顏正勇,胡少斌,2,卞 怡,龐爍鋼,王 乾

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210098)

由于政策的推進(jìn)與社會(huì)的發(fā)展,礦山工程、隧道工程在市政建設(shè)中的應(yīng)用日益增大。巖石破裂技術(shù)在礦山工程、隧道工程中起著不可替代的作用。如今在礦山工程中大多還使用傳統(tǒng)炸藥進(jìn)行爆破施工,然而,炸藥存在意外爆燃、吸水失效、爆炸后有毒氣體含量超標(biāo)等潛在事故風(fēng)險(xiǎn)[1]。為了克服這些問(wèn)題,研發(fā)出一種新式的爆破方法——CO2致裂法。

高能氣體壓裂技術(shù)最早于19世紀(jì)60年代出現(xiàn)在美國(guó)[2],該技術(shù)是一種利用火(炸)藥在短時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的沖擊波來(lái)壓裂巖體。相對(duì)于炸藥爆破,CO2相變膨脹致裂器的能量來(lái)源于內(nèi)部發(fā)熱管的瞬態(tài)放熱,這種間接的作用方式導(dǎo)致致裂壓力持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),一方面降低了強(qiáng)沖擊擾動(dòng),另一方面更有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。從19世紀(jì)60年代初期開(kāi)始,液態(tài)CO2便在石油與天然氣工業(yè)上得到了使用,并在數(shù)十年間國(guó)外學(xué)者對(duì)液態(tài)CO2進(jìn)行了大量的研究。直至1998年以前,國(guó)外共有超過(guò)1 200次壓裂作業(yè)利用了純液體大量的實(shí)驗(yàn)研究表明,CO2相變爆破時(shí)不產(chǎn)生火花,威力可以用TNT當(dāng)量表示,具有良好的適用性和安全性[4-6]。

目前國(guó)內(nèi)在CO2氣動(dòng)壓裂方面均采用液態(tài)CO2壓裂技術(shù),然而液態(tài)CO2在儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及使用的過(guò)程中仍然存在不少問(wèn)題。且由于膨脹管材料的限制,重復(fù)性CO2致裂器起爆時(shí),其體內(nèi)的高壓氣體不能壓裂膨脹管,只能在儲(chǔ)液管尾定向進(jìn)行泄放,對(duì)儲(chǔ)液管的其他方向作用力較小,局限性很強(qiáng)[1];一次性CO2致裂器由于在爆破過(guò)程中直接形成具有極大的殺傷力,容易出現(xiàn)炸管、飛管現(xiàn)象,極具危險(xiǎn)性,因此國(guó)家禁止一次性CO2致裂器的使用。

為了解決傳統(tǒng)液態(tài)CO2相變膨脹致裂裝置存在的安全隱患,同時(shí)滿(mǎn)足巖石多重破裂的需求,提出一種CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂工藝,利用CO2聚能劑,在解決了場(chǎng)地深孔高壓氣體快速封堵的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了場(chǎng)地CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂預(yù)制混凝土實(shí)驗(yàn)。并在分析CO2氣動(dòng)壓裂條件,以及混凝土試樣裂紋的擴(kuò)展規(guī)律及破裂模式的同時(shí),揭示CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂機(jī)制。研究成果為露天臺(tái)階破巖、基坑開(kāi)挖、巖石破碎、隧道掘進(jìn)、壓裂增滲作業(yè)提供了一種安全、環(huán)保、節(jié)能的破巖新方法[7]。

通過(guò)設(shè)立3組干冰粉與CO2質(zhì)量比不同的氣動(dòng)破裂混凝土實(shí)驗(yàn),得出干冰粉和CO2聚能劑質(zhì)量比m對(duì)氣動(dòng)破裂混凝土實(shí)驗(yàn)效果影響規(guī)律。

1 CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)

1.1 CO2聚能劑

CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)CO2聚能劑在CO2氣體中快速燃燒,釋放大量熱量促使干冰粉末快速氣化,從而在封閉空間形成瞬態(tài)高壓,并最終致裂混凝土試樣。調(diào)節(jié)CO2聚能劑的活性和熱值,可有效控制壓力上升速率和作用時(shí)間,既能避免瞬態(tài)強(qiáng)沖擊擾動(dòng)和噪音,又能達(dá)到較為理想的動(dòng)態(tài)加載速率,從而實(shí)現(xiàn)混凝土試樣的動(dòng)態(tài)多重破裂。其中,固體干冰粉平均粒徑為0.2 mm,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,調(diào)配出不同活性的聚能劑復(fù)合材料,它具有密度低、孔隙率高、比表面積大、燃燒熱高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn),具體參數(shù)如表1所示。

表1 CO2聚能劑基本物理化學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and chemical parameters of CO2 concentrating agent

