CO2液-氣相變膨脹破巖機理及其安全效應(yīng)測試研究

李必紅，夏 軍，陳丁丁

(國防科技大學(xué)， 湖南 長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖機理及其安全效應(yīng)測試研究

李必紅，夏 軍，陳丁丁

(國防科技大學(xué)， 湖南 長沙 410072)

CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)從20世紀(jì)90年代引入中國，近幾年得到飛速發(fā)展，尤其在露天礦山破碎巖石方面開展了大量的試驗研究，但對該技術(shù)的破巖機理及其安全效應(yīng)的研究尚不多見。針對上述不足，首先建立應(yīng)力波傳播模型對CO2氣相變膨脹激起的巖石應(yīng)力波及其傳播開展研究，其次與現(xiàn)行爆破破巖的作用進(jìn)行對比，最后設(shè)計并開展了安全效應(yīng)現(xiàn)場測試試驗。研究工作將為該技術(shù)的應(yīng)用提供強有力的理論和試驗支持，同時也為開展后續(xù)研究提供了新的思路和分析方法。

CO2；液氣相變；破巖機理；安全效應(yīng)；現(xiàn)場測試

0 引 言

CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)是國內(nèi)近幾年新興的非炸藥破巖技術(shù)，具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟、高效的特點，正被越來越多地作為爆破技術(shù)應(yīng)用的有效補充。該技術(shù)的核心是通過壓縮灌裝機將液態(tài)CO2壓縮后灌裝入一特制膨脹管內(nèi)(見圖1)，通過激活器快速放熱，在極短時間內(nèi)將CO2從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，形成高壓CO2氣團(tuán)(類似于高壓爆轟氣體產(chǎn)物)，當(dāng)氣團(tuán)壓力超過破裂片壓力閥值時，高壓CO2氣體就從噴氣頭往外噴射。

圖1 單節(jié)CO2膨脹管結(jié)構(gòu)示意圖

在CO2液-氣相變膨脹破巖工程應(yīng)用中，根據(jù)需要將一到多節(jié)CO2膨脹管串聯(lián)裝入事先鉆好的膨脹孔(即炮孔)內(nèi)，將一次作業(yè)的多個膨脹孔的膨脹管聯(lián)成網(wǎng)路，通過專用激發(fā)系統(tǒng)將激活器激活，實現(xiàn)CO2液氣相變產(chǎn)生高壓CO2氣團(tuán)，該氣團(tuán)通過噴氣頭往膨脹孔內(nèi)噴射并在孔壁上激起應(yīng)力波，在該應(yīng)力波和CO2氣體的共同作用下破碎巖石。由于CO2氣團(tuán)的初始壓力遠(yuǎn)小于炸藥爆破爆轟壓力，因此其產(chǎn)生的振動波、沖擊波及飛散物等危害效應(yīng)遠(yuǎn)小于常規(guī)的炸藥爆破作業(yè)。

1 CO2膨脹破巖作用機理

CO2是空氣中常見的化合物，常溫下是一種無色、無味、無毒和不助燃的氣體。CO2能以固、液、氣3相存在(見圖2)。 液態(tài)CO2是無色、無味透明液體，在20℃時，將CO2加壓到5.6 MPa(密度為0.770 kg/m3)即可變成無色液體，通常壓縮儲存于鋼瓶中。液態(tài)CO2在受到高溫激發(fā)后，在極短的時間內(nèi)從液態(tài)到氣態(tài)呈現(xiàn)600～1000倍的體積驟增(相當(dāng)于1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積)，該技術(shù)正是利用這一瞬間相變產(chǎn)生大量氣體的特點。

圖2 CO2三相狀態(tài)

1.1 巖石應(yīng)力波的形成

1.1.1 巖石應(yīng)力波的形成過程

在不耦合結(jié)構(gòu)膨脹破巖的情況下(見圖3)，從膨脹管噴射出來的高壓CO2氣團(tuán)在膨脹管與膨脹孔之間進(jìn)行衰減傳播，而后與膨脹孔孔壁進(jìn)行碰撞(見圖4)，激起巖石應(yīng)力波(見圖5)。

