二氧化碳致裂器在土石方工程中的应用
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凿岩机械气动工具(总第171期) 二氧化碳致裂器在土石方工程中的应用 芦 海 (安能钻掘设备科技(深圳)有限公司,广东深圳5181 09) 摘要:二氧化碳气体致裂技术,是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术,属于物理致裂技术,具有 致裂过程无火花外露、致裂威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品,其运输、储存和使用免审批等优点, 被许多石方工程广泛应使用。本文从二氧化碳致裂器的工作原理、相较于传统爆破法施工的优势、行业发展现 状,以及工程中的应用实例等方面,对二氧化碳气体致裂器设备行业的科技发展现状和进步进行了探讨,希望 能为该产业的健康发展和进一步的推广应用提供有益的参考。 关键词:岩石开挖:二氧化碳致裂器;雷管炸药 中图分类号:TD235.39 文献标志码:B Application of the Carbon Dioxide Fracturing Devices in Ea ̄hwork Engineering LU Guang—hai (AnNeng Digging Equipment Technology(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen 5 1 8 109,Guangdong) Abstract:The carbon dioxide fracturing technology,a type of physical fracturing technology,is advanced in concept,safe in method and effective in outcome.It is characterize by great fracturing power and easy—to—use without sparks breaking out during the fracturing,eliminating the blasting hole inspection.The carbon dioxide fracturing devices don’t fall into the category of civil blasting product and have broad application in many earthworks engineering duo to their advantages in transportation,storage and usage without approva1.From the aspects of the operation of the carbon dioxide fracturing device,its advantages over traditional blasting methods,current development of the industry and application examples in the engineering,the article discusses the latest technological development of the industry of carbon dioxide fracturing devices,expecting to provide helpful reference for the sound development of the industry and the further application of the carbon dioxide fracturing device. Key words:rock excavation;carbon dioxide fracturing device;detonator and explosives 1前言 安全事故和暴恐事件。