二氧化碳爆破在水库大坝施工中的应用分析

(山东水总有限公司，山东 济南 272100)

1 引 言

二氧化碳爆破始于20世纪50年代，80年代在美国开始发展，主要是想避免因炸药爆破产生火焰引起爆炸事故而专门为高瓦斯矿井的采煤工作面研发的。2015年，随着科技的发展，国内二氧化碳爆破器材厂商逐步涌现(主要部件仍然依靠进口，国产故障率略高) ，但当前其成熟度不足，仍处在不断成长和发展阶段。

目前二氧化碳爆破在水利工程方面的水库大坝施工中应用较多，大坝[1]是拦挡水河的堤堰，可分为土坝、重力坝、混凝土面板堆石坝、拱坝等。

2 二氧化碳冷爆破原理

二氧化碳冷爆破原理就是将二氧化碳气体在一定的高压下转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器(爆破筒)内，装入安全膜、破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了爆破前的准备工作。将爆破筒和起爆器及电源线携至爆破现场，把爆破筒插入钻孔中固定好，连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生的高压使岩体开裂(见图 1)。

图1 二氧化碳冷爆破工作原理示意图

3 二氧化碳爆破技术在实际施工中的系统构成[2]

庄里水库位于山东省南四湖湖东地区十字河流域，地处枣庄市的滕州市和山亭区境内，坝址位于滕州市羊庄镇西江和前台村北。水库设计总库容1.33亿m3。

该工程使用二氧化碳爆破的原因如下：

由于该工程中导流明渠桩号0+354～0+460处距离西江村民房较近，为加快施工进度、保证工期，在该导流明渠段采用二氧化碳爆破方法进行施工。

二氧化碳爆破技术在该工程中的施工工艺如下：

首先，采用充装机将液态的二氧化碳装入爆破管内(还要装入爆破片、加热器等)，并将爆破管装入炮孔，对炮孔进行严密封闭；然后采用智能云安全发爆器激活爆破管里面的加热器，使液态二氧化碳在快速加热的条件下，急速膨胀1000～2000倍以上，产生强大的冲击力。然后，冲破爆破片，沿着设定的出气孔快速冲出，冲出后，由于爆破钻孔封闭，不能自由外泄，从而对周围的岩石产生冲击，产生破坏作用，形成破岩效果。

智能二氧化碳冷爆破系统由地面操作间装备、施工现场设备，以及智能云系统平台组成。设备配置见表1。

表1 设备配置

3.1 地面操作间与设备

地面操作间应设置在井口附近，有轨道直接进入的地方，面积 50m2以上。便于分类、分区域存放爆破管等。地面操作间的设备有二氧化碳储液罐、充装机、充装台、拆装机等(如图 2所示)。

图2 地面操作车间设备示意图

操作间的作用是充装爆破管、存储爆破管、发放爆破管，以及对相关设备的维修等。

3.2 施工现场设备

设备主要是爆破管、智能云安全发爆器、90型风动钻岩机。

3.2.1 爆破管

爆破管是智能二氧化碳冷爆破的核心设备之一，结构见图3，由储液管、充装头、释放头等组成。采用超强度的特殊钢材经过特殊处理而成，具有极高的强度和韧性(见图3)。

图3 二氧化碳冷爆破管结构示意图

3.2.2 智能云安全发爆器

图4 智能云安全发爆器

如图4所示，智能云安全发爆器，是点燃爆破管内加热器的核心设备，同时具有微差起爆实现光面爆破的功能。人员闭锁、时间闭锁、地点闭锁等多参数闭锁，确保不安全就不能起爆的本质安全功能，以及与智能云通信连接等功能。

3.2.3 钻眼设备

150型凿岩机是以压缩空气为动力的中深孔凿岩机具，适用于0.9m×0.9m到2.0m×2.0m的断面，钻孔直径100mm，有效孔深 3m。在岩基中采用直径 100mm的十字形合金钎头，平均纯凿岩速度可达680mm/分。该钻架结构简单，拆运方便，工作安全可靠，效率高。

