張萬虎，馮 路，劉孝義，于建新，董 斌，劉 攀

(1.中國化學(xué)工程重型機(jī)械化有限公司，北京 102611；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

0 引言

爆破技術(shù)廣泛用于礦產(chǎn)資源開采和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，炸藥爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和作業(yè)人員的身體健康。炸藥爆破不僅產(chǎn)生巨大噪聲、振動(dòng)、沖擊波、粉塵和爆破飛石，還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NxOy)、硫氧化合物(SOx)等有毒有害氣體[1]。

近年來逐漸發(fā)展起來的液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)，具有振動(dòng)低、噪聲小、飛石少、無有害氣體、破巖效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，主要應(yīng)用于煤層增透和瓦斯抽采等方面。郭志興[3]在平頂山七礦開展了CO2爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證了液態(tài)CO2相變破巖過程和安全性。劉佩東[4]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)的對(duì)比分析，得出設(shè)置控制孔的條件下，液態(tài)CO2相變致裂的有效半徑為5～6m。徐穎等[5-6]首次較詳細(xì)地介紹了高壓氣體爆破采煤法，指出高壓氣體爆破更有利于煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，且不會(huì)引燃瓦斯煤塵，同時(shí)會(huì)沖淡工作面瓦斯?jié)舛取Ｖ毂赜碌萚7]通過模擬分析得出，不耦合系數(shù)越大，圍巖受到的損傷破壞越小，孔間距對(duì)爆破損傷范圍基本無影響，其值越大越不能形成有效的預(yù)裂縫。孫可明等[8]通過不同溫度和壓力下的超臨界CO2氣爆試驗(yàn)，充分利用內(nèi)窺鏡的觀察和對(duì)氣體外觀的測量，統(tǒng)計(jì)和分析了氣體爆炸后裂紋的數(shù)量及其長度等爆炸響應(yīng)的相關(guān)信息。張柏林等[9]通過試驗(yàn)得出，在相同孔距下“隔二爆一”致裂效果優(yōu)于“隔一爆一”布孔方式。王兆豐等[10-11]對(duì)CO2相變破巖技術(shù)的TNT當(dāng)量、煤層增透、瓦斯抽采等方面進(jìn)行了研究。朱拴成等[12]利用液態(tài)CO2致裂技術(shù)有效解決了巷道三角區(qū)懸頂問題。張悅等[13]應(yīng)用CO2增透預(yù)裂技術(shù)提升了煤層透氣性系數(shù)與瓦斯抽放效率，提高了工作面的掘進(jìn)效率。但國內(nèi)外關(guān)于液態(tài)CO2相變破巖理論的研究很少，理論研究落后于工程實(shí)踐。對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下液態(tài)CO2爆破研究也多數(shù)在工程實(shí)踐方面，對(duì)理論研究及規(guī)律性的總結(jié)較少。

炸藥爆破不能完全適用于所有的地質(zhì)條件，尤其是有些對(duì)周邊環(huán)境的影響有著嚴(yán)格要求的工程。安徽省安慶高新區(qū)山口片綜合開發(fā)PPP項(xiàng)目中勇進(jìn)路建設(shè)工程項(xiàng)目，其周邊主要為山林、溝塘、農(nóng)田，道路紅線周邊有現(xiàn)狀道路(縣道、鄉(xiāng)道、村村通等)、溝渠、高壓桿線、通信光纜等，地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡開挖高度高，且屬于航空管制區(qū)域，不適合采用炸藥爆破。本文以該工程為背景，開展一次性液態(tài)CO2致裂器在路基邊坡施工中的應(yīng)用研究，通過不同爆破參數(shù)下的致裂試驗(yàn)效果分析，得出合理的爆破方案，為后續(xù)類似工程的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

