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摘要：本文介绍了一种改进型的孔内充装液态二氧化碳相变致裂系统及施工方法，通过对现有三种液态二氧化碳相变爆破技术优缺点和施工方法对比，来探讨液态二氧化碳相变爆破技术的发展。
关键词：液态二氧化碳 相变致裂 孔内充装 施工方法 应用特点
CO2爆破是为了避免炸药爆破产生的火焰引发爆炸事故，专门为高瓦斯矿井工作所研制的一项爆破技术，起源于二十世纪的五十年代，二十世纪八十年代在美国得到发展，我国在二十世纪的九十年代引进了二氧化碳爆破技术用来采煤，2015年后，随着反恐形势的严峻，炸药的审批和流向监管越来越严，很多工地因安全因素批不到炸药，CO2爆破因不使用炸药，审批简单，威力适中，爆破振动危害小等优点，作为炸药破岩的替代产品，逐步进入人们的视野，国内CO2爆破器材厂商逐步涌现，施工成本进一步降低，被广泛应用于矿山开采、土石方、基坑、隧道掘进等岩石破除工程中，仍处在不断成长和发展阶段。
一.液态二氧化碳相变裂破岩发展现状
CO2爆破技术的原理是将液态二氧化碳密封在壓力为8-10MPa的金属管中，电池电压触发加热器产生大量热量，会使液态二氧化碳马上气化，体积瞬间膨胀六百倍，管道内压力急剧增加，直至突破恒压剪切片或金属管道，产生巨大的冲击压力，沿岩体天然裂缝或冲击引起的裂缝喷射，且致裂器串联，可实现多点同时定向开裂[1]。
当前CO2爆破技术主要有三种：一是孔外充气循环管致裂施工法，致裂管使用高强度不锈钢无缝钢管，可以重复使用，施工时利用气化的高压二氧化碳冲破定压剪切片，对外做功，优点是耗材成本低，破岩经济性好，管壁材质厚，人员接触操作较安全，缺点是前期一次性投入大，致裂管笨重，需要机械辅助施工，回收组装繁琐复杂，容易产生飞管，硬岩爆破施工时致裂管容易变形损坏。二是孔外充气一次性致裂管施工法，致裂管采用抗拉强度40MP的流体金属管，施工时利用气化的高压二氧化碳冲破致裂管，对外做功，优点是施工便利，致裂管工厂组装，充装后20公斤到30公斤不等，工地现场作业环节少，不受地形条件和设备限制，可以实现人工大规模作业，缺点是人工与待爆体接触环节多，充液态二氧化碳、运输、下管都要人与待爆体接触，安全风险高，夏季高温对施工安全的影响大，未爆管处理困难，从安全角度考虑，致裂管的充装容量受限，单管的威力有限。三是孔内充气一次性致裂管施工法，与孔外充气一次性致裂管施工的最大区别在于将充气环节放在埋管以后，避免了人与待爆体的直接接触，提高了施工的安全性，当前存在的主要问题是致裂管现场组装比较麻烦，埋管后充气气密性没有保障，施工中漏气废管率较高，施工时需要将充装设备和气罐运输到现场，需要吊运设备配合，受施工场地局限大，目前还处在改进推广阶段[2]。
二.一种改进型孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统及工法
改进型孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统（图1）主要包括：（1）通过工厂组装试验检测合格的孔内充装液态二氧化碳的相变致裂器，由致裂管、发热管、密封端盖、单向阀、充气导管组成。目前研发定型了管长L=1500mm、外径89mm充装7Kg液态二氧化碳和管长L=1200mm、外径114mm充装10Kg液态二氧化碳两种规格型号的致裂器;（2）车载通用可移动式液态二氧化碳充装系统，包括目前市面上通用的499L二氧化碳致裂专用储气罐，8KW三相发电机， 二氧化碳充装机、耐高压管道及控制阀门，以及车箱长超过2.5米、宽度超过1.5米、载重大于2吨能够承载上述设备的工程运输车辆。
1-工作面，2-引火线，3-充气导管，4-致裂器，5-可拆卸式充装母头，6-充装公头，7-充装球形阀，8-充气管道，9-液态二氧化碳储气罐，10-二氧化碳充装机，11-发电机，12-装载车辆
其主要功能实现步骤如下：
（1）在选择好的工作面1中钻与致裂器型号匹配的炮孔14，目前生产定型的89型致裂器钻115孔，114型致裂器钻140孔。
（2）将4致裂器与根据孔深裁剪好的2引火线连接，将3充气导管用固定扳手连接到致裂器上，组装好后放入炮孔中，用13所示5mm的米石或岩石粉进行紧密填塞，埋管时要注意不要将引火线弄断。
（3）用固定扳手将5快速充装母头连接到3充气导管上。
（4）将由6、7、8、9、10、11、12组成的车载充装系统机动到便于充装的指定位置，打开气罐阀门，开启发电机给充装机通电，打开7球形阀门进行排白，直到冒出白色气体后将6充装公头插入5充装母头，开启充装机进行充装。
