CO2相變爆破致裂管內壓力變化試驗研究

尤 橫,岳中文,楊海斌,,王尹軍,郭寶江,李繼紅,張風軍,苗玉杰

(1.中國礦業大學力學與建筑工程學院,北京 100083;2.河北云山化工集團有限公司,河北 邢臺 054011;3.礦冶科技集團有限公司,北京 100160)

作為一種新型爆破技術,CO2相變爆破符合綠色環保、經濟合理、安全可靠的精細爆破要求,近年來發展迅速,被廣泛應用于煤層瓦斯增透、基坑開挖和石方開采工程,取得了較為理想的效果。有學者運用理論、實驗室試驗、數值模擬和現場試驗等方法研究了CO2相變爆破機理和技術。在巖體致裂效果和應用方面,詹德帥[1]、王明宇[2]和郭云龍等[3]對高壓CO2氣體沖出作用于巖體的致裂效果進行相關研究,得出巖體裂紋擴展的相關規律。劉小雄等[4]對CO2相變致裂過程中的頻譜特征和能量分布進行研究,得出致裂過程中振動的相關規律。郭云龍等[5-6]通過將CO2相變爆破產生的能量換算成炸藥當量來研究相變爆破產生的巖體損傷、爆破振動等。王兆豐等[7-12]將CO2相變致裂技術應用于富瓦斯煤層,有效提高了瓦斯抽采效率。此外,CO2相變爆破技術還在地鐵施工[13]、基坑開挖[14]和露天礦山開采[15-16]中有大量應用,取得了良好效果。在致裂器沖出壓力研究方面,部分研究者[17-19]發現其致裂壓力曲線與爆破荷載較為相似,均為近三角形式,但其升壓速率與壓力作用時間和爆破荷載有明顯區別,其屬于中應變率長持時荷載。在致裂管內壓力測試方面,郭勇等[20]研究了致裂管中壓力與時間變化規律,并且分析了溫度對壓力變化的影響。肖城旭[21]試驗研究發現泄能片厚度對致裂管中壓力大小起決定性作用,并且理論分析了致裂管中CO2充裝量對壓力和溫度的影響。趙飛[22]和周西華等[23]通過測試管中壓力變化,分析了煤體在相變爆破過程中受力狀態,為煤體開采和增透提供了依據。但是對于在不同變量條件下致裂管體內不同位置處壓力變化規律的研究較少,需要進一步探討和分析。

采用壓力測試系統對73型號致裂管內不同位置處進行壓力測試,得出了在不同條件下致裂管內不同位置處壓力變化規律,為現場工程應用提供技術支撐。

1 試驗系統及設計

1.1 試驗系統

試驗所需的設備儀器包括壓力傳感器、固定架、73型號致裂管、信號放大器、示波器、CO2充裝機和液態CO2儲液罐。試驗系統如圖1所示。

注:1-固定架;2-壓力傳感器;3-CO2致裂器;4-信號放大器;5-信號傳輸線;6-示波器。

1.2 試驗設計

在外徑為73 mm、壁厚14 mm、長度為945 mm的致裂管體一側相隔等距離鉆出4個螺紋孔,將相同規格的壓力傳感器分別擰入孔中。從充裝頭到泄能頭方向分別為測點1、2、3、4,其中測點1和4分別距離管體內腔端壁均為90 mm,并且4個測點位置相距均為215 mm。放入泄能片和激發藥劑,使用天平稱量充入的CO2質量,將致裂管固定于支架中,連線安全起爆后,示波器記錄此過程致裂管中壓力變化。壓力傳感器布置如圖2所示。