1.1.2 巖石應(yīng)力波初始壓力計算

為研究問題方便，對于初始應(yīng)力波的計算可作如下假設(shè)：

圖3 膨脹管布置

圖4 CO2氣體的膨脹噴射

圖5 巖石沖擊波/應(yīng)力波激起示意圖

(1) 充填介質(zhì)通常為空氣，由于其作用較弱，忽略不計，按真空處理；

(2) 膨脹管真實材料為高強度鋼，在高壓作用下會發(fā)生彈性變形；如果鋼材足夠好，可以作為剛體處理，即不會發(fā)生任何變形；

(3) CO2氣體在間隙內(nèi)按等熵規(guī)律進(jìn)行膨脹，遇孔壁時產(chǎn)生沖擊壓力，并在巖石內(nèi)激起巖石應(yīng)力波；

(4) CO2氣體的初始壓力按破裂片的壓力閾值(Pm)計；

(5) 整個過程均不考慮溫度場的影響，即溫度不變。

基于上述假設(shè)，可以構(gòu)建孔壁上產(chǎn)生的初始壓力計算模型。

(1) 碰撞孔壁前的CO2氣體壓力(即入射壓力)為：

式中，dg為膨脹管的外徑；d0為膨脹孔的孔徑；P1為碰撞孔壁前的CO2氣體壓力；Pm為膨脹管破裂片壓力閾值的壓力值。

(2) 碰撞激起的巖石應(yīng)力波初始壓力。CO2高壓氣體和孔壁發(fā)生碰撞，會產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象。高壓氣體撞擊孔壁時，壓力會增大n倍。因此，在不耦合結(jié)構(gòu)膨脹破巖條件下，作用于孔壁上的初始沖擊壓力為：

式中，n為CO2高壓氣體和孔壁發(fā)生碰撞后的壓力增大倍數(shù)；P2為CO2氣體碰撞孔壁激起的巖石應(yīng)力波初始壓力。

1.3 巖石應(yīng)力波的傳播

1.3.1 巖石應(yīng)力波傳播規(guī)律

CO2高壓氣體膨脹以沖擊載荷形式作用于巖石上，在極短時間內(nèi)突然升高到極高的有限值，然后迅速衰減下來，即形成衰減傳播。

造成巖石應(yīng)力波衰減的主要原因有以下幾個方面：

(1) 隨著傳播距離增大，波陣面面積不斷增大，其單位面積上分布的能量不斷減少；

(2) 正壓區(qū)隨著波的傳播不斷拉寬，受壓縮的介質(zhì)不斷增大，使得單位質(zhì)量介質(zhì)的平均能量不斷下降；

(3) 傳播是不等熵的，在其傳播過程中始終存在著因介質(zhì)受沖擊絕熱壓縮而產(chǎn)生的不可逆的能量損耗，并且波強越強，這種不可逆的能量損耗越大。

1.3.2 傳播過程中的應(yīng)力波壓力

根據(jù)大量的巖石沖擊壓力隨距離變化的量測資料比較，可以得出近似計算硬巖(如大理巖、花崗巖、石灰?guī)r、輝綠巖等)的爆炸近區(qū)壓力(應(yīng)力)隨距離增加而衰減的公式：

綜合以上分析，可以得到距離膨脹孔中心距離為r處的應(yīng)力波值：

(1)

1.4 巖石應(yīng)力波的反射

應(yīng)力波在傳播過程中，遇到巖石的層理、節(jié)理、裂隙、斷層和自由面，或者介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生改變(例如巖性不同的交界面)時，應(yīng)力波的一部分會從交界面反射回來，另一部分透過交界面進(jìn)入第二種介質(zhì)。

當(dāng)應(yīng)力波垂直入射自由面時，自由面處的應(yīng)力會加倍。

1.5 與炸藥破巖的對比計算

在露天石灰石(ρm=2420 kg/m3，Cp=3430 m/s，ν=0.1)礦中進(jìn)行巖石破碎，試分別計算采用CO2相變破巖技術(shù)和炸藥爆破技術(shù)在孔壁處、距離鉆孔中心0.5，1 m和 2 m處的巖石應(yīng)力波壓力峰值。

采用CO2膨脹管時，一般采用73#膨脹管(即管外徑為73 mm、壁厚為14 mm的膨脹管)，孔徑為90 mm，破裂片閾值壓力為150 MPa，此時根據(jù)式(1)可以進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 采用CO2相變技術(shù)和炸藥技術(shù)破碎石灰石時的巖石應(yīng)力波峰壓

采用炸藥時，有2種情況，一是采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，二是采用散裝耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

不耦合裝藥結(jié)構(gòu)時，不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值計算公式為：

(2)

式中，db為炮孔直徑；do為炸藥卷直徑；ρ0為炸藥密度；D為炸藥爆速。

采用散裝耦合裝藥時，不同距離處的巖石應(yīng)力波峰值計算公式為：

(3)

取炸藥密度為1050kg/m3，炸藥爆速為4000m/s，代入式(2)和式(3)進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

分析表1可以得出如下結(jié)論：

(1) 采用70mm藥卷不耦合裝藥破碎巖石所產(chǎn)生的巖石應(yīng)力波峰值是73#CO2膨脹管的15倍，采用散裝耦合裝藥破碎巖石所產(chǎn)生的巖石應(yīng)力波峰值是73#CO2膨脹管的17.7倍。

