液态CO2相变破岩技术述评研究

谢晓锋，李夕兵，李启月，马海鹏，方莹，刘小雄

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 湖南军凯静爆科技有限公司，湖南 长沙 410008；3. 深圳市凯强力科技有限公司，广东 深圳 518112)

液态CO2相变破岩技术，属于物理爆破，是在高压空气炮的基础上发展而来，其设备为CO2致裂器，英国Cardox公司于1914年开始研制，称Cardox tube System。最初主要用于低透气高瓦斯煤层的致裂、增透和开采，以代替炸药，降低煤尘和减小瓦斯爆炸的风险[1−2]。20世纪80年代后，该技术逐步推广，英、法、美、俄等工业发达国家广泛应用于钢铁、水泥、电力等行业，进行结块清除、管道清堵、料仓破拱、破冰等[3−4]，目前，该技术正运用至岩体破裂、混凝土拆除、矿石开采、水下爆破等[5−7]。液态 CO2相变破岩技术在国内的应用和研究起步较晚，也取得了一些成果，主要集中在煤层增透、促进瓦斯抽采等方面。1992年，郭志兴[8]在平顶山七矿进行了CO2爆破筒地面实验，效果良好，表明CO2破岩过程不会产生火花，安全性较高。周西华等[9−10]利用 FLAC3D数值软件，以损伤力学和空气动力学为基础建立了煤层液态CO2爆破有限差分模型，分析了有效影响半径和布孔方式；孙可明等[11]进行了不同温压条件下的超临界 CO2气爆实验，结合孔内窥镜观测和外观测量手段，对爆后宏观裂隙数目和长度等爆破响应信息进行了统计分析。王兆丰等[12−16]对CO2相变破岩技术的TNT当量、顶板垮落、煤层增透、瓦斯抽采等方面进行了研究。张悦等[17]提出应用CO2增透预裂技术，提升煤层透气性系数与瓦斯抽放效率，提高工作面掘进效率，并进行了数值模拟和现场验证；孙建中[18]对液态CO2相变致裂后煤体中爆炸应力场进行了数值模拟，分析了不同致裂方式对煤层的增透效果。还有其他一些学者，如黄飞等[19−20]对液态CO2相变破岩技术进行了一定的研究。目前，液态CO2相变破岩技术已初步应用至岩土工程领域，但面临许多问题有待解决，如气量气压的选择、布孔参数的确定、泄放能量的控制、周边环境的影响等，因其与传统炸药爆破的作用机理不同，不能简单生硬的照搬炸药爆破的研究成果，问题的解决有赖于深入研究，但目前CO2破岩理论的研究少、深度浅，工程应用基本是依据经验的积累，理论研究落后于工程实践。液态CO2是一种优质的气爆介质，具有广阔的应用前景，其破岩优势尚未得到充分挖掘，加快推进其破岩理论的研究，才能进一步提升破岩效率，扩大工程应用范围。本文对液态CO2相变破岩技术的起源、原理、应用和相关研究等方面进行分析介绍，并对上述科学问题及后续研究重点进行展望。

1 液态CO2相变破岩技术

1.1 CO2性质

CO2常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，无毒性，密度比空气大，略溶于水。除一般的气态、液态和固态外，还存在一种特殊的超临界状态，当压力高于7.38 MPa且温度高于31.4 ℃时，CO2进入超临界状态。超临界CO2(SC-CO2)是一种不同于其他3种相态的特殊流体，其分子扩散系数高，接近于气体，但密度高，接近于液体，可由常温常压下的常态连续变化到超临界相态，没有边际效应。液态 CO2相变破岩技术正是利用 CO2的这种特殊性质实现破岩，图1为CO2三相图。

