程小兵,張仲一,何申中,朱立學(xué)

(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(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引言

我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)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(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]。 炸藥在爆炸的瞬間會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、粉塵以及有毒有害氣體,同時(shí)炸藥爆炸會(huì)給周圍介質(zhì)施加非常強(qiáng)的動(dòng)載作用,也會(huì)引發(fā)爆破振動(dòng)以及爆破飛石等有害效應(yīng),在某些人員或建筑物密集的施工場(chǎng)所,爆破施工方法受到限制,同時(shí)在高瓦斯礦井掘進(jìn)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(jīng)濟(jì)高效的非爆破破巖方法,為礦產(chǎn)資源開發(fā)服務(wù)。

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

液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)最早在英國(guó)提出,并得到了成功應(yīng)用,到20 世紀(jì)50 年代,歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)這種物理爆破方法開展了研究[6-7]。液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)在我國(guó)的研究及應(yīng)用晚于歐美國(guó)家,20 世紀(jì)90 年代煤科院郭志興在平頂山七礦進(jìn)行了二氧化碳爆破試驗(yàn),取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果,表明二氧化碳爆破過程不會(huì)產(chǎn)生火花及各種炸藥爆炸有害效應(yīng),安全高效[8]。 徐穎和程玉生等[9-11]從1994 年開始進(jìn)行高壓氣體破煤機(jī)理方面的研究,并研制了高壓氣體爆破模型試驗(yàn)系統(tǒng),相關(guān)研究豐富了高壓氣體破煤理論,對(duì)高壓氣體破煤參數(shù)設(shè)計(jì)及施工有重要的指導(dǎo)意義。 自此之后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)進(jìn)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(shù)

1.1 二氧化碳爆破設(shè)備

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

圖1 液態(tài)二氧化碳充裝設(shè)備

圖2 液態(tài)二氧化碳致裂管及其配件

1.2 二氧化碳爆破技術(shù)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(huán)境下,存在3 種不同的相態(tài),即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài),其臨界溫度為31.1 ℃,臨界點(diǎn)壓力為7.38 MPa,CO2加壓到5.1 個(gè)大氣壓以上會(huì)以液態(tài)存在,此時(shí)其液化點(diǎn)為-56.55 ℃[12]。 除此之外,CO2還存在另一種特殊的相態(tài),當(dāng)壓力高于臨界壓力且溫度高于臨界溫度時(shí),CO2進(jìn)入超臨界狀態(tài),此種狀態(tài)下的CO2是一種特殊的流體,其具備類似氣態(tài)的分子擴(kuò)散性,同時(shí)其密度又接近于液態(tài),正是由于CO2的這種特殊性質(zhì),使其在相變爆破方面得到了成功應(yīng)用。

在施工時(shí),首先通過起爆器點(diǎn)燃激發(fā)管內(nèi)的藥劑,藥劑燃燒產(chǎn)生大量的熱,致裂管內(nèi)的溫度急劇上升,繼而壓力也隨之驟然升高,管內(nèi)二氧化碳進(jìn)入超臨界狀態(tài)。 當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到定壓爆破片的額定壓力時(shí)爆破片會(huì)破裂,之后管內(nèi)二氧化碳泄壓轉(zhuǎn)化為高壓氣體對(duì)外膨脹做功。

2 二氧化碳爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)的研究主要集中在4 個(gè)方面:液態(tài)二氧化碳爆破的理論,液態(tài)二氧化碳爆破的設(shè)備,液態(tài)二氧化碳爆破的數(shù)值分析,液態(tài)二氧化碳爆破的工程應(yīng)用。

