液態CO2相變開挖巖體孔間距參數研究

趙程鵬，商武鋒，許小泉，洪志先

(1.中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519070；2.中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083)

隨著社會經濟的快速發展，城市規模不斷擴大，為滿足城市居民的主要生活需求，兼具美化城市與節約空間等功能的城市地下綜合管廊工程正在大力興建。而炸藥爆破法作為一種高效低成本的方式被廣泛運用于巖體開挖中[1]，但同時傳統炸藥爆破會產生一定量的有毒有害氣體，引起強烈爆破振動和爆破飛石，在城市復雜工況條件下適用性較差。屬于物理爆破的新型液態CO2相變致裂技術在巖石破碎過程不僅能杜絕有毒有害氣體產生，最大程度地減少爆破粉塵污染，還能有效降低對相鄰建(構)筑物的振動影響[2]。國內外學者對炸藥爆破孔間距參數優化進行了大量研究[3-7]，但是對研究液態CO2相變致裂技術在臺階開挖中的孔間距的相關文獻較少，而合理孔間距對巖體的破碎效果具有重要影響，因此有必要對液態CO2相變開挖巖體孔間距參數進行研究。

近年來，相關學者對液態CO2爆破技術進行了大量研究[8-9]，并成功將其運用在煤層致裂增透、工業清堵和巖石臺階開挖等工程中。張東明等[10]建立了液態CO2相變氣體射流壓力模型，并理論分析了液態CO2相變致裂巖體力學機理，現場使用結果表明該技術可有效提高低滲煤層瓦斯抽采效率。柯波等[11]對液態CO2爆破系統地震波時頻特性進行了研究，并指出液態CO2爆破地震波衰減速度快，振動速度幅值低。基于小波包變換分析振動信號能量分布規律后，陳冠等[12]發現液態CO2相變破巖振動信號的主振頻帶與振動信號方向及傳播距離相關性較小。

目前炮孔間距的確定主要以經驗公式為主，缺乏一定的理論支撐。Zhao J等[13]研究了距離炮孔不同位置、不同方向的節理面對爆生裂紋擴展方向的影響。李洪偉等[6]基于LS-DYNA數值模擬方法研究了不同炮孔間距對巖石爆炸裂紋擴展的影響。為提高液態CO2相變致裂技術在低透氣煤層當中的增效果，張柏林等[14]基于COMSOL對布孔參數進行了數值模擬優化，并確定了孔間距為6 m時能取得最強煤層增透效果。朱必勇等[15]同樣基于數值模擬技術優化了預裂爆破孔間距以及不耦合系數參數。劉志剛等[16]運用數值模擬方法進行巷道側幫深孔爆破正交試驗研究，確定了煤巷幫部卸壓最優爆破孔間距、爆破孔直徑和爆破孔深度等爆破參數。從以上研究成果中可以發現，有關液態CO2相變致裂技術的研究都主要是針對它對在煤層增透、瓦斯抽采及其振動信號分析而展開的，鮮有文獻對液態CO2相變致裂管在基坑臺階開挖中的合理孔間距進行研究。

液態CO2相變致裂巖土體基本原理為致裂管中的液態CO2在快速加熱條件下迅速氣化膨脹，致裂管內壓力急驟升高，當壓力到達閾值時容器內高壓氣體突然釋放，對炮孔周圍巖石產生瞬態強沖擊作用，并在巖體中產生應力波作用。在應力波作用下，巖石中產生徑向與環向裂隙。自由面反射拉伸應力會使徑向裂隙進一步擴展。與此同時，膨脹氣體產生膨脹、擠壓和“氣楔”作用，使裂隙擴展、貫通形成巖塊，并使巖石脫離母巖石，產生拋擲，液態CO2致裂管結構如圖1所示。

圖1 液態CO2致裂管結構Fig.1 Structure of liquid CO2 fracturing tube

基于現場試驗和數值模擬技術，首先對液態CO2致裂器單孔致裂巖體的性能進行研究分析，然后基于試驗與數值模擬結果進一步對不同孔間距的雙孔爆破進行數值分析，以確定雙孔爆破最優孔間距。為保證73型液態CO2致裂器的巖體開挖爆破效果以及取得良好的經濟和社會環境效益提供理論支撐。

