浙江省隧道工程公司 杭州 310000
摘要：本文通过废弃矿山治理工程案例，主要阐述了针对周边环境复杂、爆破震动要求高、限制炸药使用的工程，采用二氧化碳致裂技术替代炸药进行高效破碎解石。并对二氧化碳致裂的致裂技术、功效、成本与其他常规静态爆破进行经济比较分析，功效更高，成本较低，缺点是威力较传统爆破小。
关键词：二氧化碳 致裂 应用
Application of carbon dioxide fracturing technology in Engineering
HU Yuan-xin ZHANG Yi
Zhejiang province tunnel engineering company Hangzhou 310000 Zhejiang China
Abstract：In this paper, through the case of abandoned mine treatment engineering, this paper mainly expounds the engineering of complex surrounding environment, high blasting vibration requirements and limiting the use of explosives, using carbon dioxide cracking technology to replace explosive for efficient crushing. The cracking technology, efficiency, cost and other conventional static blasting are compared and analyzed. The efficiency is higher, the cost is lower, the disadvantage is that the power is smaller than the traditional blasting.
Key words：the application of carbon；dioxide；cracking
工程建设中常会遇到石方开挖，一般情况下采用炸药爆破施工，但有些施工项目所处环境复杂，无法使用民用爆破物品。为了最大限度的减小对周围环境的影响和扰动，特别是周围房屋的扰动，就要求选择安全、有效和经济可行的施工方法进行石方破碎。本文以浙江省隧道工程公司的杭州市西湖区之江区域新塘废弃矿山治理项目为案例，针对矿山石灰岩进行了二氧化碳致裂技术，并成功的应用于现场实践中，取得了较佳的效果，确保了该工程的顺利完成。
1 设备选择和工艺流程
1.1 二氧化碳气体致裂设备
二氧化碳气体致裂设备由二氧化碳致裂器、液态二氧化碳储液罐、罐装机、旋紧机、计量充气工作台等组成。设备按照不同的适用对象，主要分为51、57、73、76、83、86、95、98、108、122等十大系列型号。本工程采用108mm致裂管，单根长2m。
图1 施工工艺流程
2 原理
二氧化碳致裂是利用二氧化碳气相、液相间转换特性进行致裂。二氧化碳在31 。C以下、7.2 MPa压力时以液态存在，而超过31 。C，无论其压力多大，液体瞬间膨胀转换为气体，利用这一特点，在二氧化碳致裂器的储液管内用专用高压泵充装液态二氧化碳，启动加热装置产生大量热量，使储液管内液态二氧化碳瞬间气化，体积膨胀约600多倍，压力急剧升高，由液态二氧化碳膨胀为气态二氧化碳，产生300 Mpa以上的膨胀压力，瞬间释放高压气体断裂和松动岩石，从而达到致裂的目的。
3 特点
二氧化碳致裂所使用的设备结构简单、安全性高、工作可靠、致裂能量可控、可重复使用、操作维护简单。
（1）二氧化碳气体比炸药更有安全性，不属于民爆物品，购买、运输、储存和使用无需公安部门审批。
