CO2液-氣相變膨脹破巖技術

夏 軍，李必紅，陳丁丁

(國防科學技術大學指揮軍官基礎教育學院，湖南長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術

夏 軍，李必紅，陳丁丁

(國防科學技術大學指揮軍官基礎教育學院，湖南長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術具有鮮明的特點，受到采礦及爆破領域的青睞。當前，該技術的應用已由煤礦拓展至露天非煤礦山。主要介紹了CO2液-氣相變膨脹破巖技術歷史沿革、破巖裝置、破巖機理、破巖能力等，以供參考。

CO2；液-氣相變；膨脹破巖；破巖裝置

0 引 言

美國的AIRDOX公司最早于1938年開始研究高壓氣體爆破，到1950～1960年代，世界上 一些采礦比較發達的國家如英、法、美、俄、波蘭、挪威等已將高壓氣體爆破采煤設備用于采煤工作面。英國CARDOX公司開發研制了液態CO2相變致裂裝置，稱為Cardox管，早期主要作為一種采煤器應用于高瓦斯礦井的采煤工作面，代替炸藥，提高塊煤率，且不會引起瓦斯爆炸。隨著大規模綜采設備的問世，采煤效率極大的提高，Cardox管在采煤工作面的使用逐漸被取代。1990年代，我國開始引進該項技術，如1992年3月28日～3月29日在平頂山礦務局七礦地面針對模擬煤體進行了爆破筒試驗，爆破效果良好。進入21世紀，國內CO2爆破器材生產商逐步涌現，應用范圍進一步拓寬，從地下礦山開采拓展到露天礦山開采，從煤礦領域跨越到非煤礦山，出現了很多非煤礦山運用的成功范例。2014年以來，將CO2液-氣相變膨脹設備應用于露天巖石開采的網絡報道日漸增多，內容涉及產品作用原理、結構組成、操作使用、作業流程及應用案例等，尤以成功案例演示居多，未見有技術參數及性能指標的系列研究報道。2016年3月22日，中國工程爆破行業協會在北京舉辦了“非炸藥爆破技術座談會”，受邀公司就“CO2液-氣相變膨脹破巖技術”進行了匯報與交流，汪旭光院士作了座談會總結并就該技術的深入研究和推廣應用發表了重要講話。

1 CO2液-氣相變膨脹破巖概念

物質系統中物理、化學性質完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。物質從一種相轉變為另一種相的過程稱為相變。液態CO2在外部激發能量作用下會由液態轉變為氣態，發生液-氣相變，體積發生膨脹。通過控制激發能量的大小及液-氣相變的時機，可使CO2氣體介質瞬間膨脹，產生機械能對外做功，將該機械能用于破裂、破碎巖石，實現CO2液-氣相變膨脹破巖。研究CO2液-氣相變膨脹破巖過程、機理、特點等，可以更好地利用CO2液-氣相變膨脹做功特性。CO2液-氣相變膨脹破巖裝置既是研究形成的技術產品，也是進行深入研究的技術手段，技術與裝置相輔相成，相互促進與發展。

2 CO2液-氣相變膨脹破巖裝置

如諸多文獻所述，該類利用CO2液-氣相變膨脹作功的裝置稱作二氧化碳爆破筒、二氧化碳爆破裝置、二氧化碳致裂器、二氧化碳開采器等，下文稱CO2液-氣相變膨脹破巖裝置。

如圖1所示，CO2液-氣相變膨脹破巖裝置主要由主管體、充裝頭、泄能頭、定壓破裂片、激發器、錐形底頭及密封墊片等組成。其中，主管體用于盛裝液態CO2并提供形成高壓狀態的腔體；充裝頭設置有用于充裝CO2的充裝孔及用于密閉充裝孔的進氣口閥門頂針；泄能頭沿徑向設置有數個出氣口用于泄出高壓氣體(煤礦用泄能頭較長，出氣口較多；露天礦用泄能頭較短，出氣口常設置成對稱的2個、4個等)；定壓破裂片設置于泄能頭的主管體內，初期起到密封作用，后期視管體內壓力情況即時破裂；激發器主要成分為化工藥劑，可用電引火頭通過電能激發，用于加熱主管體內液態CO2；錐形底頭設置在最下方/最里端破巖裝置的泄能端，以便破巖裝置順利置于鉆設的膨脹孔中；密封墊片用于裝置密封，防

止漏氣。

破巖裝置配套有充裝設備及作業用附件，充裝設備主要有二氧化碳儲存罐、制冷壓力泵及顯示屏、液壓旋緊機、計量充裝臺(架)及組裝臺(架)等；作業用附件主要有礦用歐姆表、礦用起爆器、連接桿、裝填管卡具及旋緊扳手等。

圖1 破巖裝置結構示意

3 CO2液-氣相變膨脹破巖機理

3.1 作用機理

CO2在大氣中為無色、略帶刺激性和酸性味的無毒氣體，不能助燃，其密度為空氣的1.53倍。在20℃、5.6×106Pa環境下CO2呈液體，液態CO2轉變為氣態，體積膨脹約為初始狀態的600倍。將液態CO2密閉于高強度容器，通過熱能快速激發使其發生液-氣相變，在密閉容器形成高能量狀態，壓強可達300 MPa，高能量狀態CO2突破定壓(抗壓強度常設定在數十至300 MPa)破裂片的封堵，瞬間釋放產生爆炸效應，對周圍介質沖擊、壓縮及膨脹做功。

