CO2液-氣相變膨脹破巖機理及其安全效應測試研究

李必紅，夏 軍，陳丁丁

(國防科技大學， 湖南 長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖機理及其安全效應測試研究

李必紅，夏 軍，陳丁丁

(國防科技大學， 湖南 長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術從20世紀90年代引入中國，近幾年得到飛速發展，尤其在露天礦山破碎巖石方面開展了大量的試驗研究，但對該技術的破巖機理及其安全效應的研究尚不多見。針對上述不足，首先建立應力波傳播模型對CO2氣相變膨脹激起的巖石應力波及其傳播開展研究，其次與現行爆破破巖的作用進行對比，最后設計并開展了安全效應現場測試試驗。研究工作將為該技術的應用提供強有力的理論和試驗支持，同時也為開展后續研究提供了新的思路和分析方法。

CO2；液氣相變；破巖機理；安全效應；現場測試

0 引 言

CO2液-氣相變膨脹破巖技術是國內近幾年新興的非炸藥破巖技術，具有安全、環保、經濟、高效的特點，正被越來越多地作為爆破技術應用的有效補充。該技術的核心是通過壓縮灌裝機將液態CO2壓縮后灌裝入一特制膨脹管內(見圖1)，通過激活器快速放熱，在極短時間內將CO2從液態轉變成氣態，形成高壓CO2氣團(類似于高壓爆轟氣體產物)，當氣團壓力超過破裂片壓力閥值時，高壓CO2氣體就從噴氣頭往外噴射。

圖1 單節CO2膨脹管結構示意圖

在CO2液-氣相變膨脹破巖工程應用中，根據需要將一到多節CO2膨脹管串聯裝入事先鉆好的膨脹孔(即炮孔)內，將一次作業的多個膨脹孔的膨脹管聯成網路，通過專用激發系統將激活器激活，實現CO2液氣相變產生高壓CO2氣團，該氣團通過噴氣頭往膨脹孔內噴射并在孔壁上激起應力波，在該應力波和CO2氣體的共同作用下破碎巖石。由于CO2氣團的初始壓力遠小于炸藥爆破爆轟壓力，因此其產生的振動波、沖擊波及飛散物等危害效應遠小于常規的炸藥爆破作業。

1 CO2膨脹破巖作用機理

CO2是空氣中常見的化合物，常溫下是一種無色、無味、無毒和不助燃的氣體。CO2能以固、液、氣3相存在(見圖2)。 液態CO2是無色、無味透明液體，在20℃時，將CO2加壓到5.6 MPa(密度為0.770 kg/m3)即可變成無色液體，通常壓縮儲存于鋼瓶中。液態CO2在受到高溫激發后，在極短的時間內從液態到氣態呈現600～1000倍的體積驟增(相當于1個標準大氣壓下的體積)，該技術正是利用這一瞬間相變產生大量氣體的特點。

圖2 CO2三相狀態

1.1 巖石應力波的形成

1.1.1 巖石應力波的形成過程

在不耦合結構膨脹破巖的情況下(見圖3)，從膨脹管噴射出來的高壓CO2氣團在膨脹管與膨脹孔之間進行衰減傳播，而后與膨脹孔孔壁進行碰撞(見圖4)，激起巖石應力波(見圖5)。