1.2 CO2致裂器的常规结构

CO2致裂器主要由充装头、发热管、储液管、定压剪切片和泄能头组成，其结构如图2所示。

图2 CO2致裂器结构图Fig. 2 Structure of CO2 fracturer

各主要组件的作用如下。

1) 充装头：液态 CO2经充装头压入储液管，具有较高的密封性能，可重复使用。

2) 储液管：由高强度合金钢材制成，耐高压高温，用于储存液态CO2，并作为反应容器，可重复使用。

3) 发热管：内置快速燃烧产热药剂，为储液管内液态CO2相变提供热量，一次性耗材。

4) 定压剪切片：储液管的内压超过其破裂强度时破裂，其厚度可控制泄放压力，一次性耗材。

5) 泄能头：CO2流突破定压剪切片，经泄能头喷射而出，可控制射流方向。

液态CO2相变破岩技术的主要设备除了一定数量的CO2致裂器，还有CO2储液罐、充装控制台、旋紧机等。其中，消耗品主要为液态CO2、发热管和剪切片，耗材成本主要集中在发热管。

1.3 液态CO2相变破岩原理

常温下，储液管内充装满液态CO2，将致裂器放入致裂孔，引出信号线并封孔后，启动起爆器，发热管内的化学药剂瞬间燃烧产生大量热能，管内压力和温度达到并超过临界点，CO2进入超临界状态，管内压力骤升，达到剪切片破裂强度时，SC-CO2突破剪切片经泄能头喷射而出，高压射流冲击作用在岩体上，在岩体中激发应力波。孔壁近区的岩体在高压冲击下形成压碎区，远区的岩体在拉剪应力下破裂形成破裂区。SC-CO2压力大密度高又易扩散，使冲击裂隙和原生裂隙不断往前发展、贯通，同时，压力会逐渐降低，SC-CO2射流的外边界随即气化，体积迅速膨胀，在气体的尖劈效应下，裂隙继续延伸，直至裂纹尖端应力因子小于岩体的断裂韧度。

液态CO2相变破岩是应力波冲击和气体尖劈效应相互作用的结果。一般来说，对于完整岩体，岩体破裂以应力波的冲击效应为主，而原生裂隙较发育的岩体，以气体的膨胀尖劈效应为主。

液态 CO2标况下体积膨胀约 600倍，SC-CO2射流压力可达200 MPa。

1.4 应用领域

液态CO2相变致裂技术推广以来，由煤层增透、煤炭开采逐步应用到其他工业领域，如结块清除、管道清堵、料仓破拱、破冰等。随着技术的发展，泄放能量、致裂效果和破岩效率逐步提升，在岩体破裂、混凝土拆除、矿山开采、水下爆破等领域均有初步运用。

管道料仓等部位，容易结块成拱，影响生产，利用液态 CO2相变致裂技术进行清堵破拱是最安全、最经济、最高效的方法，不需人员进入、不需停止生产、无污染、无危险。

在岩体开挖时，液态CO2相变破岩技术是一种负面效应较小的快速破岩方法，是非炸药物理破岩新技术，适合基坑、边坡、沟渠、矿山等开挖。

目前，液态CO2相变破岩技术主要应用于露天岩体台阶开挖，是不能采用炸药爆破时的首选非爆破岩方法，对工程规模和场地条件的要求很低，适用范围很广。从几个立方米的孤石破裂到数万立方米的岩体开挖工程，从低强度软岩到高强度硬岩，从裂隙发育岩体到完整岩体，CO2破岩技术都具有较高的破岩效率，能够满足工程需要。并且，场地条件越是复杂，周边环境要求越高，就越能体现CO2破岩技术的优越性。

1.5 破岩优势

在城镇近接工程岩体开挖时，常规炸药爆破可能对周边环境产生破坏性影响，质点振动速度不满足《爆破振动安全允许标准》，必须采用其他非炸药破岩方法，如机械凿岩、液压劈裂、静态破碎剂破裂等，但其破岩效率较低，难以满足工程成本和工期的要求。液态CO2相变破岩技术正好克服了传统炸药爆破的缺陷，且破岩效果好，满足工程要求，其优势主要有：

