孫 小 明

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

在礦山開發(fā)、水利水電工程建設(shè)以及城市隧道施工等工程中廣泛涉及巖石巷道開挖作業(yè)，依靠炸藥的鉆孔爆破法是當(dāng)前巷道、隧洞開挖的常用手段。然而，炸藥爆破伴生的危害效應(yīng)不容忽視，爆破沖擊波、強(qiáng)烈振動(dòng)引起巷道支護(hù)失穩(wěn)或圍巖損傷，對(duì)礦井安全造成較大危害，尤其對(duì)深埋高地應(yīng)力巖體開挖過程中的巖爆、微地震、分區(qū)破裂化等非常規(guī)巖體工程災(zāi)害的形成具有重要影響[1-2]；在高瓦斯、突出礦井中，使用炸藥進(jìn)行作業(yè)存在引燃瓦斯甚至引發(fā)瓦斯爆炸的隱患；在水利水電工程及城市隧道施工中，炸藥爆破施工引起的振動(dòng)會(huì)對(duì)附近建筑物造成較大危害；爆破噪聲、有毒有害氣體及粉塵等污染會(huì)對(duì)居住環(huán)境造成不良影響，危害作業(yè)人員身心健康[3]。鑒于炸藥爆破在工程應(yīng)用中的諸多不良因素，同時(shí)大型鑿巖設(shè)備受制于作業(yè)空間、圍巖地質(zhì)條件等因素而使用范圍有限[4-5]，為提高巷道掘進(jìn)效率，提出采用液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)用于破巖作業(yè)。

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)是一種非炸藥物理爆破技術(shù)，致裂過程具有安全可靠、振動(dòng)和噪聲小、無有毒有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)，而且主爆區(qū)對(duì)圍巖擾動(dòng)小、能量利用率高，可最大程度地減少爆破粉塵的產(chǎn)生[6]，致裂過程無火花外露，杜絕引起瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。文獻(xiàn)[7-10]利用液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)在低透氣性煤層中開展深孔預(yù)裂爆破，可大幅提高煤體內(nèi)裂隙發(fā)育程度，改善煤層透氣性，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯解吸提高瓦斯抽采效果。文獻(xiàn)[11]利用微地震監(jiān)測的方法揭示了二氧化碳?xì)庀鄩毫蚜严缎秹喝Φ男螒B(tài)特征，呈現(xiàn)為不規(guī)則橢球形；陶明等[12]在露天礦山開展臺(tái)階爆破試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方法論證了液態(tài)二氧化碳相變致裂破巖在環(huán)保和減災(zāi)方面的優(yōu)越性。專家學(xué)者對(duì)二氧化碳相變致裂技術(shù)的研究多集中在煤層增透以及露天礦領(lǐng)域，在巖巷掘進(jìn)方面的研究相對(duì)比較薄弱。

隨著綠色開采礦山資源的理念不斷深入人心，對(duì)非炸藥破巖技術(shù)的研究也變得越來越有實(shí)際意義。因此，筆者通過開展現(xiàn)場試驗(yàn)，研究液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)在巖巷掏槽破巖作業(yè)中的適用性，通過探索關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)為該技術(shù)在礦山井巷、城市地下隧洞等領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 液態(tài)CO2相變致裂破巖技術(shù)

1.1 設(shè)備簡介及工作原理

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)的裝備基礎(chǔ)是二氧化碳致裂器。二氧化碳致裂器如圖1所示，其通過高壓常溫的方式在致裂器的儲(chǔ)液管內(nèi)充入液態(tài)二氧化碳，通電觸發(fā)內(nèi)部的發(fā)熱裝置，使其反應(yīng)釋放大量熱量，二氧化碳在極短時(shí)間內(nèi)吸熱，相態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻橛谝簯B(tài)和氣態(tài)之間的超臨界狀態(tài)，同時(shí)壓力驟升，最終突破致裂器的定壓剪切片，作用在泄放孔周圍的巖體上，在應(yīng)力波和高壓二氧化碳準(zhǔn)靜態(tài)荷載的共同作用下達(dá)到破裂巖體的目的。超臨界二氧化碳射流具有降低破巖門限壓力的優(yōu)勢，其密度接近于液體，同時(shí)兼具氣體低黏度、高擴(kuò)散系數(shù)的特征[13]，在破巖過程中隨著壓力的衰減進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。

