程小兵,张仲一,何申中,朱立学
(1. 安徽枞阳海螺水泥股份有限公司,安徽 铜陵 244000;2.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)
我国对矿产资源的需求从未停歇,目前最常用的破岩方法是使用炸药爆破,此方法具有成本低、工艺简单等特点[1]。
炸药在爆炸的瞬间会产生高温、高压、粉尘以及有毒有害气体,同时炸药爆炸会给周围介质施加非常强的动载作用,也会引发爆破振动以及爆破飞石等有害效应,在某些人员或建筑物密集的施工场所,爆破施工方法受到限制,同时在高瓦斯矿井掘进以及煤层增透中,钻爆法施工也存在一定的安全隐患[2]。
因此,亟须探寻一种经济高效的非爆破破岩方法,为矿产资源开发服务。
目前,非爆破破岩方法主要有机械法、静态破碎剂破岩以及二氧化碳破岩法。
对于机械破岩方法,其成本较高且只适用于软岩破碎,对于硬岩不适用[3];对于静态破碎剂破岩,其对于硬岩不适用,且其水化反应速度受温度影响较大、膨胀速度慢、破岩效率低[4-5];对于二氧化碳破岩方法,其反应速度快,破岩效率高,是一种安全高效的破岩方法。
液态二氧化碳爆破技术最早在英国提出,并得到了成功应用,到20 世纪50 年代,欧美的一些发达国家也对这种物理爆破方法开展了研究[6-7]。液态二氧化碳爆破技术在我国的研究及应用晚于欧美国家,20 世纪90 年代煤科院郭志兴在平顶山七矿进行了二氧化碳爆破试验,取得了较好的试验结果,表明二氧化碳爆破过程不会产生火花及各种炸药爆炸有害效应,安全高效[8]。
徐颖和程玉生等[9-11]从1994 年开始进行高压气体破煤机理方面的研究,并研制了高压气体爆破模型试验系统,相关研究丰富了高压气体破煤理论,对高压气体破煤参数设计及施工有重要的指导意义。
自此之后,国内外学者对液态二氧化碳爆破技术进行了诸多研究,取得了许多可喜的成果。
1.1 二氧化碳爆破设备
CO2相变爆破技术需配合机械设备,整套设备包括:CO2储液罐、液态CO2充装设备以及CO2致裂管,其中,CO2致裂管内包含充装头、储液管、激发管、卸能头、密封圈、爆破片、提升头。
在施工前,首先将储液罐内的液态二氧化碳通过充装设备充入致裂管内,然后通过吊装机械设备将致裂管放入炮孔中,引出起爆线,等待激发,二氧化碳爆破设备如图1、图2 所示。
图1 液态二氧化碳充装设备
图2 液态二氧化碳致裂管及其配件
1.2 二氧化碳爆破技术原理
CO2在常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体,在不同的环境下,存在3 种不同的相态,即气态、液态和固态,其临界温度为31.1 ℃,临界点压力为7.38 MPa,CO2加压到5.1 个大气压以上会以液态存在,此时其液化点为-56.55 ℃[12]。
除此之外,CO2还存在另一种特殊的相态,当压力高于临界压力且温度高于临界温度时,CO2进入超临界状态,此种状态下的CO2是一种特殊的流体,其具备类似气态的分子扩散性,同时其密度又接近于液态,正是由于CO2的这种特殊性质,使其在相变爆破方面得到了成功应用。
在施工时,首先通过起爆器点燃激发管内的药剂,药剂燃烧产生大量的热,致裂管内的温度急剧上升,继而压力也随之骤然升高,管内二氧化碳进入超临界状态。
当管内压力达到定压爆破片的额定压力时爆破片会破裂,之后管内二氧化碳泄压转化为高压气体对外膨胀做功。
国内外学者对液态二氧化碳爆破技术的研究主要集中在4 个方面:液态二氧化碳爆破的理论,液态二氧化碳爆破的设备,液态二氧化碳爆破的数值分析,液态二氧化碳爆破的工程应用。
2.1 理论研究
在二氧化碳爆破技术的理论研究方面,周柯平等[13-14]通过室内试验测定了液态CO2爆破系统爆破管内的压力,获得并分析了压力与时间关系曲线,结合Span Wagner CO2状态方程,给出了液态CO2爆破系统爆炸能量的计算方法。
王明宇[15]、周其铎[16]结合损伤与断裂力学分析了液态二氧化碳相变爆破裂纹扩展机理。
ZHANG 等[17]进行了混凝土试件的二氧化碳爆破试验并建立了液态二氧化碳爆破下岩石破裂的动力学数值模型,指出液态CO2爆破裂纹扩展方向与二氧化碳释放方向垂直,裂纹主要分布在相邻炮孔的中部。
SHANG 等[18]对混凝土块进行小尺度约束应力下液态二氧化碳爆破试验并监测试件的表面应变,结果表明二氧化碳爆破过程中存在动态冲击和膨胀现象,随着围压应力的增大,炮眼的扩展和破裂区减小,但不影响爆炸裂缝的数量和方向,二氧化碳爆破压力对裂缝数量起决定性作用。