2.1 理論研究

在二氧化碳爆破技術(shù)的理論研究方面,周柯平等[13-14]通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定了液態(tài)CO2爆破系統(tǒng)爆破管內(nèi)的壓力,獲得并分析了壓力與時(shí)間關(guān)系曲線,結(jié)合Span Wagner CO2狀態(tài)方程,給出了液態(tài)CO2爆破系統(tǒng)爆炸能量的計(jì)算方法。 王明宇[15]、周其鐸[16]結(jié)合損傷與斷裂力學(xué)分析了液態(tài)二氧化碳相變爆破裂紋擴(kuò)展機(jī)理。 ZHANG 等[17]進(jìn)行了混凝土試件的二氧化碳爆破試驗(yàn)并建立了液態(tài)二氧化碳爆破下巖石破裂的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型,指出液態(tài)CO2爆破裂紋擴(kuò)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(duì)混凝土塊進(jìn)行小尺度約束應(yīng)力下液態(tài)二氧化碳爆破試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)試件的表面應(yīng)變,結(jié)果表明二氧化碳爆破過程中存在動(dòng)態(tài)沖擊和膨脹現(xiàn)象,隨著圍壓應(yīng)力的增大,炮眼的擴(kuò)展和破裂區(qū)減小,但不影響爆炸裂縫的數(shù)量和方向,二氧化碳爆破壓力對(duì)裂縫數(shù)量起決定性作用。 GAO等[19]采用二氧化碳爆破技術(shù)在無初始應(yīng)力場(chǎng)條件下進(jìn)行巖石破裂試驗(yàn),分析了應(yīng)力波和高壓氣體作用下后續(xù)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理,得到了應(yīng)力波作用下裂紋擴(kuò)展半徑的計(jì)算公式。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展,目前對(duì)于二氧化碳爆破理論的普遍觀點(diǎn)是高壓氣體沖擊孔壁形成應(yīng)力波,在孔壁附近形成類似于炸藥爆炸的粉碎區(qū),在孔壁遠(yuǎn)區(qū)形成拉剪破壞下的裂隙區(qū),高壓氣體進(jìn)入巖體裂隙內(nèi)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展,二氧化碳爆破對(duì)巖體的破壞是應(yīng)力波與高壓氣體共同作用的結(jié)果。

2.2 設(shè)備研究

在二氧化碳爆破技術(shù)的設(shè)備研究方面,CHEN等[20]研制了一種新型的液態(tài)二氧化碳爆破沖擊波壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了爆破沖擊波壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 XIA 等[21]探究了液態(tài)二氧化碳充裝量、化學(xué)激發(fā)藥劑質(zhì)量以及定壓剪切片厚度這3 個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)二氧化碳爆破過程的影響規(guī)律,結(jié)果可為二氧化碳致裂管的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 梅比等[22]對(duì)致裂管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),經(jīng)過“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—改進(jìn)”的反復(fù)研究,成功地研究出一種新型致裂管和孔內(nèi)充氣工藝并開發(fā)了二氧化碳爆破末端管控信息系統(tǒng)。 陳晨等[22]利用在一定強(qiáng)度的儲(chǔ)液管中采用加壓的方式研制了一種新式的開采設(shè)備——二氧化碳致裂器。 夏杰勤等[23]優(yōu)化了致裂器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體參數(shù),完善了外部結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng),研發(fā)了一種可用于干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造的新型二氧化碳致裂器,為干熱巖型地?zé)醿?chǔ)層建造提供了有效的技術(shù)手段。 FAN 等[24]利用自行搭建的液態(tài)CO2爆破模型試驗(yàn)系統(tǒng)在密閉容器中進(jìn)行爆破試驗(yàn)并對(duì)爆炸壓力進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明加熱速率與剪切片強(qiáng)度能夠明顯影響釋放壓力,釋放壓力在初始距離內(nèi)保持不變,然后呈指數(shù)遞減。

目前在二氧化碳爆破設(shè)備的研究上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多致力于改進(jìn)致裂器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化泄能口位置和形狀結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)定壓爆破片厚度和強(qiáng)度等,相關(guān)研究促進(jìn)了二氧化碳爆破設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)。

