岩质路堑液态CO2爆破应力分布研究

摘要 文章以酒额铁路DK54+220.00～DK56+122.00开挖段为研究背景，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，探究了岩质路堑液态二氧化碳（CO2）相变爆破的应力分布规律。研究结果表明，爆破发生后，各监测点应力呈先增大后减小的变化趋势；随着水平向各监测点与炮孔间距的增大，各监测点峰值应力逐渐减小；竖直向各监测点峰值应力呈先增大后减小的趋势。

关键词 岩质路堑；液态CO2；爆破；应力分布

中图分类号 TU751.9 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0157-04

0 引言

随着我国铁路建设的不断深入，大型土石方开挖工程日益繁重，爆破技术由于其快速破岩的特点，广泛应用于土石方开挖工程。Chen H D等[1]介绍了利用CO2相能提高煤层渗透性的一种技术，被称为液态二氧化碳相变致裂技术，归类为物理爆破；周西华等[2]基于损伤力学和空气动力学，研究了液态CO2的爆破原理，分析了爆破过程中爆破器主管内高压气体的压力时程变化；孙可明等[3]通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴的压力时程曲线，反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee（JWL）的状态方程参数，建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型；周西华等[4]监测液态CO2爆破过程中爆破器主管内高压气体的压力时程曲线，研究了液态CO2爆破煤层的增透机制，并建立了FLAC3D数值模型；为增加低渗透煤层透气性，优化液态CO2相变爆破钻孔布置参数，贾进章等[5]利用岩石损伤力学，对液态CO2相变爆破后应力波在煤体中的衰减、煤体损伤程度和致裂半径形成进行了研究，分析了CO2气爆增透的机理；赵程鹏等[6]基于LS-DYNA有限元软件进行了单孔爆破数值模拟和不同孔间距的两孔爆破数值模拟，结果表明73型液态CO2致裂管现场试验和数值模拟的单孔最大岩体破坏范围分别为1.84 m和1.766 m，试验和模拟结果具有较高的一致性；苏都都等[7]尝试采用PFC 2D数值方法预测台阶爆破的爆堆形态，采用该方法对爆堆形态与爆破参数的关系进行了研究，并通过与相关观测、模拟结果的比较，论证了该研究方法的可靠性；潘红宇等[8]通过将CO2气爆应力波等效为半球面谐振波，分析了CO2气爆作用下煤层的颗粒速度场，以颗粒膨胀加载法和动边界条件处理法、应用PFC 2D构建了二维数值模拟模型，分析了CO2气爆含控制孔煤层裂隙的演化规律。

综上可知，国内外学者在液态二氧化碳相变爆破理论方面及其在煤炭行业的应用进行了大量研究，但鲜有学者针对液态二氧化碳相变爆破在土石方开挖工程中的应用进行探究，该文以实际工程为例，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，探究液态二氧化碳相变爆破发生后的应力分布规律。

1 工程概况

酒额铁路全长241.675km，其DK55+200～DK55+400开挖段的地层岩石主要为石英片岩，成分以石英、斜长石为主，鳞片粒状变晶结构，抗压强度为600～800 kPa。开挖段拟采用液态二氧化碳相变爆破致裂技术进行开挖，路堑台阶坡率为1：1.1，高度h=4 m，台阶面宽度w=5 m，现场炮孔埋置深度为4.0 m，液态二氧化碳充装量为5.0 kg，现场实际情况如图1所示，路堑边坡简图如图2所示。

2 液态二氧化碳爆破破岩机理

液态二氧化碳相变致裂技术通过爆破装置实现，其装置主要包括储液罐、致裂器、起爆器等，该课题研究所采用的致裂器为Φ89型致裂器。起爆后，致裂器中液态二氧化碳迅速气化，致裂器内部压强急速升高，达到临界值时高压气体喷射冲击炮孔周围的岩土体，瞬间粉碎炮孔周围岩土体，从而形成粉碎区。高压气体冲击作用所形成的冲击波在形成粉碎区过程中消耗了大量能量，将衰减为应力波，而应力波在向远处传播过程中，沿炮孔径向方向产生压应力并产生压缩变形，环向和竖向则产生拉应力并产生径向裂隙，形成裂隙区。此时，由于粉碎区和裂隙区在形成过程中消耗大量能量，应力波剩余能量不足以对岩体进行破坏，以振动形式继续向远处传播，形成振动区。同时，应力波传播到临空面后形成反向拉伸应力波并向相反方向继续传播，而反向拉伸应力波在传播过程中与爆破应力波相互叠加致使裂隙进一步发展，当反向拉伸应力波不足以使周围岩土体产生裂隙时，裂隙将停止发育。

3 数值模型分析

3.1 离散元数值模型

根据现场实际情况，采用PFC5.0建立的离散元数值仿真模型如图3所示，模型中白色矩形为致裂器，其余为岩土体颗粒。模型共生成72 352个颗粒，共设置7个监测点，其布置示意图如图4所示。PFC中通过在颗粒间建立合理的接触本构模型以模拟岩土体颗粒间的相互作用，该文颗粒间的接触模型采用平行黏结接触本构模型，其细观参数取值如表1所示，其中模型边界条件设置为透射边界条件。当爆破荷载施加结束且岩体开始发生断裂和抛掷运动时，将爆破模型中所有颗粒的局部阻尼设置为零，与此同时施加黏性阻尼，以保证岩土体发生断裂和抛掷等大位移运动时黏性阻尼能够发挥作用。

3.2 爆破荷载

根据相关学者研究，液态二氧化碳爆破可采用炸点颗粒膨胀法进行模拟。爆破发生后，应力波以球面波的形式在介质中传播，通常情况下可将应力波等效为脉冲应力波，其上升及下降符合半正弦波形式，应力波表达式如下：