1 工程背景

開挖工程為隨州市城南新區繞城南路的城市綜合管廊基坑，管廊周圍環境如圖2a所示。線性布置的管廊基坑全長4.15 km，基坑內納入了給水、電力、通信、燃氣4種管線，管廊基坑平面如圖2b所示。綜合管廊周邊有一巖體較為破碎的巖質邊坡，巖性主要為強～中風化云母片巖為主，巖體內發育有多組構造裂隙，穩定性較差(見圖2c)。開挖基坑所處地層以黏土、強風化云母片巖、中風化云母片巖和花崗巖為主。根據現場勘查，繞城南路K0+000～K0+240和K3+000～K3+380段與在建西氣東輸管線交叉，工程施工時存在一定相互干擾。

圖2 管廊基坑基本情況Fig.2 Basic situations of pipe gallery foundation pit

因此為確保天然氣線路和基坑內人員設備的安全，保證石方開挖無根底，無開挖引起的工程地質災害隱患，同時滿足巖石塊度小且均勻、石堆集中，便于裝運的要求，施工方決定采用新型液態CO2相變致裂技術進行管廊基坑巖石的開挖。

2 致裂管性能測試

基于液態CO2相變致裂技術的優勢，在隨州市綜合管廊的開挖過程中擬采用73型CO2致裂器進行基坑巖石開挖，該套液態CO2相變致裂系統主要組件有液態CO2儲氣罐、充裝機、膨脹管、充氣平臺、裝管器以及旋緊器。73型CO2致裂器主要技術參數如表1所示。

表1 73型CO2致裂管參數Table 1 Parameters of type 73 CO2 fracturing tube

在實際施工過程中將管廊基坑全斷面設計為一個臺階面，采用單排布孔樣式。為滿足爆破施工3大要求：安全、巖石破碎效果好、成本低。在進行施工之前選取理想地點進行73型CO2致裂器破碎巖石的性能測試。采用潛孔鉆機鉆鑿一個直徑90 mm，孔深1.3 m的鉆孔，然后將直徑73 mm的致裂管裝入炮孔內，炮孔上部使用粒徑約為5 mm的碎石和沙土進行填塞并用沙袋覆蓋在孔口處，起爆電線用石塊綁住以防填塞過程中掉入炮孔內。由于現場不確定因素較多，為盡量減小試驗誤差，在試驗過程中對充滿CO2的致裂管電阻進行嚴格測量，保證電阻值正常能順利起爆。為防止致裂管沖孔，致裂器與炮孔之間的間隙進行嚴密填塞并用振動搗實機搗實。

由73型CO2致裂器致裂效果(見圖3)可知試驗后巖體內未出現明顯的壓碎區，大部分的能量用于巖石的破裂，炮孔周邊被爆巖體從母巖中分離開來，由于試驗炮孔只存在一個自由面，巖體在液態CO2相變作用下的破裂塊度相對較大。炮孔周邊產生了大量裂紋，最大裂紋長0.92 m，最小裂紋長0.27 m。現場采用NUBOX-8016智能爆破測振儀進行爆破振動測試，測試結果表明巖體質點峰值振動速度較小，且振動持續時間短，應力波衰減較快。同時由現場圖片可以發現，爆破現場只有少量的揚塵，且無有毒有害氣體產生，相對傳統炸藥爆破的作業環境有明顯的改善。

圖3 液態CO2相變致裂巖體效果Fig.3 Effect of liquid CO2 phase change fracturing rock mass

3 單孔爆破數值模擬

為了更直觀地了解CO2致裂巖體的過程，將73型液態CO2致裂管爆炸能量等效為傳統巖石乳化炸藥，并采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對現場試驗進行數值模擬，該方法被廣泛運用于模擬巖石材料在爆破作用下的動態力學行為。陶明等[2]研究結果表明，單個73型液態CO2致裂管的爆炸能約為0.37 kg巖石乳化炸藥的爆炸能量，根據等效炸藥裝藥量、炮孔直徑和炮孔深度，可以計算得到當采用2D平面模型時的裝藥量直徑為25 mm。

