二氧化碳膨脹爆破不同步影響因素探究

朱寬 ，徐添福 ，劉保陽 ，周桂松 ，鐘冬望，武森

(1.葛洲壩易普力(湖南)科技有限公司， 湖南 瀏陽市 410300；2.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司， 重慶 401121；3.武漢科技大學， 湖北 武漢 430000；4.湖南省訓保軍訓器材有限公司， 湖南 瀏陽市 410300)

0 引言

二氧化碳膨脹爆破技術起源于 1930年代的歐美，1990年代被引入我國。該技術是一種以物理爆炸為主的破巖方法，其破巖機理和以強爆炸應力波作用為主的炸藥類爆破方式不同，做功主要依靠相變產生的氣體膨脹能，不僅能量轉化利用的效率高，而且有利于減輕爆破振動、沖擊波、飛石、粉塵、有毒氣體等安全環保的壓力。同時，二氧化碳液-氣相變為吸熱過程，不會產生火花而導致瓦斯爆炸事故。這種安全環保上的獨特優勢，使其非常適用于臨近建筑物爆破、水下爆破、煤礦瓦斯抽采等作業場合，可成為傳統炸藥類爆破方式的有益補充。

近年來，二氧化碳膨脹爆破技術在中國已得到廣泛推廣應用。煤炭科學研究總院爆破技術研究所郭志興[1]通過在平頂山礦務局七礦地面進行爆破筒試驗，初步驗證了二氧化碳爆破的安全性、便捷性。淮南礦業學院徐穎、程玉生[2-3]建立了一套高壓氣體爆破模擬實驗系統，開展了高壓氣體爆破作用機理及破煤塊度方面的研究工作。國防科大李必紅、夏軍[4-5]等開展了二氧化碳膨脹爆破技術在隧道、礦山、市政工程中的應用。中南大學周科平等[6]通過實驗室測定液態二氧化碳爆破系統爆破管內壓力，獲得了膨脹管內膨脹壓力與時間關系曲線。中煤科工集團殷衛峰[7]通過現場試驗對比了3種壓裂方式在標準靶中的造縫效果，并給出了不同致裂方式的效果對比。中國礦業大學孫建中[8]、煤科院孫小明[9]、河南理工大學董慶祥、王兆豐等[10]通過不同方式對二氧化碳相變膨脹能進行了計算，計算得出其能量范圍為0.15 kg～0.22 kg TNT當量。

二氧化碳膨脹爆破技術在工程爆破領域的應用目前以臨近保護建構筑物的礦山工程、市政工程居多，多采用多根致裂管進行串聯同時起爆，但爆破過程中時常出現多根致裂管爆破不同步現象，特別是在同一炮孔中裝填多根致裂管時，如果起爆時間相差過大，先爆破致裂管易使后爆破致裂管出現變形，影響爆破效果，甚至出現“飛管”現象，產生很大的安全隱患。因此，研究二氧化碳膨脹爆破的同步性問題，對于改善爆破效果具有重要意義。影響爆破不同步的因素很多，組網方式、電阻大小、致裂管結構、氣體充裝質量誤差、激發管與膨脹管配比、孔網參數等均可能不同程度造成爆破不同步現象，筆者主要選擇對爆破不同步影響最直接的幾個因素剖析，進而提出改進措施。

1 電點火頭電阻的影響

目前，二氧化碳膨脹爆破致裂管中的激發管主要采用的是煙花行業用的電點火藥頭，電點火藥頭的核心是一種電發熱材料，在電熱材料的周圍裹上一層點火藥物構成點火頭，點火藥物成分主要包括苦味酸鉀、高氯酸鉀、氧化鐵紅、硅粉、聚乙烯醇等。當通過一定大的電流，使電發熱材料產生高熱，引燃藥物形成高溫火球，從而達到點火目的。電點火頭的起爆電流一般為0.8 A，安全電流為0.25 A。實踐證明，通過電發熱材料的電流必須大于0.8 A，才能使電點火頭全點火。根據焦耳定律，Q=I2Rt，其中Q為發熱量，I為通過電流，R為電阻值，t為作用時間。目前激發管中使用的電點火頭電阻差別較大，一般在0.9 Ω～1.1 Ω之間，最大偏差能達到0.2 Ω，當起爆器導通起爆后，采用串聯電路雖然使每個激發管中的電點火藥頭電流均一致，但是因電阻差別導致發熱量不一致，因而每個點火頭升溫速率也有所差異，進而導致激發管激發致裂管中的液態二氧化碳相變的時間也不同，故而出現爆破不同步的現象。

