液態二氧化碳相變爆破技術的研究現狀與展望

程小兵,張仲一,何申中,朱立學

(1. 安徽樅陽海螺水泥股份有限公司,安徽 銅陵 244000;2.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

我國對礦產資源的需求從未停歇,目前最常用的破巖方法是使用炸藥爆破,此方法具有成本低、工藝簡單等特點[1]。 炸藥在爆炸的瞬間會產生高溫、高壓、粉塵以及有毒有害氣體,同時炸藥爆炸會給周圍介質施加非常強的動載作用,也會引發爆破振動以及爆破飛石等有害效應,在某些人員或建筑物密集的施工場所,爆破施工方法受到限制,同時在高瓦斯礦井掘進以及煤層增透中,鉆爆法施工也存在一定的安全隱患[2]。 因此,亟須探尋一種經濟高效的非爆破破巖方法,為礦產資源開發服務。

目前,非爆破破巖方法主要有機械法、靜態破碎劑破巖以及二氧化碳破巖法。 對于機械破巖方法,其成本較高且只適用于軟巖破碎,對于硬巖不適用[3];對于靜態破碎劑破巖,其對于硬巖不適用,且其水化反應速度受溫度影響較大、膨脹速度慢、破巖效率低[4-5];對于二氧化碳破巖方法,其反應速度快,破巖效率高,是一種安全高效的破巖方法。

液態二氧化碳爆破技術最早在英國提出,并得到了成功應用,到20 世紀50 年代,歐美的一些發達國家也對這種物理爆破方法開展了研究[6-7]。液態二氧化碳爆破技術在我國的研究及應用晚于歐美國家,20 世紀90 年代煤科院郭志興在平頂山七礦進行了二氧化碳爆破試驗,取得了較好的試驗結果,表明二氧化碳爆破過程不會產生火花及各種炸藥爆炸有害效應,安全高效[8]。 徐穎和程玉生等[9-11]從1994 年開始進行高壓氣體破煤機理方面的研究,并研制了高壓氣體爆破模型試驗系統,相關研究豐富了高壓氣體破煤理論,對高壓氣體破煤參數設計及施工有重要的指導意義。 自此之后,國內外學者對液態二氧化碳爆破技術進行了諸多研究,取得了許多可喜的成果。

1 二氧化碳爆破技術

1.1 二氧化碳爆破設備

CO2相變爆破技術需配合機械設備,整套設備包括:CO2儲液罐、液態CO2充裝設備以及CO2致裂管,其中,CO2致裂管內包含充裝頭、儲液管、激發管、卸能頭、密封圈、爆破片、提升頭。 在施工前,首先將儲液罐內的液態二氧化碳通過充裝設備充入致裂管內,然后通過吊裝機械設備將致裂管放入炮孔中,引出起爆線,等待激發,二氧化碳爆破設備如圖1、圖2 所示。

圖1 液態二氧化碳充裝設備

圖2 液態二氧化碳致裂管及其配件

1.2 二氧化碳爆破技術原理

CO2在常溫下是一種無色無味、不助燃、不可燃的氣體,在不同的環境下,存在3 種不同的相態,即氣態、液態和固態,其臨界溫度為31.1 ℃,臨界點壓力為7.38 MPa,CO2加壓到5.1 個大氣壓以上會以液態存在,此時其液化點為-56.55 ℃[12]。 除此之外,CO2還存在另一種特殊的相態,當壓力高于臨界壓力且溫度高于臨界溫度時,CO2進入超臨界狀態,此種狀態下的CO2是一種特殊的流體,其具備類似氣態的分子擴散性,同時其密度又接近于液態,正是由于CO2的這種特殊性質,使其在相變爆破方面得到了成功應用。

在施工時,首先通過起爆器點燃激發管內的藥劑,藥劑燃燒產生大量的熱,致裂管內的溫度急劇上升,繼而壓力也隨之驟然升高,管內二氧化碳進入超臨界狀態。 當管內壓力達到定壓爆破片的額定壓力時爆破片會破裂,之后管內二氧化碳泄壓轉化為高壓氣體對外膨脹做功。