3.1 模型建立

為進一步增加數值模擬的真實性以接近現場試驗的結果，模型采用不耦合裝藥結構，空氣層厚度為8 mm，73型液態CO2致裂數值模型如圖4所示，模型邊界設置無反射邊界條件以減小應力波在自由面的反射拉伸影響，模型單元數量566 344，節點數量1 135 955。

圖4 73型液態CO2爆破數值模型Fig.4 Numerical model of type 73 liquid CO2 blasting

3.2 材料物理力學參數

巖石具有抗壓不抗拉的特性，因此巖石在炸藥和液態CO2爆破作用下不僅發生壓縮破壞，同時發生拉伸和剪切破壞。筆者通過采用運用廣泛的Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT)本構模型來模擬巖石在爆破作用下的動態力學響應，該本構模型能很好地表征脆性材料的損傷與塑性變形特性。RHT本構模型引入了3個極限破壞面，即彈性極限面、失效面和殘余強度面，它們分別描述巖石材料的初始屈服強度，失效強度及殘余強度的變化規律。巖石材料的損傷破壞通過損傷系數D表示[17]:

(1)

式中：Δεp為累計損傷應變；εf為破壞應變；εf的計算表達式如下[18]:

(2)

式中：D1、D2為材料常數，巖石在爆破作用下發生損傷后將引起強度的下降。

損傷系數D=1時表明巖石材料未受到任何損傷，D=0時表明材料完全破壞，不再具備任何承載能力。大量研究結果表示，D=0.3時能較為準確的表征巖石的損傷破壞。基于中南大學材料力學性能測試平臺，鉆取基坑內花崗巖體加工后進行巖石力學實驗，得到巖石RHT本構模型基本參數如表2所示。

表2 花崗巖RHT本構模型參數Table 2 RHT constitutive model parameters of Granite

炸藥爆炸是一個由化學能轉變為動能的過程，因此在爆破模擬中采用標準JWL狀態方程模擬炸藥在巖體內發生爆炸反應的爆轟壓力與比容的關系[19]：

(3)

式中：A、B、R1、R2、ω為材料常數；p為爆轟壓力；V為爆轟產物的相對體積；E0為爆轟產物的初始比內能。

現場巖體爆破采用2號巖石乳化炸藥，其密度為1 150 kg/m3，爆速為4 500 m/s。炸藥參數如表3所示。

表3 2號巖石乳化炸藥及JWL狀態方程參數Table 3 Parameters of No.2 rock emulsion explosive and state equation of JWL

炸藥與巖石之間的耦合介質為空氣，以數值模擬中常采用的空材料模型(*MAT_NULL)定義空氣材料，多線性狀態方程的表達式為[20]

P=C0+C1v2+C2v2+C3v2+(C4+C5v2+C6v2)E0

(4)

式中：C0～C6為材料常數；v為空氣狀態方程中的參數。

空氣材料參數如表4所示。

表4 空氣材料參數Table 4 Parameters of air

3.3 結果及分析

采用ALE算法模擬爆炸。炸藥、空氣采用Euler算法，巖石采用Lagrange算法，從而消除由于巖石大變形產生單元負體積而導致的計算終止問題。巖體應力波傳播速度為4 000～5 000 m/s，因此模型求解時間設置為1 ms時可以滿足應力波傳播到模型邊界的要求,單孔液態CO2爆破數值模擬結果如圖5所示。

圖5 單孔液態CO2爆破數值模擬結果Fig.5 Numerical simulation result of single hole liquid CO2 blasting

