吳友旺 張華精 郭 榮

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350000)

1 概述

二氧化碳液—氣相變膨脹破巖技術(shù)(以下簡稱“二氧化碳破巖技術(shù)”或“CO2破巖技術(shù)”)，是通過壓縮灌裝機將液態(tài)CO2壓縮后灌裝入一種特制膨脹管，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?yōu)闅鈶B(tài)，形成高壓CO2氣團；當氣團壓力超過破裂片壓力閥值時，高壓CO2氣體從噴氣頭往外噴射，在孔壁上激起應(yīng)力波，在應(yīng)力波和CO2氣體的共同作用下破碎巖石。二氧化碳破巖技術(shù)的作用機理介于爆破開挖和靜態(tài)膨脹劑脹裂破巖之間。

二氧化碳破巖技術(shù)所用器材也叫二氧化碳致裂器，英國在20世紀70年代就掌握了此項技術(shù)，多年前已獲得了英國、新西蘭等國的安全認定，是國際上一種理念先進、方法安全、效果顯著的爆破技術(shù)，在國外廣泛應(yīng)用于鍋爐清堵、建筑物拆除、特殊區(qū)域爆破作業(yè)等方面。二氧化碳致裂器利用液態(tài)二氧化碳受熱氣化膨脹破斷巖石，解決了以往用炸藥爆破開采和預裂中破壞性震動大、作業(yè)危險性高、礦體粉碎等缺點，同時因二氧化碳致裂器不產(chǎn)生火花、屬于低溫致裂器、基本不揚塵(如煤塵)，操作、充裝、運輸危險性大，為礦山安全開采和預裂提供可靠保證，尤其適合高瓦斯煤礦的深層預裂，廣泛適用于煤礦和非煤礦山。我國在1996年前后也曾探索二氧化碳致裂技術(shù)用于高瓦斯煤礦的深層預裂排放瓦斯，后由于種種原因沒有推進。

2 試驗背景

福建永泰白云抽水蓄能電站工程是福建省內(nèi)重點能源項目，位于福州市下轄永泰縣白云鄉(xiāng)，在工程建設(shè)當中，設(shè)計爆破作業(yè)項目眾多，開挖組織協(xié)調(diào)工作量大；同時，爆破作業(yè)區(qū)距離當?shù)卮迩f、X114縣道等重要生產(chǎn)生活設(shè)施距離較近，作業(yè)環(huán)境較為復雜，采用火工品爆破，作業(yè)難度大，而采用靜態(tài)爆破，見效慢，爆落效果較差，成本大。因而利用二氧化碳破巖技術(shù)實現(xiàn)碎巖，是一種較好控制的方法。

同時，在節(jié)假日、大型政治經(jīng)濟活動會議召開期間，經(jīng)?？赡芤蛑伟补苤茻o法供應(yīng)火工用品導致爆破作業(yè)暫停，而二氧化碳致裂器具有二氧化碳氣易采購、部分裝置可重復使用等優(yōu)點，便于生產(chǎn)組織管理，因而二氧化碳破巖技術(shù)可優(yōu)先作為在火工品無法供應(yīng)的情況下巖石開挖的應(yīng)急方案。

目前二氧化碳破巖技術(shù)主要用在非煤礦山中，而在水電工程中，還極少采用，因此，本工程進行了二氧化碳破巖工藝試驗。

3 試驗方案

3.1 試驗位置

考慮CO2破巖技術(shù)特點和試驗效果分析需要，試驗地點選在永泰白云抽水蓄能電站中控樓開挖作業(yè)區(qū)。試驗前，該區(qū)域清表工作已經(jīng)完成，施工便道路基已基本成型，可觀察視野和安全避炮條件較好。

現(xiàn)場試驗位置布置如圖1所示。

3.2 試驗內(nèi)容

1)CO2破巖效果測試。

本次試驗設(shè)計了兩種不同的孔網(wǎng)參數(shù)和裝填參數(shù)，分兩次實施，進行對比分析，以充分掌握二氧化碳膨脹管的碎巖能力，主要測試CO2破巖后的巖石的松散程度及塊度分布。

2)安全效應(yīng)測試。

測試以下內(nèi)容：地面振動速度、空氣沖擊參數(shù)、個別巖石飛散距離、巖塊運動狀態(tài)。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計

兩種孔網(wǎng)參數(shù)和裝填參數(shù)分別詳見表1，表2。

表2 裝填參數(shù)

