干冰粉气动压裂混凝土质量比实验研究

颜正勇,胡少斌,2,卞 怡,庞烁钢,王 乾

(1.河海大学土木与交通学院,南京210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098)

由于政策的推进与社会的发展,矿山工程、隧道工程在市政建设中的应用日益增大。岩石破裂技术在矿山工程、隧道工程中起着不可替代的作用。如今在矿山工程中大多还使用传统炸药进行爆破施工,然而,炸药存在意外爆燃、吸水失效、爆炸后有毒气体含量超标等潜在事故风险[1]。为了克服这些问题,研发出一种新式的爆破方法——CO2致裂法。

高能气体压裂技术最早于19世纪60年代出现在美国[2],该技术是一种利用火(炸)药在短时间内燃烧产生的冲击波来压裂岩体。相对于炸药爆破,CO2相变膨胀致裂器的能量来源于内部发热管的瞬态放热,这种间接的作用方式导致致裂压力持续时间延长,一方面降低了强冲击扰动,另一方面更有利于裂缝网络的形成。从19世纪60年代初期开始,液态CO2便在石油与天然气工业上得到了使用,并在数十年间国外学者对液态CO2进行了大量的研究。直至1998年以前,国外共有超过1 200次压裂作业利用了纯液体大量的实验研究表明,CO2相变爆破时不产生火花,威力可以用TNT当量表示,具有良好的适用性和安全性[4-6]。

目前国内在CO2气动压裂方面均采用液态CO2压裂技术,然而液态CO2在储存、运输以及使用的过程中仍然存在不少问题。且由于膨胀管材料的限制,重复性CO2致裂器起爆时,其体内的高压气体不能压裂膨胀管,只能在储液管尾定向进行泄放,对储液管的其他方向作用力较小,局限性很强[1];一次性CO2致裂器由于在爆破过程中直接形成具有极大的杀伤力,容易出现炸管、飞管现象,极具危险性,因此国家禁止一次性CO2致裂器的使用。

为了解决传统液态CO2相变膨胀致裂装置存在的安全隐患,同时满足岩石多重破裂的需求,提出一种CO2静态气动压裂工艺,利用CO2聚能剂,在解决了场地深孔高压气体快速封堵的基础上,开展了场地CO2静态气动压裂预制混凝土实验。并在分析CO2气动压裂条件,以及混凝土试样裂纹的扩展规律及破裂模式的同时,揭示CO2静态气动压裂机制。研究成果为露天台阶破岩、基坑开挖、岩石破碎、隧道掘进、压裂增渗作业提供了一种安全、环保、节能的破岩新方法[7]。

通过设立3组干冰粉与CO2质量比不同的气动破裂混凝土实验,得出干冰粉和CO2聚能剂质量比m对气动破裂混凝土实验效果影响规律。

1 CO2静态气动压裂实验

1.1 CO2聚能剂

CO2静态气动压裂实验主要是通过CO2聚能剂在CO2气体中快速燃烧,释放大量热量促使干冰粉末快速气化,从而在封闭空间形成瞬态高压,并最终致裂混凝土试样。调节CO2聚能剂的活性和热值,可有效控制压力上升速率和作用时间,既能避免瞬态强冲击扰动和噪音,又能达到较为理想的动态加载速率,从而实现混凝土试样的动态多重破裂。其中,固体干冰粉平均粒径为0.2 mm,可根据实验需要,调配出不同活性的聚能剂复合材料,它具有密度低、孔隙率高、比表面积大、燃烧热高、导热系数低等特点,具体参数如表1所示。

表1 CO2聚能剂基本物理化学参数Table 1 Basic physical and chemical parameters of CO2 concentrating agent

1.2 实验系统及流程

CO2静态气动压裂实验系统主要由固体干冰粉、CO2聚能剂、电阻丝加热装置、高压气体封堵子系统、平衡阀、电起爆器等组成(见图1)。通过在打好孔的预制混凝土内装入PVC管,并用石膏填充固化后放入干冰粉、CO2聚能剂、电阻丝激发装置,采用高压气体封孔技术将提前打好的孔封住,经过凝固闷压过后,使用电起爆器对预制混凝土进行爆破,具体流程如图2所示。其中电阻丝装置是由电阻发热丝和聚能剂块体(由CO2聚能剂粉末压制而成)构成,电阻发热丝被预制在聚能剂块体中心,CO2聚能剂块体能够有效提高燃烧热值密度,能在短时间内提供足够热量,诱发近场干冰粉气化,进一步激发远场CO2聚能剂块体产生燃烧放热反应。

图1 CO2静态气动压裂实验系统Fig.1 CO2 static pneumatic fracturing experiment system

图2 实验步骤Fig.2 Experimental step

1.3 实验方案

CO2静态气动压裂实验是在闭合空间内放入干冰粉和CO2聚能剂,干冰粉升华转变成的CO2气体,与CO2聚能剂经过点燃反应释放大量的热使干冰粉完全转变成气态共同对预制混凝土做功,实现对预制混凝土的压裂效果。为了观察CO2聚能剂和干冰粉的质量比对预制混凝土压裂效果的影响,设计了不同质量比的CO2静态气动压裂实验。本实验配制了15 g的CO2聚能剂,设计3组实验,干冰粉质量和CO2聚能剂质量比m分别为8∶1、7∶1、6∶1(见表2),且干冰粉粒度为0.2 mm,实验段长度为200 mm。