注:1.2.3.4-測點;5-壓力傳感器;6-泄能頭;7-致裂管體;8-激發藥劑;9-充裝頭。

通過改變激發藥劑質量、CO2充裝質量和泄能片厚度組成12組試驗方案,如表1所示。

表1 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 壓力-時間曲線分析

試驗測出的壓力-時間曲線如圖3所示。曲線表明,通電使激發藥劑起燃放出熱量,致裂管內壓力會有一個緩慢上升過程,之后逐漸加快到達峰值壓力,此過程需要數百毫秒,到達峰值壓力時,泄能片破開,管內壓力急速釋放,在數十毫秒時間內達到零壓,之后壓力依然會下降,使管內處于一個負壓狀態,達到低谷后,管外空氣涌入,管中壓力處于緩慢上升狀態并趨于零壓,此過程需要數百毫秒時間。

圖3 測點處壓力變化Fig.3 The pressure change at the measuring point

CO2的熔化熱為196.65 J/g,氣化熱為570.08 J/g,恒容比熱容為0.63 J/(g·K-1),分析認為致裂管內壓力變化大致分為4個階段:a)固液態CO2吸熱膨脹階段(0～270 ms);b)氣態CO2吸熱膨脹階段(270～390 ms);c)高壓氣體沖出階段(390～410 ms);d)管中壓力緩慢上升至零壓階段(410～1 000 ms)。第1階段中,管中壓力成線性緩慢增長,由于此時致裂管中的CO2處于固液態狀態,分子間距和運動速度都較小,CO2的熔化熱和氣化熱數值都較大,單位質量的CO2氣化成氣體需要較高的熱量供給,此時管中壓力上升只是由于CO2從固液態氣化為氣態,其分子間距增大的結果。第2階段中,絕大部分的CO2已經處于氣體狀態,由于CO2的比熱容相比其熔化熱和氣化熱較小,因此激發藥劑燃燒剩余的熱量使管中溫度急劇升高,CO2氣態分子運動速度加快,此階段管中壓力呈指數形式增長,在100 ms左右的時間內,壓力可升高數百兆帕。第3階段中,泄能片在管中高壓和泄能頭棱角共同作用下發生壓剪破壞,管中高壓氣體迅速經泄能口沖出,此時的管中壓力急劇下降,在10 ms左右時間內,從峰值正壓降低至峰值負壓。第4階段內由于致裂管內處于負壓狀態,周圍環境中的氣體開始經泄能口向管內回流,使管中壓力上升至零壓,由于此過程中,管中與環境壓差逐漸減小,升壓速率逐漸變小,壓力上升減慢,此過程大約需要600～800 ms甚至更長時間。

2.2 峰值壓力分析

CO2充裝質量、泄能片厚度和激發藥劑質量不同時,管內達到的峰值壓力會隨之改變。具體峰值壓力數值如表2所示。

表2 峰值壓力測試結果

試驗結果顯示,測點3與測點4處的峰值壓力較大,測點1與測點2處的峰值壓力較小,其中測點3處峰值壓力是測點2處峰值壓力的1.30～1.67倍。分析認為,激發藥劑的點燃點靠近充裝頭端,其點燃后放出熱量,導致其周圍的CO2吸熱迅速膨脹與遠處形成壓力差,并且由于火焰沿著柱狀激發藥劑傳播,使管體中生成多重壓力波。生成的壓力波沿著管腔向泄能頭端方向傳播,到達端部后,經過泄能片和管體端壁反射形成反射壓力波,與后來的壓力波相互多重疊加,使管體末端區域出現高壓現象。致裂管腔中壓力波疊加如圖4所示。

圖4 致裂管中壓力波疊加Fig.4 Pressure wave superposition in thecracking tube

2.2.1 激發藥劑質量對峰值壓力影響分析

不同測點處峰值壓力隨激發藥劑質量變化如圖5所示。在CO2充裝質量為1 000 g和泄能片厚度為4.0 mm前提條件下,改變激發藥劑質量,獲得了激發藥劑在160、180、200、220和240 g條件下不同測點處的峰值壓力。分析發現,在一定范圍內,峰值壓力會隨著激發藥劑質量增加而增大,多于最優激發藥劑質量后,峰值壓力反而會下降。

圖5 峰值壓力隨激發藥劑質量變化關系Fig.5 Change relationship of peak pressure withstimulating agentmass

