致裂器對液態CO2相變破巖的功效影響分析

肖 婷，歐玉峰

(廣東中人工程集團有限公司，廣州 510515)

液態CO2相變破巖主要依靠相變產生的氣體膨脹對外做功來實現[1]。與傳統的炸藥爆破方式不同，CO2本身無毒、無害，其液-氣相變是吸熱過程，不發光、發熱，也無新的產物生成，而且其相變破巖產生的粉塵少、飛石少、振動小、振動波頻率低、衰減慢，對環境影響小[2-3]，在環保和安全方面具有明顯的獨特優勢。

近年來在我國鐵路、公路、市政、礦山、水利等工程爆破領域中液態CO2相變破巖技術得到了廣泛推廣應用。在應用中均采用“鉆爆法”破巖工藝，即通過對擬破巖體進行鉆孔，再在鉆好的炮孔內裝埋致裂器并使其處于做功態，激發孔內的致裂器，使裝在其內的CO2相變進行做功破巖。而傳統裝藥“鉆爆法”，涉及嚴格而繁瑣的審批手續，在環境復雜或安全敏感區域施工受限，同時存在一定安全風險，對比來看，CO2相變破巖優勢不言而喻。實踐表明，所使用的致裂器不同，其破巖功效不盡相同，甚至出現因致裂器選用不當造成破巖失敗的結果。因此，需要深入分析致裂器因素對CO2相變破巖的功效影響，進一步促進液態CO2相變破巖技術的應用與改進。

1 液態CO2相變工作的工況分析

1.1 液態CO2相變的質能與做功關系

液態CO2相變做功過程由激發管內化學藥劑，在引火頭發火激發作用下發生化學反應并釋放熱能和CO2吸熱發生液-氣相變并對外做功兩個過程組成[4-5]。將CO2相變過程理想化，忽略重力影響和激發管內物質的化學反應放熱過程，激發管釋放的熱能按“零能平衡”處理，即激發管內物質反應所放的熱，剛好能夠將所配致裂管內的液態CO2完全相變氣化，這時，CO2相變致裂破巖過程，可視為氣體膨脹對外做功的過程。將液態CO2裝管后并嚴密填塞的炮孔，看成閉口系統，便可采用熱力學進行分析[6]，此時進入和離開系統的能量只包括熱量和作功兩項。顯然，“零能平衡”條件下，激發管釋放的熱能等于致裂管內的CO2液-氣相變內能增加與其對外所做的功之和，即：

(1)

式中：Q為激發管釋放的熱能，J；ΔU為CO2液-氣相變內能增加，即相變氣化熱，J；P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，m3；Ⅰ 為氣體做功前初始狀態；Ⅱ 為氣體做功后狀態(常態)。

理想狀態下液態CO2相變對外所做的功由氣體泄充動能和體積膨脹能2部分組成[6-8 ]

由動力學沖量守恒定律可得出氣體泄充動能(Ec)為

(2)

式中：Ec為氣體泄充動能，J；m為氣體質量，kg；S為氣體對周圍約束的作用面積，m2；P為氣體壓強，Pa，N；t1為液態CO2剛開始氣化時對周圍約束的作用時間，s，取0；t2為氣體充泄對周圍約束的作用時間，即液態CO2完全氣化的時間，s。

由式(2)可得：

(3)

式中符號同式(2)。

理想狀態下，視相變前后溫度恒定，液態CO2相變體積膨脹能變化(Eh)狀態，符合氣體克拉伯龍方程形式[6-8]下的變化狀態，即：

(4)

式中：Eh為體積膨脹能,J；m為氣體質量，kg；M為氣體摩爾質量，kg/mol；V為氣體體積，m3；T為氣體溫度，K；R為常數，R= 8.34 Pa·m3·mol-1·k-1。

由式(3)式容易得出：

(5)

式中符號同式(4)。

式(2)、式(3)表明，在閉口系統下，液態CO2相變的氣體泄充對外做功能力與其質量成反比。這與封閉條件下參與相變的質量越大，氣化產生的氣體越多，對氣體泄充形成的阻力越大，氣體泄充的做功能力越弱的實際相符。