（2）致裂过程中无破坏性振动、飞石、噪音，扬尘比例降低，对周围环境影响不大。
（3）复杂的作业环境均可使用。
（4）二氧化碳气体易采购，致裂器可重复使用。
（5）多个致裂器可同时并联，加大致裂威力，致裂后岩石块度较大。
（6）传统炸药爆破开挖施工是利用化学反应，而二氧化碳致裂是物理作用，比爆破法更安全、环保、可控、无污染。
（7）步骤过于繁琐，反复量测致裂器电阻，环节多了出问题的机率就多。如灌装、接线、封孔等环节。
（8）使用的活化器是专用的，一次性用品，产量不高时也造成致裂成本高。
4 施工工艺
4.1 致裂参数选择
（1）孔径Φ：中深孔径选取140mm；
（2）台阶高度H：深孔取6～8m，以6m为主；
（3）最小抵抗线W：储液管径的20～25倍；
（4）超深h：超深按h=（0.15～0.35）W计算；
（5）孔距a：1.8～2m；
（6）排距b：2～2.5m；
（7）堵塞长度I：通常取0.8～1.2倍的最小抵抗线作堵塞长度；
（8）储液管：采用108管径、管长2m；
（9）单管CO2消耗量：6.8kg。
4.2 钻机成孔
中深孔致裂按照设计孔网参数布孔，采用矩形或梅花形形式，基本为垂直孔，对于地形起伏变化较大的区域，为保证致裂底板或各平台的平整度，布孔放样时，应利用水准仪进行测量，控制设计孔深。
钻孔设备选用机动灵活的分体潜孔钻机（PDSJ750S柴油移动式压缩机配CLG-361潜孔钻机），钻孔直径为140mm。该类型钻机具有成孔快，移动方便的特点，适合于露天作业。
（1）钻孔必须按设计的位置、方向和角度进行作业。钻孔必须钻够设计孔深，保持底面在同一平面上。钻孔完成后，将孔内岩粉吹干净。
（2）钻孔尺寸精度误差必须符合设计要求。即孔位误差控制在3%以内，角度误差控制在<1.5o，孔深误差控制在30 cm以内。
（3）钻孔完毕后，由二氧化碳致裂专职技术人员对其孔进行检查，量孔深，不合格炮孔要进行补钻，做好记录，每孔设置记录标签，并在钻孔记录表上签字。
（4）钻孔完成后，经检查符合设计孔深，应进行保护，防止雨水流入孔内，或岩块落入孔内，造成塌孔或堵孔。
（5）二氧化碳致裂器入孔前发现孔内有水，应进行孔内排水工作，排水方法用高压风管插入孔内吹水。
4.3 致裂器组装
（1）致裂器基本结构
二氧化碳致裂器共分为充气阀、发热管（活化器）、主管、密封垫、定压泄能片及泄能头等6部分。
（2）组装操作步骤要点
①将致裂器储液管放在陈列架上，将铁丝插入主管中，并使带钩的一端从主管刻字的一端伸出。然后把用铁丝勾住加热装置（火化器）的导线并拉动铁丝使导线从储液管的另一端伸出。
②将定压剪切片装上密封垫，并与加热装置的导线连接在一起（注意定压减切片凸起的一端朝里）。然后拉出加热装置，使定压减切片完全进入储液管内。
③先拧紧释放管（泄能头），再拧紧充装阀，均拧到手无法拧动为止。
④将拧好的致裂器放在拆装机钳口上，并将充装阀一头插入拆装头里。然后顺时针旋转急停按钮，按下启动按钮启动拆装机，按住松开按钮，然后将致裂器掉头。
⑤重复步骤④。
⑥测量电阻，阻值在 1Ω~ 2Ω表示正常。
4.4 二氧化碳充装
（1）将致裂器放在充装台上对好充装孔，拧紧夹紧杆并用内六角扳手打开充装阀。然后打开致裂器所对应的球阀，关闭没有致裂器的球阀。
（2）按下充装机上的清零键，将称重仪表清零。
（3）放气：每天首次工作前，需要放气，将整个管道排空。先打开充装台上的进口球阀和出口球阀。然后按下放气按钮，直到出口球阀喷出连续不断的白色气体后，关闭出口球阀。
（4）洗管：按下放气按钮后，关闭进口球阀然后打开出口球阀，将致裂器内的二氧化碳放出，放出一大部分后关闭出口球阀。重复两到三次，
（5）充装：关闭出口球阀后，按下增压按钮，待致裂器充满后机器会自动停止。机器停止后，用内六角扳手将致裂器的充装阀关闭，然后关闭进口球阀，再打开出口球阀将多余气体放出。
4.5 安装致裂器
采用机械和人工配合安装，一般二人一组，机械将致裂器吊起，一人在孔口指挥机械操作员吊致裂器入孔。