CO2相變爆破過程中泄能片受壓剪作用如圖6所示。分析認為,致裂管中能夠達到的峰值壓力與泄能片的壓剪強度有關,當管中壓力達到一定數值使泄能片發生壓剪破壞后管中高壓氣體釋放,管中壓力便開始下降。

圖6 泄能片受壓剪作用Fig.6 Pressure-shear action of energe release film

在試驗中,泄能片厚度均為4.0 mm,激發藥劑被點燃后,管中壓力開始上升,因此泄能片從激發藥劑點燃便開始受壓剪作用,可將管中壓力上升時間作為泄能片的受壓剪時間。試驗測得的壓力上升時間和泄能片受壓剪速度如表3所示。

表3 不同質量激發藥劑下壓剪速度

試驗結果表明,180 g藥劑時,對泄能片的壓剪速度最大,240 g激發藥劑時壓剪速度最小,試驗的結果完全符合材料的壓剪強度隨壓剪速率增加而增加的結論。分析認為,致裂管中的CO2質量與激發藥劑質量存在一個合適配比,使管中壓力可以持續升高達到較高峰值,此試驗中合適配比為50∶9。當配比小于該數值時,即激發藥劑質量偏高,CO2完全轉化為氣體后還剩余大量熱量,這些熱量使管內溫度升高至較高數值,對于管內壓力增加無顯著作用,當激發藥劑質量偏低時,其釋放的熱量不足以加熱氣態CO2,甚至一部分CO2還處于固液態狀態,導致管中壓力較低。

2.2.2 泄能片厚度對峰值壓力影響分析

不同測點處峰值壓力隨泄能片厚度變化如圖7所示。在CO2充裝質量為1 000 g和激發藥劑質量為180 g前提條件下,改變泄能片厚度,獲得在泄能片厚度為2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 mm下的各測點處峰值壓力。分析發現,在一定范圍內,各點峰值壓力會隨著泄能片厚度增加而增大。致裂管不同位置處達到的峰值壓力不同,測點3處峰值壓力最大,測點2處峰值壓力最小,其兩點相差1.37～1.46倍。

圖7 峰值壓力隨泄能片厚度變化關系Fig.7 Change relationship of peak pressure with thickness of energe release film

理論計算致裂管中壓力峰值,一般采用如下公式[6]

(1)

式中:Pg為致裂管中壓力峰值;σs為泄能片的抗剪強度;δ為泄能片厚度;R為泄放孔半徑。

理論計算的致裂管中峰值壓力與泄能片的厚度成正相關,對于試驗中用到的不同厚度的泄能片,其理論峰值壓力比值即為泄能片厚度的比值。不同厚度泄能片的理論與試驗測得的峰值壓力比值如表4所示。

表4 泄能片不同厚度比值下的峰值壓力比

分析發現,致裂管中的峰值壓力理論增長倍數更接近管體中部的實際試驗增長倍數,管體兩端的實際峰值壓力增長倍數與理論增長倍數相差較大。試驗中對于不同厚度的泄能片,管中各點處峰值壓力增長倍數相差較小,各點處的峰值壓力差值隨泄能片厚度增加而呈增大趨勢。

2.2.3 CO2充裝質量對峰值壓力影響分析

不同測點處峰值壓力隨CO2充裝質量變化如圖8所示。在泄能片厚度為4.0 mm和激發藥劑質量為180 g前提條件下,改變CO2充裝質量,獲得在CO2充裝質量為800、900、1 000和1 100 g下的各測點處峰值壓力。分析發現,在一定范圍內,各點峰值壓力會隨著CO2充裝質量增加而增大,隨著CO2充裝密度從0.67 g/cm3增加至0.92 g/cm3,其各點處的峰值壓力增長了44.01%～64.17%。致裂管不同位置處達到的峰值壓力不同,測點3處峰值壓力最大,測點2處峰值壓力最小,其兩點相差1.30～1.49倍。

