尤 橫,岳中文,楊海斌,,王尹軍,郭寶江,李繼紅,張風(fēng)軍,苗玉杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.河北云山化工集團(tuán)有限公司,河北 邢臺 054011;3.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160)

作為一種新型爆破技術(shù),CO2相變爆破符合綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的精細(xì)爆破要求,近年來發(fā)展迅速,被廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯增透、基坑開挖和石方開采工程,取得了較為理想的效果。有學(xué)者運(yùn)用理論、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法研究了CO2相變爆破機(jī)理和技術(shù)。在巖體致裂效果和應(yīng)用方面,詹德帥[1]、王明宇[2]和郭云龍等[3]對高壓CO2氣體沖出作用于巖體的致裂效果進(jìn)行相關(guān)研究,得出巖體裂紋擴(kuò)展的相關(guān)規(guī)律。劉小雄等[4]對CO2相變致裂過程中的頻譜特征和能量分布進(jìn)行研究,得出致裂過程中振動的相關(guān)規(guī)律。郭云龍等[5-6]通過將CO2相變爆破產(chǎn)生的能量換算成炸藥當(dāng)量來研究相變爆破產(chǎn)生的巖體損傷、爆破振動等。王兆豐等[7-12]將CO2相變致裂技術(shù)應(yīng)用于富瓦斯煤層,有效提高了瓦斯抽采效率。此外,CO2相變爆破技術(shù)還在地鐵施工[13]、基坑開挖[14]和露天礦山開采[15-16]中有大量應(yīng)用,取得了良好效果。在致裂器沖出壓力研究方面,部分研究者[17-19]發(fā)現(xiàn)其致裂壓力曲線與爆破荷載較為相似,均為近三角形式,但其升壓速率與壓力作用時(shí)間和爆破荷載有明顯區(qū)別,其屬于中應(yīng)變率長持時(shí)荷載。在致裂管內(nèi)壓力測試方面,郭勇等[20]研究了致裂管中壓力與時(shí)間變化規(guī)律,并且分析了溫度對壓力變化的影響。肖城旭[21]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)泄能片厚度對致裂管中壓力大小起決定性作用,并且理論分析了致裂管中CO2充裝量對壓力和溫度的影響。趙飛[22]和周西華等[23]通過測試管中壓力變化,分析了煤體在相變爆破過程中受力狀態(tài),為煤體開采和增透提供了依據(jù)。但是對于在不同變量條件下致裂管體內(nèi)不同位置處壓力變化規(guī)律的研究較少,需要進(jìn)一步探討和分析。

采用壓力測試系統(tǒng)對73型號致裂管內(nèi)不同位置處進(jìn)行壓力測試,得出了在不同條件下致裂管內(nèi)不同位置處壓力變化規(guī)律,為現(xiàn)場工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所需的設(shè)備儀器包括壓力傳感器、固定架、73型號致裂管、信號放大器、示波器、CO2充裝機(jī)和液態(tài)CO2儲液罐。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

注:1-固定架;2-壓力傳感器;3-CO2致裂器;4-信號放大器;5-信號傳輸線;6-示波器。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在外徑為73 mm、壁厚14 mm、長度為945 mm的致裂管體一側(cè)相隔等距離鉆出4個(gè)螺紋孔,將相同規(guī)格的壓力傳感器分別擰入孔中。從充裝頭到泄能頭方向分別為測點(diǎn)1、2、3、4,其中測點(diǎn)1和4分別距離管體內(nèi)腔端壁均為90 mm,并且4個(gè)測點(diǎn)位置相距均為215 mm。放入泄能片和激發(fā)藥劑,使用天平稱量充入的CO2質(zhì)量,將致裂管固定于支架中,連線安全起爆后,示波器記錄此過程致裂管中壓力變化。壓力傳感器布置如圖2所示。

