二氧化碳膨脹爆破新型致裂管與安全技術(shù)研究

梅 比，高 星，方 瑩，朱振海，張北龍

(1.廣東興凱隆氣爆新技術(shù)有限公司，廣州 515000；2.廣東省爆破行業(yè)協(xié)會，廣州 515000，3.力凱工程裝備(深圳)有限公司，深圳 518000)

為了促進(jìn)二氧化碳膨脹爆破技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，中國爆破行業(yè)協(xié)會在2016年10月將二氧化碳膨脹破巖技術(shù)研究列入中國爆破行業(yè)中長期(2016—2025)科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[1]。2019年11月18日召開的中爆協(xié)六屆七次常務(wù)理事會2019年度工作報告指出[2]：“二氧化碳膨脹爆破具有振動小、無污染、本質(zhì)安全性高的特點(diǎn)，是特別復(fù)雜環(huán)境下無法實施炸藥爆破作業(yè)的一種補(bǔ)充，并廣泛應(yīng)用于煤礦井下放頂煤開采、瓦斯抽排放等爆破作業(yè)中，為促進(jìn)爆破技術(shù)進(jìn)步、提高爆破本質(zhì)安全和社會公共安全水平發(fā)揮了重要作用”。

在此之前，國內(nèi)學(xué)者對二氧化碳膨脹爆破的研究主要集中在二氧化碳相變機(jī)理、裂巖機(jī)理及在煤礦排放瓦斯等方面的應(yīng)用方面，對二氧化碳膨脹爆破的器材及施工方法的研究較少[3-12]。由于過去二氧化碳膨脹爆破器材和施工工藝存在明顯的缺陷，客觀上存在“飛管”和被不法分子利用威脅公共安全的治安和安全隱患。但是，由于國家主管部門至今沒有對二氧化碳膨脹爆破作出具體的治安管理規(guī)定，導(dǎo)致這一技術(shù)的研究與應(yīng)用受到較大的影響。

為了促進(jìn)二氧化碳膨脹爆破技術(shù)的研究與應(yīng)用，在中國爆破行業(yè)協(xié)會的指導(dǎo)下，對二氧化碳膨脹爆破器材、施工工藝及安全管理進(jìn)行了初步研究，發(fā)明了新型致裂管、創(chuàng)新提出孔內(nèi)充氣工藝、開發(fā)了末端管控信息系統(tǒng)，認(rèn)為由爆破單位采用“新型致裂管+孔內(nèi)充氣工藝+末端管控系統(tǒng)”可以有效地解決公安機(jī)關(guān)對二氧化碳膨脹爆破治安管理的難題。

1 二氧化碳膨脹爆破破巖原理與致裂管泄氣方式

1.1 二氧化碳膨脹爆破破巖原理

將液態(tài)二氧化碳充入致裂管中，將致裂管裝入炮孔，用起爆器起爆激發(fā)管(也叫發(fā)熱管)，起爆器輸出電流使激發(fā)管中電點(diǎn)火柴被點(diǎn)著，從而使激發(fā)管中的藥粉速燃，加熱致裂管中的液態(tài)二氧化碳，使其產(chǎn)生相變(由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài))；相變后，致裂管內(nèi)氣體壓力迅速提高到100～300 MPa，氣體體積膨脹到原來液態(tài)時的600倍以上；當(dāng)氣體的壓力大于致裂管泄氣元件的抗剪強(qiáng)度時，高壓氣體從泄氣孔(縫)沖出，作用于炮孔壁上，使炮孔周圍的巖石開裂、破碎。