由圖5可知，隨著時間的增加，巖體損傷范圍逐漸增大，t=48 μs時，巖體損傷半徑R=0.1 m，該區域內的巖體受到初始沖擊波的強烈壓縮作用而破壞，損傷嚴重。沖擊波在巖體中繼續向前傳播，消耗了大量能量，沖擊波壓力迅速下降，小于巖石的動態抗壓強度后轉變為壓縮波；當t=100 μs時，炮孔周邊巖體在壓縮波派生的切(環)向應力下開始出現徑向裂紋，此時巖體損傷半徑為0.233 m。壓縮波繼續向前傳播，徑向裂紋進一步擴展，t=208 μs時，巖體損傷范圍約為t=100 μs時的2.25倍；壓縮波向前傳播衰減為應力波，強度持續降低，但是在爆生氣體和應力波的疊加作用下，巖體內的裂紋繼續向外擴展；t=448 μs時，巖體損傷范圍達到最大，損傷半徑為0.883 m，巖體損傷區包括巖石粉碎區和裂隙區，粉碎區的半徑遠小于裂隙區的半徑。當應力波繼續向外傳播時，應力波強度已不足以引起巖石的破壞，且爆生氣體壓力在傳播過程中幾乎被消耗殆盡，因此未觀察到巖體損傷范圍繼續增大。在該數值模擬結果中未看到明顯的環向裂紋，分析產生該現象的原因是RHT本構模型硬度較低，環向裂紋只有在堅硬巖石材料中才會由卸載波拉伸應力所產生。對比單孔數值模擬與現場試驗的巖體損傷范圍時發現，兩者所產生的巖體損傷范圍非常接近。由此表明，裝藥量為1.6 kg的單個73型液態CO2致裂管在隨州市繞城南路綜合管廊基坑巖體中的巖體致裂范圍約為0.9 m。

4 孔間距參數數值模擬

管廊基坑斷面為倒梯形臺階面，根據施工要求，為了使巖體爆破充分，有效利用爆破能量，有必要在采用73型液態CO2致裂管進行基坑巖體開挖之前應對炮孔間距進行優化設計。孔間距過大，雖然爆破的能量被充分利用，但應力疊加的強度難以使巖體發生破壞，此時在炮孔連線之間將形成非貫通爆破區域，孔間巖體將不能得到充分破碎。若孔間距過小，兩孔之間產生較大的應力疊加區，爆破能量浪費嚴重，不僅增大了鉆孔工程量，同時造成人力、物力的浪費[5]。在露天臺階開挖設計中一般根據最小抵抗線參數Wd和炮孔密集系數m進行炮孔間距的經驗計算，該方法由于經驗系數m取值不定，導致孔間距結果存在不確定性。為此，基于73型液態CO2致裂管現場試驗與單孔數值模擬的巖體損傷范圍對比結果，在進行基坑臺階爆破施工之前采用等效巖石炸藥的數值模擬方法確定該型號致裂管的最優孔間距是科學合理的。

4.1 模型建立

在雙孔爆破數值模擬中，為了確定73型液態CO2致裂管在臺階爆破中的最優孔間距，基于單孔爆破數值模擬結果，建立4.8 m×3.0 m的2D平面模型，在模型中間對稱布置2個孔間距De分別為1.2、1.6、1.8、2.0、2.2 m的圓形鉆孔，鉆孔直徑33 mm，裝藥直徑25 mm。巖體、炸藥和空氣采用與單孔RHT中相同的本構模型及參數，在模型的邊界上設置無反射邊界條件，防止應力波傳播到自由面后產生反射拉伸波造成數值計算的誤差。巖體采用Lagrange算法，炸藥和空氣采用Euler算法，模型單元數量577 040，節點數量1 157 202。雙孔爆破模型如圖6所示。