3.2 管體內CO2狀態變化

CO2液-氣相變膨脹破巖裝置主管體內通過制冷壓力泵充裝CO2，充裝壓力常設定約10 MPa，溫度不高于常溫，管體內CO2主要呈液態、伴有小量氣態；充裝完畢的破巖裝置將與周圍環境發生熱交換，如靜置在露天作業環境下，其主管體溫度較充裝初期有一定的增加，壓力可達數十兆帕，管體內CO2主要呈密相液態；激發器激發后，瞬間放出大量的熱，主管體內溫度尤其是壓力快速升高，由于CO2的臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.382 MPa，CO2快速由液態轉變為超臨界態。超臨界態的CO2呈氣態狀，并不會液化，密度接近于液體，是氣體的幾百倍；黏度接近于氣體，比液體小兩個數量級；擴散系數介于氣體和液體之間，約為氣體的1/100，比液體大幾百倍，具有較大的溶解能力。

3.3 CO2膨脹破巖過程

當主管體內高能量狀態CO2突破泄能頭定壓破裂片的封堵作用，超臨界狀態CO2瞬間發生液-氣相變，形成高壓氣體從泄能頭側面出氣口泄出。初期，高壓氣體沖擊、壓縮周圍巖石介質，引起近區巖石的壓縮變形、徑向位移，形成切向拉應力，產生徑向裂隙；隨后，壓縮變形、徑向位移過程中積蓄的彈性變形能開始釋放，形成朝向泄能中心的徑向拉應力，在已形成的徑向裂隙間產生環狀裂縫；期間，CO2氣體滲入巖石介質原有裂隙或高壓氣體沖擊、壓縮形成的裂隙，發揮氣楔作用，使裂隙進一步擴展、相互貫通，實現巖石的松動、破裂、破碎或局部拋擲；隨著高壓氣體不斷擴張，膨脹區容腔內壓力整體下降，直至常壓。

4 CO2液-氣相變膨脹破巖能力

CO2液-氣相變膨脹破巖能力與破巖裝置內CO2的儲量及相態、激發器釋放熱量、定壓破裂片的選用、泄能端頭出氣口的數量及形狀等因素有關。已有研究表明，CO2液-氣相變膨脹后，壓力峰值在數百兆帕量級，壓力上升相對于炸藥爆破較為緩慢且其高壓持續時間較長，相對于水力壓裂，其壓力卻更大。表1為某型號裝置試驗的技術參數對比，圖2為幾種技術的升壓曲線對比示意。

表1 技術參數對比表

常見巖石的抗壓強度為數十兆帕至數百兆帕，抗拉強度為數兆帕至數十兆帕。CO2液-氣相變膨脹形成的壓力峰值可高于巖石抗壓強度一個數量級、可高于巖石抗拉強度二個數量級。依據CO2液-氣相變膨脹破巖機理，可以得到：

(1)CO2液-氣相變膨脹產生的壓應力及拉應力強度可滿足所有常見巖石破巖的要求；

圖2 三種技術的升壓曲線對比示意

(2)應關注自由面、最小抵抗線、孔距、孔徑等“炮孔參數”，充分利用高壓氣體對巖石的拉應力破壞效應；

(3)從能量匹配角度來看，CO2液-氣相變膨脹做功適合用于破巖作業，其能量利用率高，爆破振動、爆破飛石、爆破噪音等危害小甚至可忽略不計，且不產生爆破高溫、爆破毒氣；

(4)與炸藥瞬間化學爆炸相比，CO2液-氣相變對與其臨近巖石的破碎能力要弱，表現為對巖石的破碎程度、破碎范圍要小。對于巖石抗壓能力強、巖層完整性好、自由面少的情形，CO2液-氣相變膨脹破巖效果要弱于炸藥破巖。

5 結 語

CO2液-氣相變膨脹破巖技術無需炸藥、雷管，可作為傳統炸藥爆破破巖技術的重要補充；其相變產物溫度低、無火花、無毒害氣體等，可拓展破巖技術應用領域，尤其對地下煤礦開采、有瓦斯爆炸危險礦區具有獨特優勢；其膨脹破巖能力可高于巖石抗壓強度一個數量級，在達到破巖目的的同時不產生爆破振動、爆破飛石及爆破噪聲等危害；從能量利用率來看，可避免炸藥爆破破巖在爆破壓碎區存在的能量損耗及爆破過程中高溫造成的能量損耗等。

當前，關于CO2液-氣相變膨脹破巖技術的研究與應用都還不夠系統與深入；技術普及教育還較滯后，部分技術推廣人員對該技術特點認識不全面，盲目夸大甚至錯誤的宣講偶有發生；市場上的產品質量良莠不齊，技術應用案例演示次數多、總結分析少，這些都對CO2液-氣相變膨脹破巖技術的應用與推廣造成不良影響。期盼CO2液-氣相變膨脹破巖技術研究單位及團體能夠加強交流與溝通，技術應用單位及個人能夠客觀地對待這項技術，共同致力于該技術的不斷完善與發展。

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2016-09-25)

夏 軍(1979-)，男，安徽廬江人，副教授，博士，主要從事彈藥工程與爆炸技術、反恐技術研究，Email：68475460＠qq.com。