注:1.2.3.4-測點(diǎn);5-壓力傳感器;6-泄能頭;7-致裂管體;8-激發(fā)藥劑;9-充裝頭。

通過改變激發(fā)藥劑質(zhì)量、CO2充裝質(zhì)量和泄能片厚度組成12組試驗(yàn)方案,如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓力-時(shí)間曲線分析

試驗(yàn)測出的壓力-時(shí)間曲線如圖3所示。曲線表明,通電使激發(fā)藥劑起燃放出熱量,致裂管內(nèi)壓力會有一個(gè)緩慢上升過程,之后逐漸加快到達(dá)峰值壓力,此過程需要數(shù)百毫秒,到達(dá)峰值壓力時(shí),泄能片破開,管內(nèi)壓力急速釋放,在數(shù)十毫秒時(shí)間內(nèi)達(dá)到零壓,之后壓力依然會下降,使管內(nèi)處于一個(gè)負(fù)壓狀態(tài),達(dá)到低谷后,管外空氣涌入,管中壓力處于緩慢上升狀態(tài)并趨于零壓,此過程需要數(shù)百毫秒時(shí)間。

圖3 測點(diǎn)處壓力變化Fig.3 The pressure change at the measuring point

CO2的熔化熱為196.65 J/g,氣化熱為570.08 J/g,恒容比熱容為0.63 J/(g·K-1),分析認(rèn)為致裂管內(nèi)壓力變化大致分為4個(gè)階段:a)固液態(tài)CO2吸熱膨脹階段(0～270 ms);b)氣態(tài)CO2吸熱膨脹階段(270～390 ms);c)高壓氣體沖出階段(390～410 ms);d)管中壓力緩慢上升至零壓階段(410～1 000 ms)。第1階段中,管中壓力成線性緩慢增長,由于此時(shí)致裂管中的CO2處于固液態(tài)狀態(tài),分子間距和運(yùn)動速度都較小,CO2的熔化熱和氣化熱數(shù)值都較大,單位質(zhì)量的CO2氣化成氣體需要較高的熱量供給,此時(shí)管中壓力上升只是由于CO2從固液態(tài)氣化為氣態(tài),其分子間距增大的結(jié)果。第2階段中,絕大部分的CO2已經(jīng)處于氣體狀態(tài),由于CO2的比熱容相比其熔化熱和氣化熱較小,因此激發(fā)藥劑燃燒剩余的熱量使管中溫度急劇升高,CO2氣態(tài)分子運(yùn)動速度加快,此階段管中壓力呈指數(shù)形式增長,在100 ms左右的時(shí)間內(nèi),壓力可升高數(shù)百兆帕。第3階段中,泄能片在管中高壓和泄能頭棱角共同作用下發(fā)生壓剪破壞,管中高壓氣體迅速經(jīng)泄能口沖出,此時(shí)的管中壓力急劇下降,在10 ms左右時(shí)間內(nèi),從峰值正壓降低至峰值負(fù)壓。第4階段內(nèi)由于致裂管內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài),周圍環(huán)境中的氣體開始經(jīng)泄能口向管內(nèi)回流,使管中壓力上升至零壓,由于此過程中,管中與環(huán)境壓差逐漸減小,升壓速率逐漸變小,壓力上升減慢,此過程大約需要600～800 ms甚至更長時(shí)間。

2.2 峰值壓力分析

CO2充裝質(zhì)量、泄能片厚度和激發(fā)藥劑質(zhì)量不同時(shí),管內(nèi)達(dá)到的峰值壓力會隨之改變。具體峰值壓力數(shù)值如表2所示。