1.2 二氧化碳膨脹爆破致裂管泄氣方法

在本研究開始之前，國內(nèi)有兩種致裂管，一種是通過致裂管內(nèi)高壓氣體剪切破裂片而釋放能量(泄氣)，也稱為第一代致裂管；另外一種致裂管不用破裂片，當(dāng)致裂管內(nèi)氣體壓力大于焊縫的抗拉強(qiáng)度時，氣體能量就從致裂管側(cè)面的焊縫處釋放，也稱為第二代致裂管。圖1給出了兩種致裂管泄氣方式的比較。將致裂管與激發(fā)管組裝在一起并充好二氧化碳?xì)怏w后，我們稱它為致裂器，圖2給出了第一代致裂器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 1 兩種致裂管泄氣方式比較示意圖Fig. 1 Comparison diagram of two fracturing tube venting methods

圖 2 第一代二氧化碳膨脹爆破致裂器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the structure of the first generation carbon dioxide expansion blasting cracker

2 第一、二代二氧化碳致裂管存在的安全問題

經(jīng)過前幾年的工程應(yīng)用，第一、二代二氧化碳致裂管暴露出以下安全問題：

(1)第一代致裂管由于需要回收重復(fù)使用，故其管壁很厚，一般在10 mm以上。使用第一代致裂管時，炮孔孔口不堵塞，容易發(fā)生“飛管”問題，從而造成安全事故，如圖3所示。2016年在貴州某地的施工中，致裂管飛出200多米砸斷附近的動車架空輸電系統(tǒng)，導(dǎo)致動車中斷運(yùn)行，那次“肇事”者就是第一代致裂管。

圖 3 第一代致裂器破巖情況及飛管現(xiàn)象Fig. 3 The rock breaking situation and flying tube phenomenon of the first generation fracturing device

(2)第二代致裂管改為一次性使用不回收，裝入炮孔后孔口進(jìn)行堵塞。這樣做雖然解決了“飛管”問題，但是，需要先充好氣再搬運(yùn)到工地，再裝入炮孔。這種作業(yè)方式存在兩類安全隱患：一是搬運(yùn)帶高壓氣體的致裂器到作業(yè)現(xiàn)場的過程中容易發(fā)生爆管傷人事故(湖北某市曾發(fā)生過這樣的事故，導(dǎo)致搬運(yùn)人員受傷)；二是充好氣的致裂器容易成為不法分子威脅公共安全的工具。

(3)為防止不法分子打著二氧化碳膨脹爆破的幌子非法制造爆炸物威脅公共安全(如在致裂管中裝填民用爆炸物品、易制爆危險化學(xué)品、煙火藥等)，公安機(jī)關(guān)需要現(xiàn)場打開致裂器進(jìn)行檢查。由于充好氣體的致裂器在現(xiàn)場無法打開，故不能滿足公安機(jī)關(guān)現(xiàn)場打開致裂器進(jìn)行治安檢查的需要。

上述問題的存在困擾著行業(yè)主管部門制訂相應(yīng)的治安管理辦法和安全操作規(guī)程，直接影響了二氧化碳膨脹爆破技術(shù)的深入研究與推廣應(yīng)用。

3 孔內(nèi)充氣方法的提出與第三代致裂管的研究

3.1 孔內(nèi)充氣方法的提出

針對第一、二代致裂管存在的問題，我們經(jīng)過反復(fù)研究，提出了先裝管后充氣的孔內(nèi)充裝作業(yè)方法并研制了第三代致裂管，使用孔內(nèi)充裝方法和第三代致裂管，可有效地克服第一、二代致裂管存在的安全問題。

孔內(nèi)充裝方法是：在裝管之前，從儲存室分別把激發(fā)管和致裂管(未充氣)搬運(yùn)到工地，在現(xiàn)場進(jìn)行組裝，組裝好了以后，把未充氣的致裂器裝入炮孔，然后，將炮孔堵塞起來。所有炮孔都堵塞好以后，再逐個給致裂器充氣，都充好氣以后，再進(jìn)行后續(xù)的連線、防護(hù)、警戒、起爆作業(yè)。