（5）充装机充满液态二氧化碳自动停止后，拔开快速充装接头5、6，继续下一个致裂器进行充装。如果致裂器单向阀损坏，6充装公头拔开后5充装母头仍有白色气体冒出，用备用的公头堵头插入5充装母头进行堵塞。
（6）全部充气完毕后，人员设备撤离到安全距离内，联网检测，电阻值在规定值内，使用专用点火器点火，起爆后进行爆后安全检查，看是否有盲炮、滑石，然后进行二次破碎，清理工作台阶。
三.该孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统的应用特点
经过多年的二氧化碳相变致裂工程实践和摸索，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术中致裂管密封不可靠、充装作业不方便的缺点得到改进，在矿山开采、道路等工程中得到广泛应用，与其它二氧化碳相变致裂技术相比，具备以下使用特点：
（1）致裂器作为一次性耗材全部工厂组装，并经过外观、充气密闭性、发热管电阻测试等多项产品质量检验，经多次施工检验质量可靠，避免了工人现场组装质量难以保证的弊端。
（2）施工使用环节更安全。二氧化碳静爆施工其最大的危险意外环节为致裂器充装好液态二氧化碳成为待爆状态，埋管后充装，与原有技术充装后埋管相比，避免了充装、运输、埋管施工环节人员与待爆二氧化碳致裂器的多环节直接接触，尤其是避免了夏天高温和意外碰撞造成的待爆二氧化碳致裂器意外爆炸风险[5]。 （3）充装系统与原有二氧化碳充装设备兼容，可适应不同工况。现有二氧化碳充装设备只需要更换充装管道连接头，车载后可机动，充装管道可以延伸60米至100米充装，能够适应复杂地形工况的充装需要，避免对现场甲方机械设备的依赖，单管10公斤二氧化碳充装时间2分钟。与原有产品相当，配备多套充装系统和大型二氧化碳罐车，可以适应大型矿山和石方工程每天上万吨的产量需求。
（4）孔内充气二氧化碳致裂器充装前单管重量13.5公斤，施工人员可以单人操作，作业劳动强度大大降低。
（5）与同型号孔外充气致裂器相比管壁要薄，二氧化碳充装容量和爆破威力更大，单管出的方量更多，施工经济性更好。
（6）致裂器未充装前本质安全，可以边钻孔边下管，埋管后可以根据现场天候和施工需要，等待施工条件成熟以后起爆，避免了劳动作业密集，也可以确保用速干水泥填塞质量更可靠，同样产量条件下可以节省劳动力配备。
（7）降低了盲炮（充装好二氧化碳未激发破裂的致裂管）的概率和处理风险，二氧化碳相变致裂盲炮的产生最大的环节是充装好二氧化碳埋入炮孔中后，在填塞的环节导致引火线断路无法激发，孔内充装二氧化碳相变致裂技术下管后致裂器电阻检测正常后才充装二氧化碳，没有充装二氧化碳的致裂器是安全的不具备爆炸破坏性，从根源上消除了盲炮产生的可能性。
四.孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统的应用展望
当前孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术处于起步推广阶段，相关系统配套还有待完善，应用发展还有很多局限性，受传统二氧化碳爆破操作习惯影响，业内普遍能够接受孔内充装二氧化碳相变致裂技术是最具本质安全性的二氧化碳相变致裂技术，但在实际使用中还受相关配套设备性能的影响，需要在以下几个方面完善和改进：
（1）孔内充装液态二氧化碳致裂器和发热管的匹配性，孔内充装液态二氧化碳致裂器管壁薄，埋在孔内后充装有炮孔填塞物支撑保护，在同样钻孔和人工材料成本的条件下，增加单管二氧化碳充装量提高爆破威力是降低爆破成本的唯一途径，但往往二氧化碳发热管出于监管安全的考虑，反应速度和输出热量有限，且发热管和致裂管分别属于不同厂家，协调匹配试验成本很高，在大容量薄壁二氧化碳致裂器中，经常会反应发热管不匹配延时引爆或引爆后冒白烟，液态二氧化碳气化不充分的现象，严重的影响了二氧化碳相变致裂效果和推广应用。
（2）充气导管的可靠性，目前市面上用于孔内充气的8mm流体管鱼龙混杂，便宜的有1元多1米的焊缝管，贵的有3元多1米的无缝流体管，施工中经常碰到充气管道漏气现象，影响了施工的可靠性，让工人和甲方感官上认为孔内充气施工不可靠不安全，影响了孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术的推广应用，确保充气导管质量以及与致裂管的可靠连接是突破孔内充装二氧化碳相变致裂技术的关鍵所在。