二氧化碳液气相变裂岩器 (也称作:二氧化碳致裂器、二氧化碳开采器),是 当今,矿山破岩、金属、非金属矿、煤矿的开 采施工、地铁隧道岩石开挖、城市建筑施工.除了 机械破岩施工,就是雷管炸药施工,前者效率低, 后者危险极大。不仅影响环境,甚至会引发特大 一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破设备, 其工作原理属于物理变化,具有破岩过程无火花 外露、裂岩威力大、无需验炮、操作简便的优点。 因此,在雷管炸药受限的破岩情况下,二氧化碳 收稿日期:2018—04一O2 2018年第2期 二氧化碳致裂器在土石方1一程中的应用 液气相变裂岩器是破岩施工首选。 2二氧化碳致裂技术发展概况 2O世纪50年代,英国CARDOX公司开发研 制了液态二氧化碳相变致裂装置,当时称为Ca卜 dox管 该设备主要作为一种采煤器应用于高瓦 斯矿井的采煤T作面,代替炸药,提高块煤率I”。 2007年元月,淮北煤矿为解决煤矿爆破采用传 统炸药放炮管理难度大、,【_}j人多等问题.淮北矿 业集团公司和CARDOX公司有关技术人员合 作.于2007年元月在芦岭煤矿进行了二氧化碳 爆破试验l .从而开启了二氧化碳致裂技术在我 国应用的先河。我国煤炭科学技术研究院有限公 图1煤科集团沈阳研究院有限公司研发的二氧化 碳致裂器获国家矿用安全标志证书嘲 司、煤科集团沈阳研究院有限公司等科研单位也 对该项技术进行了大量应用性研究1二作。2013 爆破、冻土层松动等工程施’ 领域得到了广泛的 应用,尤其是土石方丁程中更是得到了突飞猛进 的发展 年7月~l0月。煤炭科学技术研究院有限公司研 发的二氧化碳致裂设备。在中电投纳雍县贝勒煤 矿进行了落煤试验和致裂增透试验。试验结果表 明,该项技术的应用,使瓦斯抽采钻孑L周围煤层裂 隙大幅度增加,煤层原生裂隙得到扩散,使瓦斯抽 采量大幅提升,消除煤层突出危险性,为掘进lT作 面快速掘进创造了条件『11。煤科集团沈阳研究院有 限公司于2013年左右开始了该项技术的自主研 进入二十一世纪后.国内许多企业研发了大 量应用于土石方T程的二氧化碳敏裂设备. 如深 圳市凯强力科技有限公司、河北鸿源机械集团公 司、山东名世矿业机械有限公司、武汉市卡斯曼 特机械有限公司、安能钻掘设备科技有限公司 等,先后研发了多种型号的产品,并在我国土石 方工程中得到了大量的推广应用。 3设备工作原理及主要部件 发 2015年2月3日,经过近两年自主研发的全套 技术及装备,取得了安标国家矿用产品安全标志中 心颁发的安全标志证书圈(见图1)。 二氧化碳液气相变裂岩器的原理如网2所 南于二氧化碳致裂器在使用中展示出的安 全性高(不存在炸药所具有的易爆危险、T作时 不会产生任何明火或火花)、环境污染小(不产生 硝烟、施T过程中扬尘量极小)、能替代传统炸药 (炸药属于民爆产品受到严格监控)、以及爆破后 示:利用液态二氧化碳吸热体积瞬间膨胀的原 理,将液态二氧化碳通过高压低温充装设备注入 到二氧化碳储液钢管(也称致裂主管)内,装入泄 压释能片、发热装置和密封圈,并保持储液管内 液态二氧化碳压力在5-9 MPa。将致裂管和起爆 器通过电源线连接.把致裂管插入钻孔中同定 不需要检炮等优势,在对生产安全、环保要求日 益严苛的今天,二氧化碳致裂设备迅速突破煤矿 施工领域.在采石、隧道、铁矿、壕沟、城建、水下 好.启动起爆器,触发加热装置产生大量热量,使 管内液态二氧化碳瞬间气化(二氧化碳液、气变 2018年第2期 凿岩机械气动工具(总第171期) 如图4所示。 (1)致裂主管(致裂管),是高强度可重复 使用的钢管,耐高压、高温管状容器,用于储存 液态二氧化碳。部件外形见图5.部件构成见 图6。 二氧化碳致裂主管 I…———丁———~I 充气头 发热剂 剪切片 图4二氧化碳致裂器主要部件 I一 。 ’ 一 ‘ 一’一一=_=.'= l。。 鞠 燃 一 ’ 一 一 1 3 : : i i ’? t -‘ '·i 。 : r 藏瓤 闻汽化 鸶 呐蛐-一五 一.零 图5致裂主管 灌装阀、致裂筒、泄爆阀、 发热装置、剪切片、密封垫专用组合lT具 \/ 致裂器组装 、 l 止飞器 矿用启动器 钻 L施工—-致裂器安装—-连接导线—一致裂—+目标体开裂 t \封 L器 l 致裂器充装 /、 二氧化碳储液罐 二氧化碳灌装装置 图3煤科集团沈阳研究院发布的二氧化碳致裂器 施工工艺流程图瑚 壁垄 丝 图6致裂主管组装图 裂主管、加热装置、泄能组件、充气组件、泄能释 (2)JJI]热装置(发热管),由有启爆器、化学发 热材料、PVC或者牛皮纸包装物组成,是提供热 能片、其他辅助设备等组成,具体零部件的外形 2018年第2期 量的装 IIl发热材料是儿种化1 材料 制 成,它 空 _(【1I, 仃难燃忡,【{』】常温 带 下尤法 明火点燃或引爆 1fl; 一定的均匀罔 下 I J‘,jl 燃._1『根据敛裂铃充装液态■氧化碳变气体所需 热龄值州毫蔓热源刺咀I L 什外肜 7, 邝纳 构 8 图7加热装置 )1 ()2 ()3 (】4 ()5 ()6 ◎ 06堵"A- Flt(,-01一()3 l 料J ()5 纸僻 FR( 一0l一04 l高慢纸 【)4反懂物 1『 1外唯勾 03^火头 2 外蚴 02电撇片j FRC一0l一02 1 l紫铜板 ()l 1 十:}头】FRG一0l一()1 I 1 I塑料 图8加热装置内部结构 (3)泄能 什.川川古】定泄能释能片,封闭 己体, 释放孔,拖 fl_『根 情况使J}J 不ff 力‘ J n,J释放孔 5 :外形 『皇1 9 图9泄能组件 (4)充气组件(充装机flJ充装台).蚶r{J f水. 是液态■氧化碳进入储液钢管的Jl:天,j生披 嗵 JJ口热装置电路组件..部什外肜 l0 图1O充气组件 (5)泄能释能片,是控制释放 几 碳 ,Jn 件,使用小同规格的 郭 分①片【部 I『 刮/f 释放¨ 力: 组杜件 成:瓦外 (6)其他辅助设备钉液态 瓴化 允 饥,罐彤 用于向储液钢僻允装液念■氯化碳 i储 …以 ‘ 液¨ 罐 舟 h他 K 一 化 图1 1杜瓦罐 ②旋紧系统, 要 扳机 fJ . 用于致裂管两端充 t绀f1:、泄能 什的拆懈 装 见罔12、 4设备的优点及应用 二氧化碳致裂没备卡f1_较 0统的炸约爆做 爱豸托拭毛 5 凿岩机械气动工具(总 1 7I{l 1图12旋紧系统 产生的振动微弱.破坏力很小.1凡I此埘十保护建 筑物等 人然的优势 具1小&肌存: ①I 作介质:CO!,无色、尢味、尤薄,不助燃, 来源 泛,成小低廉: I 作状况:可控,弱声波、微掀动、死 石, 不污染环境,兄火花、无毒害 ; 敛裂效 : 点每火lIJ‘Jf:挖1000立方以 上: 采成本:针对不同岩质1 况,情况不一, 总体I 说,略“于爆破,低于机械破碎; 操作 序:操作安装简 ,frt需要按操作 要求操作,接受々、 培训: 通川范I刊:环境复杂,小宜爆破的仃方开 挖 起爆 纳束 个过程只衙0.4毫秒,FL是低 温下运 ,/f 受高温、高热、高 、高寒影响 存井 下爆做I{、f埘 斯具有稀释作川,尤震荡.厄粉尘 氧化碳 属于易燃易爆物质,燃做过 就是体 积膨胀的过 ,物理做功而非化 、 :反应。 