2.3 數(shù)值分析

在二氧化碳爆破的數(shù)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(qū)形成和裂紋區(qū)產(chǎn)生與擴(kuò)展的判據(jù)。 WANG 等[26]利用LS-DYNA 軟件和RHT 材料模型對(duì)二氧化碳爆破引起的巖石破裂過程進(jìn)行了模擬并估算出二氧化碳爆破壓力的上升時(shí)間范圍及相應(yīng)峰值壓力范圍,探討了爆破中加載速率、地應(yīng)力和自由面等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)裂縫形態(tài)的影響規(guī)律。 郭云龍等[27]利用有限元軟件,分別采用乳化炸藥當(dāng)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(yīng)力分布、應(yīng)力波傳播規(guī)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(cè)得超臨界CO2氣爆壓力的時(shí)程曲線,得到表達(dá)該曲線的JWL 狀態(tài)方程參數(shù),并對(duì)不同初始應(yīng)力條件下CO2膨脹爆破巖體裂隙發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。 SUN 等[29]利用PFC 軟件建立了不同力學(xué)特性軟巖的數(shù)值模型,研究在不同壓力、時(shí)間條件下,爆破孔周圍巖體的膨脹情況,結(jié)合裂隙數(shù)目、長(zhǎng)度等參數(shù)分析了高壓氣體破巖機(jī)理。 張嘉凡等[30]基于LS-DYNA3D 平臺(tái)的數(shù)值模擬方法真實(shí)再現(xiàn)CO2爆破中裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通直至形成裂隙區(qū)的全過程,較好地模擬了巖體的碎裂特征。

目前,學(xué)者們運(yùn)用不同的數(shù)值軟件并結(jié)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(guān)研究成果在設(shè)備研發(fā)、理論研究以及工程應(yīng)用等方面具有重要的參考價(jià)值。

2.4 工程應(yīng)用

范迎春等[31]在復(fù)雜地質(zhì)條件下開展深孔二氧化碳爆破試驗(yàn),通過設(shè)置合理的爆孔參數(shù),煤層增透和煤層氣增產(chǎn)效果理想。 蔣志剛等[32]通過低溫液態(tài)二氧化碳相變過程中,在煤巖體中形成一個(gè)低應(yīng)力、高滲透性的卸壓區(qū)域, 實(shí)現(xiàn)了低透氣性煤層的瓦斯強(qiáng)化抽采。 雷云等[33]采用恒定出口壓力的CO2爆破致裂器進(jìn)行煤層增透試驗(yàn),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(yàn)獲得了二氧化碳?xì)怏w射流方向和垂直射流方向的振動(dòng)曲線,通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(dòng)差異。 CHENG 等[35]和XIN[36]確定了現(xiàn)場(chǎng)施工最優(yōu)的孔網(wǎng)參數(shù),發(fā)現(xiàn)鉆孔周圍巖體可分為破碎區(qū)、裂隙區(qū)和振動(dòng)區(qū)并分別測(cè)量了三區(qū)的半徑,現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)可為二氧化碳爆破設(shè)計(jì)提供參考。 夏祥等[37]分別開展二氧化碳和炸藥爆破試驗(yàn),并進(jìn)行振動(dòng)速度測(cè)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(dòng)特征的差異,通過定義二者振動(dòng)速度峰值的比值對(duì)CO2致裂技術(shù)的減振作用進(jìn)行量化分析,為巖體開挖方案的優(yōu)化和CO2致裂技術(shù)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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

3 二氧化碳爆破能量

無論是在二氧化碳爆破技術(shù)的理論研究還是在其工程應(yīng)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(jù)前文所述的二氧化碳爆破原理,爆破過程的能量其實(shí)是由二氧化碳相變所產(chǎn)生的,二氧化碳爆破其實(shí)是屬于物理爆炸。 董慶祥等[38]詳細(xì)分析了液態(tài)二氧化碳相變過程中致裂管內(nèi)二氧化碳的相態(tài)和壓力變化過程,指出應(yīng)采用壓縮氣體與水蒸氣容器爆破模型計(jì)算方法計(jì)算爆破能量,計(jì)算公式如下:

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

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

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

結(jié)合Span Wagner 狀態(tài)方程[13]、二氧化碳爆破壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及式(3)可以準(zhǔn)確地計(jì)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(dāng)量來表征。

式中:WTNT為TNT 當(dāng)量;QTNT為1 kg TNT 爆炸能量,取4 250 kJ/kg。

4 研究展望

學(xué)者們對(duì)二氧化碳爆破技術(shù)做了大量的研究,取得了許多可喜的成果,但該項(xiàng)技術(shù)仍需進(jìn)一步深入研究。

1) 二氧化碳爆破機(jī)理分析

對(duì)于二氧化碳爆破機(jī)理的研究大多是借鑒了傳統(tǒng)炸藥爆破的理論,有一些結(jié)論認(rèn)為二氧化碳爆破是應(yīng)力波與高壓氣體共同對(duì)外作用的,但根據(jù)筆者的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),二氧化碳爆破效果更傾向于單純的高壓氣體膨脹準(zhǔn)靜載作用,現(xiàn)場(chǎng)炮孔壁也沒有形成壓碎區(qū)與環(huán)向的拉伸裂隙區(qū),關(guān)于二氧化碳爆破的作用機(jī)理尚需深入研究。 此外,大多數(shù)研究多假定高壓氣體均勻?qū)ν馀蛎?而實(shí)際上泄能孔附近應(yīng)該有高壓氣體的集中,巖體的破碎程度應(yīng)該更大,對(duì)于實(shí)際工程中巖體的損傷與破碎機(jī)理也需進(jìn)一步研究。

2)二氧化碳爆破設(shè)備研發(fā)優(yōu)化

二氧化碳爆破設(shè)備中最重要的3 個(gè)部分分別為激發(fā)管、定壓爆破片以及泄能口。 對(duì)于激發(fā)管而言,其原理是通過管內(nèi)藥劑的燃燒向外傳遞熱量引發(fā)液態(tài)二氧化碳相變,在目前的整套二氧化碳爆破設(shè)備中,其危險(xiǎn)性是最高的。 如何保證其本質(zhì)安全性,如何完善相關(guān)生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)姆煞ㄒ?guī)是一個(gè)重要的問題。 激發(fā)管內(nèi)藥劑向外傳遞熱量的快慢和大小會(huì)對(duì)二氧化碳的相變過程產(chǎn)生怎樣的影響尚需進(jìn)一步研究。 對(duì)于定壓爆破片而言,其主要參數(shù)就是其破裂強(qiáng)度,強(qiáng)度大,瞬時(shí)泄爆能量就大,但并非爆破片強(qiáng)度越大越好,在節(jié)理裂隙較發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境,爆破片強(qiáng)度過大會(huì)產(chǎn)生飛石甚至造成“飛管”,而爆破片強(qiáng)度太小,則破巖效果不佳,因此,通過試驗(yàn)研究確定合適的爆破片強(qiáng)度至關(guān)重要。 對(duì)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(shè)計(jì)成切縫型或者將圓形口孔壁設(shè)計(jì)成螺紋狀,利用聚能原理達(dá)到最佳的破巖效果。

3)二氧化碳爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

在人員或建筑物密集區(qū)域施工或者當(dāng)購(gòu)買炸藥無法審批時(shí),二氧化碳爆破就是一個(gè)很好的選擇。 目前,二氧化碳爆破施工主要依靠經(jīng)驗(yàn),相關(guān)的施工技術(shù)規(guī)程尚未形成,二氧化碳爆破的優(yōu)勢(shì)還無法發(fā)揮到最大。 因此,形成具體、可行的二氧化碳爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范顯得尤為重要。

5 結(jié)語

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