（3）由于二氧化碳储运气罐大多为499L，且较笨重，破岩环境工况复杂多变，充装设备到达致裂区域的难度较大，相应二氧化碳配套充装设备还不能完全适应远距离充装需要，增加了孔内充装作业的难度和体验感，目前我们试验的100米远程固定管道充装技术将这一痛点得到极大改观，未来针对大型二氧化碳相变致裂作业现场，配套大容量二氧化碳罐车和远距离二氧化碳输送管道，像供应自来水一样打开阀门即可，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术的施工便捷性和经济性将得到充分展示。
五.结束语
综上所述，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术是对现有二氧化碳相变致裂技术的有益改进，从时间和空间上实现了人与待爆体的物理隔离，是一种真正实现二氧化碳相变致裂破岩本质安全的技术改进，相信随着此技术的不断发展，其将来必将发挥更大的作用。
六.参考文献
[1]周盛涛，罗学东，蒋楠，张宗贤，姚颖康.二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望[J].工程科学学报，2021，43（07）：883-893.
[2]孙小明.液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究[J/OL].煤炭科学技术：1-8[2021-08-14].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20210427.1530.006.html.
[3]刘东.特厚煤层液态二氧化碳相变致裂弱化顶煤技术的应用[J].现代矿业，2021，37（03）：68-70.
[4]朱宽，徐添福，刘保阳，周桂松，钟冬望，武森.二氧化碳膨胀爆破不同步影响因素探究[J].采矿技术，2021，21（01）：116-120.
[5]裴平，张青龙.二氧化碳爆破施工安全[J].采矿技术，2020，20（06）：106-107+115.
[6]叶靖.二氧化碳气体致裂施工关键技术改进与应用[J].绿色科技，2020（18）：201-203+247.
[7]陈继福.底抽巷穿层钻孔液态CO_2相变致裂增透技术研究[J].煤炭工程，2020，52（03）：62-65.
[8]张福宝.硬岩隧道液态二氧化碳致裂爆破施工技术探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（08）：201-204.
关键词：液态二氧化碳 相变致裂 孔内充装 施工方法 应用特点
CO2爆破是为了避免炸药爆破产生的火焰引发爆炸事故，专门为高瓦斯矿井工作所研制的一项爆破技术，起源于二十世纪的五十年代，二十世纪八十年代在美国得到发展，我国在二十世纪的九十年代引进了二氧化碳爆破技术用来采煤，2015年后，随着反恐形势的严峻，炸药的审批和流向监管越来越严，很多工地因安全因素批不到炸药，CO2爆破因不使用炸药，审批简单，威力适中，爆破振动危害小等优点，作为炸药破岩的替代产品，逐步进入人们的视野，国内CO2爆破器材厂商逐步涌现，施工成本进一步降低，被广泛应用于矿山开采、土石方、基坑、隧道掘进等岩石破除工程中，仍处在不断成长和发展阶段。
一.液态二氧化碳相变裂破岩发展现状
CO2爆破技术的原理是将液态二氧化碳密封在壓力为8-10MPa的金属管中，电池电压触发加热器产生大量热量，会使液态二氧化碳马上气化，体积瞬间膨胀六百倍，管道内压力急剧增加，直至突破恒压剪切片或金属管道，产生巨大的冲击压力，沿岩体天然裂缝或冲击引起的裂缝喷射，且致裂器串联，可实现多点同时定向开裂[1]。
当前CO2爆破技术主要有三种：一是孔外充气循环管致裂施工法，致裂管使用高强度不锈钢无缝钢管，可以重复使用，施工时利用气化的高压二氧化碳冲破定压剪切片，对外做功，优点是耗材成本低，破岩经济性好，管壁材质厚，人员接触操作较安全，缺点是前期一次性投入大，致裂管笨重，需要机械辅助施工，回收组装繁琐复杂，容易产生飞管，硬岩爆破施工时致裂管容易变形损坏。二是孔外充气一次性致裂管施工法，致裂管采用抗拉强度40MP的流体金属管，施工时利用气化的高压二氧化碳冲破致裂管，对外做功，优点是施工便利，致裂管工厂组装，充装后20公斤到30公斤不等，工地现场作业环节少，不受地形条件和设备限制，可以实现人工大规模作业，缺点是人工与待爆体接触环节多，充液态二氧化碳、运输、下管都要人与待爆体接触，安全风险高，夏季高温对施工安全的影响大，未爆管处理困难，从安全角度考虑，致裂管的充装容量受限，单管的威力有限。三是孔内充气一次性致裂管施工法，与孔外充气一次性致裂管施工的最大区别在于将充气环节放在埋管以后，避免了人与待爆体的直接接触，提高了施工的安全性，当前存在的主要问题是致裂管现场组装比较麻烦，埋管后充气气密性没有保障，施工中漏气废管率较高，施工时需要将充装设备和气罐运输到现场，需要吊运设备配合，受施工场地局限大，目前还处在改进推广阶段[2]。