(2) 對比石灰石的抗壓強度(10～200MPa)和抗拉強度(0.6～11.8MPa)，可以發(fā)現(xiàn)，73#CO2膨脹管產(chǎn)生的巖石應(yīng)力波強度與之相匹配，不易產(chǎn)生過大的危害效應(yīng)；而炸藥產(chǎn)生的巖石應(yīng)力波強度則高一個數(shù)量級，控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生爆破危害。

2 CO2相變破巖安全效應(yīng)現(xiàn)場測試

為有效說明CO2破碎巖石所產(chǎn)生的危害效應(yīng)，在湖北省武穴市一靠近長江邊的采石場進(jìn)行了現(xiàn)場測試試驗。

2.1 采場基本條件

采場離居民區(qū)距離較近，最近距離約50m，最遠(yuǎn)不超過300m，大多在100m范圍內(nèi)，部分居民房比較破舊，采用傳統(tǒng)炸藥爆破難度較大。采場巖石主要為灰色灰?guī)r，(飽和)單軸極限抗壓強度為33.7～70.8MPa，平均值約為50MPa，屬于強風(fēng)化，裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)較松散。

2.2 CO2破巖試驗設(shè)計

本次試驗共布設(shè)6個直徑90 mm的鉆孔，呈一線布置，平均孔深為5.6 m，孔間距為2.5～3.0 m不等，上抵抗線平均為2 m，下抵抗線平均為3 m。每個鉆孔內(nèi)裝填73#膨脹管5節(jié)，單節(jié)膨脹管灌裝CO2約800 g，所有鉆孔串聯(lián)用電激發(fā)。

地面振動測試設(shè)計見圖6，在距離7，17，32 m及52 m設(shè)置了4臺振動測試儀；噪音測試設(shè)計在距離鉆孔后側(cè)約15 m處進(jìn)行；飛散物回收設(shè)計，在距離鉆孔后側(cè)約2 m處鋪設(shè)約70 m2的彩條布進(jìn)行檢查；在臺階側(cè)面約45度的100 m遠(yuǎn)處架設(shè)了一臺高速攝影儀用來捕捉飛散物的運動軌跡。

圖6 地面振動監(jiān)測傳感空器布置

2.3 安全效應(yīng)測試結(jié)果

(1) 地面振動測試結(jié)果： 7 m處的最大振速為1.06 cm/s(小于炸藥爆破的1/20)，主振動頻率為34.18 Hz，其他3臺儀器均未觸發(fā)(設(shè)計閾值為0.2 cm/s)。

(2) 噪音測試結(jié)果：在風(fēng)速為1.8 m/s的情況下，約15 m處測得的最大噪音為75 dB，約等于成年人的正常說話。

(3) 飛散物回收結(jié)果：距離約2 m處的彩條布上沒有回收到明顯的回落石塊(見圖7)。

(4) 高速攝影結(jié)果：臺階面上無明顯拋擲現(xiàn)象，只有少量的煙塵順臺階面下滾(見圖8)。

圖7 飛散物回收系統(tǒng)回收效果

圖8 高速攝影1854.667 ms圖片

(5) 破碎效果分析：破碎后，用挖掘機進(jìn)行開挖，基本上呈現(xiàn)砂塊(平均塊度不大于20 cm)，但是底部約1 m處挖不動。

3 結(jié) 語

本文對非炸藥破巖技術(shù)—CO2相變破巖技術(shù)的巖石破碎機理開展了研究，分析了巖石應(yīng)力波的形成及傳播規(guī)律，并與炸藥爆炸應(yīng)力波進(jìn)行了對比，得出前者不足后者的1/15，且與巖石的抗壓(拉)強度數(shù)量級相當(dāng)，破巖時難以產(chǎn)生更多的危害效應(yīng)。

本文設(shè)計了CO2相變破巖安全效應(yīng)測試試驗，并進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：CO2相變破巖技術(shù)產(chǎn)生的地面振動相當(dāng)小，不足炸藥爆破產(chǎn)生的1/20；產(chǎn)生的噪音約等于成年人的正常說話級別；臺階面后方無飛散物，臺階面前方基本無飛濺；破碎后的巖石便于機械開挖。

通過理論分析與試驗測試基本上驗證了CO2相變破巖技術(shù)應(yīng)用于露天巖石破碎能夠達(dá)到微振動、無飛石、無沖擊波破壞、微噪音等的危害效應(yīng)，是復(fù)雜環(huán)境下巖石破碎的可靠選擇。

[1]李必紅，等.爆炸作用基礎(chǔ)[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2015.

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?.特種爆破[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2015.(

2016-10-22)

李必紅(1975-)，男，博士，副教授，主要從事爆破理論研究與實踐工作。