表2 峰值壓力測試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示,測點(diǎn)3與測點(diǎn)4處的峰值壓力較大,測點(diǎn)1與測點(diǎn)2處的峰值壓力較小,其中測點(diǎn)3處峰值壓力是測點(diǎn)2處峰值壓力的1.30～1.67倍。分析認(rèn)為,激發(fā)藥劑的點(diǎn)燃點(diǎn)靠近充裝頭端,其點(diǎn)燃后放出熱量,導(dǎo)致其周圍的CO2吸熱迅速膨脹與遠(yuǎn)處形成壓力差,并且由于火焰沿著柱狀激發(fā)藥劑傳播,使管體中生成多重壓力波。生成的壓力波沿著管腔向泄能頭端方向傳播,到達(dá)端部后,經(jīng)過泄能片和管體端壁反射形成反射壓力波,與后來的壓力波相互多重疊加,使管體末端區(qū)域出現(xiàn)高壓現(xiàn)象。致裂管腔中壓力波疊加如圖4所示。

圖4 致裂管中壓力波疊加Fig.4 Pressure wave superposition in thecracking tube

2.2.1 激發(fā)藥劑質(zhì)量對峰值壓力影響分析

不同測點(diǎn)處峰值壓力隨激發(fā)藥劑質(zhì)量變化如圖5所示。在CO2充裝質(zhì)量為1 000 g和泄能片厚度為4.0 mm前提條件下,改變激發(fā)藥劑質(zhì)量,獲得了激發(fā)藥劑在160、180、200、220和240 g條件下不同測點(diǎn)處的峰值壓力。分析發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),峰值壓力會隨著激發(fā)藥劑質(zhì)量增加而增大,多于最優(yōu)激發(fā)藥劑質(zhì)量后,峰值壓力反而會下降。

圖5 峰值壓力隨激發(fā)藥劑質(zhì)量變化關(guān)系Fig.5 Change relationship of peak pressure withstimulating agentmass

CO2相變爆破過程中泄能片受壓剪作用如圖6所示。分析認(rèn)為,致裂管中能夠達(dá)到的峰值壓力與泄能片的壓剪強(qiáng)度有關(guān),當(dāng)管中壓力達(dá)到一定數(shù)值使泄能片發(fā)生壓剪破壞后管中高壓氣體釋放,管中壓力便開始下降。

圖6 泄能片受壓剪作用Fig.6 Pressure-shear action of energe release film

在試驗(yàn)中,泄能片厚度均為4.0 mm,激發(fā)藥劑被點(diǎn)燃后,管中壓力開始上升,因此泄能片從激發(fā)藥劑點(diǎn)燃便開始受壓剪作用,可將管中壓力上升時(shí)間作為泄能片的受壓剪時(shí)間。試驗(yàn)測得的壓力上升時(shí)間和泄能片受壓剪速度如表3所示。

表3 不同質(zhì)量激發(fā)藥劑下壓剪速度

試驗(yàn)結(jié)果表明,180 g藥劑時(shí),對泄能片的壓剪速度最大,240 g激發(fā)藥劑時(shí)壓剪速度最小,試驗(yàn)的結(jié)果完全符合材料的壓剪強(qiáng)度隨壓剪速率增加而增加的結(jié)論。分析認(rèn)為,致裂管中的CO2質(zhì)量與激發(fā)藥劑質(zhì)量存在一個(gè)合適配比,使管中壓力可以持續(xù)升高達(dá)到較高峰值,此試驗(yàn)中合適配比為50∶9。當(dāng)配比小于該數(shù)值時(shí),即激發(fā)藥劑質(zhì)量偏高,CO2完全轉(zhuǎn)化為氣體后還剩余大量熱量,這些熱量使管內(nèi)溫度升高至較高數(shù)值,對于管內(nèi)壓力增加無顯著作用,當(dāng)激發(fā)藥劑質(zhì)量偏低時(shí),其釋放的熱量不足以加熱氣態(tài)CO2,甚至一部分CO2還處于固液態(tài)狀態(tài),導(dǎo)致管中壓力較低。