二.一种改进型孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统及工法
改进型孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统（图1）主要包括：（1）通过工厂组装试验检测合格的孔内充装液态二氧化碳的相变致裂器，由致裂管、发热管、密封端盖、单向阀、充气导管组成。目前研发定型了管长L=1500mm、外径89mm充装7Kg液态二氧化碳和管长L=1200mm、外径114mm充装10Kg液态二氧化碳两种规格型号的致裂器;（2）车载通用可移动式液态二氧化碳充装系统，包括目前市面上通用的499L二氧化碳致裂专用储气罐，8KW三相发电机， 二氧化碳充装机、耐高压管道及控制阀门，以及车箱长超过2.5米、宽度超过1.5米、载重大于2吨能够承载上述设备的工程运输车辆。
1-工作面，2-引火线，3-充气导管，4-致裂器，5-可拆卸式充装母头，6-充装公头，7-充装球形阀，8-充气管道，9-液态二氧化碳储气罐，10-二氧化碳充装机，11-发电机，12-装载车辆
其主要功能实现步骤如下：
（1）在选择好的工作面1中钻与致裂器型号匹配的炮孔14，目前生产定型的89型致裂器钻115孔，114型致裂器钻140孔。
（2）将4致裂器与根据孔深裁剪好的2引火线连接，将3充气导管用固定扳手连接到致裂器上，组装好后放入炮孔中，用13所示5mm的米石或岩石粉进行紧密填塞，埋管时要注意不要将引火线弄断。
（3）用固定扳手将5快速充装母头连接到3充气导管上。
（4）将由6、7、8、9、10、11、12组成的车载充装系统机动到便于充装的指定位置，打开气罐阀门，开启发电机给充装机通电，打开7球形阀门进行排白，直到冒出白色气体后将6充装公头插入5充装母头，开启充装机进行充装。
（5）充装机充满液态二氧化碳自动停止后，拔开快速充装接头5、6，继续下一个致裂器进行充装。如果致裂器单向阀损坏，6充装公头拔开后5充装母头仍有白色气体冒出，用备用的公头堵头插入5充装母头进行堵塞。
（6）全部充气完毕后，人员设备撤离到安全距离内，联网检测，电阻值在规定值内，使用专用点火器点火，起爆后进行爆后安全检查，看是否有盲炮、滑石，然后进行二次破碎，清理工作台阶。
三.该孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统的应用特点
经过多年的二氧化碳相变致裂工程实践和摸索，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术中致裂管密封不可靠、充装作业不方便的缺点得到改进，在矿山开采、道路等工程中得到广泛应用，与其它二氧化碳相变致裂技术相比，具备以下使用特点：
（1）致裂器作为一次性耗材全部工厂组装，并经过外观、充气密闭性、发热管电阻测试等多项产品质量检验，经多次施工检验质量可靠，避免了工人现场组装质量难以保证的弊端。
（2）施工使用环节更安全。二氧化碳静爆施工其最大的危险意外环节为致裂器充装好液态二氧化碳成为待爆状态，埋管后充装，与原有技术充装后埋管相比，避免了充装、运输、埋管施工环节人员与待爆二氧化碳致裂器的多环节直接接触，尤其是避免了夏天高温和意外碰撞造成的待爆二氧化碳致裂器意外爆炸风险[5]。 （3）充装系统与原有二氧化碳充装设备兼容，可适应不同工况。现有二氧化碳充装设备只需要更换充装管道连接头，车载后可机动，充装管道可以延伸60米至100米充装，能够适应复杂地形工况的充装需要，避免对现场甲方机械设备的依赖，单管10公斤二氧化碳充装时间2分钟。与原有产品相当，配备多套充装系统和大型二氧化碳罐车，可以适应大型矿山和石方工程每天上万吨的产量需求。
（4）孔内充气二氧化碳致裂器充装前单管重量13.5公斤，施工人员可以单人操作，作业劳动强度大大降低。
（5）与同型号孔外充气致裂器相比管壁要薄，二氧化碳充装容量和爆破威力更大，单管出的方量更多，施工经济性更好。
（6）致裂器未充装前本质安全，可以边钻孔边下管，埋管后可以根据现场天候和施工需要，等待施工条件成熟以后起爆，避免了劳动作业密集，也可以确保用速干水泥填塞质量更可靠，同样产量条件下可以节省劳动力配备。