2 二氧化碳爆破技術研究現狀

國內外學者對液態二氧化碳爆破技術的研究主要集中在4 個方面:液態二氧化碳爆破的理論,液態二氧化碳爆破的設備,液態二氧化碳爆破的數值分析,液態二氧化碳爆破的工程應用。

2.1 理論研究

在二氧化碳爆破技術的理論研究方面,周柯平等[13-14]通過室內試驗測定了液態CO2爆破系統爆破管內的壓力,獲得并分析了壓力與時間關系曲線,結合Span Wagner CO2狀態方程,給出了液態CO2爆破系統爆炸能量的計算方法。 王明宇[15]、周其鐸[16]結合損傷與斷裂力學分析了液態二氧化碳相變爆破裂紋擴展機理。 ZHANG 等[17]進行了混凝土試件的二氧化碳爆破試驗并建立了液態二氧化碳爆破下巖石破裂的動力學數值模型,指出液態CO2爆破裂紋擴展方向與二氧化碳釋放方向垂直,裂紋主要分布在相鄰炮孔的中部。

SHANG 等[18]對混凝土塊進行小尺度約束應力下液態二氧化碳爆破試驗并監測試件的表面應變,結果表明二氧化碳爆破過程中存在動態沖擊和膨脹現象,隨著圍壓應力的增大,炮眼的擴展和破裂區減小,但不影響爆炸裂縫的數量和方向,二氧化碳爆破壓力對裂縫數量起決定性作用。 GAO等[19]采用二氧化碳爆破技術在無初始應力場條件下進行巖石破裂試驗,分析了應力波和高壓氣體作用下后續裂紋的產生和擴展機理,得到了應力波作用下裂紋擴展半徑的計算公式。

結合國內外學者的研究進展,目前對于二氧化碳爆破理論的普遍觀點是高壓氣體沖擊孔壁形成應力波,在孔壁附近形成類似于炸藥爆炸的粉碎區,在孔壁遠區形成拉剪破壞下的裂隙區,高壓氣體進入巖體裂隙內進一步驅動裂紋擴展,二氧化碳爆破對巖體的破壞是應力波與高壓氣體共同作用的結果。

2.2 設備研究

在二氧化碳爆破技術的設備研究方面,CHEN等[20]研制了一種新型的液態二氧化碳爆破沖擊波壓力監測試驗裝置,實現了爆破沖擊波壓力的實時監測。 XIA 等[21]探究了液態二氧化碳充裝量、化學激發藥劑質量以及定壓剪切片厚度這3 個關鍵因素對二氧化碳爆破過程的影響規律,結果可為二氧化碳致裂管的設計提供依據。 梅比等[22]對致裂管結構進行優化設計并結合現場實驗,經過“設計—試驗—改進”的反復研究,成功地研究出一種新型致裂管和孔內充氣工藝并開發了二氧化碳爆破末端管控信息系統。 陳晨等[22]利用在一定強度的儲液管中采用加壓的方式研制了一種新式的開采設備——二氧化碳致裂器。 夏杰勤等[23]優化了致裂器內部結構的具體參數,完善了外部結構和整體系統,研發了一種可用于干熱巖型地熱儲層建造的新型二氧化碳致裂器,為干熱巖型地熱儲層建造提供了有效的技術手段。 FAN 等[24]利用自行搭建的液態CO2爆破模型試驗系統在密閉容器中進行爆破試驗并對爆炸壓力進行了測試,結果表明加熱速率與剪切片強度能夠明顯影響釋放壓力,釋放壓力在初始距離內保持不變,然后呈指數遞減。

目前在二氧化碳爆破設備的研究上,國內外學者多致力于改進致裂器結構、優化泄能口位置和形狀結構以及調節定壓爆破片厚度和強度等,相關研究促進了二氧化碳爆破設備的研發與改進。