1) CO2是阻燃气体，泄能过程为物理反应，属于“冷爆破”，无火花，不产生有害气体，不引起爆炸，粉尘少，飞石少，并且液态 CO2来源广、经济；

2) 泄能破岩过程振动小，衰减快，不产生爆轰波，对周边环境影响小；

3) 起爆后不需验炮，哑炮处理简单，可连续作业；

4) 设备主要组件可重复使用，其储存、运输、使用、回收等无需行政审批；

5) 能量释放的大小和方向可控，串联可实现中深孔破岩，组网可实现多排同时起爆；

6) 相关设备操作简单，现场实施方便，可购买整套设备自行施工，也可采购破岩服务。

2 进展研究

2.1 冲击压力的测定

发热管激活后，化学药剂快速燃烧产生大量热能，液态CO2在高温高压下进入超临界状态，管内压力骤升使定压剪切片破裂，SC-CO2射流冲击作用在孔壁上，破岩成缝，SC-CO2沿裂隙侵入，压力下降而气化膨胀，由尖劈效应而进一步破裂岩体，CO2泄能破岩过程瞬间完成。准确测量这种瞬态高压信号较难，常规压力传感器受采集频率、量程、尺寸、机械强度等限制，不能胜任极端环境下的测量工作。

通过对比研究，采用PVDF压电薄膜传感器来进行CO2相变破岩冲击压力的直接测量。测量系统使用电流模式，由PVDF压电薄膜传感器、信号线、放电电阻、示波器和计算机组成，如图3所示。PVDF压电薄膜传感器具有尺寸小、厚度薄(微米级)、灵敏度高、机械强度高、测压范围宽(0～20 GPa)、动态频响快(纳秒级)、频带响应宽(10−3～109Hz)等优点，是理想的瞬态荷载测量传感器，测压依据是压电原理，即压电薄膜产生的电荷量与所受的压力成正比，计算过程如式(1)～(3)所示。

PVDF传感器产生的电荷总量为：

单位面积产生的电荷总量为：

由压电方程可得测点处的冲击压力为：

式中：R为放电电阻阻值；U(t)为示波器记录的电压信号；A为PVDF传感器的有效作用面积；d为PVDF传感器的压电系数。

图3 冲击压力测试系统Fig. 3 Testing system of shock pressure

运用此测试系统在长沙某地铁基坑CO2破岩现场进行泄放压力实测。钻孔深3.5 m，由3根致裂管串联组成，单管液态 CO2的充装量为 1.6 kg，PVDF传感器黏贴在管壁和泄能头腔内。

液态CO2相变破岩过程非常复杂，孔隙、裂隙内同时存在高压SC-CO2和气态CO2，与岩体和致裂管相互作用，使PVDF传感器电信号出现一定的震荡。典型的冲击压力曲线如图4所示，钻孔内压力达158.3 MPa。

CO2泄爆过程有一声闷响，分贝不大，粉尘少，飞石少，破裂后岩块的块度适中，便于施工机械移除。CO2泄爆后，施工人员和施工机械即可进入现场，施工效率高。

图4 典型的相变冲击压力曲线Fig. 4 Typical shock pressure curve of CO2 blast

2.2 CO2破岩振速测试

城镇内建筑物密集，岩体开挖多为近接工程，振速限制严格，为研究液态CO2相变破岩的振动效应，在益阳某露天矿进行了振速测试。沿台阶方向布置6个致裂孔，孔深为5 m，孔内均串联4根致裂器，平均抵抗线为3 m，单管充装1.6 kg液态CO2，单孔气量为6.4 kg，一共38.4 kg，同时起爆，致裂孔和传感器布置如图5所示。