3.2 第三代致裂管的研究

3.2.1 第三代致裂管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

第三代致裂管(已申請國家相關(guān)專利)如圖4所示，在外形上與第二代致裂管基本相似，主要差異在于第三代致裂管有一套滿足孔內(nèi)充氣的組件，另外管壁厚度比第二代致裂管薄得多，大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。目前，根據(jù)施工中常用鉆頭直徑的大小，主要有4種不同規(guī)格(直徑)的致裂管，可分別充裝1 kg、3 kg、5 kg和10 kg二氧化碳?xì)怏w(液態(tài))。圖5給出了第三代致裂管(內(nèi)含激發(fā)管)結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

(1)鋼管的管壁比較簿，僅1.5 mm,一次性使用。

(2)采用卷板工藝加工，致裂管側(cè)面的焊縫成為釋放二氧化碳高壓氣體的通道。

(3)致裂管的正常工作壓力是8 MPa，極限可承受25 MPa的壓力。

1-單向閥，2-電點(diǎn)火柴，3-激發(fā)管，4-管壁(鋼或PE)，5-后堵蓋，6-前堵蓋1-check valve,2-electric matches,3- excitation tube,4- tube wall(steel or PE),5- rear blocking cover,6- front blocking cover圖 5 第三代致裂管(含激發(fā)管)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the structure of the third generation fracturing tube(including excitation tube)

3.2.2 第三代致裂管的安全特性

(1)以使用5 kg規(guī)格的二氧化碳致裂管(長1.6 m)為例，炮孔深度一般是5～6 m，堵塞長度最少有3～4 m，最小抵抗線一般為2 m左右。由于堵塞長度大于最小抵抗線，因此，起爆后氣體膨脹能量難以將致裂管向上沖出炮孔，因而，解決了產(chǎn)生“飛管”的問題。

(2)由于二氧化碳?xì)怏w是從致裂管側(cè)面釋放而不是從致裂管底部釋放，這種氣體釋放方式，也有助于消除 “飛管”問題，同時使得氣體膨脹壓力更加均勻地作用在炮孔壁上。

(3)操作中，必須把致裂管先放入炮孔內(nèi)，孔口堵塞好以后再充氣，這樣做，可保證充氣時致裂管萬一開裂也不會威脅作業(yè)人員的安全。

(4)帶有泄壓保險機(jī)構(gòu)。當(dāng)在孔外充裝二氧化碳?xì)怏w時，充裝壓力達(dá)到1 MPa時，保險機(jī)構(gòu)開始動作，如繼續(xù)充裝二氧化碳?xì)怏w，就會出現(xiàn)“前面充，后面漏”的效果，確保在孔外充氣時致裂管內(nèi)的氣體壓力達(dá)不到4 MPa，也就是說，達(dá)不到激發(fā)管產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)所需要的圍壓。

(5)由于充氣需要專用充氣設(shè)備(儲氣罐和充氣機(jī))，因此，離開專用設(shè)備無法把二氧化碳?xì)怏w充入致裂管內(nèi)。此外，在常規(guī)情況下充氣至少需要兩人以上協(xié)同作業(yè)，多人同時作業(yè)可以互相監(jiān)督，可以防止個別人員搞非法事情。因此，即使致裂管丟失、被盜或被不法分子拿到手，他們也無法充裝二氧化碳?xì)怏w威脅公共安全。

3.2.3 第一、二、三代致裂管的性能比較

第三代致裂管是在第一、二代致裂管基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計而成的，圖6給出了第三代致裂管的實物圖片。表1給出了第一、二、三代致裂管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安全性能的比較。

圖 6 第三代二氧化碳膨脹爆破器材Fig. 6 The third-generation carbon dioxide expansion blasting equipment

表 1 第一、二、三代致裂管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安全性能比較表Table 1 Comparison table of structural characteristics and safety performance of the first,second and third generation fracturing tubes

4 二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統(tǒng)的研發(fā)