1—充裝閥；2—發(fā)熱裝置；3—儲(chǔ)液管；4—密封墊；5—定壓剪切片；6—泄能頭(釋放管)

二氧化碳致裂器可單根使用，一根致裂器的爆破當(dāng)量約為0.15 kg的TNT，也可以通過轉(zhuǎn)接裝置將多根致裂器首尾相連實(shí)現(xiàn)多管聯(lián)爆。每次爆破后，致裂器可以回收，更換發(fā)熱裝置、密封墊、定壓剪切片并再次充裝液態(tài)二氧化碳后可重復(fù)使用。

1.2 相變致裂破巖規(guī)律

二氧化碳致裂器啟動(dòng)后，產(chǎn)生以應(yīng)力波和高壓二氧化碳射流為主要?jiǎng)恿Φ钠茙r能量，高壓二氧化碳射流作用在鉆孔孔壁上形成的壓應(yīng)力，其等效拉應(yīng)力和剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于巖體抗拉、抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巖體內(nèi)部形成Ⅰ型張拉斷裂及Ⅱ型剪切斷裂，產(chǎn)生新的裂隙或促使巖體內(nèi)部原生裂隙、節(jié)理等弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)擴(kuò)展。隨著楔入巖體裂隙中的二氧化碳射流減壓膨脹，在準(zhǔn)靜態(tài)作用下促使微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、延伸成為宏觀裂隙，并向掘進(jìn)斷面或空孔的自由面擴(kuò)展形成破壞性斷裂面，最終使破斷的巖塊朝自由面方向脹裂、拋出[3]。

在考慮原巖應(yīng)力條件下，將二氧化碳致裂形成的裂隙視為平面問題進(jìn)行分析，Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子由垂直于裂紋面的正應(yīng)力σ產(chǎn)生，Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子由平行于裂紋面的切應(yīng)力τ產(chǎn)生，Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂隙應(yīng)力強(qiáng)度因子[14]滿足以下關(guān)系

KⅠsinθ+KⅡ(3cosθ-1)=0

(1)

(2)

式中：KⅠ，KⅡ分別為Ⅰ型、Ⅱ型斷裂強(qiáng)度因子；θ為復(fù)合裂隙擴(kuò)展角，(°)；α為裂紋傾角，(°)；pr為裂紋中二氧化碳?jí)毫Γ琈Pa；σx、σy分別為平面條件下煤巖體單元邊界水平、垂直應(yīng)力，MPa。

由式(2)可知，復(fù)合裂紋的擴(kuò)展角度除了與裂紋自身角度、主應(yīng)力等因素有關(guān)外，還受二氧化碳?jí)毫Φ挠绊懀趸級(jí)毫υ阢@孔及巖體裂隙中隨時(shí)間和作用距離的增大而不斷衰減，其初始狀態(tài)則是二氧化碳致裂器的致裂壓力。