1.1.2 巖石應力波初始壓力計算

為研究問題方便，對于初始應力波的計算可作如下假設：

圖3 膨脹管布置

圖4 CO2氣體的膨脹噴射

圖5 巖石沖擊波/應力波激起示意圖

(1) 充填介質通常為空氣，由于其作用較弱，忽略不計，按真空處理；

(2) 膨脹管真實材料為高強度鋼，在高壓作用下會發生彈性變形；如果鋼材足夠好，可以作為剛體處理，即不會發生任何變形；

(3) CO2氣體在間隙內按等熵規律進行膨脹，遇孔壁時產生沖擊壓力，并在巖石內激起巖石應力波；

(4) CO2氣體的初始壓力按破裂片的壓力閾值(Pm)計；

(5) 整個過程均不考慮溫度場的影響，即溫度不變。

基于上述假設，可以構建孔壁上產生的初始壓力計算模型。

(1) 碰撞孔壁前的CO2氣體壓力(即入射壓力)為：

式中，dg為膨脹管的外徑；d0為膨脹孔的孔徑；P1為碰撞孔壁前的CO2氣體壓力；Pm為膨脹管破裂片壓力閾值的壓力值。

(2) 碰撞激起的巖石應力波初始壓力。CO2高壓氣體和孔壁發生碰撞，會產生透射和反射現象。高壓氣體撞擊孔壁時，壓力會增大n倍。因此，在不耦合結構膨脹破巖條件下，作用于孔壁上的初始沖擊壓力為：

式中，n為CO2高壓氣體和孔壁發生碰撞后的壓力增大倍數；P2為CO2氣體碰撞孔壁激起的巖石應力波初始壓力。

1.3 巖石應力波的傳播

1.3.1 巖石應力波傳播規律

CO2高壓氣體膨脹以沖擊載荷形式作用于巖石上，在極短時間內突然升高到極高的有限值，然后迅速衰減下來，即形成衰減傳播。

造成巖石應力波衰減的主要原因有以下幾個方面：

(1) 隨著傳播距離增大，波陣面面積不斷增大，其單位面積上分布的能量不斷減少；

(2) 正壓區隨著波的傳播不斷拉寬，受壓縮的介質不斷增大，使得單位質量介質的平均能量不斷下降；

(3) 傳播是不等熵的，在其傳播過程中始終存在著因介質受沖擊絕熱壓縮而產生的不可逆的能量損耗，并且波強越強，這種不可逆的能量損耗越大。

1.3.2 傳播過程中的應力波壓力

根據大量的巖石沖擊壓力隨距離變化的量測資料比較，可以得出近似計算硬巖(如大理巖、花崗巖、石灰巖、輝綠巖等)的爆炸近區壓力(應力)隨距離增加而衰減的公式：

綜合以上分析，可以得到距離膨脹孔中心距離為r處的應力波值：

(1)

1.4 巖石應力波的反射

應力波在傳播過程中，遇到巖石的層理、節理、裂隙、斷層和自由面，或者介質性質發生改變(例如巖性不同的交界面)時，應力波的一部分會從交界面反射回來，另一部分透過交界面進入第二種介質。

當應力波垂直入射自由面時，自由面處的應力會加倍。

1.5 與炸藥破巖的對比計算

在露天石灰石(ρm=2420 kg/m3，Cp=3430 m/s，ν=0.1)礦中進行巖石破碎，試分別計算采用CO2相變破巖技術和炸藥爆破技術在孔壁處、距離鉆孔中心0.5，1 m和 2 m處的巖石應力波壓力峰值。

采用CO2膨脹管時，一般采用73#膨脹管(即管外徑為73 mm、壁厚為14 mm的膨脹管)，孔徑為90 mm，破裂片閾值壓力為150 MPa，此時根據式(1)可以進行計算，計算結果見表1。

表1 采用CO2相變技術和炸藥技術破碎石灰石時的巖石應力波峰壓

采用炸藥時，有2種情況，一是采用不耦合裝藥結構，二是采用散裝耦合裝藥結構。

不耦合裝藥結構時，不同距離處的巖石應力波峰值計算公式為：

(2)

式中，db為炮孔直徑；do為炸藥卷直徑；ρ0為炸藥密度；D為炸藥爆速。

采用散裝耦合裝藥時，不同距離處的巖石應力波峰值計算公式為：

(3)

取炸藥密度為1050kg/m3，炸藥爆速為4000m/s，代入式(2)和式(3)進行計算，結果見表1。

分析表1可以得出如下結論：

(1) 采用70mm藥卷不耦合裝藥破碎巖石所產生的巖石應力波峰值是73#CO2膨脹管的15倍，采用散裝耦合裝藥破碎巖石所產生的巖石應力波峰值是73#CO2膨脹管的17.7倍。