2.3 數值分析

在二氧化碳爆破的數值分析方面,YANG等[25]基于SPH 光滑粒子流算法建立了煤體瓦斯爆破模型,得到了破碎區形成和裂紋區產生與擴展的判據。 WANG 等[26]利用LS-DYNA 軟件和RHT 材料模型對二氧化碳爆破引起的巖石破裂過程進行了模擬并估算出二氧化碳爆破壓力的上升時間范圍及相應峰值壓力范圍,探討了爆破中加載速率、地應力和自由面等關鍵參數對裂縫形態的影響規律。 郭云龍等[27]利用有限元軟件,分別采用乳化炸藥當量和施加等效荷載曲線兩種方式,模擬分析了爆破過程中應力分布、應力波傳播規律以及巖體損傷情況,并比較分析了兩種方式的差異。 孫可明等[28]利用壓力傳感器測得超臨界CO2氣爆壓力的時程曲線,得到表達該曲線的JWL 狀態方程參數,并對不同初始應力條件下CO2膨脹爆破巖體裂隙發展規律進行了模擬研究。 SUN 等[29]利用PFC 軟件建立了不同力學特性軟巖的數值模型,研究在不同壓力、時間條件下,爆破孔周圍巖體的膨脹情況,結合裂隙數目、長度等參數分析了高壓氣體破巖機理。 張嘉凡等[30]基于LS-DYNA3D 平臺的數值模擬方法真實再現CO2爆破中裂紋萌生、擴展、貫通直至形成裂隙區的全過程,較好地模擬了巖體的碎裂特征。

目前,學者們運用不同的數值軟件并結合各種算法可以較好地模擬二氧化碳爆破過程及巖體的破壞特征,相關研究成果在設備研發、理論研究以及工程應用等方面具有重要的參考價值。

2.4 工程應用

范迎春等[31]在復雜地質條件下開展深孔二氧化碳爆破試驗,通過設置合理的爆孔參數,煤層增透和煤層氣增產效果理想。 蔣志剛等[32]通過低溫液態二氧化碳相變過程中,在煤巖體中形成一個低應力、高滲透性的卸壓區域, 實現了低透氣性煤層的瓦斯強化抽采。 雷云等[33]采用恒定出口壓力的CO2爆破致裂器進行煤層增透試驗,爆破后單孔瓦斯抽采純量和瓦斯抽采濃度均大幅提高。 ZHOU等[34]通過單孔試驗獲得了二氧化碳氣體射流方向和垂直射流方向的振動曲線,通過對振動信號進行時頻特性和能量分布分析,探討不同距離不同方向上的地面振動差異。 CHENG 等[35]和XIN[36]確定了現場施工最優的孔網參數,發現鉆孔周圍巖體可分為破碎區、裂隙區和振動區并分別測量了三區的半徑,現場爆破參數可為二氧化碳爆破設計提供參考。 夏祥等[37]分別開展二氧化碳和炸藥爆破試驗,并進行振動速度測試分析,比較了CO2致裂和炸藥爆破2 種方式引起的巖土體振動特征的差異,通過定義二者振動速度峰值的比值對CO2致裂技術的減振作用進行量化分析,為巖體開挖方案的優化和CO2致裂技術的參數設計提供了指導。

目前,二氧化碳爆破技術已大量應用在露天礦山開采、煤層開挖、瓦斯抽采等方面,其本質安全性高,具有非常大的發展和應用前景。

3 二氧化碳爆破能量

無論是在二氧化碳爆破技術的理論研究還是在其工程應用中,量化二氧化碳爆破過程中釋放的能量都非常重要。 根據前文所述的二氧化碳爆破原理,爆破過程的能量其實是由二氧化碳相變所產生的,二氧化碳爆破其實是屬于物理爆炸。 董慶祥等[38]詳細分析了液態二氧化碳相變過程中致裂管內二氧化碳的相態和壓力變化過程,指出應采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破模型計算方法計算爆破能量,計算公式如下:

式中:E為爆炸總能量,kJ;P為致裂器內氣體的絕對壓力,MPa;V為容器的容積,m3;k為二氧化碳的絕熱指數,取1.295。

對于二氧化碳爆破,其能量輸出主要是通過高壓氣體對外膨脹做功,理論上爆炸能量為∫21PdV,其中,V為物質膨脹的體積,P為對應的壓力。 因此,計算膨脹功需知爆炸過程中的P-V關系曲線。由于理想氣體狀態方程不太適用于致裂管中的CO2,而Span Wagner 狀態方程可以較好地表征致裂管中CO2的狀態變化[13],因此,二氧化碳爆破能量熱力學計算常采用Span Wagner 狀態方程,Span Wagner 狀態方程是以亥姆霍茲自由能為基礎的基本方程,而亥姆霍茲自由能常用A[39]來表達。

式中:u為系統的內能;T為溫度;s為系統的熵。由于系統亥姆霍茲自由能的增加反映了能量的蓄積和系統爆炸能量的大小[39],因此,二氧化碳爆炸能量為

結合Span Wagner 狀態方程[13]、二氧化碳爆破壓力試驗數據以及式(3)可以準確地計算出二氧化碳爆破能量。 為了更加直觀地衡量爆破能量,還可以將其用TNT 當量來表征。

式中:WTNT為TNT 當量;QTNT為1 kg TNT 爆炸能量,取4 250 kJ/kg。

4 研究展望

學者們對二氧化碳爆破技術做了大量的研究,取得了許多可喜的成果,但該項技術仍需進一步深入研究。

1) 二氧化碳爆破機理分析

對于二氧化碳爆破機理的研究大多是借鑒了傳統炸藥爆破的理論,有一些結論認為二氧化碳爆破是應力波與高壓氣體共同對外作用的,但根據筆者的現場施工經驗,二氧化碳爆破效果更傾向于單純的高壓氣體膨脹準靜載作用,現場炮孔壁也沒有形成壓碎區與環向的拉伸裂隙區,關于二氧化碳爆破的作用機理尚需深入研究。 此外,大多數研究多假定高壓氣體均勻對外膨脹,而實際上泄能孔附近應該有高壓氣體的集中,巖體的破碎程度應該更大,對于實際工程中巖體的損傷與破碎機理也需進一步研究。

2)二氧化碳爆破設備研發優化

二氧化碳爆破設備中最重要的3 個部分分別為激發管、定壓爆破片以及泄能口。 對于激發管而言,其原理是通過管內藥劑的燃燒向外傳遞熱量引發液態二氧化碳相變,在目前的整套二氧化碳爆破設備中,其危險性是最高的。 如何保證其本質安全性,如何完善相關生產和運輸的法律法規是一個重要的問題。 激發管內藥劑向外傳遞熱量的快慢和大小會對二氧化碳的相變過程產生怎樣的影響尚需進一步研究。 對于定壓爆破片而言,其主要參數就是其破裂強度,強度大,瞬時泄爆能量就大,但并非爆破片強度越大越好,在節理裂隙較發育的地質環境,爆破片強度過大會產生飛石甚至造成“飛管”,而爆破片強度太小,則破巖效果不佳,因此,通過試驗研究確定合適的爆破片強度至關重要。 對于泄能口而言,初始的泄能口均為圓形孔,可嘗試將泄能口設計成切縫型或者將圓形口孔壁設計成螺紋狀,利用聚能原理達到最佳的破巖效果。

3)二氧化碳爆破孔網參數設計

在人員或建筑物密集區域施工或者當購買炸藥無法審批時,二氧化碳爆破就是一個很好的選擇。 目前,二氧化碳爆破施工主要依靠經驗,相關的施工技術規程尚未形成,二氧化碳爆破的優勢還無法發揮到最大。 因此,形成具體、可行的二氧化碳爆破孔網參數設計規范顯得尤為重要。

5 結語

液態二氧化碳相變爆破技術安全、高效、污染小,爆破后引發的爆破振動、飛石、噪聲等危害較炸藥爆破大幅降低,解決了某些特殊環境下炸藥爆破受限的難題,是一種具有良好發展前景的非爆破破巖方法。