勇進(jìn)路建設(shè)工程全長約6.8km，道路紅線寬度60m，為城市主干路，建設(shè)地點(diǎn)位于安慶市大觀區(qū)山口鄉(xiāng)，道路沿線地貌單元屬于長江左岸Ⅲ級(jí)階地及河漫灘相，微地貌為丘陵崗地及崗地間的中小型沖溝，地形起伏不平，全線地形起伏>70m。巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬Ⅳ級(jí)，局部屬Ⅲ級(jí)，屬干燥型路基土。巖石一般呈棕紅色、紫紅色，為塊狀結(jié)構(gòu)，砂質(zhì)膠結(jié)，巖芯一般呈短柱狀，局部夾礫，屬砂質(zhì)礫巖。礦物成分主要為石英及長石，堅(jiān)硬程度屬較軟巖，巖體完整程度屬較完整，局部屬完整。

2 CO2相變致裂原理

液態(tài)CO2相變致裂屬于物理變化，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量，加熱液態(tài)CO2發(fā)生相變，壓力劇增至20～60MPa，液態(tài)CO2沖破定壓剪切片迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，整個(gè)過程中，CO2體積膨脹600多倍，氣體充滿整個(gè)鉆孔，釋放的膨脹能致裂鉆孔周邊的煤(巖)體；從起爆至結(jié)束整個(gè)過程只需0.4ms，爆破過程就是體積膨脹的過程，屬物理做功過程。

為實(shí)現(xiàn)快速施工，保證施工安全，試爆采用一次性MZL220-89/1000型CO2致裂管，其構(gòu)造包含如圖1所示儲(chǔ)液管與加熱管，結(jié)構(gòu)更加簡便，質(zhì)量更小，便于施工，管壁厚2mm，致裂結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)參數(shù)為：儲(chǔ)液管外徑89mm、長1 000mm、容積4.65L，泄放壓力220MPa，CO2充量(3.8±0.2)kg，最大設(shè)計(jì)充裝壓力15MPa，管體凈重15kg。

圖1 一次性致裂管結(jié)構(gòu)

3 CO2相變致裂試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

選取K5+440—K5+600段作為試爆致裂段，此處巖石類別、風(fēng)化程度和節(jié)理發(fā)育情況均具有代表性，與后期致裂地段地質(zhì)情況接近。

第1次試驗(yàn)，鉆孔深6m，孔徑115mm，采用垂直鉆孔，布孔設(shè)置2排，第1排布置7個(gè)孔，第2排布置6個(gè)孔，排間距均為1.5m，采用梅花形布置，臨界面的坡度為1∶0.7，孔網(wǎng)參數(shù)為：鉆孔13個(gè)，孔徑115mm，孔深6m，孔距1.5m，排間距1.5m，單孔管1根，最小抵抗線5.7m?，F(xiàn)場布置如圖2所示。

圖2 試爆致裂相關(guān)參數(shù)(單位：cm)

第2次試驗(yàn)，此處地質(zhì)條件與第1次的相同，第1排布孔間距為1.5m，排間距為1.3m，梅花形布設(shè)，第1排距臨空面邊緣1.5m左右。鉆孔深度6m，臨界面坡度為1∶0.7，頂寬距臨界面1.5m，孔網(wǎng)參數(shù)為：鉆孔13個(gè)，孔徑115mm，孔深6m，孔距1.5m，排間距1.3m，單孔管1根，最小抵抗線5.7m。

第3次試驗(yàn)，地質(zhì)條件與前兩次一致，鉆孔深7m，孔徑115mm，采用傾斜鉆孔，鉆孔傾斜度為1∶0.5，布孔設(shè)置2排，第1排設(shè)置23孔，間距1.5m，第2排設(shè)置22孔，與第1排錯(cuò)位布設(shè)，采用梅花形布設(shè)，前、后排間距1.3m。臨界面坡度為1∶0.7，頂寬距臨界面1.5m，鉆孔的傾斜度按1∶0.5確定，孔網(wǎng)參數(shù)為：鉆孔45個(gè)，孔徑115mm，孔深7m，孔距1.5m，排間距1.3m，單孔管2根，最小抵抗線2.9m。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