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及流程

CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由固體干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲加熱裝置、高壓氣體封堵子系統(tǒng)、平衡閥、電起爆器等組成(見(jiàn)圖1)。通過(guò)在打好孔的預(yù)制混凝土內(nèi)裝入PVC管,并用石膏填充固化后放入干冰粉、CO2聚能劑、電阻絲激發(fā)裝置,采用高壓氣體封孔技術(shù)將提前打好的孔封住,經(jīng)過(guò)凝固悶壓過(guò)后,使用電起爆器對(duì)預(yù)制混凝土進(jìn)行爆破,具體流程如圖2所示。其中電阻絲裝置是由電阻發(fā)熱絲和聚能劑塊體(由CO2聚能劑粉末壓制而成)構(gòu)成,電阻發(fā)熱絲被預(yù)制在聚能劑塊體中心,CO2聚能劑塊體能夠有效提高燃燒熱值密度,能在短時(shí)間內(nèi)提供足夠熱量,誘發(fā)近場(chǎng)干冰粉氣化,進(jìn)一步激發(fā)遠(yuǎn)場(chǎng)CO2聚能劑塊體產(chǎn)生燃燒放熱反應(yīng)。

圖1 CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 CO2 static pneumatic fracturing experiment system

圖2 實(shí)驗(yàn)步驟Fig.2 Experimental step

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)是在閉合空間內(nèi)放入干冰粉和CO2聚能劑,干冰粉升華轉(zhuǎn)變成的CO2氣體,與CO2聚能劑經(jīng)過(guò)點(diǎn)燃反應(yīng)釋放大量的熱使干冰粉完全轉(zhuǎn)變成氣態(tài)共同對(duì)預(yù)制混凝土做功,實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制混凝土的壓裂效果。為了觀察CO2聚能劑和干冰粉的質(zhì)量比對(duì)預(yù)制混凝土壓裂效果的影響,設(shè)計(jì)了不同質(zhì)量比的CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)配制了15 g的CO2聚能劑,設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn),干冰粉質(zhì)量和CO2聚能劑質(zhì)量比m分別為8∶1、7∶1、6∶1(見(jiàn)表2),且干冰粉粒度為0.2 mm,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為200 mm。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 評(píng)估方式

CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)是研究CO2聚能劑與CO2氣體反應(yīng)放熱的方式,是不同質(zhì)量比CO2氣體做功對(duì)預(yù)制混凝土壓裂效果的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是,預(yù)制混凝土完全壓裂或者在預(yù)制混凝土上呈現(xiàn)出明顯的裂縫。為了詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)的壓裂效果,設(shè)置了幾個(gè)評(píng)估因素:混凝土裂隙的開(kāi)度、長(zhǎng)度、裂隙延伸方向、裂隙分布方位和混凝土破碎體的塊度、破碎度等。裂隙的開(kāi)度、長(zhǎng)度可以直觀的反映實(shí)驗(yàn)的壓裂效果,能初步確定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力波大小及加載速率;裂隙的延伸方向和分布方位,可以確定巖體的結(jié)構(gòu)面方位;塊度、破碎度可以反映爆破效果的好壞。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同質(zhì)量比的CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂試件破壞如圖3所示,當(dāng)干冰粉的質(zhì)量為120 g,聚能劑質(zhì)量為15 g,m為8∶1的條件下,接電起爆0.5 s后,200-1預(yù)制混凝土試樣被壓裂成3個(gè)大塊,2個(gè)小塊并發(fā)出悶響聲(見(jiàn)圖3a);干冰粉的質(zhì)量為105 g,聚能劑質(zhì)量為15 g,m為7∶1的條件下,接電起爆1 s后,200-2預(yù)制混凝土試樣被壓裂成3個(gè)大塊,2個(gè)小塊并發(fā)出悶響聲(見(jiàn)圖3b);干冰粉的質(zhì)量為90 g,聚能劑質(zhì)量為15 g,m為6∶1的條件下,接電起爆1 s后發(fā)出悶響聲,但200-3預(yù)制混凝土未被完全壓裂且表面無(wú)明顯裂縫(見(jiàn)圖3c)。

圖3 試樣破壞情況Fig.3 Sample destruction

在CO2氣動(dòng)壓裂條件下,200-1與200-2混凝土試樣均破裂成3個(gè)大塊體和2個(gè)小塊體,并且3個(gè)大塊體破裂面貫穿整個(gè)試樣(見(jiàn)圖4a和圖5a)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩組實(shí)驗(yàn)圓柱形混凝土試樣均呈現(xiàn)多重破裂模式,3個(gè)主斷裂面大概互成120°夾角(見(jiàn)圖4c和圖5c)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),混凝土試樣破裂后自由散落塊體(尺寸大于20 cm的主破裂體)有規(guī)則分布于初始位置四周,分布范圍以點(diǎn)火位置為中心,直徑2 m的圓形范圍內(nèi)(見(jiàn)圖4a和圖5a)。