表1 孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計表

4.2 試驗方案一成果

4.2.1布孔平面示意

布孔平面示意詳見圖2。

4.2.2破巖效果

整體破巖效果不明顯，僅在2號、5號孔處產(chǎn)生巖石破碎現(xiàn)象：

1)臺階面前方：未出現(xiàn)巖塊坍塌現(xiàn)象，也未出現(xiàn)臺階面開裂現(xiàn)象；

2)臺階面上方：1號、3號、4號孔處未出現(xiàn)裂紋，2號、5號孔出現(xiàn)大量裂紋且出現(xiàn)孔口巖石破裂現(xiàn)象。

4.2.3地面振動效應(yīng)

在鉆孔旁邊一側(cè)5 m處和14 m處，分別布設(shè)振動測試儀進行測試。第一次試驗只觸發(fā)了5 m處的振動測試儀，測得的地面最大振動速度為0.1 cm/s。

4.2.4沖擊效應(yīng)

在靠近1號鉆孔12 m處，布設(shè)聲波(分貝)測試儀進行測試，測得的現(xiàn)場聲波值為65 dB。

4.2.5個別巖石飛散距離

在鉆孔后方約1 m，布設(shè)巖石碎片收集裝置進行測試，基本上未收集到大的塊石，只有少量的回落土。

4.3 試驗方案二成果

1)布孔平面示意。

布孔平面示意詳見圖3。

2)破巖效果。

整體破巖效果較好，臺階前方巖石散離原位，鉆孔連線處出現(xiàn)寬度達30 cm～50 cm的裂縫。

3)地面振動效應(yīng)。

在鉆孔旁邊一側(cè)6 m處和15 m處，分別布設(shè)振動測試儀進行測試，測得的地面最大振動速度分別為0.21 cm/s和0.12 cm/s。

4)沖擊效應(yīng)。

在靠近1號鉆孔12 m處，布設(shè)聲波(分貝)測試儀進行測試，測得的現(xiàn)場聲波值為65 dB。

5)個別巖石飛散距離。

在鉆孔后方約1 m處，布設(shè)巖石碎片收集裝置進行測試，基本上未收集到大的塊石，只有少量的回落土。

5 試驗分析及試驗結(jié)論

5.1 試驗方案一成果分析

試驗方案一未能達到預期的破巖效果，經(jīng)分析，主要原因有兩點：

1)設(shè)計不耦合系數(shù)過大，115 mm的孔徑使用φ73 mm的膨脹管，膨脹管與孔壁間隙過大，降低了應(yīng)力波作用力。

2)臺階面角度太緩，前排抵抗線過大，孔口抵抗線達2.5 m，底盤抵抗線達4 m～5 m，底盤抵抗線過大，而致使用的膨脹管數(shù)量不足，導致無法拉裂巖體。

5.2 試驗方案二改進及試驗成果

1)試驗方案二相比試驗方案一，主要做出了以下三方面的調(diào)整：

a.將孔徑由115 mm調(diào)整為90 mm，膨脹管直徑不變，不耦合系數(shù)由1.58降至1.23；

b.增加了膨脹管的使用數(shù)量，由13根膨脹管增加至17根；

c.清除巖體表面覆蓋的表土，底盤抵抗線由4 m～5 m降至2.5 m～3.5 m。

2)改進后，試驗效果良好，鉆孔連線處出現(xiàn)寬度達30 cm～50 cm的裂縫，7個孔有效碎巖約110 m3，開挖方案技術(shù)經(jīng)濟性可行。

5.3 試驗結(jié)論

通過兩次CO2破巖試驗，得出如下結(jié)論：

1)CO2破巖技術(shù)具有在復雜環(huán)境下碎巖的作業(yè)能力；

2)開挖中采取較陡的臺階面角度，適當減小抵抗線，有利于提高CO2破巖的效果；

3)在破碎堅硬巖邊坡，抵抗線2.5 m～3.5 m時，采用孔徑90 mm，用φ73 mm膨脹管，孔距布置取1.5 m～1.8 m，孔深取2.7 m～3.8 m，能達到良好的破巖效果;

4)鉆孔孔徑90 mm時可使用φ73 mm膨脹管，而對鉆孔直徑115 mm的膨脹孔，使用的膨脹管直徑應(yīng)相應(yīng)提高，降低不耦合系數(shù)，提高應(yīng)力波的作用效力；

5)CO2破巖技術(shù)由于振動較小，作用后基本無飛石。

6 結(jié)語

本次試驗是將CO2破巖技術(shù)首次應(yīng)用于水利水電工程施工。試驗成果有助于后續(xù)進一步了解和掌握CO2破巖技術(shù)的破巖性能，并在后續(xù)施工中更多地進行開發(fā)和應(yīng)用，同時進一步掌握和優(yōu)化CO2破巖技術(shù)安全控制技術(shù)。