吳殿勇

(泰安市公安局治安警察支隊(duì)槍爆大隊(duì)，山東 泰安 271000)

1 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)背景

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)起源于英國CARDOX公司，最初主要是用在高瓦斯礦井下，用來代替炸藥，避免引起瓦斯爆炸，在提高塊煤率和提高采煤效率等方面起到重要的作用。由于對(duì)?；锏墓芸亓Χ燃哟?，運(yùn)用傳統(tǒng)炸藥爆破巖石技術(shù)進(jìn)行石方開挖受到了約束。

近幾年，液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)在爆破能力方面表現(xiàn)出能夠替代炸藥的趨勢(shì)，并且得到快速推廣，為解決傳統(tǒng)炸藥爆破巖石技術(shù)進(jìn)行石方開挖受到政策約束的問題提供了新方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國企業(yè)職工傷亡事故中，各類爆炸事故總數(shù)（包括由爆破引起的事故）占傷亡事故總數(shù)的40%以上。相對(duì)于傳統(tǒng)炸藥爆破，液態(tài)CO2相變致裂不僅安全性能可靠，而且擁有致裂時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)速率小、飛石少、揚(yáng)塵小、無明火、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)CO2致裂技術(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(jì)、高效的特點(diǎn)，因此，相比較于傳統(tǒng)炸藥爆破，對(duì)液態(tài)CO2相變致裂的態(tài)度不存在抵觸心理。隨著液態(tài)CO2相變致裂能力的提升、技術(shù)的完善，預(yù)計(jì)5年內(nèi)逐漸形成行業(yè)規(guī)模，在道路施工、地鐵施工、露天采石等方面將有很大發(fā)展前景，被視為傳統(tǒng)爆破技術(shù)應(yīng)用的有效補(bǔ)充。

但液態(tài)CO2致裂技術(shù)也存在著問題。例如，液態(tài)CO2相變致裂能力等沒有定量的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)無理論和規(guī)律可循；液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)設(shè)備成套性差、自動(dòng)化程度差；液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)爆破機(jī)理研究滯后，液態(tài)CO2加熱膨脹的溫度、壓力等過程不清楚等，均是液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)亟需解決的問題。

2 液態(tài)CO2相變膨脹破巖機(jī)理

應(yīng)用液態(tài)CO2致裂技術(shù)的裝置是液態(tài)CO2致裂器，該裝置是由充裝閥、激活器、膨脹管、密封片、定壓剪切片、泄能頭等幾部分構(gòu)成。該技術(shù)的核心是通過壓縮灌裝機(jī)將液態(tài)CO2壓縮后灌入特制的膨脹管內(nèi)，連接電極，通過激活器將其快速加熱，將CO2在極短的時(shí)間內(nèi)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，形成高壓CO2氣團(tuán)（類似于爆轟氣體產(chǎn)物），當(dāng)氣團(tuán)壓力超過位于膨脹管底部的定壓剪切片的設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，高壓CO2氣體就從泄能頭側(cè)面的泄能口排出。在致裂現(xiàn)場(chǎng)的施工過程，首先將已經(jīng)充裝完畢的液態(tài)CO2致裂器吊裝入事先用鉆機(jī)打好的致裂孔中；其次用特質(zhì)的細(xì)砂填充致裂孔，并充分振搗，使致裂器膨脹管管壁與致裂孔之間被細(xì)砂密實(shí)；第三，用鋼纜連接各個(gè)致裂器頂端，以防止破巖時(shí)致裂器從致裂孔中飛起產(chǎn)生意外事故；第四，將各致裂器的激活器連接電極；最后用萬用表檢驗(yàn)測(cè)量導(dǎo)通，實(shí)施致裂巖石。

CO2是空氣中常見的化合物，常溫下是一種無色、無毒和不助燃的氣體。液態(tài)CO2是無色、無味的透明液體，在20℃時(shí)，將CO2加壓到5．6MPa（密度為0．770kg/m3）即可變?yōu)闊o色液體，常儲(chǔ)存在鋼瓶中。液態(tài)CO2在受到高溫激發(fā)后，在極短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)600～800倍的體積驟增（相當(dāng)于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積）。高壓CO2氣體將定壓剪切片破壞，從泄能頭側(cè)面的泄能口排出，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的推力，首先氣體的高壓將引起周圍的巖石壓縮變形，促使巖石產(chǎn)生裂隙；其次高壓CO2氣體滲入巖石原有的裂隙中，通過氣楔作用，將巖石原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，最后達(dá)到裂隙相互貫通，實(shí)現(xiàn)巖石的松動(dòng)、破裂、破碎。

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 工程概況

該工程爆破巖石主要為中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬中等堅(jiān)硬的巖石。第一次致裂的炮孔數(shù)目16個(gè)，炮孔孔間距為3．0m、排距2．5m、孔深3．0m，爆破土石方總方量約360m3。第二次致裂的炮孔數(shù)目16個(gè)，炮孔孔間距為2．0m、排距2．0m、孔深3．0m，爆破土石方總方量約190m3。現(xiàn)場(chǎng)采用TC-4850型三維爆破振動(dòng)測(cè)量儀，每次爆破布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)傳感器，同時(shí)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)在水平徑向（測(cè)點(diǎn)與爆源連線之間的水平方向）、水平切向（垂直于水平徑向的方向）和豎直方向（垂直于地面的方向），兩次液態(tài)CO2致裂的測(cè)點(diǎn)1、2和3距爆源的距離為32．5m（17．5m）、29m(22m)和33m（40m）。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過TC-4850型三維爆破振動(dòng)測(cè)量儀監(jiān)測(cè)，在兩次液態(tài)CO2相變致裂爆破中，分別在水平徑向、水平切向以及豎直方向三個(gè)監(jiān)測(cè)方向產(chǎn)生的振動(dòng)與頻率詳見表1，第一次、第二次致裂巖石共得到的六個(gè)振動(dòng)波形圖。

表1 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

通過對(duì)表1中和6個(gè)振動(dòng)波形圖的分析，可以得出以下結(jié)論：兩次運(yùn)用液態(tài)CO2相變致裂產(chǎn)生最大振速的時(shí)間約為 0．03s、頻率范圍為 18．9 ～ 69．4Hz、整個(gè)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在0．8s以內(nèi)（主要的振動(dòng)波形在0～0．2s內(nèi)）。從振動(dòng)時(shí)間上來看，振動(dòng)速度達(dá)到峰值的時(shí)間比炸藥爆炸時(shí)爆破振動(dòng)到達(dá)峰值的時(shí)間要短；從頻率和爆破振動(dòng)作用持續(xù)時(shí)間上來看，兩者幾乎相當(dāng)；從爆破規(guī)模上來看相應(yīng)的振動(dòng)速度要低一些。

雖然液態(tài)二氧化碳致裂破碎的威力比炸藥爆炸要小、產(chǎn)生的振動(dòng)相對(duì)弱一些，但也會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng)，應(yīng)引起高度重視，既要使液態(tài)CO2致裂技術(shù)成為傳統(tǒng)炸藥爆破破碎技術(shù)有效的補(bǔ)充，又要合理、合法地運(yùn)用，防止出現(xiàn)施工安全隱患。