f ,J, 』 约有140多个 家庸川J过CO 破岩技术, 幢川t在以下方而:(1)煤矿矿山开 采;(2)隧道掘进;(3) 材开果;(4)城ffj基坑开 52爱菘 挖;(5)水下爆破;(6) 次分解;(7)管道疏 通;(8)一 丹挖和沟 外挖. 存旧内,除了煤矿J、 川外, 非煤露天矿【Jl 川:采、锊道疏通、水泥除垢、城市基坑开挖等心JH 比较广泛, 贵石材 采、隧道掘进和地铁建设 等也 始逐步地应用推广许取得J 良好的 I:会 经济效益. .5设备在工程实地中的使用概况 5.1 f,q:ll:武安T业同 ;,qJI:武安T 同fx:肯龙山智能装备制造 : 、l 冈定位是:围家级斜能装备制造产业基地、f日 家级循环经济示范基地、一fI 精密铸造基地、华 j匕地 的关键摹删i 邴什研发 产基地、 J匕新型材料研发生产 地 该基地产能规模 一 _ l000万吨、产值一千亿 C、产 同总规划血积l5 方公 由于产业 毗邻市I× ,不允许爆破施 r 此.二氧化碳致 施r法僻刮J 大显 r· 的饥会 陔产,Ik同签约了卡}} 电 等高新技术 、 一 ~ 。( l 3),坚持“大众产: 尚 质化、离端 『『 lir场化” 陔产业同的成功缱没,将成为华北地l≮ … 的一张高科技产业集群力‘ 的 片.产、l 闶施I 场 14。冈此二 瓴化碳敏裂施T法存陔顺 I 1 lI1的心川.具有十分 的爪范意义 翮 图13河北武安工业园区签约格力电器 … 一藤酝二氧化碳致裂器 土f 方_l:程中的心川 图14产业园施工现场 图17二氧化碳致裂器现场组装 二氧化碳致裂器应用现场 图l5。二氧化 碳致裂器现场组装 冈16、图l7。用二氧化碳致 裂器破碎的土石方情况见图18、罔l9 5-2贵州贝勒煤矿 20l3年在贵州贝勒煤矿进行的煤层深孔预 裂增透、提高瓦斯抽采率实验巾,预裂深度达 100米,同时进行了高瓦斯突出煤层工作面快速 掘进、落煤、煤(岩)巷道掘进(揭石门)、硬顶煤综 合T作面强制放顶、消除突出危险性冲击地压、 图18用二氧化碳致裂器破碎的土石方情况 图15二氧化碳致裂器应用现场 图19用二氧化碳致裂器破碎的土石方情况 巷道底鼓修复等T作。这些实验均达到了各项指 标要求,解决了多年【禾l扰煤矿安全的许多问题 国家煤矿防爆安全设备质量监督检验中心(辽宁 抚顺),对该设备进行了检测,检测结果认定该设 备及附属装置在可爆炸瓦斯气体(CH )中使用时 不会点燃引爆瓦斯,能够达到煤矿井下安全性能 图16二氧化碳致裂器现场组装 指标 、 2Ol8年第2期 凿岩机械气动工具(总第171期) 2016年9月下旬在广州佛山地铁石湾站口 实验施工,10月在广州市地铁天河公园站口实 验.地铁口处于闹市区,车辆、行人距离施工点不 足20米且正常通行,对于使用炸药有一定的安 全隐患,利用该设备则顺利完成了实验施工作 业。 2017年6月在湖南省益阳市(中交二航局) 滨江隧道实验施工作业,政府重点工程,该隧道 山体倾斜、砂岩石、5级围岩,距离资江30米,隧 道山体最薄处80厘米左右.上拱11米、宽14 米.六部开挖法。隧道上面是益阳自来水厂不足 l0米。利用该设备完全满足了施工进度和安全 要求,经测试5米远距离震动能量0.02、声音是 90分贝。 2017年5月与中国石油(天津)东方地球物 理勘探有限公司合作,利用“二氧化碳致裂器” 73#、90#型号管在天津南港区进行了石油勘探 实验,目的是为了发展新式震源,实现地震勘探 震源的多样性.检验“二氧化碳致裂器”震源在本 地区的激发效果。实验取得了成功,初步达到预 期目的。 湖北某大型水泥厂使用该设备清堵已有两 年了,在水泥生产中,有很多地方容易发生结拱、 堵塞和结皮现象。为了清理堵料,很多时候需要 停止设备运转,工人进人设备内部才能进行清 理,高温和物料塌落威胁着工人的生命安全。利 用二氧化碳液气相变技术可以在不需要停机冷 却的情况下对预热器、蓖冷机、粘土仓、铁粉仓、 水泥库、均化库等常见堵料位快速清理,从而保 障人员安全和机器设备的正常生产。 