3.3 智能云系统平台

智能云系统平台，是监管监控二氧化碳冷爆破的智能平台(见图5)。其主要功能如下：

a.收集每一次的冷爆破数据，包括孔深、孔数、孔距、岩性、爆破效果，以及起爆时间、操作人员、地点等。

b.对冷爆破作业实现安全闭锁，不安全就不能起爆。

c.为改进完善冷爆破作业提供数据支持。

d.强化管理力度，避免事故发生。

图5 智能二氧化碳冷爆破智能云平台示意图

4 二氧化碳爆破技术的作业步骤

4.1 总体操作步骤

在地面操作间组装→充装气体→采用皮卡车运输到爆破地点→起爆→回收报管→运输到地面车间→拆卸清洗→再组装

4.2 地面操作间操作步骤

4.2.1 二氧化碳冷爆破管充装前的准备工作

a.需要给充装机、拆装机供应 380V 交流电。

b.储液罐有足够的液态二氧化碳。

c.爆破管和相应的耗材(加热棒、爆破片、垫片)。

d.万用表、钳子、扳手、内六角等工具。

4.2.2 组装

a.将爆破管储液管放在陈列架上，将铁丝插入主管中，并使带钩的一端从主管刻字的一端伸出。然后用铁丝钩住加热装置的导线并拉动铁丝使导线从储液管的另一端伸出。

b.将定压剪切装上密封垫，并与加热装置的导线连接在一起(注意定压减切片凸起的一端朝里)。然后拉出加热装置，使定压减切片完全进入储液管内。

c.先拧紧释放管，再拧紧充装阀，均拧到手无法拧动为止。

d.将拧好的爆破管放在拆装机钳口上，并将充装阀一头插入拆装头里。然后顺时针旋转急停按钮，按下启动按钮以启动拆装机。

e.按住夹紧按钮压力上升到10MPa以上后放开。然后按住紧固按钮，当压上升至10MPa时，放开紧固按钮。

f.按住松开按钮，然后将爆破管掉头。

g.重复步骤e。

h.测量电阻，电阻在1～2Ω为正常。

4.2.3 充气

a.将爆破管放在充装台上对好充装孔，拧紧夹紧杆并用内六角扳手打开充装阀。然后打开爆破管所对应的球阀，关闭没有爆破管的球阀。

b.按下充装机上的清零键，将称重仪表清零。

c.放气：每天首次工作前，需要放气，将整个管道排空。先打开充装台上的进口球阀和出口球阀。然后按下放气按钮，直到出口球阀喷出连续不断的白色气体后，关闭出口球阀。

d.洗管：按下放气按钮后，关闭进口球阀，然后打开出口球阀，将致裂器内的二氧化碳放出，放出一大部分后关闭出口球阀。重复两到三次。

e.充装：关闭出口球阀后，按下增压按钮，待爆破管充满后机器会自动停止。机器停止后，用内六角扳手将爆破管的充装阀关闭，然后关闭进口球阀，再打开出口球阀，将多余气体放出。

f.测试密封性：将爆破管的充装阀和释放管分别放入水中，确保没有大量气泡。

4.3 爆破操作步骤

4.3.1 设备运输

爆破管长1.2m，外径83mm，充装液态二氧化碳后质量约为25kg。储液管采用优质进口钢材加工而成，结实耐用，可重复使用4000次，除了接通电路能启动爆破外，磕碰、撞击、高温都不会对装置产生损坏;储液管在地面充装液态二氧化碳后，由矿方安排人员提前用矿车运输至爆破地点;实验无法进行时或者用不完的储液管必须及时回收，妥善保管。

4.3.2 打眼

选择钻机类型：硬岩选择YGZ150凿岩机 按照施工技术措施打眼要求打眼。

4.3.3 连接

a.把装好气的爆破管与没装气的爆破管的DC插头连接。

b.用销子把两个爆破管连接在一起，没装气的爆破管要安装上提拉头供栓钢丝绳用。

c.用万用表测量两端的电阻，电阻应该在4Ω左右，电阻太大和电阻为0都不合格。

d.把连接好的爆破管放到炮孔里面。

e.用棉纱对爆破孔进行封孔。

f.用φ20的钢丝绳把所有的爆破管进行固定，最后固定在巷道壁锚杆上。

g.用φ15的钢丝绳把每个爆破管的头部拴起来。

h.根据智能云安全发爆器功率将所有爆破管用导线连接好(单个孔中的爆破管为串联，电阻值累计增加)。

4.3.4 爆破

a.打孔：φ83爆破管需要打φ100的孔，孔深3m。

b.将第一根爆破管和第二根爆破管先连接好，插好插销。依次连接，一共连接5根管，并将第一根爆破管的DC插头剪短，把两根线缠在一起，并用绝缘胶布缠好。然后把锥头连上。