式中，A——射流作用峰值压力（MPa），该文液态二氧化碳充装量均为5 kg，Φ89型致裂器装药量为5 kg时的射流作用峰值压力为253 MPa；ΔT——半正弦波作用时间（ms）。

脉冲应力波荷载时程曲线如图5所示。炸点颗粒膨胀作用机理如图6所示，中间圆为初始炸点颗粒，外圆为膨胀后炸点颗粒，膨胀后炸点颗粒与周围岩土体颗粒产生叠加，对岩土体颗粒产生推力作用，其作用方式与液态二氧化碳气体对岩土体颗粒的气楔挤压作用相符合，因此采用膨胀炸点颗粒模拟液态二氧化碳爆破作用方式更贴合实际。

根据颗粒之间的接触原理，假定初始炸点颗粒半径为r0，当炸点膨胀至爆破空腔时，作用于爆破孔周围岩土体上的压力为p，此时炸点颗粒将对周围岩土体颗粒产生径向推力，推力之和为。在接触刚度、爆炸压力已知的条件下，颗粒半径变化的峰值如下：

式中，Kn——炸点膨胀颗粒与周围岩土体颗粒之间的接触刚度（N/m）；dr——炸点颗粒的半径变化量。将液态二氧化碳爆破的峰值压力等参数代入式（2）中，即可得到炸点颗粒的半径变化量，进而在离散元PFC中实现对Φ89型致裂器爆破方式的模拟。

3.3 模型分析

根据离散元数值模型计算结果，绘制爆破发生后各监测点的应力分布曲线，纵向和水平向各监测点的应力分布如图4所示：

由图7-a可知，1#和2#监测点应力曲线大致呈“V”形，而3#和4#监测点应力曲线大致呈倒“V”形，纵向各监测点峰值应力自上而下呈先增大后减小的趋势，最大峰值应力为10.2 MPa，其中1#和2#应力为拉应力、3#和4#应力为压应力。通过对液态二氧化碳相变爆破致裂机理的分析可知，粉碎区形成后，冲击波衰减为应力波，岩土体在应力波传播过程中受到环向拉应力，所以1#和2#监测点应力曲线为负值。同时，由于1#监测点距离爆破点较近，受应力波作用较为强烈，故而1#监测点峰值应力较2#监测点大；3#和4#监测点位于致裂器中心点所在水平面的下方，受路堑自重应力的影响较大，故3#监测点和4#监测点的应力均为正值，且4#监测点位于3#监测点的上方，4#监测点应力波作用较3#监测点强烈，故而4#监测点峰值应力较3#监测点大。

由图7-b可知，水平向各监测点应力变化曲线先增大后减少，呈“V”形，随着监测点与炮孔间距增大，峰值应力逐渐减小，最大峰值应力出现在5#监测点处，最大峰值应力为5.2 MPa，而7#监测点峰值应力最小，为

2.3 MPa，其中7#监测点在3.68 s左右出现应力骤升从而达到峰值应力。根据液态二氧化碳相变爆破致裂机理，在爆破发生后，随着应力波在岩土体中的传播，其能量被逐渐消耗，因此呈现随着监测点与炮孔间距的增大，峰值应力逐渐减小的现象。当应力波传播到临空面后，在临空面产生反向拉伸应力波，由于应力波和反向拉伸应力波的共同作用，7#监测点在3.68 s时出现应力骤升现象，而5#和6#监测点由于距离临空面较远，受反向拉伸应力波作用较小，故而应力波无明显突变现象。

4 结论

结合液态二氧化碳爆破机理和数值仿真计算结果，通过分析4 m炮孔深度条件下岩质路堑液态二氧化碳爆破时的各监测点应力，得到以下结论：

（1）爆破发生后，水平向各监测点应力曲线大致呈“V”形。而在纵向各监测点中，致裂器中心点所在水平面上方的监测点应力曲线大致呈“V”形，而在水平面下方的监测点应力曲线则呈倒“V”形，这种差异主要由路堑自重应力导致。

（2）爆破发生后，纵向各监测点峰值应力自上而下呈先增大后减小趋势，其中最大峰值应力出现在1#监测点处，为10.2 MPa，表现为拉应力；最小峰值应力出现在3#监测点处，为3.8 MPa，表现为压应力。

（3）对比分析水平向各监测点应力曲线可知，随着各监测点与炮孔距离的增大，应力峰值逐渐减小，5#监测点应力峰值最大，约为5.2 MPa，而7#监测点应力峰值最小，为2.3 MPa。

（4）水平向监测点达到应力峰值前，出现应力骤升现象，越靠近临空面，应力骤升现象越明显，这是应力波在临空面反弹形成的反向拉伸应力波造成。

参考文献

[1]Chen H D， Wang Z F， Chen X， et al. Increasing Permeability of Coal Seams Using the Phase Energy of Liquid Carbon Dioxide[J]. Journal of CO2 Utilization， 2017（19）：112-119.

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[4]周西华，门金龙，宋东平，等.液态CO2爆破煤层增透最优钻孔参数研究[J].岩石力学与工程学报 ，2016（3）：524-529.

[5]贾进章，柯丁琳，李斌.液态CO2爆破钻孔布置参数优化[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 2021（2）：97-103.

[6]赵程鹏，商武锋，许小泉，等.液态CO2相变开挖岩体孔间距参数研究[J].工程爆破， 2021（3）：74-82.

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[8]潘红宇，王康，张天军，等.CO2气爆含控制孔煤层裂隙演化颗粒流模拟[J].西安科技大学学报， 2021（2）：230-236.