圖4 實(shí)驗(yàn)效果(m=8∶1)Fig.4 Experimental effect

圖5 實(shí)驗(yàn)效果(m=7∶1)Fig.5 Experimental effect

在氣動(dòng)壓裂過(guò)程中形成了類(lèi)似“炸藥”爆破產(chǎn)生的爆破漏斗(見(jiàn)圖4b和圖5b),2次壓裂實(shí)驗(yàn),爆破漏斗頂角分別為74.5°和75.2°。由利文斯頓爆破漏斗理論:當(dāng)炸藥威力大時(shí),傳給巖石的能量高,則其臨界深度值比較大;炸藥威力小,其臨界深度較小。比較圖4b和圖5b中漏斗的臨界深度值,可以發(fā)現(xiàn)在m為8∶1時(shí)臨界深度值大。所以CO2聚能劑和干冰的質(zhì)量比為8∶1時(shí)產(chǎn)生的能量更大。

觀察圖4c和圖5c發(fā)現(xiàn),在圖4c上形成的裂隙較之圖5c上形成的裂隙短,但有著更多的裂隙,即CO2聚能劑和干冰粉質(zhì)量比為8∶1時(shí)形成的裂隙短,m為7∶1時(shí)形成的裂隙更長(zhǎng);但是m為8∶1時(shí)形成的裂隙比7∶1時(shí)形成的裂隙少。根據(jù)巖體破碎的一般規(guī)律“作用緩慢的荷載有利于裂隙的貫通和形成較長(zhǎng)的裂隙,而高速率的載荷容易產(chǎn)生較多裂隙,但卻抑制了裂隙的貫通。

2.3 實(shí)驗(yàn)理論分析

當(dāng)接電起爆過(guò)后,CO2聚能劑和CO2氣體反應(yīng)對(duì)混凝土試樣產(chǎn)生沖擊波,沖擊波作用到防滲套筒管壁后產(chǎn)生應(yīng)力波。由于初期的沖擊時(shí)間短,所以由應(yīng)力波形成的應(yīng)力狀態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)很快消失,因此剛開(kāi)始反應(yīng)時(shí)形成的裂隙范圍較小,當(dāng)CO2氣體滲入裂隙并在靜壓作用下,產(chǎn)生類(lèi)似于氣楔的效果,使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展[8-9]。因混凝土試樣在CO2氣體的靜壓作用下破裂時(shí)間長(zhǎng),使混凝土試樣破碎和分離的進(jìn)程一直在持續(xù),并最終使混凝土試樣完全破碎。在本次CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)中,高壓CO2的靜壓作用是導(dǎo)致混凝土試樣破裂的主要原因。所以CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)將混凝土試樣壓裂,是應(yīng)力波和產(chǎn)生的高壓CO2氣體共同破壞的作用。

1)接電起爆時(shí),CO2聚能劑和干冰粉初期氣化產(chǎn)生的CO2氣體反應(yīng)生成應(yīng)力波,在應(yīng)力波作用下,混凝土試樣產(chǎn)生了徑向裂隙。

2)初期產(chǎn)生的應(yīng)力波遇混凝土試樣表面自由面反射,形成反射拉伸波。在反射拉伸波的作用下,混凝土試樣的自由面附近的混凝土發(fā)生了片落現(xiàn)象[10]。

3)應(yīng)力波形成的徑向裂隙內(nèi)滲入干冰粉,其氣化產(chǎn)生的高壓CO2氣體起到類(lèi)似于“氣楔”的劈裂作用,使混凝土試樣內(nèi)裂隙前端的拉應(yīng)力增大,裂隙仍能繼續(xù)擴(kuò)展[11-12]。由于高壓CO2氣體的壓力和CO2氣體本身沖入裂隙并貫穿了混凝土試樣,所以混凝土試樣最終被壓裂,形成了多個(gè)塊體。

3 結(jié)語(yǔ)

1)干冰粉運(yùn)輸方便,不需要高壓容器,且CO2聚能劑是非爆炸性產(chǎn)品,屬于貨物運(yùn)輸里的非限制性貨物,不受運(yùn)輸限制。填充干冰粉時(shí)使用高壓存儲(chǔ)容器,不需要增壓泵,同體積干冰密度大,填充的干冰粉質(zhì)量也較大。

2)在本次靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)中,CO2聚能劑與干冰粉質(zhì)量比m為8∶1時(shí)的壓裂效果最好,但是就壓裂裂隙的貫通性來(lái)看,m為7∶1時(shí)的最好。但此實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有驗(yàn)證繼續(xù)調(diào)節(jié)干冰粉的質(zhì)量時(shí),靜態(tài)氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)的壓裂效果。因此只能得出m介于7∶1與8∶1之間時(shí)的靜態(tài)氣動(dòng)壓裂效果較好。

3)CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂的效果比不上傳統(tǒng)的炸藥爆破壓裂,但其具有的低擾動(dòng)、低噪音、破裂效果良好的特點(diǎn),是可以用來(lái)代替一部分傳統(tǒng)炸藥爆破技術(shù)的。