(2) 對比石灰石的抗壓強度(10～200MPa)和抗拉強度(0.6～11.8MPa)，可以發現，73#CO2膨脹管產生的巖石應力波強度與之相匹配，不易產生過大的危害效應；而炸藥產生的巖石應力波強度則高一個數量級，控制不當，極易產生爆破危害。

2 CO2相變破巖安全效應現場測試

為有效說明CO2破碎巖石所產生的危害效應，在湖北省武穴市一靠近長江邊的采石場進行了現場測試試驗。

2.1 采場基本條件

采場離居民區距離較近，最近距離約50m，最遠不超過300m，大多在100m范圍內，部分居民房比較破舊，采用傳統炸藥爆破難度較大。采場巖石主要為灰色灰巖，(飽和)單軸極限抗壓強度為33.7～70.8MPa，平均值約為50MPa，屬于強風化，裂隙較發育，結構較松散。

2.2 CO2破巖試驗設計

本次試驗共布設6個直徑90 mm的鉆孔，呈一線布置，平均孔深為5.6 m，孔間距為2.5～3.0 m不等，上抵抗線平均為2 m，下抵抗線平均為3 m。每個鉆孔內裝填73#膨脹管5節，單節膨脹管灌裝CO2約800 g，所有鉆孔串聯用電激發。

地面振動測試設計見圖6，在距離7，17，32 m及52 m設置了4臺振動測試儀；噪音測試設計在距離鉆孔后側約15 m處進行；飛散物回收設計，在距離鉆孔后側約2 m處鋪設約70 m2的彩條布進行檢查；在臺階側面約45度的100 m遠處架設了一臺高速攝影儀用來捕捉飛散物的運動軌跡。

圖6 地面振動監測傳感空器布置

2.3 安全效應測試結果

(1) 地面振動測試結果： 7 m處的最大振速為1.06 cm/s(小于炸藥爆破的1/20)，主振動頻率為34.18 Hz，其他3臺儀器均未觸發(設計閾值為0.2 cm/s)。

(2) 噪音測試結果：在風速為1.8 m/s的情況下，約15 m處測得的最大噪音為75 dB，約等于成年人的正常說話。

(3) 飛散物回收結果：距離約2 m處的彩條布上沒有回收到明顯的回落石塊(見圖7)。

(4) 高速攝影結果：臺階面上無明顯拋擲現象，只有少量的煙塵順臺階面下滾(見圖8)。

圖7 飛散物回收系統回收效果

圖8 高速攝影1854.667 ms圖片

(5) 破碎效果分析：破碎后，用挖掘機進行開挖，基本上呈現砂塊(平均塊度不大于20 cm)，但是底部約1 m處挖不動。

3 結 語

本文對非炸藥破巖技術—CO2相變破巖技術的巖石破碎機理開展了研究，分析了巖石應力波的形成及傳播規律，并與炸藥爆炸應力波進行了對比，得出前者不足后者的1/15，且與巖石的抗壓(拉)強度數量級相當，破巖時難以產生更多的危害效應。

本文設計了CO2相變破巖安全效應測試試驗，并進行了現場測試，測試結果表明：CO2相變破巖技術產生的地面振動相當小，不足炸藥爆破產生的1/20；產生的噪音約等于成年人的正常說話級別；臺階面后方無飛散物，臺階面前方基本無飛濺；破碎后的巖石便于機械開挖。

通過理論分析與試驗測試基本上驗證了CO2相變破巖技術應用于露天巖石破碎能夠達到微振動、無飛石、無沖擊波破壞、微噪音等的危害效應，是復雜環境下巖石破碎的可靠選擇。

[1]李必紅，等.爆炸作用基礎[M].長沙：國防科技大學出版社，2015.

[2]J.亨利奇.爆炸動力學及其應用[M].熊建國,等譯.北京:科學出版社,1987.

[3]張守中.爆炸沖擊動力學[M].北京:兵器工業出版社,1993.

?.特種爆破[M].長沙:國防科技大學出版社,2015.(

2016-10-22)

李必紅(1975-)，男，博士，副教授，主要從事爆破理論研究與實踐工作。