以國內某石灰石礦山項目為例，巖石抗壓強度為50 MPa～80 MPa，表面中度風化，內部弱風化。采用89#孔外充氣一次性管施工，管徑為89 mm，長度1.0 m，充裝二氧化碳氣體3.8 kg。激發管長度為0.8 m，使用藥劑600 g，在激發管內均勻設置3個點火頭。鉆孔直徑為115 mm，孔深5 m，孔距設定為1.8 m，排距設定為1.5 m，底盤抵抗線不大于1.5 m，梅花形布孔，共布置3排炮孔，對91根致裂管采用串聯同時起爆，總電阻為 387 Ω，采用CHA-1000E型起爆器起爆。采用高速攝影儀采集圖像后進行圖片逐幀分離，得到起爆后不同時刻的巖石運動狀態，如圖1所示。從圖1中可知，t1=13.217 s時，1#部位開始運動；t3=13.533 s時，1#部位完全裂開；t4=13.883 s時，2#部位開始運動，并在t6=14.550 s時完全裂開。整個過程中1#部位和2#部位之間的起爆時差達到0.666 s。

圖1 不同時刻巖石運動狀態

因此，為減小爆破不同步問題，應在激發管生產環節嚴格把關，選擇電阻誤差小，可靠度高的電點火藥頭作為原材料，同時做好防潮處理，減少環境因素對電點火頭電阻的影響。

2 致裂管結構的影響

2.1 重復性致裂管

目前致裂管主流產品有3種，分別為孔外充氣重復管、孔外充氣一次性管和孔內充氣一次性管。英國CARDOX公司開發研制的液態二氧化碳相變致裂裝置稱為 Cardox管，其基本部件有儲液管、點火發熱劑（也稱激發管、活化劑）、定壓卸能片和卸能頭，如圖2所示。已有的試驗和研究成果顯示，液態二氧化碳受熱相變后體積膨脹達到600倍以上，瞬間爆破壓力范圍在100 MPa～300 MPa之間，能夠滿足煤巖和大多數巖體致裂、推移的要求。Cardox管為孔外充氣重復管的代表產品。重復管的壁厚一般在7 mm以上，甚至厚達20 mm，定壓泄能片的厚度可根據需要調整，壓力測試表明，4 mm厚的定壓片其峰值相變壓力可達160 MPa，6 mm厚的定壓片其峰值相變壓力可達270 MPa。因重復管壁厚遠大于定壓片厚度，致裂管管體的承壓能力較強，當致裂管內峰值壓力超過定壓片的抗剪切強度時，定壓片即被擊穿泄能，如圖3所示。因破裂位置固定，可靠性較高，炮孔周邊充填的密實性等基本不會影響致裂管正常做功，因而對起爆同步性影響較小。

圖2 重復管的結構

圖3 定壓片破裂前后對比

2.2 孔外充氣一次性致裂管

國內工程應用的孔外充氣一次性膨脹管其結構基本一致，它是在孔外充氣重復管的基礎上省略了定壓片和泄氣頭等部件，直接通過氣體相變膨脹使致裂管體破裂而對外做功，其膨脹管為壁厚 4 mm～5 mm的無縫鋼管。孔外充氣一次性管規避了重復管中的管體笨重，且容易出現“飛管”等安全問題，操作便捷性大幅提升。但因孔外充氣一次性管無定壓片，管體破裂的隨機性較高，致裂管何時開始破裂主要取決于整根致裂管中最薄弱部位。在工程實踐中致裂管一般沿著頂部劈開，會形成1/2～2/3致裂管長度的致裂縫，見圖4（a），當致裂管管體強度均勻時，致裂管會形成貫穿整管的致裂縫，見圖4（b）。當出現焊接不牢固的情況下，在氣體相變膨脹過程中會出現堵頭直接沖開的情形，見圖4（c）。對于孔外充氣一次性膨脹管，當不同孔內的致裂管破裂方式不一樣時，氣體相變后泄壓時間會有明顯的不一致，因而出現不同步的情形。

圖4 孔外充氣一次性致裂管爆破后殘片

2.3 孔內充氣一次性致裂管

近年來，在孔外充氣一次性管的基礎上，國內以深圳凱強力為代表的致裂管生產單位對產品進行進一步升級，研制開發了孔內充氣一次性致裂管產品，如圖5所示。該產品主要利用孔壁的反作用力，使壁厚削減為1.0 mm～1.5 mm，稱為“塑紙管”。在現場先將膨脹管裝入炮孔并填塞密實，然后將充氣設備運輸至爆破區域，利用預留的充氣管進行現場充氣。該產品很好地利用了孔壁的圍壓，使產品更加輕巧便捷，可一定程度降低產品生產成本。同時，充氣過程均為在孔內填塞后進行，可提高使用過程的安全性。