液態(tài)二氧化碳相變致裂破巖規(guī)律如圖2所示。

圖2 二氧化碳相變致裂破巖規(guī)律示意

1.3 相變致裂破巖壓力測試

常見巖石的極限抗拉強(qiáng)度約為幾兆帕至幾十兆帕的數(shù)量級(jí)，二氧化碳致裂能否有效破斷巖石，以及致裂產(chǎn)生的裂紋發(fā)展角度能否有助于斷裂面的產(chǎn)生及破斷巖石的剝落，就必須準(zhǔn)確考察出二氧化碳致裂器的致裂壓力，即二氧化碳從致裂器泄放而出的壓力。在研究致裂器的泄放壓力時(shí)，可將液態(tài)二氧化碳在儲(chǔ)液管內(nèi)吸熱氣化的過程視為定容增壓過程，利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算儲(chǔ)液管內(nèi)的峰值壓力并等同為最大致裂壓力，但實(shí)際情況是儲(chǔ)液管內(nèi)壓力上升超過定壓剪切片的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)就會(huì)將其破壞進(jìn)而釋放高壓氣體，壓力開始下降，因此采用理論計(jì)算的方法通常與實(shí)際泄放壓力有較大出入。為了探尋二氧化碳致裂器實(shí)際泄放壓力，搭建了二氧化碳致裂器壓力測試平臺(tái)[15]，如圖3所示，采用試驗(yàn)方法測試MZL200-57-1000型致裂器的泄放壓力。

圖3 二氧化碳致裂器壓力測試平臺(tái)

MZL200-57-1000型致裂器外徑57 mm、全長1 100 mm、儲(chǔ)液管長1 000 mm，管內(nèi)液態(tài)二氧化碳充裝量1.0 kg，充裝壓力一般為9.0～10.0 MPa。在致裂器靠近泄能頭一端的管壁開孔安裝高頻響應(yīng)壓力傳感器，持續(xù)記錄致裂器儲(chǔ)液管內(nèi)的二氧化碳由初始?jí)毫ι疗茐亩▔杭羟衅瑫r(shí)峰值壓力的升壓過程，以及二氧化碳泄放階段的壓力衰減過程。

致裂器啟動(dòng)后，管內(nèi)的二氧化碳?jí)毫某跏嫉某溲b壓力10.0 MPa急劇上升，經(jīng)過96 ms達(dá)到峰值壓力185 MPa(圖4)，此時(shí)定壓剪切片被沖破，致裂器管內(nèi)的高壓氣流通過泄能頭噴射而出，經(jīng)過12 ms管內(nèi)壓力降至約156 MPa，隨后壓力大幅跌落，經(jīng)過92 ms基本降至大氣壓力，全部過程持續(xù)約200 ms。

圖4 二氧化碳致裂器壓力變化全過程曲線

相對(duì)于炸藥爆破作用時(shí)間數(shù)量級(jí)約10-6s，二氧化碳致裂過程高壓持續(xù)時(shí)間長，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，能量利用率高，更有利于破巖，避免出現(xiàn)炸藥爆破的強(qiáng)沖擊波和對(duì)巖石造成過度破碎，進(jìn)而避免產(chǎn)生大量粉塵。

通過壓力測試平臺(tái)準(zhǔn)確測得二氧化碳致裂器峰值泄放壓力為185 MPa，相對(duì)于炸藥爆破峰值壓力一般為幾千兆帕到上萬兆帕，二氧化碳相變致裂壓力既有較高的安全性和可控性，又遠(yuǎn)大于巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度，能夠滿足致裂破巖需要。

2 液態(tài)CO2相變致裂掏槽試驗(yàn)

2.1 工程概況

試驗(yàn)礦井位于天山北麓的中低山區(qū)，地表地形復(fù)雜，區(qū)內(nèi)南部基巖裸露，地形陡峻。礦井需要新掘一條斜風(fēng)井，斜風(fēng)井掘進(jìn)長度約860 m，傾角25°。原計(jì)劃采用炸藥鉆爆法進(jìn)行施工，但受到炸藥管控以及周邊牧區(qū)不利于爆破作業(yè)等因素的影響導(dǎo)致工程停滯，小型風(fēng)鎬開挖的方式也遠(yuǎn)不能滿足工程需要，因此探索利用液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)進(jìn)行巖巷掏槽掘進(jìn)。

