管；鉆孔深5～8m，單孔宜裝2根1m長致裂管；鉆孔深8～15m，單孔宜裝3根1m長致裂管。

5 環(huán)境影響效應監(jiān)測

5.1 粉塵與噪聲監(jiān)測

采用粉塵與噪聲監(jiān)測設備對致裂施工現場的粉塵和噪聲進行實時監(jiān)測。粉塵量相比于炸藥爆破小很多，距致裂現場50m處監(jiān)測粉塵量在16～25μg/m3。白天現場施工噪聲在30～58dB，現場試爆致裂時，致裂區(qū)離居民居住點最近為60m，距致裂現場50m處監(jiān)測噪聲量在50～67dB，不超過規(guī)定白天噪聲70dB要求。

5.2 振動監(jiān)測

振動測試共布置5個測點，沿炮孔連線中心垂直布設測點A，B，C，D，E，其中A點距炮孔連線中心4.7m，其他各點間隔3m，各點振動速度如表1所示。由表1中數據可看出，x，y，z3個分向速度均≤0.8cm/s，合速度≤1.0cm/s，CO2相變致裂產生的振動較小，對邊坡穩(wěn)定性及周圍環(huán)境影響較小，可保證施工安全。

表1 振動監(jiān)測數據

6 結語

1)液態(tài)CO2相變破巖技術在破巖效果上能替代傳統(tǒng)炸藥爆破的方式，在安全性上符合爆破安全規(guī)程規(guī)定，可在類似地質條件的開挖工程中推廣應用。

2)一次性致裂管在現場應用較方便，現場可快速施工，同時致裂威力達到破巖水平。

3)在紅砂巖CO2致裂破巖試驗中，布孔間距均為1.3m，鉆孔深7m，單孔致裂管2根，堵塞長度1.5m，采用斜鉆孔，最小抵抗線為2.9m時致裂效果較好。

4)從現場監(jiān)測來看，振動速度小，粉塵量相比于炸藥爆破小很多，噪聲監(jiān)測不超過規(guī)定的白天噪聲70dB，對環(huán)境影響較小。

5)布孔方式采用梅花形布設，孔、排間距1.3～1.5m，孔深6～7m，最小抵抗線2.5～3.0m，在類似地質條件下，可達到較好的致裂效果，單孔致裂管數量≥2根，孔口進行有效填塞防止沖孔。