式(4)、式(5)表明，在閉口系統下，液態CO2相變體積膨脹能變化對外做功的能力，與其質量成正比。

上述分析表明：當液態CO2質量小，其相變對外做功能力也較小，并且主要以氣體泄充對外做功為主。當液態CO2質量較大，其相變對外做功能力也大，而且主要以相變體積膨脹能變化對外做功為主。

1.2 致裂器的作用

致裂器，是指存儲CO2并讓其在此受熱發生液-氣相變，同時對外做功的裝置，主要由激發管(也稱供熱管、活化管)和致裂管(也稱儲液管)組成[ 9]。

激發管是可內置于致裂管內為管內CO2發生液-氣相變提供熱能的裝置。目前國內主流激發管采用裝配式結構，由管殼、管內化學藥劑和引火頭組成[10]，其外形與結構如圖1所示。當這種激發管的圍壓達到反應條件壓強值時，化學藥劑在引火頭的發火激發作用下迅速反應，并瞬間釋放出大量熱能，可實現對CO2相變的供熱。

致裂管是用于內置激發管與CO2的重要裝置。按工藝使用分，國內主流致裂管可分為重復性使用管、孔外充氣一次性管和孔內充氣一次性管3種。

工程應用表明，致裂器是CO2相變破巖的核心裝置，直接決定CO2參與相變破巖的質量。致裂管的容量越大，可存儲的CO2便越多，參與相變破巖的CO2就越多，其做功的能力也越大。因此，致裂器對CO2相變破巖的影響是內在的，根本性的，是本質影響。故而，致裂器本身狀態對CO2相變破巖就顯得至關重要。

2 致裂管適配性影響分析

目前國內不同規格的致裂管，其內裝液態CO2的額定質量是不同的。因此，激發管與致裂管的配置，亦即致裂器內裝的藥劑質量與液態CO2質量配比，對破巖成效至關重要，其配比得當，可使破巖獲得最佳功效，而其配比與最佳配比的差異越大，破巖功效越低。當其配比超出極限范圍時，會直接導致破巖失敗或失控。

實踐中，激發管一經出廠便定型，內裝藥劑是定量的，誤差一般不超過±1% 。而致裂管內裝的CO2，一般在作業現場充裝，受環境、操作及充裝設備等因素的影響，其質量差異較大，通常需通過稱重計量來準確把控和確定致裂管內裝CO2的實際質量，國內幾種致裂器標準配置如表1所示。

表1 國內幾種致裂器標準配置

實踐檢驗表明，上述幾種主流致裂器，現場充裝CO2時，將其藥劑與CO2質量的實際配比與標準質量配比誤差控制在±10%以內，正常情況下能獲得滿意破巖效果。當致裂器內裝的藥劑與CO2的質量配比失調時，出現破巖失敗或失控的現象(見表2)。

表2 致裂器藥劑與CO2質量配比失調的破巖結果

3 致裂管結構原理影響分析

不同類型的致裂管的結構與工作原理不同。重復性使用管是一種由充裝頭、管體、泄能頭組成的組裝管。泄能片和泄氣孔設置在致裂管的底部，破巖工作時致裂管被封閉在炮孔這種閉口系統下，從泄氣孔泄沖出來的高壓氣流，首先作用在炮孔底端巖壁上，進而由巖壁產生一種對致裂管向上的反作用力。

孔外充氣一次性管是由帶有提環與接線極的頂部端頭和帶有充氣控制閥的封底，與適配的無縫鋼管牢固焊接成一體性的腔體結構固定管。激發管由廠家標配，并預置在致裂管腔體內被封焊住，不可更換。

孔內充氣一次性管是一種由頂蓋、管壁及焊接縫、底蓋組成的裝配管，其管壁由輕鋼卷曲有縫對接焊固后再與底蓋焊接，形成薄壁管狀結構的管體。焊接縫是管體薄弱部位，進而為致裂管在管內相變氣體膨脹作用下的破裂起到定位作用，避免了“飛管”與管壁隨機性破裂的結構問題。目前國內主流致裂管的典型結構及其工作原理[2]如圖2所示，國內幾種致裂管的結構尺寸及特性數據采集如表3所示。