掘進(jìn)工作面為半圓拱形巷道，凈寬4.2 m、凈高3.5 m，凈斷面積19.73 m2，掘進(jìn)斷面積22.87 m2，砌碹支護(hù)。巷道巖性以變質(zhì)泥巖為主，夾約0.6 m厚砂巖，其他還有少量砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，巖石普氏系數(shù)f=5～7。

2.2 試驗(yàn)方案

巖巷掘進(jìn)通常是在掘進(jìn)斷面上先采用中央爆破掏槽形成自由空間，再通過周邊眼爆破形成巷道輪廓，掏槽作業(yè)的效果直接影響到周邊眼的布置以及巷道掘進(jìn)效率[16]。不同于炸藥鉆爆法采用小孔徑炮眼(一般32～46 mm)、密集布孔、裝藥系數(shù)較高的特點(diǎn)，液態(tài)二氧化碳相變致裂的鉆孔布置參數(shù)受致裂器的規(guī)格影響較大，一般致裂鉆孔數(shù)量少，但是孔徑大(略大于二氧化碳致裂器的外徑)，另外也需要在掏槽區(qū)域中央布置中心孔增加致裂作用的自由面。

考慮到施工現(xiàn)場打鉆時(shí)間以及致裂器組裝時(shí)間等因素，設(shè)計(jì)了2組對(duì)比考察方案，方案一采用單根致裂器進(jìn)行掏槽作業(yè)，循環(huán)作業(yè)時(shí)間較短；方案二采用多根致裂器聯(lián)爆進(jìn)行掏槽作業(yè)，增加了打鉆時(shí)間，以及2根致裂器相連接、致裂后進(jìn)行拆卸的時(shí)間，優(yōu)點(diǎn)是可以增大掏槽空間。①方案一：單根致裂器掏槽試驗(yàn)(圖5a、圖5b)。在掘進(jìn)工作面斷面布置1— 6號(hào)鉆孔為掏槽眼，掏槽眼水平間距1.2 m，豎直間距0.6 m，每個(gè)孔安放1根致裂器；7、8 號(hào)鉆孔為中心孔，7 號(hào)孔與1、2、4、5 號(hào)孔間距相同，8 號(hào)孔與2、3、5、6 號(hào)孔間距相同，均為0.67 m，即抵抗線0.67 m，中心孔為致裂過程提供自由面，孔內(nèi)不安放致裂器。8個(gè)鉆孔孔徑均為75 mm、孔深1.0 m，致裂孔孔口使用黃泥進(jìn)行封堵，封孔深度不低于0.5 m。②方案二：多根致裂器聯(lián)爆掏槽試驗(yàn)(圖5a、圖5c)。方案二采用多根致裂器聯(lián)爆的方式進(jìn)行掏槽試驗(yàn)，鉆孔間距同方案一，但加大了致裂孔和中心空孔的深度，為2.2 m，其他參數(shù)不變，每個(gè)致裂孔安放2根致裂器，用轉(zhuǎn)接裝置進(jìn)行連接。孔口同樣采用黃泥封孔0.5 m。

圖5 試驗(yàn)鉆孔布置

方案一與方案二中，致裂器的長度均略大于鉆孔深度，在孔口用鋼絲繩將露出孔的致裂器端頭進(jìn)行捆連，避免爆破過程致裂器竄出孔外。所有致裂器均連在同一爆破母線上，并與起爆器相連，一鍵啟動(dòng)，所有致裂器同時(shí)起爆。

此外，在試驗(yàn)巷道距離爆破點(diǎn)約50 m處布置測振儀和聲波測試儀，分別監(jiān)測相變致裂過程巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和噪聲分貝。