圖8 峰值壓力隨CO2充裝質量變化關系Fig.8 Change relationship of peak pressure withfillingmass of CO2

2.3 泄壓時間分析

每次試驗固定激發藥劑為180 g和泄能片厚度為4.0 mm不變,改變CO2充裝質量,其泄壓持續時間會發生改變。其泄壓時間具體數值如表5所示。

表5 泄壓持續時間測試結果

不同測點處泄壓時間隨CO2充裝質量變化如圖9所示。研究結果表明,當CO2充裝質量增加時,致裂管中泄壓持續時間會增加。CO2的充裝密度從0.67 g/cm3增加至0.92 g/cm3,即充裝密度增加37.31%,泄壓時間測點1增長139.15%,測點2增長262.26%,測點3增長166.16%,測點4增長235.45%。

圖9 泄壓時間隨CO2充裝質量變化關系Fig.9 Change relationship of pressure relief time with fillingmass of CO2

分析認為,4個測點處的泄壓時間并不一致,其泄壓時間測點1和3較小,測點2和4較高,由此推斷出在泄壓過程中,管中高壓氣體并不均衡,壓力出現高低峰現象。靠近泄能口處的測點4泄壓時間最長,在其泄壓過程中,管體深處的氣體對其進行補充,保證其能夠持續泄壓。

2.4 單根致裂器爆破能量的乳化炸藥當量計算

致裂管中CO2絕大部分以液體形式存在,因此采用壓縮氣體和水蒸氣的爆炸能量計算公式計算其爆破的能量[24],如下式:

(2)

式中:ω為CO2相變爆破能量;P1為致裂管中峰值壓力;V為致裂管容積;P2為標準大氣壓;K為CO2絕熱指數,K=1.295。

經過試驗測試,當CO2充裝質量為1 100 g,激發藥劑質量為180 g,泄能片厚度為4.0 mm時,致裂管中峰值壓力可達333.30 MPa,致裂管容積為1.2 L,求得的爆破能量ω為1136.16 kJ。

乳化炸藥當量可用下式計算:

(3)

式中:Q為乳化炸藥的爆熱,Q=3 009 kJ/kg。

經計算,單根致裂器爆炸能量為0.378 kg的乳化炸藥。

此外,研究還發現,當激發藥劑質量或者充入的CO2質量過少時,相變過程產生的壓力不足以完全剪切開泄能片,泄能片在致裂管中壓力和泄能頭共同作用下會產生較大壓剪變形和位置松動,管中高壓氣體會緩慢釋放,此過程的泄壓時間會持續數秒時間,其壓力變化曲線如圖10所示。

圖10 泄能片壓剪變形下致裂管中壓力變化Fig.10 Pressure change in crack tube under pressure-shear deformation of energe release film

3 結論

1)致裂管中的壓力變化與激發藥劑質量、CO2充裝質量和泄能片厚度有關,壓力曲線變化過程大致分為4個階段:線性緩慢上升階段、指數急劇上升階段、高壓氣體沖出階段和緩慢回歸零壓階段。

2)CO2充裝質量與激發藥劑質量存在一個合適配比使致裂管內壓力升高到較大數值,配比數值過大或過小均對管中峰值壓力增加有消極作用,致裂管中不同位置處的峰值壓力不同,靠近泄能頭處的峰值壓力大于靠近充裝頭處的峰值壓力,最大峰值壓力處的壓力是最小峰值處壓力的1.30～1.67倍。

3)CO2充裝質量對泄壓時間有明顯影響作用,致裂管中CO2充裝密度增加37.31%時,泄壓時間可增長139.15%～262.26%,在泄壓過程中,管中壓力并不均衡,出現高低峰現象。

4)對于73型號致裂管,當CO2充裝質量為1 100 g、激發藥劑質量為180 g和泄能片厚度為4.0 mm時,其致裂管內產生的峰值壓力最大,泄壓持續時間最長,單根致裂器爆破能量相當于0.378 kg的乳化炸藥,可為工程應用提供參考。