2.2.2 泄能片厚度對峰值壓力影響分析

不同測點(diǎn)處峰值壓力隨泄能片厚度變化如圖7所示。在CO2充裝質(zhì)量為1 000 g和激發(fā)藥劑質(zhì)量為180 g前提條件下,改變泄能片厚度,獲得在泄能片厚度為2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 mm下的各測點(diǎn)處峰值壓力。分析發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),各點(diǎn)峰值壓力會隨著泄能片厚度增加而增大。致裂管不同位置處達(dá)到的峰值壓力不同,測點(diǎn)3處峰值壓力最大,測點(diǎn)2處峰值壓力最小,其兩點(diǎn)相差1.37～1.46倍。

圖7 峰值壓力隨泄能片厚度變化關(guān)系Fig.7 Change relationship of peak pressure with thickness of energe release film

理論計(jì)算致裂管中壓力峰值,一般采用如下公式[6]

(1)

式中:Pg為致裂管中壓力峰值;σs為泄能片的抗剪強(qiáng)度;δ為泄能片厚度;R為泄放孔半徑。

理論計(jì)算的致裂管中峰值壓力與泄能片的厚度成正相關(guān),對于試驗(yàn)中用到的不同厚度的泄能片,其理論峰值壓力比值即為泄能片厚度的比值。不同厚度泄能片的理論與試驗(yàn)測得的峰值壓力比值如表4所示。

表4 泄能片不同厚度比值下的峰值壓力比

分析發(fā)現(xiàn),致裂管中的峰值壓力理論增長倍數(shù)更接近管體中部的實(shí)際試驗(yàn)增長倍數(shù),管體兩端的實(shí)際峰值壓力增長倍數(shù)與理論增長倍數(shù)相差較大。試驗(yàn)中對于不同厚度的泄能片,管中各點(diǎn)處峰值壓力增長倍數(shù)相差較小,各點(diǎn)處的峰值壓力差值隨泄能片厚度增加而呈增大趨勢。

2.2.3 CO2充裝質(zhì)量對峰值壓力影響分析

不同測點(diǎn)處峰值壓力隨CO2充裝質(zhì)量變化如圖8所示。在泄能片厚度為4.0 mm和激發(fā)藥劑質(zhì)量為180 g前提條件下,改變CO2充裝質(zhì)量,獲得在CO2充裝質(zhì)量為800、900、1 000和1 100 g下的各測點(diǎn)處峰值壓力。分析發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),各點(diǎn)峰值壓力會隨著CO2充裝質(zhì)量增加而增大,隨著CO2充裝密度從0.67 g/cm3增加至0.92 g/cm3,其各點(diǎn)處的峰值壓力增長了44.01%～64.17%。致裂管不同位置處達(dá)到的峰值壓力不同,測點(diǎn)3處峰值壓力最大,測點(diǎn)2處峰值壓力最小,其兩點(diǎn)相差1.30～1.49倍。

圖8 峰值壓力隨CO2充裝質(zhì)量變化關(guān)系Fig.8 Change relationship of peak pressure withfillingmass of CO2

2.3 泄壓時(shí)間分析

每次試驗(yàn)固定激發(fā)藥劑為180 g和泄能片厚度為4.0 mm不變,改變CO2充裝質(zhì)量,其泄壓持續(xù)時(shí)間會發(fā)生改變。其泄壓時(shí)間具體數(shù)值如表5所示。

表5 泄壓持續(xù)時(shí)間測試結(jié)果

不同測點(diǎn)處泄壓時(shí)間隨CO2充裝質(zhì)量變化如圖9所示。研究結(jié)果表明,當(dāng)CO2充裝質(zhì)量增加時(shí),致裂管中泄壓持續(xù)時(shí)間會增加。CO2的充裝密度從0.67 g/cm3增加至0.92 g/cm3,即充裝密度增加37.31%,泄壓時(shí)間測點(diǎn)1增長139.15%,測點(diǎn)2增長262.26%,測點(diǎn)3增長166.16%,測點(diǎn)4增長235.45%。

圖9 泄壓時(shí)間隨CO2充裝質(zhì)量變化關(guān)系Fig.9 Change relationship of pressure relief time with fillingmass of CO2