3 掏槽試驗(yàn)效果及分析

3.1 試驗(yàn)效果

方案一中6根致裂器同時(shí)起爆后，掏槽區(qū)域形成了沿巖層傾向延伸的槽洞，槽洞最大深度0.65 m，高度1.0 m、長約2.5 m，剝落巖石體積約1.6 m3，拋擲出的最大的落巖體積約0.09 m3，其余落巖塊度較小，巖石基本拋擲在掘進(jìn)斷面往外2.0 m范圍內(nèi)。致裂鉆孔向中心空孔方向有少量裂隙延展，掏槽區(qū)域整體深度較淺，為后續(xù)周邊致裂孔破巖提供的自由空間有限。方案一循環(huán)作業(yè)時(shí)間約為6 h。

方案二致裂試驗(yàn)前后掘進(jìn)斷面情況如圖6所示。6個(gè)致裂孔共12根致裂器同時(shí)起爆后，形成的掏槽外部輪廓與方案一基本一致，槽洞高度1.2 m，長約2.5 m，但最大深度達(dá)到了1.6 m，剝落巖石體積約4.2 m3。本次致裂試驗(yàn)產(chǎn)生的落巖塊度較為均勻，沒有產(chǎn)生難以處理的過大巖塊，最大體積0.048 m3，其余落巖塊度較小，巖石拋擲距離約在3.0 m范圍內(nèi)。致裂孔孔口及槽洞內(nèi)部均發(fā)育有裂縫，多數(shù)是由致裂孔向中心空孔方向進(jìn)行擴(kuò)展，裂縫寬度2～10 mm。受巖石夾制作用影響，掏槽槽洞底部的巖石未能完全剝落，但是致裂產(chǎn)生的裂縫已為后續(xù)周邊眼爆破提供了新的自由面。此外，4 號(hào)孔致裂后殘留爆破孔痕跡保存率較高，表明二氧化碳相變致裂壓力適于致裂需要，可避免對(duì)鉆孔孔壁及巖體產(chǎn)生過度破碎，致裂后的細(xì)節(jié)如圖6所示。方案二循環(huán)作業(yè)時(shí)間約為9 h。方案一與方案二的掏槽效果對(duì)比見表1。

圖6 方案二掏槽試驗(yàn)前后效果

表1 掏槽試驗(yàn)效果對(duì)比

3.2 試驗(yàn)安全情況

致裂試驗(yàn)過程中，測試到最大噪聲62 dB，致裂產(chǎn)生的振動(dòng)遠(yuǎn)小于炸藥爆破，在警戒區(qū)域無明顯震感，傳感器測得最大振動(dòng)速度為0.376 cm/s。試驗(yàn)完成后正常供風(fēng)15 min，試驗(yàn)人員測試現(xiàn)場氧氣含量為20.5%，現(xiàn)場無炮煙、無揚(yáng)塵。巷幫、頂板以及已支護(hù)區(qū)域均未受到致裂試驗(yàn)影響。

3.3 試驗(yàn)分析

通過對(duì)2次試驗(yàn)效果進(jìn)行分析，可知：

1)方案二鉆孔深度是方案一的2.2倍，而形成的最大掏槽深度是方案一的2.46倍，合理加大鉆孔深度，采用2根致裂器聯(lián)爆的方式形成的掏槽空間更大，更有利于后續(xù)周邊眼的致裂。方案二中掏槽深度是鉆孔深度的73%，但是在槽洞底部形成的裂縫有利于后續(xù)爆破，同時(shí)在巖體深部，雖然致裂效應(yīng)不能造成巖石的直接破壞，但對(duì)于遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面，可造成其松動(dòng)，使得原有裂隙延展，在損傷累積效應(yīng)[17-18]作用下，為下一循環(huán)的掏槽作業(yè)創(chuàng)造了有利條件。

2)方案二的循環(huán)作業(yè)時(shí)間是方案一的1.5倍，但是剝落巖石體積是方案一的2.63倍，掏槽深度的增大更有利于循環(huán)進(jìn)尺的提升，并且采用2根致裂器聯(lián)爆的方式，產(chǎn)生的落巖塊度均勻，最大落巖尺寸0.048 m3，約為單根致裂器作業(yè)方式下的53%，便于后續(xù)運(yùn)渣作業(yè)，整體作業(yè)效率更高。