无论是谷类、面粉、玉米、大豆、食糖、食盐、 水泥、石膏、煤、肥料、催化剂、矿石、火药等物料 清理均可以使用。 6国内外研究现状 2018年第2期 美国的AIRDOX公司最早于1938年开始 研究高压气体爆破,到上世纪50~60年代,世界 上一些采矿比较发达的国家,如英、法、美、俄、波 兰、挪威等国已将高压气体爆破采煤设备用于采 煤工作面。英国CARDOX公司开发研制的液态 CO,相变致裂装置,早期主要作为一种代替炸药 的采煤器,既能提高块煤率,也不会引起瓦斯爆 炸,曾获得英国安全与健康理事会关于该设备为 非爆品的认证。上世纪80年代,该技术迅速发 展,逐步应用到爆破震源、金属制品成型、地下矿 山、露天矿山开采等领域,成为一种有潜力的新 型爆破器材。 上世纪90年代,我国煤矿开始引进该项技 术:2l世纪,国内开始生产,但主要部件依靠进 口:随着煤矿对该技术的淘汰,慢慢移植到露天 岩石破碎领域。 2014年以来,将CO:液气相变裂岩设备应 用于露天岩石开采的网络报道日渐增多,内容涉 及产品作用原理、结构组成、操作使用、作业流程 及应用案例等,尤以成功案例演示居多,但也出 现了很多意外事故。从市面上了解到的信息看, 二氧化碳液气相变裂岩技术在国内呈现出两多 的发展态势,即厂家多,种类多样。截止到2017 年上半年.据不完全统计在国内各省参与该行业 企业分布情况如下: 河北4家;北京3家;山东7家;湖北2家; 湖南4家;广东2家;山西2家;浙江3家;福建 2家;重庆1家;四川1家;致裂管种类分为重复 使用型和一次性使用型。重复使用型“二氧化碳 致裂器”,主要由储液管、充气头、泄能装置、加 热装置等组成。做功后只需更换少数零部件、如 活化器、泄能片等,重新充装入液态二氧化碳,即 可再次使用:一次性“二氧化碳致裂器”.主要由 储液管、充液阀、发热装置等组成,爆破后管体即 钮化碳敛裂器 土1, 疗l 程I{1的 J 做废品处理,两者的作用机理一样,都是利用二 氧化碳气体做功。但是一次性二氧化碳致裂器存 在很大安全隐患,已经被禁止使用。 7设备发展趋势探讨 二氧化碳液气相变裂岩技术在_[程实践中 氯化物(高氯酸钾)也属于管控物品。仍需要旧家 监管其生产、运输、 藏、使用,以确保使用人员 安全与社会公共安全1 8结束语 二氧化碳液气相变裂岩技术是爆破T程领 得到了初步推广和应用,从理论上讲,这项新技 术是为了更加安全更加方便岩体破碎施T,是一 项绿色环保技术,解决一部分炸药雷管不能使州 的T况或1_程,但存实践中。这项技术 现一部 分无序发展.也带来一些不安全的社会隐患.为 了更安全合理有序发展应用此项技术和产品,国 家f{I台相应的管理规范及监管条例是必然的。 相变裂岩技术主要为机械设备部分和加热 装置两大部分组成,机械设备部分相对安全管控 域诞生的新技术,是传统爆破的有效补充,尤其 是适合于特殊T况作业,如城市市政一r程施T、 城区隧道施T、城市地铁、道路施T,以及距离文 物景点、水利设施较近的施T现场.能发挥最佳 效果,对减少公共安全事故有极大的作用 、随着 国家建设的飞速发展.相信二氧化碳液气相变技 术会发挥其独特的优势,服务于国家经济建设 参考文献: 【11黄圆月等.二氧化碳致裂器研制 啦川【M1.煤炭技术, 2015,(08). 容易些.也基本不具备社会安全危害性,可以南 相关的行业、企业标准规范.相关质监部门监管。 加热装置中的热源剂是这项技术设备的重 点部分,也是罔家危化品监管的部分,热源剂相 【2】聂政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用【M1.煤炭技术, 201I(08). [31王海东.MZL二氧化碳致裂器[Z].煤科集闭沈JjI1研究 院有限 司.2Ol5-04-27. 对民爆火T品是更安全的产品.但由于内含有高