采用GXY-1-150型潛孔鉆機(jī)(見圖3a)進(jìn)行施工，采用空壓機(jī)傳輸動(dòng)力，考慮到環(huán)保問題，潛孔鉆機(jī)采用除塵設(shè)備進(jìn)行鉆孔，鉆孔時(shí)控制好預(yù)裂孔的位置、方向、孔深和間距，保證長度誤差在±5cm，方向誤差在±1°。鉆孔完畢即進(jìn)行清孔，并對(duì)鉆孔質(zhì)量進(jìn)行檢查，合格后按設(shè)計(jì)裝填、連線、堵塞孔口進(jìn)行試爆致裂。

圖3 鉆孔

根據(jù)鉆孔實(shí)際情況調(diào)整鉆桿傾角與鉆機(jī)位置，確保臺(tái)階孔角度誤差在±1°、深度誤差在±5cm；當(dāng)孔口位置偏差>2倍孔徑時(shí)，重新鉆孔，成孔后對(duì)鉆孔質(zhì)量進(jìn)行檢查(見圖3b)。

3.3 致裂管安裝

鉆孔完成后對(duì)孔深、間距、孔徑及傾斜度進(jìn)行檢查，必要時(shí)對(duì)孔進(jìn)行試放管，驗(yàn)收合格后安裝致裂管。

第1次試爆致裂時(shí)，地質(zhì)為中風(fēng)化砂巖，致裂管安裝按布孔設(shè)置，鉆孔為梅花形布孔，每個(gè)孔內(nèi)裝1根致裂管，放在孔洞底部，接線及回填碎石(4.95～9.5mm)。

第2次試爆地質(zhì)條件與第1次相同，布孔間距第1排為1.5m，第2排與第1排排距為1.3m，梅花形布設(shè)，第1排距臨空面邊緣1.5m左右；鉆孔深度6m，所有孔洞均裝1根致裂管，并用碎石回填。

第3次綜合以上原因，項(xiàng)目部立即組織方案優(yōu)化，在相同地質(zhì)條件下進(jìn)行布孔，布孔間距均為1.3m，鉆孔深7m，裝2根致裂管，并用碎石回填。

3.4 炮孔填塞

用干細(xì)砂或石屑作為孔洞填充料，采用細(xì)木棍封孔搗實(shí)，孔封堵時(shí)需注意致裂管導(dǎo)線，防止振搗中對(duì)線路損壞。

3.5 灑水防護(hù)

鉆孔過程中，對(duì)試爆區(qū)的臨界面進(jìn)行綠網(wǎng)覆蓋，并灑水養(yǎng)護(hù)，避免灰塵飛揚(yáng)影響附近村民生活，保護(hù)附近生態(tài)紅線區(qū)水質(zhì)安全。

3.6 連線起爆

采用高能起爆器起爆。起爆前，首先檢查起爆器是否完好正常，然后等待起爆命令。起爆后，及時(shí)切斷電源，將主線與起爆器分離。

爆破完成后，致裂破碎5min后由致裂破碎工程技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行檢查，只有在檢查完畢確認(rèn)安全后，才能發(fā)出解除警戒信號(hào)和允許其他人員進(jìn)入施工現(xiàn)場。

4 致裂效果分析

第1次試爆時(shí)，地質(zhì)條件為中風(fēng)化砂巖，一次性致裂管安裝按試驗(yàn)方案設(shè)置。起爆后，振動(dòng)與聲音較小，未將中風(fēng)化砂巖致裂，周邊無裂縫。

第2次試爆，地質(zhì)條件與第1次相同，起爆后，臨空面有土體滑落，山體未見滑塌，現(xiàn)場檢測后，一次性CO2致裂管均已爆破，未將中風(fēng)化砂巖致裂。

第3次試爆，孔底與臨界面抵抗線較小。起爆后，致裂區(qū)域5m范圍內(nèi)砂巖被致裂，在鉆孔平臺(tái)頂面和臨界面均存在較大裂縫。在致裂區(qū)平面區(qū)域，距臨界面7m位置有1道較平順的裂縫，縫寬在20～40cm，在致裂區(qū)兩端外側(cè)也存在寬3～5cm裂縫。在致裂區(qū)臨界面一側(cè)，起爆后有多道裂縫，其中裂縫最大的在3～5m處，裂縫達(dá)10～30cm，隨后裂縫逐步向兩端延伸，且裂縫寬度越來越小，從現(xiàn)場位置深度來看，主要在致裂管爆破區(qū)域，在孔洞位置的4～7m處，也是致裂效果最佳區(qū)域。

