复杂环境下CO2膨胀爆破工程应用

王 莉，陈 杰，李必红

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014；2.福建省天玉方圆矿业有限公司，福建 龙岩 364000)

CO2膨胀爆破是一种新兴的非炸药爆破技术，近几年来在我国得到了较快的发展。与传统炸药爆破相比，CO2膨胀爆破具有本质安全、危害小易控制、无火花、无毒生气体、爆温低等特点，在某些安全要求高且不宜使用炸药的工程中有着广阔的应用前景，正被越来越多地作为炸药爆破技术应用的有效补充[1-4]。

莲塘风电场位于湖南省桂阳县境内，设计安装25台单机容量为2 000 kW的风力发电机组。其中，25#风机周围环境复杂，风机道路从居民区穿过，与省级文物古村落最近距离120 m。在风机道路坚硬岩石开挖过程中，不能采取炸药爆破的方法进行；也曾尝试过机械法和静态破碎剂法，但均速度太慢，个别坚硬地段根本开挖不了；为确保安全并保证施工进度，于是采用了CO2膨胀爆破技术。

1 作用机理

CO2是一种本质安全的常见化合物，常温下为无色、无味、无毒且不助燃的气态；20 ℃时，加压到5.6 MPa(密度为0.770 kg/m3)，可变成液态；高温激发后，液态瞬间呈现600～1 000倍体积骤增(相当于1个标准大气压下的体积)；高压气体膨胀做功就可实现岩石破碎的工程目的。

本CO2膨胀爆破工程选用的装置为循环管，即主体结构可以重复多次使用，主要由储液管、充装头、激发管、储液管、破裂片、喷气头等组成(见图1)。储液管是用于盛装液态CO2并提供形成高压状态的腔体，由特种钢材制作而成，提供贮存空间；充装头用于充装CO2；激发管是一种快速放热装置，为CO2液气相变提供能量；破裂片类似于压力开关，当管内压力大于其阈值后即破裂形成气流通道；喷气头用于释放高压CO2气体[4-5]。

图1 循环装置结构Fig.1 Structure of recycling device

CO2膨胀爆破破碎岩石是利用液态CO2转变成气态后体积膨胀做功的基本原理。外界电能引起激发管发生放热反应，液态CO2吸收能量后瞬时完成液-气相变从而形成高压CO2气团(见图2)，该高压气团首先在炮孔的不耦合空间内进行扩散流动，当流动到炮孔壁时产生碰撞并在岩体中形成岩石应力波，该应力波在岩体中做衰减传播并使岩体产生大量裂缝，后续的高压CO2气流顺着裂缝发展形成准静压作用，在岩石应力波和高压气流的准静压作用下岩石产生破碎[5]。工程应用中，将充装好液态CO2的管体放置在炮孔中，联接起爆即可。由于CO2气团的初始压力较炸药爆轰压力至少低1个数量级，因此其产生的振动波、冲击波及飞石等危害是远低于炸药爆破的，但控制不好也易产生飞管等危害。

图2 循环装置高压气流Fig.2 High pressure flow of recycling device

2 CO2膨胀爆破的炮孔间距

2.1 CO2膨胀爆破的岩石应力

基于上述的CO2膨胀爆破作用机理，建立起应力波的形成与传播简易模型(见图3)；对于多孔作用时，会产生应力波的叠加；当应力波传播到界面时会产生反射应力波。于是可以得出不同距离处的岩石应力波峰值计算公式[5]

(1)

式中：σCO2为CO2膨胀爆破的不同距离处的岩石应力波峰值；dg为膨胀管外径；d0为炮孔孔径；r为与炮孔中轴线的距离；[p]为破裂片压力阈值；n为应力增大倍数；ν为岩石泊松比。

图3 岩石应力波的形成与传播模型Fig.3 Formation and propagation model of rock stress waves

2.2 炮孔间距的理论计算公式

基于岩石拉应力破坏准则，当相邻炮孔连心线中点上的合应力等于岩石的抗压强度[σ]时岩石开始破裂，即：[σ]=2σCO2，据此便可以推导出炮孔间距计算公式：

(2)

式中：aCO2为CO2膨胀爆破的炮孔间距。

2.3 炮孔间距的经验计算公式

由于炸药爆破理论比较成熟，有很多炮孔间距确定方法。因此，只要建立起CO2膨胀爆破与炸药爆破二者的炮孔间距当量系数，就能很好的利用炸药爆破的间距公式进行转换。

根据岩石应力波传播理论[6-7]，可以得出：采用炸药爆破时，不耦合装药结构不同距离处的岩石应力波峰值计算公式：

(3)

式中：σExp为炸药爆破不同距离处的岩石应力波峰值；ρ0为炸药密度；D为炸药爆速；dy为炸药药卷直径。

当岩石应力值等于许用应力时得到的距离即是各自的炮孔间距值，即：

σExp=σCO2=[σ]

(4)

联立公式(1)、公式(3)和公式(4)，化简整理得：

(5)

令：

(6)

则：

aCO2=KaExp

(7)