GAO等[19]采用二氧化碳爆破技术在无初始应力场条件下进行岩石破裂试验,分析了应力波和高压气体作用下后续裂纹的产生和扩展机理,得到了应力波作用下裂纹扩展半径的计算公式。
结合国内外学者的研究进展,目前对于二氧化碳爆破理论的普遍观点是高压气体冲击孔壁形成应力波,在孔壁附近形成类似于炸药爆炸的粉碎区,在孔壁远区形成拉剪破坏下的裂隙区,高压气体进入岩体裂隙内进一步驱动裂纹扩展,二氧化碳爆破对岩体的破坏是应力波与高压气体共同作用的结果。
2.2 设备研究
在二氧化碳爆破技术的设备研究方面,CHEN等[20]研制了一种新型的液态二氧化碳爆破冲击波压力监测试验装置,实现了爆破冲击波压力的实时监测。
XIA 等[21]探究了液态二氧化碳充装量、化学激发药剂质量以及定压剪切片厚度这3 个关键因素对二氧化碳爆破过程的影响规律,结果可为二氧化碳致裂管的设计提供依据。
梅比等[22]对致裂管结构进行优化设计并结合现场实验,经过“设计—试验—改进”的反复研究,成功地研究出一种新型致裂管和孔内充气工艺并开发了二氧化碳爆破末端管控信息系统。
陈晨等[22]利用在一定强度的储液管中采用加压的方式研制了一种新式的开采设备——二氧化碳致裂器。
夏杰勤等[23]优化了致裂器内部结构的具体参数,完善了外部结构和整体系统,研发了一种可用于干热岩型地热储层建造的新型二氧化碳致裂器,为干热岩型地热储层建造提供了有效的技术手段。
FAN 等[24]利用自行搭建的液态CO2爆破模型试验系统在密闭容器中进行爆破试验并对爆炸压力进行了测试,结果表明加热速率与剪切片强度能够明显影响释放压力,释放压力在初始距离内保持不变,然后呈指数递减。
目前在二氧化碳爆破设备的研究上,国内外学者多致力于改进致裂器结构、优化泄能口位置和形状结构以及调节定压爆破片厚度和强度等,相关研究促进了二氧化碳爆破设备的研发与改进。
2.3 数值分析
在二氧化碳爆破的数值分析方面,YANG等[25]基于SPH 光滑粒子流算法建立了煤体瓦斯爆破模型,得到了破碎区形成和裂纹区产生与扩展的判据。
WANG 等[26]利用LS-DYNA 软件和RHT 材料模型对二氧化碳爆破引起的岩石破裂过程进行了模拟并估算出二氧化碳爆破压力的上升时间范围及相应峰值压力范围,探讨了爆破中加载速率、地应力和自由面等关键参数对裂缝形态的影响规律。
郭云龙等[27]利用有限元软件,分别采用乳化炸药当量和施加等效荷载曲线两种方式,模拟分析了爆破过程中应力分布、应力波传播规律以及岩体损伤情况,并比较分析了两种方式的差异。
孙可明等[28]利用压力传感器测得超临界CO2气爆压力的时程曲线,得到表达该曲线的JWL 状态方程参数,并对不同初始应力条件下CO2膨胀爆破岩体裂隙发展规律进行了模拟研究。
SUN 等[29]利用PFC 软件建立了不同力学特性软岩的数值模型,研究在不同压力、时间条件下,爆破孔周围岩体的膨胀情况,结合裂隙数目、长度等参数分析了高压气体破岩机理。
张嘉凡等[30]基于LS-DYNA3D 平台的数值模拟方法真实再现CO2爆破中裂纹萌生、扩展、贯通直至形成裂隙区的全过程,较好地模拟了岩体的碎裂特征。
目前,学者们运用不同的数值软件并结合各种算法可以较好地模拟二氧化碳爆破过程及岩体的破坏特征,相关研究成果在设备研发、理论研究以及工程应用等方面具有重要的参考价值。
2.4 工程应用
范迎春等[31]在复杂地质条件下开展深孔二氧化碳爆破试验,通过设置合理的爆孔参数,煤层增透和煤层气增产效果理想。
蒋志刚等[32]通过低温液态二氧化碳相变过程中,在煤岩体中形成一个低应力、高渗透性的卸压区域, 实现了低透气性煤层的瓦斯强化抽采。
雷云等[33]采用恒定出口压力的CO2爆破致裂器进行煤层增透试验,爆破后单孔瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度均大幅提高。
ZHOU等[34]通过单孔试验获得了二氧化碳气体射流方向和垂直射流方向的振动曲线,通过对振动信号进行时频特性和能量分布分析,探讨不同距离不同方向上的地面振动差异。
CHENG 等[35]和XIN[36]确定了现场施工最优的孔网参数,发现钻孔周围岩体可分为破碎区、裂隙区和振动区并分别测量了三区的半径,现场爆破参数可为二氧化碳爆破设计提供参考。