因孔內充氣一次性致裂管管壁較薄，在無約束環境下，致裂管承受壓能力僅為5 MPa～10 MPa。而液態二氧化碳充裝壓力一般為8 MPa～12 MPa，略高于致裂管的承壓能力，如果致裂管裝入炮孔后填塞不密實極易出現管體在氣體相變前先發生變形或撕裂，延長起爆時間，甚至出現拒爆情形。特別是二氧化碳膨脹爆破在礦山項目應用中主要以石灰石項目居多，在石灰石巖層中，溶洞、裂隙巖體、軟弱夾層等情況大量存在，對于爆破不同步的問題尤其應該重視。

圖5 孔內充氣一次性致裂管

以國內某項目孔內充氣一次性致裂管施工項目為例，巖石為石灰石，中度風化。采用 76#管施工，管徑為76 mm，長度1.4 m，充裝5 kg二氧化碳氣體。炮孔孔徑為90 mm，深度為6.0 m，孔距為1.5 m，排距為1.3 m，布置3排炮孔。采用串聯電路起爆（見圖6），采用高速攝影儀采集圖像后進行圖片逐幀分離，得到起爆后不同時刻的氣體釋放狀態圖，如圖7所示。在t1=6.867 s時，觀察到1-1#炮孔開始釋放氣體，t3=7.292 s時，1-4#炮孔開始釋放氣體，t4=7.504 s時，第3-1#炮孔開始釋放氣體，從t5=7.823 s到t6=9.274 s之間，1-5#、1-6#、2-4#、2-5#等幾個炮孔在1.4 s時間內出現持續、緩慢釋放氣體狀態，臺階整體未松動。此次爆破失敗的直接原因為堵塞質量不合格，致裂管與孔壁之間的間隙填塞不密實，使致裂管破裂前已經發生相變變形，孔口段堵塞不密實使致裂管進一步變形，管內體積增大，相變壓力降低，雖然該壓力可使管體發生破裂，但釋放的壓力已降低至巖石抗壓強度以下，不足以破壞巖石，氣體只能將堵塞料沖開后從孔口緩慢釋放。

圖6 炮孔布置

圖7 不同時刻炮孔氣體釋放狀態

3 激發管藥劑與氣體質量配比的影響

同樣質量的激發管只能激發對應質量的液態二氧化碳，使其在環境溫度上升到31.4℃以上時瞬間相變，從而對外做功。當不同致裂管中的激發管藥劑與氣體質量配比不一致時，則參與相變的液態二氧化碳也不一致，并造成致裂管內壓力-時間曲線出現差異，達到重復管中定壓片剪切強度或一次管中管體破裂強度的時間也會不同，從而造成爆破不同步現象。一般而言，在同一型號致裂管中安裝的激發管重量誤差可控制在±1%以內，但致裂管中的液態二氧化碳充裝質量卻有較大差異。充裝機上的氣體流量顯示只能作為參考，實際主要通過稱量膨脹管充裝前后的質量差來計算實際充裝量。

激發藥劑與管液體二氧化碳氣體的最佳配比，對減少充氣質量誤差對爆破不同步的影響尤為重要，該配比可通過試驗獲得。選用湖南某公司生產的激發管藥劑，采用改進的 95#重復管進行試驗，管徑為95 mm，管長65 cm，充裝3 kg液態二氧化碳氣體（見圖8）。通過調整激發管藥劑重量來試驗不同配比下的激發效果，在試驗坑中激發后得到的爆破結果見表1。從表1中的試驗結果可見，當激發管藥劑配比大于1:7.6時，激發管均有殘藥剩余，當激發管藥劑配比小于 1:8.7時，激發管藥劑完全參與反應，無殘藥，而在配比為 1:7.6時，殘藥量已非常少，可推測最佳配比在 1:8.0左右。工程實踐中可根據此配比來調整不同致裂管中的液態二氧化碳充裝量，以保障各致裂管中氣體相變后壓力保持一致，提高做功的同步性。

表1 不同激發管藥劑與液態二氧化碳配比做功試驗結果

圖8 400 g激發管藥劑匹配3.04 kg液態二氧化碳爆破效果

4 結論

通過理論分析與現場實踐，研究了電點火頭電阻值、致裂管結構及激發管藥劑與二氧化碳氣體質量配比等對二氧化碳膨脹爆破不同步的影響，得出結論如下：

（1）二氧化碳膨脹爆破電起爆方式宜采用串聯電路，串聯電路影響爆破不同步的主要原因為電點火頭的電阻誤差造成不同電點火藥頭功率大小不一致，升溫速率有差異，從而影響激發管激發先后順序；

（2）不同膨脹管結構中，重復性致裂管同步性較好，影響孔外充氣一次性管不同步的主要因素為致裂管的破裂方式，孔內充氣一次性管爆破同步性受填塞質量影響較大；

（3）國內某公司試驗獲得的激發管藥劑與液態二氧化碳質量最佳配比約為 1:8，根據此配比可合理配置不同致裂管中的二氧化碳充裝量，確保氣體相變后壓力保持一致，提高爆破同步性。