式中：K为间距系数；与炸药和CO2膨胀爆破管有关；aExp为炸药爆破时的炮孔间距，可由炸药爆破经验或计算得出。

3 飞管危害控制

在CO2膨胀爆破工程应用中，爆破振动、飞石和冲击波均可忽略不计[1]，需要重点考虑的危害效应是飞管。

3.1 飞管形成原因

飞管指的是CO2膨胀爆破管体从炮孔冲出，类似于炸药爆破的冲孔，如若控制不好个别飞管飞起高度可达100 m甚至更高。综合分析，飞管的形成原因有：岩石强度大，CO2气体不足以破碎岩石，气体就会汇集于孔底形成推进作用将CO2膨胀爆破管推出而产生飞管，类似于炮弹发射；抵抗线过大，形同于无限介质，类似于炸药钻孔爆破时的“冲天炮”；填塞不到位，导致填塞物与膨胀管管体的摩擦力小，不足以起到封堵作用；当CO2从喷射头出来的压力太小，不能够破坏岩体，也会形成飞管。

3.2 飞管控制措施

1)确保CO2灌装质量。达到规定的充气压力和重量，并确保在运输途中不漏气不泄压。

2)控制填塞长度。严格按照设计要求进行钻孔，确保装填到位，避免卡孔并要准确测量填塞长度。

3)优选填塞材料。选用干燥的米粒砂作为填塞材料，避免采用泥土、钻灰或过细的沙子。

4)确保填塞质量。不能出现假填塞，弱填塞，更不能出现不填塞；尤其是雨天，摩擦系数会相对较小，应制定应对措施。

5)设计防止飞管专用的封堵装置。

4 工程应用

4.1 工艺流程

根据施工的前后关系可以将整个现场施工分为3个阶段共15个分步骤[8]。3个施工阶段为：施工准备、施工实施、施工交验，其中施工准备阶段包括培训、工房、设备3个分步骤，施工实施阶段包括组装、充气、运输、置管、填塞、联网、防护、警戒、起爆9个分步骤，施工交验阶段包括检查、起管、记录3个分步骤。

4.2 技术参数

25#风机道路设计坡度要求控制在14°～18°，而实际原始地形为山地，因此CO2膨胀爆破开挖的深度会随地形的变化而变化，炮孔深度各不相同。为有效应对工程应用的具体情况，我们设计了多种不同长度的CO2膨胀爆破管。在实际施工中，根据不同的炮孔深度采用不同长度的CO2膨胀爆破管。根据现场实际情况，采用95#循环管，分为垂直孔和水平孔2种情况进行参数设计。

1)炮孔间距。对于莲塘风电场25#风机道路，有如下参数：石灰石ρm=2 420 kg/m3，Cp=3 430 m/s，ν=0.1，[σ]=1.58 MPa，n=10；CO2膨胀爆破采用95#循环管dg=95 mm，[p]=150 MPa；炮孔d0=110 mm；对应的乳化炸药ρ0=1 050 kg/m3，D=4 000 m/s，dy=90 mm，经验值aExp=3.0～3.6 m。

将上述数值代入式(2)，可以得出炮孔间距的理论值：aCO2=1.297 m。

将上述数值代入式(6)，可以得出：K=33.39%。

将K值代入式(7)，可以得出炮孔间距的经验值：aCO2=0.333 9aExp=1.00～1.20 m。

实际工程应用中，炮孔间距取1.2 m、排距取1.0 m。

2)垂直孔参数。钻孔直径115 mm，钻孔深度3.2 m，爆破外径95 mm，爆破管长度1.6 m；孔距1.2 m，排距1.0 m，每孔1根爆破管，底部缓冲层厚10 cm，囗部填塞长1.5 m。

3)水平孔参数。钻孔直径115 mm，钻孔深度4.0 m，爆破外径95 mm，爆破管长度1.6 m；孔距1.5 m，排距1.2 m，每孔1根爆破管，底部缓冲层厚20 cm，囗部填塞长2.2 m。

上述参数为基准参数，具体可根据现场实际情况，由技术人员进行调整。

4.3 炮孔装填结构

针对25#风机道路开挖实际情况，进行了炮孔装填结构优化设计(见图4)，炮孔装填要求如下：底部缓冲段厚度不宜小于10 cm，其材料为钻屑；上部填塞段长度约等于管体长度；专用止飞器与管体之间应用填塞材料隔开约10 cm；孔囗端压上1个废轮胎(内用砼进行了充填)；装填过程中，应确保导线不被损坏。

图4 炮孔结构Fig.4 Blasthole structure

4.4 起爆网路

采取串联电起爆网路，即将CO2膨胀爆破管的脚线串联，然后与干线连接，构成串联回路，用爆破专用起爆器进行起爆。

4.5 爆破效果

根据CO2膨胀爆破前后效果(见图5)可以看出：爆破效果较好，能够有效地破碎硬岩，并且具有微振动、弱噪声、无飞散的良好效果，安全顺利地完成了该复杂环境下的道路开挖。

图5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

5 结语

以莲塘风电场25#风机道路工程为背景，介绍了CO2膨胀爆破技术在露天硬岩道路开挖中的应用，并对CO2膨胀爆破作用机理、炮孔间距的确定及危害效应的控制等进行了分析，优化了CO2膨胀爆破施工工艺流程及施工技术参数，重点研究了“飞管”危害专项控制措施，实现了复杂环境下道路开挖工程的CO2膨胀爆破施工，保障了民房及省级文物古村落的安全。