表2 实验工况Table 2 Experimental conditions

2 实验结果与分析

2.1 评估方式

CO2静态气动压裂实验是研究CO2聚能剂与CO2气体反应放热的方式,是不同质量比CO2气体做功对预制混凝土压裂效果的体现。实验结果可能是,预制混凝土完全压裂或者在预制混凝土上呈现出明显的裂缝。为了详细描述实验的压裂效果,设置了几个评估因素:混凝土裂隙的开度、长度、裂隙延伸方向、裂隙分布方位和混凝土破碎体的块度、破碎度等。裂隙的开度、长度可以直观的反映实验的压裂效果,能初步确定实验产生的应力波大小及加载速率;裂隙的延伸方向和分布方位,可以确定岩体的结构面方位;块度、破碎度可以反映爆破效果的好坏。

2.2 实验结果

不同质量比的CO2静态气动压裂试件破坏如图3所示,当干冰粉的质量为120 g,聚能剂质量为15 g,m为8∶1的条件下,接电起爆0.5 s后,200-1预制混凝土试样被压裂成3个大块,2个小块并发出闷响声(见图3a);干冰粉的质量为105 g,聚能剂质量为15 g,m为7∶1的条件下,接电起爆1 s后,200-2预制混凝土试样被压裂成3个大块,2个小块并发出闷响声(见图3b);干冰粉的质量为90 g,聚能剂质量为15 g,m为6∶1的条件下,接电起爆1 s后发出闷响声,但200-3预制混凝土未被完全压裂且表面无明显裂缝(见图3c)。

图3 试样破坏情况Fig.3 Sample destruction

在CO2气动压裂条件下,200-1与200-2混凝土试样均破裂成3个大块体和2个小块体,并且3个大块体破裂面贯穿整个试样(见图4a和图5a)。实验发现,两组实验圆柱形混凝土试样均呈现多重破裂模式,3个主断裂面大概互成120°夹角(见图4c和图5c)。在实验过程中还发现,混凝土试样破裂后自由散落块体(尺寸大于20 cm的主破裂体)有规则分布于初始位置四周,分布范围以点火位置为中心,直径2 m的圆形范围内(见图4a和图5a)。

图4 实验效果(m=8∶1)Fig.4 Experimental effect

图5 实验效果(m=7∶1)Fig.5 Experimental effect

在气动压裂过程中形成了类似“炸药”爆破产生的爆破漏斗(见图4b和图5b),2次压裂实验,爆破漏斗顶角分别为74.5°和75.2°。由利文斯顿爆破漏斗理论:当炸药威力大时,传给岩石的能量高,则其临界深度值比较大;炸药威力小,其临界深度较小。比较图4b和图5b中漏斗的临界深度值,可以发现在m为8∶1时临界深度值大。所以CO2聚能剂和干冰的质量比为8∶1时产生的能量更大。

观察图4c和图5c发现,在图4c上形成的裂隙较之图5c上形成的裂隙短,但有着更多的裂隙,即CO2聚能剂和干冰粉质量比为8∶1时形成的裂隙短,m为7∶1时形成的裂隙更长;但是m为8∶1时形成的裂隙比7∶1时形成的裂隙少。根据岩体破碎的一般规律“作用缓慢的荷载有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙,而高速率的载荷容易产生较多裂隙,但却抑制了裂隙的贯通。

2.3 实验理论分析

当接电起爆过后,CO2聚能剂和CO2气体反应对混凝土试样产生冲击波,冲击波作用到防渗套筒管壁后产生应力波。由于初期的冲击时间短,所以由应力波形成的应力状态或动态应力场很快消失,因此刚开始反应时形成的裂隙范围较小,当CO2气体渗入裂隙并在静压作用下,产生类似于气楔的效果,使裂隙进一步扩展[8-9]。因混凝土试样在CO2气体的静压作用下破裂时间长,使混凝土试样破碎和分离的进程一直在持续,并最终使混凝土试样完全破碎。在本次CO2静态气动压裂实验中,高压CO2的静压作用是导致混凝土试样破裂的主要原因。所以CO2静态气动压裂实验将混凝土试样压裂,是应力波和产生的高压CO2气体共同破坏的作用。

1)接电起爆时,CO2聚能剂和干冰粉初期气化产生的CO2气体反应生成应力波,在应力波作用下,混凝土试样产生了径向裂隙。

2)初期产生的应力波遇混凝土试样表面自由面反射,形成反射拉伸波。在反射拉伸波的作用下,混凝土试样的自由面附近的混凝土发生了片落现象[10]。

3)应力波形成的径向裂隙内渗入干冰粉,其气化产生的高压CO2气体起到类似于“气楔”的劈裂作用,使混凝土试样内裂隙前端的拉应力增大,裂隙仍能继续扩展[11-12]。由于高压CO2气体的压力和CO2气体本身冲入裂隙并贯穿了混凝土试样,所以混凝土试样最终被压裂,形成了多个块体。

3 结语

1)干冰粉运输方便,不需要高压容器,且CO2聚能剂是非爆炸性产品,属于货物运输里的非限制性货物,不受运输限制。填充干冰粉时使用高压存储容器,不需要增压泵,同体积干冰密度大,填充的干冰粉质量也较大。

2)在本次静态气动压裂实验中,CO2聚能剂与干冰粉质量比m为8∶1时的压裂效果最好,但是就压裂裂隙的贯通性来看,m为7∶1时的最好。但此实验并没有验证继续调节干冰粉的质量时,静态气动压裂实验的压裂效果。因此只能得出m介于7∶1与8∶1之间时的静态气动压裂效果较好。

3)CO2静态气动压裂的效果比不上传统的炸药爆破压裂,但其具有的低扰动、低噪音、破裂效果良好的特点,是可以用来代替一部分传统炸药爆破技术的。