图5 钻孔和监测点布置图Fig. 5 Arrangement diagram of drill holes and monitoring points

典型的振动时程曲线，以3号传感器为例，振中距为2.1 m，如图6所示。CO2泄爆破岩时，振动信号的频率组份以低频为主，各分速度的主振频率均在10 Hz以下，振动时程曲线没有炸药爆破时的高频震荡。振速衰减曲线如图7所示，可知，质点振速随振源距快速衰减，距振源5 m时振速即降至2.5 cm/s以下，远小于炸药爆破，影响范围较小，数米外即满足《标准》对一般建筑的振速要求。

图6 典型的振动时程曲线Fig. 6 Typical vibration time-history curves

图7 振速衰减曲线Fig. 7 Decay curve of vibration velocity

2.3 CO2破岩隧道掘进

CO2相变破岩技术进行台阶开挖时，为钻取竖直孔，破岩方向有临空面，便于岩块抛出，这在基坑开挖、矿山开采等工程领域都有成功应用，相关工程经验比较丰富。但地下工程的开挖，如隧道掘进，上台阶开挖时没有钻取竖直孔的条件，需进行掏槽破岩，创造临空面。为研究CO2破岩技术应用于隧道掏槽破岩的可能性，在长沙某隧道施工时将CO2破岩技术首次运用至地下空间开挖。

该隧道围岩为砂质板岩，以原生构造裂隙为主，缝内无充填，不贯通，层间结合良好，属于II级围岩。在隧道上台阶对称布置水平掏槽孔6个，孔深2 m，水平角45°，孔内致裂管1根，封孔段长0.9 m，封孔材料为速凝剂，如图8所示。

图8 掏槽孔布置图Fig. 8 Front and top view of arrangement plan of cutting hole

起爆后，形成一个约2.5 m3的槽腔，成槽效果较好，如图9所示，表明CO2破岩技术运用于隧道掘进是可行的，但受工作面限制，施工没台阶破岩方便，且水平孔封堵难以密实，封孔浆液凝固时会有一定的下沉，在顶面形成空隙，耗散能量，可能引起“飞管”，导致破岩失败，封孔严密是破岩成功的关键。CO2破岩技术在地下空间开挖的运用推广，

需要在理论研究和工艺实践上进一步探索。

图9 气爆成槽效果Fig. 9 CO2 blasting effect

2.4 封孔器的研制

液态CO2相变破岩效果很大程度上取决于致裂孔的封堵密实性，目前常用的封孔材料是钻屑、黄沙或水泥等传统材料，操作工艺耗时费力，封孔效果也不好，使用速凝剂等新型材料，成本较高，同样施工耗时。封孔不严密，泄爆过程会耗散大量能量，弱化破岩效果，同时会增大“飞管”的可能性，威胁人员财产安全。可以说，目前的封孔工艺在一定程度上制约了CO2破岩技术的发展与应用，需设计一种操作简便效果可靠的封孔方法。

在许多工程经验的基础上，研制了一种CO2破岩楔形封孔器，包括内筒和外筒两部分，内筒壁从上到下由薄渐厚，上部对称开4条缝；外筒壁从上到下由厚渐薄，下部对称开4条缝。内外筒组合在一起后，两端均有一小段未接触的伸出部分，内筒伸出一小段以露出拴绳孔便于拉紧楔形筒，外筒伸出一小段以利于聚集气体推动内筒相对外筒往上运动。此结构简单，操作简便，利用楔形几何原理锁紧致裂管与孔壁，使致裂孔严密不漏气，降低“飞管”概率，也可与传统封孔材料结合使用，增强封孔效果，如图10所示。

图10 楔形封孔器Fig. 10 Constitute and assemble of wedge-shape hole packer

3 有待深入开展的研究

液态CO2相变破岩技术自应用以来，已取得了一定的进展，积累了许多工程实践经验，但相关理论的研究仍比较薄弱，相关工艺技术仍比较繁琐，CO2破岩技术的推广普及，需进一步深入研究破岩理论、提高破岩效率、优化操作工艺。