圖6 雙孔爆破數值模型Fig.6 Numerical model of double-hole blasting

4.2 結果及分析

不同孔間距下爆破裂紋擴展演化過程如圖7所示。當De=1.2 m、t=40 μs時，炮孔周邊巖體在沖擊波強烈壓縮作用下產生壓縮損傷區，未觀察到有明顯裂紋。當t=100 μs時，巖體壓縮損傷區進一步增大，且開始出現大量爆生裂紋。t=220 μs時，左右炮孔的爆生裂紋朝向中間連線方向擴展演化。t=460 μs時可以發現左右孔間裂紋完全貫通。由于兩孔間距較小，相鄰炮孔之間的巖體在應力波疊加和爆生氣體的組合作用下，出現了大量爆生裂紋，巖體破壞較為嚴重。同時由于爆破能量過多用于孔間裂紋區的貫通，出現了巖體裂紋分布不均的情況(見圖7a)。炮孔間距De分別為1.6、1.8、2.0、2.2 m時的裂紋擴展演化規律和孔間距De=1.2 m時的裂紋演變規律基本一致，首先出現巖體壓碎區，隨后裂紋開始衍生，并在壓縮波(應力波)和爆生氣體作用下逐漸擴展，直到應力波強度下降到只能引起巖體振動，損傷區范圍不再增大。

圖7 不同孔間距爆破數值模擬結果Fig.7 Numerical simulation results of blasting with different borehole spacing

由圖7可以看出，隨著相鄰孔間距逐漸增大，相鄰炮孔之間巖體中的裂紋貫通區發生明顯變化，貫通區經歷了從裂紋完全貫通到非連續貫通的過程，巖體經歷了從De=1.2 m時的充分破碎到De=2.0 m時的臨界破碎，到最后De=2.2 m時炮孔連線中間巖體破碎不充分，產生明顯大塊。因此，73型液態CO2致裂管臺階爆破相鄰最優孔間距為2.0 m。單孔爆破數值模擬結果顯示73型致裂管的巖體最大損傷范圍為1.766 m，雙孔爆破相鄰炮孔之間巖體最大損傷范圍相比單孔爆破巖體損傷范圍增加13.25%。由孔距De=1.6 m時的有效應力云圖(見圖8)可知，應力波的傳播速度比徑向裂紋傳播快，在t=180 μs時應力波首次疊加。

圖8 孔距1.6 m的有效應力Fig.8 Effective stress of 1.6 m borehole spacing

雙孔爆破時壓縮波在巖體內相遇出現了應力波疊加現象(見圖9)，在炮孔連心線上的Ⅱ點，A、B炮孔爆破產生的徑向應力和切向應力方向相同，連線方向的應力尤其是切向應力得到顯著加強，有利于裂紋的擴展。在炮孔連線中心線上Ⅰ點位置，A、B炮孔爆破產生的壓縮波在水平應力方向相反，有相互抵消作用，豎直應力方向相同，具有加強作用，更容易產生平行于炮孔連線方向的水平裂紋，圖7數值模擬結果中的裂紋擴展方向充分解釋了以上原理。但是隨著應力波不斷向外傳播，距離兩炮孔中心點位置越來越遠，峰值壓力衰減迅速，應力波豎直方向合力已不再具備使巖石產生拉伸裂紋的能力，以上表明相鄰炮孔裂紋貫通區只存在一定范圍內。

圖9 應力波疊加過程Fig.9 Superposed process of stress waves

5 結論

1)試驗表明，73型液態CO2致裂管的單孔最大裂紋長度為0.92 m，液態CO2相變爆破過程中只產生少量的揚塵和輕微的爆破振動響應。

2)基于數值模擬軟件和爆炸能量等效替換，73型液態CO2致裂器獲得的巖石最大損傷范圍為1.766 m，表明該數值模擬方法在進行73型液態CO2致裂管爆破性能模擬上具有較高的可靠性。

3)雙孔爆破數值模擬結果表明73型液態CO2致裂管雙孔爆破最優孔間距為2.0 m，貫通裂紋區只出現在相鄰炮孔部分巖體當中，在應力波疊加作用下雙孔爆破相鄰炮孔之間巖體最大損傷范圍相比單孔爆破巖體損傷范圍增加13.25%。

4)現場試驗和數值模擬相結合的方法確定了73型液態CO2致裂管的臺階爆破最優孔間距，有效保證了隨州市綜合管廊工程項目基坑開挖爆破效果，同時取得了良好的經濟和社會環境效益。