中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 湖北武汉 430000
1 前言
液态二氧化碳相变致裂技术是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术，属于物理爆破技术，具 有爆破过程无火花外露、爆破威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品，其运输、储存和使用获豁免审批等优点，被广泛应用于采煤、清堵、建筑物拆除。因此，液态二氧化碳相变致裂技术有望取代炸药预裂爆破、水力扩孔、水力压裂来强化提高煤层透气性，快速消除突出危险性或冲击地压。
2 工法特点
⑴ 安全。储存、运输、组装、使用和回收等过程安全可靠,相对于炸药爆破可彻底消除哑炮崩人事故。主机与爆破器材分离，从灌装至爆破结束时间较短。液态二氧化碳灌注仅需1-3分钟，起爆至结束仅需4毫秒。实施过程无哑炮，无需验炮。安全警戒距离短，无安全隐患。爆破筒回收方便，可连续使用。
⑵ 爆破易控制。既可定向爆破又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区、隧道、地铁、井下等环境，实施过程中无破坏性震动和短波，对周围环境无破坏性影响。
⑶ 爆破操作简单。无需火工库，管理简便，操作易学，操作人员少，无需专业人员值守。组装、充装操作简单,爆破准备时间短，可大大提高工作效率与量产。
⑷ 适用范围广。在矿井下使用其性能更加突出，无论是高瓦斯矿井，冲击地压矿井、水文地质条件较复杂的矿井还是易自燃矿井均可应用。同时，通过不同的CO2填充量,更换不同型号的定能泄压片和发热活化器可控制膨胀系统的工作压力,从而适应不同的工作环境。
⑸ 材料来源丰富。可就地取材，化工厂、充气站都有液态二氧化碳。提高功效，增加效益，降低成本。减少繁杂的报批审核程序和管理限制。在灌注二氧化碳之前所有皆非爆品。
⑹ 环保。定向泄能对周围环境不产生破坏,不产生一氧化碳及氮氧化物等有害气体,能较好的改善工作环境,有益工人身体健康。
⑺ 经济：整套系统可反复使用,使用成本低。
3 工艺原理
二氧化碳致裂基本原理：二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（致裂器）内。当微电流通过电点火头时，引起发热剂产生高温，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄能器打开，产生300MPa以上的膨胀压力，瞬间释放高压气体致岩石断裂和松动。二氧化碳属于惰性非易燃易爆气体，致裂过程是气体膨胀的过程，物理做功而非化学反应。
4 施工工艺流程及操作要点
二氧化碳致裂主要包括钻孔、装管、填塞、击发网路连接、击发、致裂后检查、提管，将石方进行破碎，破碎石块采用电抓斗进行抓渣。清渣完成后，进入下一道施工工序。
4.1施工工艺流程图
施工工艺流程图
4.2操作要点
4.2.1施工准备
⑴ 覆盖层清除按照先剥离、后开挖的原则，根据施工区的特点，安排机械进行表土清除，风化层剥离，为致裂施工创造条件。
⑵ 施工道路布置
施工道路主要服务于钻机就位和道路运输。布置钻机就位的道路施工时，要尽量兼顾随后的运输的需要。运输道路布置尽可能利用已有的道路，以便缩短基建工期。
4.2.2钻孔
⑴ 无论是一次性致裂，还是台阶式致裂，均应为钻机修建作业平台。平台的宽度不应小于6～8米，平台要平整，便于钻机行走和作业。在施工时，可采用致裂器致裂，推土机整平的方法。对于分层台阶式开采应根据设计需要的致裂台阶，从上到下逐层修建，上层致裂为下层平台的修建创造了条件，上一层的下平台是下一层的上平台。
⑵ 条件允许时，尽量采用垂直孔。垂直孔致裂的优点是钻孔操作较容易，便于装管；缺点是致裂器泄能器沿台阶高度分布不均匀，影响能量的合理作用。斜孔致裂的优点是能量分布较为合理，延伸孔长度的最小抵抗线相等或近于相等，有利于消除根底和获得均匀的能量释放；缺点是钻孔工艺复杂，钻孔方向不易控制，装填速度低，废孔率高，尤其是在硬度低的岩石中钻孔。
① 钻孔要领
掌握钻机的操作要领，熟悉和掌握设备的性能、构造原理及使用注意事项，具有熟练操作的操作技术，并能掌握不同性质岩石的钻凿规律。
② 钻孔基本方法
开口时对于完整的岩面，给小风不加压，应先吹净浮渣，慢慢冲击岩面，钻出空窝后，旋转钻具下钻开孔。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风全压快速凿岩状态。对于硬岩，应选用高质量高强度的钻头，送全风全压，但转速不能过高，防止损坏钻头，对于软岩，应送全风加半压，每进尺1.0-1.5提钻吹孔一次，防止孔低积渣过多而卡孔。
③ 泥浆护孔方法