分析認(rèn)為,4個(gè)測點(diǎn)處的泄壓時(shí)間并不一致,其泄壓時(shí)間測點(diǎn)1和3較小,測點(diǎn)2和4較高,由此推斷出在泄壓過程中,管中高壓氣體并不均衡,壓力出現(xiàn)高低峰現(xiàn)象?？拷鼓芸谔幍臏y點(diǎn)4泄壓時(shí)間最長,在其泄壓過程中,管體深處的氣體對其進(jìn)行補(bǔ)充,保證其能夠持續(xù)泄壓。

2.4 單根致裂器爆破能量的乳化炸藥當(dāng)量計(jì)算

致裂管中CO2絕大部分以液體形式存在,因此采用壓縮氣體和水蒸氣的爆炸能量計(jì)算公式計(jì)算其爆破的能量[24],如下式:

(2)

式中:ω為CO2相變爆破能量;P1為致裂管中峰值壓力;V為致裂管容積;P2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;K為CO2絕熱指數(shù),K=1.295。

經(jīng)過試驗(yàn)測試,當(dāng)CO2充裝質(zhì)量為1 100 g,激發(fā)藥劑質(zhì)量為180 g,泄能片厚度為4.0 mm時(shí),致裂管中峰值壓力可達(dá)333.30 MPa,致裂管容積為1.2 L,求得的爆破能量ω為1136.16 kJ。

乳化炸藥當(dāng)量可用下式計(jì)算:

(3)

式中:Q為乳化炸藥的爆熱,Q=3 009 kJ/kg。

經(jīng)計(jì)算,單根致裂器爆炸能量為0.378 kg的乳化炸藥。

此外,研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)激發(fā)藥劑質(zhì)量或者充入的CO2質(zhì)量過少時(shí),相變過程產(chǎn)生的壓力不足以完全剪切開泄能片,泄能片在致裂管中壓力和泄能頭共同作用下會產(chǎn)生較大壓剪變形和位置松動,管中高壓氣體會緩慢釋放,此過程的泄壓時(shí)間會持續(xù)數(shù)秒時(shí)間,其壓力變化曲線如圖10所示。

圖10 泄能片壓剪變形下致裂管中壓力變化Fig.10 Pressure change in crack tube under pressure-shear deformation of energe release film

3 結(jié)論

1)致裂管中的壓力變化與激發(fā)藥劑質(zhì)量、CO2充裝質(zhì)量和泄能片厚度有關(guān),壓力曲線變化過程大致分為4個(gè)階段:線性緩慢上升階段、指數(shù)急劇上升階段、高壓氣體沖出階段和緩慢回歸零壓階段。

2)CO2充裝質(zhì)量與激發(fā)藥劑質(zhì)量存在一個(gè)合適配比使致裂管內(nèi)壓力升高到較大數(shù)值,配比數(shù)值過大或過小均對管中峰值壓力增加有消極作用,致裂管中不同位置處的峰值壓力不同,靠近泄能頭處的峰值壓力大于靠近充裝頭處的峰值壓力,最大峰值壓力處的壓力是最小峰值處壓力的1.30～1.67倍。

3)CO2充裝質(zhì)量對泄壓時(shí)間有明顯影響作用,致裂管中CO2充裝密度增加37.31%時(shí),泄壓時(shí)間可增長139.15%～262.26%,在泄壓過程中,管中壓力并不均衡,出現(xiàn)高低峰現(xiàn)象。

4)對于73型號致裂管,當(dāng)CO2充裝質(zhì)量為1 100 g、激發(fā)藥劑質(zhì)量為180 g和泄能片厚度為4.0 mm時(shí),其致裂管內(nèi)產(chǎn)生的峰值壓力最大,泄壓持續(xù)時(shí)間最長,單根致裂器爆破能量相當(dāng)于0.378 kg的乳化炸藥,可為工程應(yīng)用提供參考。