為了加強(qiáng)對二氧化碳膨脹爆破的安全管理，率先開發(fā)了二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效倒逼二氧化碳膨脹爆破從業(yè)單位落實企業(yè)主體責(zé)任；對激發(fā)管、致裂管實行電子標(biāo)簽溯源管理并與器材流向各環(huán)節(jié)上的責(zé)任人員進(jìn)行綁定，嚴(yán)格落實經(jīng)手人員的責(zé)任；對現(xiàn)場存放、出入庫(柜)行為進(jìn)行視頻監(jiān)控管理，嚴(yán)防激發(fā)管、致裂管流失、被盜事件的發(fā)生。系統(tǒng)主要功能在于：

4.1 二氧化碳膨脹爆破器材流向溯源管理功能

由器材生產(chǎn)廠家通過系統(tǒng)下載、打印電子標(biāo)識，粘貼在激發(fā)管、致裂管上，并掃碼入庫同時把相關(guān)信息輸入信息系統(tǒng)；銷售、使用單位出入庫保管、使用時分別掃碼確認(rèn)，將銷售、使用環(huán)節(jié)上的經(jīng)手人員與器材進(jìn)行綁定，落實流向各環(huán)節(jié)上操作人員的責(zé)任，確保激發(fā)管、致裂管得到有效監(jiān)控，杜絕流失、被盜。

4.2 作業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控管理功能

在作業(yè)現(xiàn)場建立視頻監(jiān)控技術(shù)防范系統(tǒng)，采集二氧化碳激發(fā)管、致裂管儲存場所的開關(guān)門信息、領(lǐng)用視頻監(jiān)控信息，滿足管理部門遠(yuǎn)程訪問、查詢和管理的需要。

4.3 公安屬地管理數(shù)據(jù)共享功能

本系統(tǒng)為屬地公安機(jī)關(guān)進(jìn)行治安管理、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)共享預(yù)留了功能模塊和數(shù)據(jù)接口，屬地公安機(jī)關(guān)如果希望通過本系統(tǒng)對本轄區(qū)從事二氧化碳膨脹爆破的單位、項目、器材進(jìn)行查詢統(tǒng)計和治安管理，只需要在本系統(tǒng)上用手機(jī)號注冊一個管理員用戶賬號，就可以查看到流入本轄區(qū)的二氧化碳膨脹爆破器材的“來龍去脈”以及各環(huán)節(jié)上的責(zé)任人員，還可以查看本轄區(qū)各項目現(xiàn)場器材出入庫的視頻圖像等信息。

4.4 使用易制爆專用儲存柜現(xiàn)場存放激發(fā)管

為了做好防盜、防搶工作，在項目作業(yè)現(xiàn)場建設(shè)一個值班室、一個器材室(可以用集裝箱代替)，激發(fā)管存放在器材室里的一個專用儲存柜里，這個專用儲存柜本是供易制爆危險化學(xué)品小劑量單位存放易制爆危險化學(xué)品用的，實行“雙人雙鎖”管理。圖7給出了專用儲存柜實物照片，該儲存柜取得公安部權(quán)威機(jī)構(gòu)的防盜安全檢測報告。

圖 7 易制爆危險化學(xué)品小劑量存放專用儲存柜Fig. 7 Special storage cabinet for low-dosestorage of explosive hazardous chemicals

5 第三代致裂管和孔內(nèi)充裝方法的應(yīng)用情況

目前，第三代致裂管和孔內(nèi)充裝方法已經(jīng)在四個方面獲得初步應(yīng)用，一是場地平整工程(汕頭市項目)；二是基坑開挖工程(惠州市項目)；三是隧洞開挖工程(汕尾市項目)；四是水下航道疏浚工程(廣西項目)。

5.1 對二氧化碳膨脹爆破鉆爆參數(shù)優(yōu)化研究

研究表明：一根5 kg(氣體重量)的二氧化碳致裂管(外徑76 mm、長1600 mm)，適用的鉆孔孔徑為90 mm，對于微風(fēng)化巖石，最小抵抗線1.8～2.2 m，孔距2～2.2 m，排距1.8～2 m，孔深5～5.5 m，堵塞長度3～4 m，單位耗氣量在0.21～0.31 m3/kg(單位m3/kg是指一公斤液態(tài)二氧化碳爆破破碎多少立方米的巖石)。