表3 國內幾種致裂管的結構尺寸及主要特性

致裂管的結構直接決定了致裂管的工作原理及應用工藝，對CO2相變破巖的功效具有直接影響。

重復性使用管的定壓泄能片可起到穩定破巖工況的作用，有利于破巖，效果也往往能令人滿意。但因存在“飛管”隱患，安全風險較高，需有防“飛管”的工藝措施，加上管的整體笨重，其應用的作業效率往往較低。

孔外充氣一次性管管內相變氣體膨脹致使管體破裂進而對外做功的方向，是由管體最薄弱部位決定的，極具隨機性。實踐中，當致裂管的管體強度均勻時，在相變氣體膨脹作用下，致裂管會沿軸向形成貫穿整管的致裂縫，更有甚者會被脹裂成管皮，其破巖功效也最理想。當致裂管管體強度不均勻，尤其焊接不牢固時，致裂管在相變氣體膨脹作用下一般在頂部開裂，其破巖效果降低，甚至出現頂部端頭被沖出炮孔外的“沖管”現象，而導致破巖失控，帶來安全風險。

孔內充氣一次性管先將其裝入炮孔內封堵好再對其充灌CO2，操作的安全風險大為降低，但灌充管內的CO2實際質量，無法用稱重方式準確計量，僅依靠充裝機上的氣體流量計顯示確定。整體上，致裂管的焊接質量、裝配連接質量、充裝機上氣體流量計的精度等因素，均會對這種致裂器的破巖功效構成直接影響，成為其破巖工況不穩定的重要因素。實踐應用表明，對接口焊接強度過高的致裂管，在管內相變氣體膨脹作用下，不沿此焊縫破裂，破裂部位呈顯隨機性，其破巖的效果也往往低于預期。而對接口焊接強度過低的致裂管，在對其充氣時，管壁便沿此焊縫過早破裂，出現致裂管被氣“脹爆”的早爆現象，導致破巖失敗，并帶來極大安全風險。當致裂管的部件連接不緊密、不牢靠時，充裝CO2致裂管會出現漏氣，甚至在相變氣體膨脹作用下出現頂蓋被沖出炮孔外的“沖管”現象，進而導致破巖失敗，安全失控。當氣體流量計的計量失準，實際灌裝的CO2少于額定量過多時，破巖出現“假做功”的失敗現象。

4 致裂器應用工藝影響分析

不同類型的致裂器，其應用的操作工藝不同。重復性使用管應用時按“拆裝—充氣計量—搬輸—入孔—填塞—鏈鎖錨固—聯線起爆”的流程進行操作。單根管從拆裝充氣到連線破巖起爆，現場統計顯示，平均耗時需10 min以上，作業效率整體較低。而且填塞要求高，用振動棒搗實填塞，密實度不足均會有“飛管”現象出現。

孔外充氣一次性管的應用工藝流程為“充氣計量—搬輸—入孔—填塞—聯線起爆”。現場統計顯示，單根管從充氣到連線破巖起爆，連續作業平均耗時不足7 min。但是，當充氣位置離炮孔較遠時，充氣后由于管內激發管的藥劑已處于高圍壓的反應活化態，此時采用人力搬運這種致裂器，操作存在較大的安全風險。

孔內充氣一次性管應用的工藝流程為“部件裝配—搬運—入孔—填塞—充氣—聯線起爆”。據現場統計，裝配單根此類致裂器，單人作業用時一般需要10 min，加上后續作業時間，連續作業用時平均20 min。此類致裂器組件多，每一部件的質量和裝配環節若出現問題，均會導致致裂器工況異常，最終影響其破巖效果。因此，實際應用中這種致裂器的工況影響因素多，穩定性較差，出現問題后不易處理，在工程實踐中對有問題管的炮孔，常以“廢管”“棄孔”被迫放棄起爆的方式進行處理。

5 結語

大量現場應用及統計分析表明，致裂器對液態CO2相變破巖的功效影響是本質的，能直接決定破巖的成敗，而國內目前的這幾種主流致裂器，還不足以完美滿足液態CO2相變破巖的高效、安全、穩定等綜合功效要求。工程實踐亟待有工況穩定、安全可靠、操作便捷、適用寬泛的致裂器出現。