c.将连接好的两根爆破管插入孔中，插入前先把提拉杆插到第二根爆破管的释放管中，然后插入孔中。

4.3.5 回收

a.将回收好的爆破管用矿车运到操作间，把爆破管放在拆装机钳口上，并将充装阀一头插入拆装头里。然后顺时针旋转急停按钮，按下启动按钮以启动拆装机。

b.按住夹紧按钮，压力上升到10MPa以上后放开。然后按住拆卸按钮，旋转一至两圈后，放开拆卸按钮。

c.按住松开按钮，然后将爆破管掉头。

d.重复步骤b。

e.将爆破管内部的残渣清理干净，以便下次使用。

4.3.6 智能云控制

a.按照爆破的顺序把爆破母线连接在智能云安全发爆器上，最先起爆的连接在1号端子两端，依次先后排列。

b.测量网络阻止，以一个爆破管的电阻是2Ω为标准，参考计算。

c.按下起爆按键进行起爆。

d.起爆完成后，要把智能云安全发爆器的数据传到智能云安全监控主机里面。

e.智能云安全监控主机自动把数据上传到大数据。

f.根据大数据的数据进行以后爆破的调整。

4.4 爆破技术方案(见图6)

a.交叉布眼，眼垂直工作面。

b.炮眼参数：眼的直径是 100mm。

c.二氧化碳冷爆破参数：ⓐ炮孔间距0.9m;ⓑ炮孔排距0.9m;ⓒ炮孔深度3m;ⓓ封孔细砂0.024m3。

图6 爆破孔布置示意图

4.5 工程进度完成情况

本次爆破施工历时40余天，每天放2次炮，每次放炮用时3h，每次放炮600m3，每天可以爆破大约1200m3。共完成爆破工程量为47285m3。

5 二氧化碳爆破特点分析

根据二氧化碳爆破在实际施工中的应用情况，作如下分析。

5.1 二氧化碳爆破的优势

a.环保：定向爆破对周围环境不产生破坏、不产生有毒气体，没有扬土，能够较好地改善工作环境。

b.有效：爆破力量可控。

c.安全：二氧化碳气体比炸药更有安全性，组装、填充、运输和安装等过程安全可靠，无需处理哑炮。

d.便利：不属于民爆产品，运输、储存和使用不需要审批，利用较安全的二氧化碳填充，可适应不同的工作环境。

e.经济：部分系统装置可以重新利用3000次以上，使用成本低。

f.快速：组装、充装安装和爆破操作简单，爆破准备时间短，可提高工作效率。

5.2 二氧化碳爆破的劣势

a.效率低：步骤过于烦琐，每天可使用的次数少，环节多了出问题的概率就会提高。

b.产量低：无法实现多排爆破，造成单次爆破的爆破筒数量不宜超过两排，超过一排就容易卡住或炸坏爆破筒。

c.效果低：威力小。

5.3 总结

目前国内的二氧化碳爆破施工虽然已有技术突破，但依然还有很长的一段路要走，需要改进和提升的技术还很多。爆破量与传统的炸药爆破相比差距较大，同样不能爆破作业的情况下循环使用的间隔时间长。特别在水利工程中应用时，因受周围水环境、地质环境及居民居住环境等影响，一定要认真分析施工现场情况，因地制宜制定爆破施工方案。

6 结 语

本文通过对二氧化碳爆破在实际施工中的分析，总结了二氧化碳爆破的特点。重要的是在今后的实际工程应用中还需要相关施工技术人员对技术手段不断更新，对理论体系不断完善，使该项技术在施工中顺利应用。