（7）降低了盲炮（充装好二氧化碳未激发破裂的致裂管）的概率和处理风险，二氧化碳相变致裂盲炮的产生最大的环节是充装好二氧化碳埋入炮孔中后，在填塞的环节导致引火线断路无法激发，孔内充装二氧化碳相变致裂技术下管后致裂器电阻检测正常后才充装二氧化碳，没有充装二氧化碳的致裂器是安全的不具备爆炸破坏性，从根源上消除了盲炮产生的可能性。
四.孔内充装液态二氧化碳相变破岩系统的应用展望
当前孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术处于起步推广阶段，相关系统配套还有待完善，应用发展还有很多局限性，受传统二氧化碳爆破操作习惯影响，业内普遍能够接受孔内充装二氧化碳相变致裂技术是最具本质安全性的二氧化碳相变致裂技术，但在实际使用中还受相关配套设备性能的影响，需要在以下几个方面完善和改进：
（1）孔内充装液态二氧化碳致裂器和发热管的匹配性，孔内充装液态二氧化碳致裂器管壁薄，埋在孔内后充装有炮孔填塞物支撑保护，在同样钻孔和人工材料成本的条件下，增加单管二氧化碳充装量提高爆破威力是降低爆破成本的唯一途径，但往往二氧化碳发热管出于监管安全的考虑，反应速度和输出热量有限，且发热管和致裂管分别属于不同厂家，协调匹配试验成本很高，在大容量薄壁二氧化碳致裂器中，经常会反应发热管不匹配延时引爆或引爆后冒白烟，液态二氧化碳气化不充分的现象，严重的影响了二氧化碳相变致裂效果和推广应用。
（2）充气导管的可靠性，目前市面上用于孔内充气的8mm流体管鱼龙混杂，便宜的有1元多1米的焊缝管，贵的有3元多1米的无缝流体管，施工中经常碰到充气管道漏气现象，影响了施工的可靠性，让工人和甲方感官上认为孔内充气施工不可靠不安全，影响了孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术的推广应用，确保充气导管质量以及与致裂管的可靠连接是突破孔内充装二氧化碳相变致裂技术的关鍵所在。
（3）由于二氧化碳储运气罐大多为499L，且较笨重，破岩环境工况复杂多变，充装设备到达致裂区域的难度较大，相应二氧化碳配套充装设备还不能完全适应远距离充装需要，增加了孔内充装作业的难度和体验感，目前我们试验的100米远程固定管道充装技术将这一痛点得到极大改观，未来针对大型二氧化碳相变致裂作业现场，配套大容量二氧化碳罐车和远距离二氧化碳输送管道，像供应自来水一样打开阀门即可，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术的施工便捷性和经济性将得到充分展示。
五.结束语
综上所述，孔内充装液态二氧化碳相变致裂技术是对现有二氧化碳相变致裂技术的有益改进，从时间和空间上实现了人与待爆体的物理隔离，是一种真正实现二氧化碳相变致裂破岩本质安全的技术改进，相信随着此技术的不断发展，其将来必将发挥更大的作用。
六.参考文献
[1]周盛涛，罗学东，蒋楠，张宗贤，姚颖康.二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望[J].工程科学学报，2021，43（07）：883-893.
[2]孙小明.液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究[J/OL].煤炭科学技术：1-8[2021-08-14].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20210427.1530.006.html.
[3]刘东.特厚煤层液态二氧化碳相变致裂弱化顶煤技术的应用[J].现代矿业，2021，37（03）：68-70.
[4]朱宽，徐添福，刘保阳，周桂松，钟冬望，武森.二氧化碳膨胀爆破不同步影响因素探究[J].采矿技术，2021，21（01）：116-120.
[5]裴平，张青龙.二氧化碳爆破施工安全[J].采矿技术，2020，20（06）：106-107+115.
[6]叶靖.二氧化碳气体致裂施工关键技术改进与应用[J].绿色科技，2020（18）：201-203+247.
[7]陈继福.底抽巷穿层钻孔液态CO_2相变致裂增透技术研究[J].煤炭工程，2020，52（03）：62-65.
[8]张福宝.硬岩隧道液态二氧化碳致裂爆破施工技术探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（08）：201-204.