5.2 爆破振動效應(yīng)測試與研究

5.2.1 露天場平爆破實測爆破振動情況

在露天場平工程(肇慶市項目)中，一次起爆8根5kg的致裂器(成一排)，在最小抵抗線的反方向距離爆破中心10 m、15 m、20 m的地方布置測振傳感器(三維)，測得徑向(X方向)振動幅值最大，分別是0.72 cm/s、0.60 cm/s和0.23 cm/s，對應(yīng)的頻率分別是60.15 Hz、50.31 Hz和38.46 Hz。典型的波形圖見圖8所示。

圖 8 典型的二氧化碳膨脹爆破振動波形(測點(diǎn)距離爆區(qū)中心后方15 m)Fig. 8 Typical vibration waveform of carbon dioxide expansion blasting(measuring point is 15 m behind the center of blasting area)

5.2.2 與同等炸藥量爆破振動效應(yīng)的比較

如果用同樣的炸藥量進(jìn)行爆破(8個炮孔，每個炮孔裝5 kg炸藥)，按照《爆破安全規(guī)程》13.2節(jié)中的公式(1)進(jìn)行計算，其中系數(shù)k取150，衰減指數(shù)α取1.5，如果是40 kg炸藥同時起爆，則在距離爆區(qū)10 m、15 m、20 m處的爆破振動峰值分別為：29.52 cm/s、15.52 cm/s、10.08cm/s；如果8個炮孔逐孔起爆，最大一段藥量是5 kg,則在距離爆區(qū)10 m、15 m、20 m處的爆破振動峰值分別為：10.02 cm/s、5.45 cm/s、3.53 cm/s。將炸藥爆破振動效應(yīng)計算值與二氧化碳爆破振動效應(yīng)實測值比較，可以發(fā)現(xiàn)5 kg炸藥同時起爆引起的爆破振動計算幅值分別是40 kg二氧化碳?xì)怏w膨脹爆破引起的振動效應(yīng)實幅值的14倍(10 m處)、9倍(15 m處)、15倍(20 m處)。

5.3 爆破沖擊波和噪聲的測試研究

同上爆破條件下，(1)對于空氣沖擊波，在距離爆區(qū)臨空面右前方20m處布置傳感器，儀器未觸發(fā)，最大峰值壓力低于儀器觸發(fā)電平(0.16 kPa)；(2)對于噪聲， 在距離爆區(qū)臨空面右前方20 m處布置傳感器，測得噪聲為106.1 dB。

隧洞開挖和水下開挖尚處于嘗試階段，不過已經(jīng)取得了可行性研究成果。爆破參數(shù)優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

(1)研究、提出了孔內(nèi)充裝的作業(yè)方法，為二氧化碳膨脹爆破提供了一種更加安全的作業(yè)方法。

(2)研究并發(fā)明了第三代致裂管，為解決二氧化碳爆破“飛管”事故、消除人搬車運(yùn)“氣彈”可能早爆傷人的安全隱患、杜絕致裂管被不法分子利用威脅公共安全等問題提供了安全保障，滿足了公安機(jī)關(guān)現(xiàn)場檢查時可以拆開致裂器進(jìn)行檢查的需要。

(3)研發(fā)了二氧化碳膨脹爆破末端管控信息系統(tǒng)，為管理部門加強(qiáng)二氧化碳爆破器材的流向管理和遠(yuǎn)程監(jiān)督管理提供了信息化手段。

(4)在場地平整、基坑開挖、隧洞開挖和水下航道疏浚工程方面進(jìn)行的相關(guān)研究取得的鉆爆參數(shù)和安全操作注意事項，有助于管理部門制訂相關(guān)管理辦法，對于爆破行業(yè)制訂相關(guān)安全操作規(guī)程具有一定的參考價值。