3)二氧化碳致裂器在鉆孔中的核心作用點(diǎn)是不連續(xù)的，能量最大點(diǎn)發(fā)生在致裂器的泄能孔處，這一點(diǎn)與炸藥爆破區(qū)別較大，條形裝藥模式下炸藥裝藥系數(shù)高，在鉆孔中基本是線狀連續(xù)爆破，鉆孔軸向上能量密度可視為均勻分布。2根致裂器聯(lián)爆時(shí)，淺部致裂器泄能孔到中心空孔和掘進(jìn)斷面這2個(gè)自由面的距離相近，而深部致裂器的泄能孔到掘進(jìn)斷面的距離遠(yuǎn)大于到空孔的距離，因此掏槽輪廓的形成主要受淺部致裂器的影響，所以方案一與方案二雖然鉆孔深度不同，但由于鉆孔孔位一致，方案二中淺部致裂器與方案一中致裂器到自由面的距離相近，從而導(dǎo)致試驗(yàn)后形成的掏槽輪廓基本一致。

4)二氧化碳相變致裂掏槽作業(yè)的鉆孔孔徑一般在75 mm以上，傳統(tǒng)的氣腿式鑿巖機(jī)難以滿足施工需求，本次試驗(yàn)鉆孔是利用潛孔鉆施工而成，作業(yè)過程中需要將鉆機(jī)水平架起，增加了施工難度，而且對(duì)于開孔高度過高的鉆孔，施工更為不易，雖然方案一淺孔作業(yè)的循環(huán)作業(yè)時(shí)間較短，但為了提升整體掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)水平，有必要對(duì)鉆具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高設(shè)備鑿巖效率，并嘗試斜眼掏槽方法，進(jìn)一步提高巖巷掘進(jìn)效率。

4 結(jié) 論

1)通過理論分析的方法探討了液態(tài)二氧化碳相變致裂的破巖規(guī)律，可知該技術(shù)是在應(yīng)力波和高壓二氧化碳準(zhǔn)靜態(tài)荷載共同作用下，通過拉應(yīng)力、剪應(yīng)力促使巖體發(fā)生破壞的過程。通過試驗(yàn)測試的方法得到了二氧化碳致裂器整個(gè)致裂過程持續(xù)時(shí)間200 ms，泄放峰值壓力可達(dá)185 MPa，遠(yuǎn)大于巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度，為開展液態(tài)二氧化碳相變致裂掏槽破巖現(xiàn)場試驗(yàn)提供了理論支撐。

2)根據(jù)二氧化碳相變致裂破巖規(guī)律，在巖巷掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)了2種掏槽破巖試驗(yàn)方案，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，掏槽區(qū)域中間布置2列共6個(gè)掏槽眼，2個(gè)中心空孔，孔深均為2.2 m，致裂孔與空孔間距0.67 m，掏槽眼孔內(nèi)安放2根致裂器，采用多管聯(lián)爆的方式，可取得更好的掏槽效果，掏槽最大深度1.6 m，落巖體積約4.2 m3，滿足巷道掘進(jìn)作業(yè)需求,并且在損傷累積效應(yīng)作用下，槽洞底部的擴(kuò)展裂隙可為下一循環(huán)的掏槽作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

3)致裂作業(yè)過程最大噪聲62 dB，最大振動(dòng)速度為0.376 cm/s，遠(yuǎn)小于爆破安全規(guī)程的要求，通風(fēng)15 min后現(xiàn)場無炮煙、無揚(yáng)塵，致裂過程不破壞巷道的結(jié)構(gòu)完整性，不會(huì)影響周邊環(huán)境，在作業(yè)次生危害方面遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)炸藥爆破，為巖巷掘進(jìn)、城市地下隧洞開挖等工程提供了新的作業(yè)手段和技術(shù)參考。