前2次試爆未將中風(fēng)化砂巖致裂，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)及試爆結(jié)果，總結(jié)出需優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)：①試爆致裂未充分考慮紅砂巖黏土地質(zhì)條件的特殊性，地質(zhì)軟硬程度不均，可能在致裂過程中存在能量在裂隙中消散吸收現(xiàn)象；②布孔間距過大，能量不能完全集中；③抵抗線底部距離過大，無法致裂；④單根致裂管能量過小，不足以將中風(fēng)化砂巖致裂。

優(yōu)化后的參數(shù)范圍：布孔方式采用梅花形布設(shè)，孔、排間距1.3～1.5m，不宜過大，孔深6～7m，最小抵抗線2.5～3.0m，適用于紅砂巖地層等同類地質(zhì)條件下的土石方開挖，其他地質(zhì)條件可適當(dāng)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)致裂效果，巖石條件較為堅(jiān)硬，單孔致裂管數(shù)可選擇2～3根，鉆孔深3.5～5m，單孔宜裝1根1m或1.2m長致裂管；鉆孔深5～8m，單孔宜裝2根1m長致裂管；鉆孔深8～15m，單孔宜裝3根1m長致裂管。

5 環(huán)境影響效應(yīng)監(jiān)測

5.1 粉塵與噪聲監(jiān)測

采用粉塵與噪聲監(jiān)測設(shè)備對(duì)致裂施工現(xiàn)場的粉塵和噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。粉塵量相比于炸藥爆破小很多，距致裂現(xiàn)場50m處監(jiān)測粉塵量在16～25μg/m3。白天現(xiàn)場施工噪聲在30～58dB，現(xiàn)場試爆致裂時(shí)，致裂區(qū)離居民居住點(diǎn)最近為60m，距致裂現(xiàn)場50m處監(jiān)測噪聲量在50～67dB，不超過規(guī)定白天噪聲70dB要求。

5.2 振動(dòng)監(jiān)測

振動(dòng)測試共布置5個(gè)測點(diǎn)，沿炮孔連線中心垂直布設(shè)測點(diǎn)A，B，C，D，E，其中A點(diǎn)距炮孔連線中心4.7m，其他各點(diǎn)間隔3m，各點(diǎn)振動(dòng)速度如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可看出，x，y，z3個(gè)分向速度均≤0.8cm/s，合速度≤1.0cm/s，CO2相變致裂產(chǎn)生的振動(dòng)較小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性及周圍環(huán)境影響較小，可保證施工安全。

表1 振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

1)液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在破巖效果上能替代傳統(tǒng)炸藥爆破的方式，在安全性上符合爆破安全規(guī)程規(guī)定，可在類似地質(zhì)條件的開挖工程中推廣應(yīng)用。

2)一次性致裂管在現(xiàn)場應(yīng)用較方便，現(xiàn)場可快速施工，同時(shí)致裂威力達(dá)到破巖水平。

3)在紅砂巖CO2致裂破巖試驗(yàn)中，布孔間距均為1.3m，鉆孔深7m，單孔致裂管2根，堵塞長度1.5m，采用斜鉆孔，最小抵抗線為2.9m時(shí)致裂效果較好。

4)從現(xiàn)場監(jiān)測來看，振動(dòng)速度小，粉塵量相比于炸藥爆破小很多，噪聲監(jiān)測不超過規(guī)定的白天噪聲70dB，對(duì)環(huán)境影響較小。

5)布孔方式采用梅花形布設(shè)，孔、排間距1.3～1.5m，孔深6～7m，最小抵抗線2.5～3.0m，在類似地質(zhì)條件下，可達(dá)到較好的致裂效果，單孔致裂管數(shù)量≥2根，孔口進(jìn)行有效填塞防止沖孔。