4.6 填塞堵孔
按照设计堵塞长度堵塞，堵塞材料可为钻孔石粉/干砂/细石，用振捣器捣实。
（1）致裂器安装后炮孔空隙都应进行充填密实，严禁使用无充填引爆。
（2）严禁使用石块和易燃材料充填炮孔，充填物颗粒应小于炮孔直径的1/20。
（3）发现有充填物卡孔应及时进行处理(可用木质炮杆或高压风处理)。
（4）禁止使用冰雪等物充填。
为防止个别孔眼堵塞不密实或孔内有水，起爆后出现冲孔飞杆现象，将每根致裂器提升杆用钢丝绳进行安全串连，如图2所示。
图3 致裂效果图
5 二氧化碳致裂与机械破碎锤解石、静态爆破功效及成本分析
由于二氧化碳气体致裂与炸药对比，威力较小，日致裂工程量较少，间接成本较大，为此通过本工程而言，二氧化碳气体致裂成本介于普通炸药爆破和机械破碎锤解石之间。
5.1 机械破碎锤解石
目前，国内工程建设施工过程中，机械破碎锤解石在施工现场较为常见，且应用比较广泛，该工艺对棱角分明、且体积在1m3左右或有明显裂隙发育的孤石效果更佳，但采用该工艺对表面光滑的孤石或整体板岩施工时，因破碎锤锤尖与孤石接触时易滑脱或岩石母岩强度较高，破碎锤解石的缺点便报漏无疑。新塘废弃矿山治理项目岩石以石灰岩为主，强度高、整体性好，无明显裂隙，经过现场实际施工进行的功效及成本测算，1台450型破碎锤针对石灰岩这样的强度高、整体性好，无明显裂隙破碎不足30m3，功效低、成本较高约60~70元/m3，受天气影响小。
5.2 膨胀剂解石
膨胀剂裂石与破碎锤解石有相似之处，也是采用以空压机为主导，施工人员配合采用手持式手风钻打设直径25mm孔，间距为25cm×80cm，孔深按照岩石情况具体而定。钻孔结束后，由施工人员把固态膨胀剂与水按照4：6比例在容器中搅拌均匀，灌注至钻设好的孔中，让其通过物理反应自然开裂，开裂时间约12小时，开裂后采用破碎锤解石工艺进行施工。经过现场实际施工进行的功效及成本测算，按3m孔深计算，人均每天解石约10m3，功效较低，成本较高约120~160元/m3，但受天气影响较大，一旦遇到雨天钻设好的孔将会报废。
5.3 二氧化碳致裂解石优势
具有本质的安全特性，从储存、运输、携带、使用、回收等方面均十分安全。实施过程无哑炮，无需验炮。安全警戒距离短，无安全隐患。致裂器回收方便，可连续使用。即可定向致裂又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区，施工过程中无破坏性振动和短波，对周围环境无破坏性影响。主要成本为人工、钻孔、活化器和二氧化碳耗材等，成本约25~30元/m3，致裂产量越高成本越低，但受天气影响较大。
6 结束语
综上所述，二氧化碳致裂在施工过程中，操作可控、既安全又可靠，产生振动小、噪音弱，对周边环境影响甚微，与其他常规静态爆破相比较功效更高，成本较低，对岩石的强度要求小。因此，二氧化碳致裂将会成为今后国内限制条件下石方施工的主流，特别是复杂环境下的控爆，充分解决因施工对既有线、附近居民房屋开裂等造成的施工困扰，为石方施工提供了一种新思路。
参考文献(References)：
[1]赵海洋，二氧化碳爆破技术在高速公路施工中的应用[J].交通世界，2016（12）：15。
[2]ZHAO H Y，Application of carbon dioxide blasting technology in Expressway Construction [J] Traffic world，2016（12）：15.
论文作者:胡远新,张毅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/10
标签：二氧化论文; 钻孔论文; 球阀论文; 成本论文; 气体论文; 炸药论文; 功效论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;