夏祥等[37]分别开展二氧化碳和炸药爆破试验,并进行振动速度测试分析,比较了CO2致裂和炸药爆破2 种方式引起的岩土体振动特征的差异,通过定义二者振动速度峰值的比值对CO2致裂技术的减振作用进行量化分析,为岩体开挖方案的优化和CO2致裂技术的参数设计提供了指导。
目前,二氧化碳爆破技术已大量应用在露天矿山开采、煤层开挖、瓦斯抽采等方面,其本质安全性高,具有非常大的发展和应用前景。
无论是在二氧化碳爆破技术的理论研究还是在其工程应用中,量化二氧化碳爆破过程中释放的能量都非常重要。
根据前文所述的二氧化碳爆破原理,爆破过程的能量其实是由二氧化碳相变所产生的,二氧化碳爆破其实是属于物理爆炸。
董庆祥等[38]详细分析了液态二氧化碳相变过程中致裂管内二氧化碳的相态和压力变化过程,指出应采用压缩气体与水蒸气容器爆破模型计算方法计算爆破能量,计算公式如下:
式中:E为爆炸总能量,kJ;P为致裂器内气体的绝对压力,MPa;V为容器的容积,m3;k为二氧化碳的绝热指数,取1.295。
对于二氧化碳爆破,其能量输出主要是通过高压气体对外膨胀做功,理论上爆炸能量为∫21PdV,其中,V为物质膨胀的体积,P为对应的压力。
因此,计算膨胀功需知爆炸过程中的P-V关系曲线。由于理想气体状态方程不太适用于致裂管中的CO2,而Span Wagner 状态方程可以较好地表征致裂管中CO2的状态变化[13],因此,二氧化碳爆破能量热力学计算常采用Span Wagner 状态方程,Span Wagner 状态方程是以亥姆霍兹自由能为基础的基本方程,而亥姆霍兹自由能常用A[39]来表达。
式中:u为系统的内能;T为温度;s为系统的熵。由于系统亥姆霍兹自由能的增加反映了能量的蓄积和系统爆炸能量的大小[39],因此,二氧化碳爆炸能量为
结合Span Wagner 状态方程[13]、二氧化碳爆破压力试验数据以及式(3)可以准确地计算出二氧化碳爆破能量。
为了更加直观地衡量爆破能量,还可以将其用TNT 当量来表征。
式中:WTNT为TNT 当量;QTNT为1 kg TNT 爆炸能量,取4 250 kJ/kg。
学者们对二氧化碳爆破技术做了大量的研究,取得了许多可喜的成果,但该项技术仍需进一步深入研究。
1) 二氧化碳爆破机理分析
对于二氧化碳爆破机理的研究大多是借鉴了传统炸药爆破的理论,有一些结论认为二氧化碳爆破是应力波与高压气体共同对外作用的,但根据笔者的现场施工经验,二氧化碳爆破效果更倾向于单纯的高压气体膨胀准静载作用,现场炮孔壁也没有形成压碎区与环向的拉伸裂隙区,关于二氧化碳爆破的作用机理尚需深入研究。
此外,大多数研究多假定高压气体均匀对外膨胀,而实际上泄能孔附近应该有高压气体的集中,岩体的破碎程度应该更大,对于实际工程中岩体的损伤与破碎机理也需进一步研究。
2)二氧化碳爆破设备研发优化
二氧化碳爆破设备中最重要的3 个部分分别为激发管、定压爆破片以及泄能口。
对于激发管而言,其原理是通过管内药剂的燃烧向外传递热量引发液态二氧化碳相变,在目前的整套二氧化碳爆破设备中,其危险性是最高的。
如何保证其本质安全性,如何完善相关生产和运输的法律法规是一个重要的问题。
激发管内药剂向外传递热量的快慢和大小会对二氧化碳的相变过程产生怎样的影响尚需进一步研究。
对于定压爆破片而言,其主要参数就是其破裂强度,强度大,瞬时泄爆能量就大,但并非爆破片强度越大越好,在节理裂隙较发育的地质环境,爆破片强度过大会产生飞石甚至造成“飞管”,而爆破片强度太小,则破岩效果不佳,因此,通过试验研究确定合适的爆破片强度至关重要。
对于泄能口而言,初始的泄能口均为圆形孔,可尝试将泄能口设计成切缝型或者将圆形口孔壁设计成螺纹状,利用聚能原理达到最佳的破岩效果。
3)二氧化碳爆破孔网参数设计
在人员或建筑物密集区域施工或者当购买炸药无法审批时,二氧化碳爆破就是一个很好的选择。
目前,二氧化碳爆破施工主要依靠经验,相关的施工技术规程尚未形成,二氧化碳爆破的优势还无法发挥到最大。
因此,形成具体、可行的二氧化碳爆破孔网参数设计规范显得尤为重要。
液态二氧化碳相变爆破技术安全、高效、污染小,爆破后引发的爆破振动、飞石、噪声等危害较炸药爆破大幅降低,解决了某些特殊环境下炸药爆破受限的难题,是一种具有良好发展前景的非爆破破岩方法。
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