对于孔口岩石不稳定状态，应在钻孔过程中，采用泥浆护壁。泥浆护壁的造作程序为：致裂孔钻凿2-3m,在孔口堆放一定量的含水粘黄泥，用钻杆上下移动，将黄泥带入孔内并侵入破碎岩缝内。
④ 当不考虑对边坡的影响、且边孔无侧向临空时，为了克服岩体的夹制作用，边孔距离凌空面尺寸应缩短0.5-0.8米。
⑤ 致裂孔验收与保护
致裂孔验收：
⒈ 检查致裂孔深度与孔网参数
⒉ 复核抵抗线
⒊ 孔中有水时不能施工
在验收过程中发现堵孔、深度不够，应及时补钻。
致裂孔保护：
⒈ 每个致裂孔钻完后立即将孔口用塑料袋或编织袋等材料堵塞好，防止雨水或其他杂物进入致裂孔。
⒉ 孔口的岩石清理干净，防止掉入孔内。
⒊ 一个致裂区钻孔完成后尽快实施致裂。
装管施工方法
根据致裂孔深度将致裂器一节一节的装入孔内。根据凌空面高度H及孔深L调整致裂器节数。最上方连接提升杆。
4.2.3填塞
⑴ 填塞方法
填塞材料一般采用钻屑、干燥细石粉，并将其堆放在致裂孔周围。将填塞材料慢慢放入致裂孔内，同时敲击外露提升杆部位，便于填塞材料下沉压实。亦可采用手持振动棒振动，提高填塞效率。
⑵ 填塞作业注意事项如下：
① 填塞材料中不得含有碎石块或潮湿石屑。
② 致裂孔内有水时，在填塞过程中容易形成泥浆或悬空，使致裂器周围无法填塞密实。致裂效果不好，甚至造成致裂器从孔中飞出。
③ 填塞过程中要防止导线砸破。
⑶ 加固处理
填塞完毕后，将每组至，将每组致裂器的提升管用钢丝绳连接起来，控制个别致裂器飞散或滑落。填塞后，提升杆外露长度A：0.3≤A≤0.5m
⑷ 连接网路
导电网路的连接是一个关键工序，若一次致裂孔数较多，必须合理分区连接，以减少整个导电网路的电阻值，分区时要注意各个支路的电阻平衡，保证每个致裂器获得相同的电流值。在网路连接过程中，应利用电工用万用表检测网路电阻，网路连接完毕后，必须对网络所测电阻值与计算值进行比较，如果差别较大，应查明原因，排除故障，重新连接，网路连接的接头应用高质量绝缘胶布缠紧，保证连接可靠。
⑸ 激发
采用高能激发器激发。激发前，首先检查激发器是否完好正常，激发器应及时充电，保证提供足够电能，并能快速充到爆破需求的电压值；在连接主线前必须对网路电阻值进行检测，当警戒完成后，再次测量网路电阻值，确定正常后，才能将主线与激发器连接，然后等待激发命令。激发后，及时切断电源，将主线与激发器分离。
⑹ 致裂后检查
致裂后5分钟由工程技术人员先对致裂现场进行检查，只有在检查完毕确认安全后，才能发出解除警戒信号和允许其他人员进入施工现场。
致裂后检查内容：
① 致裂后堆是否稳定，有无危坡、危石。
② 有无危险边坡、不稳定爆堆、滚石和超范围塌陷；
③ 最敏感、最重要的保护对象是否安全；
⑺ 提管
① 提管过程中，提拉方向应与提升杆方向一致。
② 严禁暴力操作，若提升杆不能提出，需对岩石进行二次破碎。
③ 将致裂器管收回，进行二次填充使用。
⑻ 二次岩石破碎
① 在致裂过程中，不可避免的会产生一定数量的大块岩石，而这些大块岩石超过了生产要求规格或挖装机械的铲斗容量时，必须对这些大块岩石进行二次破碎。
② 采用机械破碎法，利用液压冲击锤（俗称破碎锤）对大块岩石进行二次破碎。液压破碎锤是一种非常重要的高效作业的新型的破碎工具，主要用来完成采石场的采石作业或者岩石的破碎等。液压破碎锤在工作过程中必须以动力源、工作介质及能量转换为基础才能运动工作的。这里的动力源是液压泵，工作介质就是常用的液压油。运动过程中把液压能转化为机械冲击能，即以液体压力驱动液压油缸中的活塞往复运动对外做功，并对外输出能量束进行工作。此种方法效率高，安全性能好，基本无飞石，是二次岩石破碎的最理想的主要方法。
5 应用实例
5.1工程简介
武汉地铁2号线南延段6标秀湖站车站南段100m范围内基坑地层主要为（17b）灰岩，平均强度达90MPa，灰岩总方量约3万方。由于该岩石强度高，经测试，普通挖机（啄木鸟）无法进行岩体破碎，项目部前期又投入了3台455型大炮机，由于破除效率低，满足不了车站工期要求，故项目部通过考察了解，又采用了CO2气体致裂岩石的施工工艺。
5.2 工程结果评价
使用二氧化碳致裂前，普通破碎锤每天的灰岩破碎量在150～200方左右，且破碎锤长时间工作容易出现油管破裂、锤体断裂等机械故障，严重影响工期，且施工过程中会产生大量扬尘及噪音，对周边环境影响较大；二氧化碳致裂不但噪声、扬尘少，相比普通破碎锤，成本也更低，更适合本工程的全断面灰岩开挖。
5.3二氧化碳致裂施工工艺与普通炮机碎岩效益对比分析
从日工作量、工期、操作性、综合分析得出：二氧化碳致裂施工工艺较普通炮机碎岩均具有优越性。
论文作者:刘强
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月下
论文发表时间:2017/5/8
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