3.1 定压剪切片厚度与冲击压力的关系

CO2破岩技术是一种泄爆能量可控的非炸药破岩新方法，通过调整定压剪切片的厚度来控制能量释放的强度。剪切片越厚，其破裂强度就越高，泄爆冲击能量就越大，但其厚度与冲击强度之间的定量关系尚未明确。厚度大，管内压力不足以撑破剪切片，厚度小，冲击能量不足以裂开岩体，均会导致破岩失败。同时，并非冲击能量越大，破岩效果就越好，破岩效果的优劣还取决于工程岩体和工程环境，不同的工程条件需要匹配不同的冲击能量，需采用不同厚度的定压剪切片，而不是用一种规格的剪切片去适用各种工程条件下的岩体开挖。节理裂隙发育的岩体，某厚度的剪切片对应的冲击能量可能大了，可能导致“飞管”和大量飞石，不仅降低了能量利用率，更会对周边环境带来安全隐患，对完整岩体，该冲击能量可能又小了，达不到破岩效果。因此，要明确剪切片厚度与冲击强度之间的定量关系，不同岩体采用适用的、最优的剪切片，发挥最佳的破岩效果。

不同厚度的定压剪切片如图11所示，通过MTS和SHPB等设备对其进行静载、动载以及动静组合力学实验，探究不同厚度剪切片的机械破裂强度。

图11 不同厚度的定压剪切片Fig. 11 Rupture disk of different thickness

3.2 裂隙对CO2破岩的影响

工程岩体一般都存在原生裂隙，CO2破岩机理不同于炸药爆破，主要靠“爆生气体”冲击波效应和尖劈效应破裂岩体。节理裂隙的存在，可能耗散冲击能量，弱化破岩效果，也有可能起到诱导破岩的作用。节理裂隙模型如图 12所示。合理布置致裂孔和泄能方向，利用原生裂隙诱导致裂，提高破岩效果和效率，需研究裂隙对CO2破岩的影响。

图12 部分节理裂隙模型图Fig. 12 Rock models with cracks

3.3 剪切片相对方向对破岩效果的影响

目前，致裂器的剪切片位置为垂直于泄能口，CO2射流突破剪切片后，先冲击泄能头腔底，再反射转向从泄能口喷射出。这不仅损失了冲击能量，削弱了破岩效果，同时，强大的冲击流作用于泄能头，容易对泄能头和连接处造成破坏，形成的冲击反力也会增加“飞管”概率。将剪切片与泄能口相对位置改为平行型，CO2射流突破剪切片后直接冲击作用在岩壁上，可提高破岩能量的利用率，避免对设备的损坏，减小“飞管”概率。设备改进的可行性、对破岩效果的影响，还需深入研究，剪切片与泄能口的相对位置如图13所示。

图13 剪切片与泄能口的相对位置Fig. 13 Relative position of rupture disk and discharge opening

3.4 其他研究内容

液态CO2破岩理论的研究刚起步，还有许多内容需要深入探索，比如：CO2破岩数值模拟；气量对破岩效果的影响；冲击强度与作用时间对破岩效果的影响；初始地应力的影响；现场工艺优化等。

4 结论

1) CO2破岩技术自应用以来，由煤层增透逐渐扩展到岩体破裂，作为物理破岩方法，克服了传统炸药爆破危险性高、破坏性大的缺点，为岩体开挖提供了新思路，是一种前景广阔的岩体开挖技术。

2) 工程实践充分证实了 CO2台阶破岩的有效性和可靠性，泄爆压力高，破岩效果好，同时对周边环境的影响小。CO2掏槽破岩时，封孔难以密实，封堵严密是成功的关键，封孔器的研制有助于问题的解决。

3) 深入推进 CO2破岩理论研究和现场工艺优化，是液态CO2相变破岩技术进一步推广运用的必要条件，也是适应现代岩体破碎工程的要求。

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