二氧化碳气液相变裂岩技术

二氧化碳液气相变裂岩器

安能钻凿设备科技有限公司深圳

摘要：二氧化碳液气相变裂岩设备（也称作；二氧化碳致裂器、二氧化碳开采器），关键词：二氧化碳气液相变静态裂岩

前言

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，甚至会引发安全特大事故和暴恐事件。

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，二氧化碳液气相变致裂设备可以在雷管炸药受限的破岩情况下，二氧化碳液气相变裂岩器是破岩施工首选。

设备工作原理及主要部件

二氧化碳液气相变裂岩器的原理：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—9MPa。将致裂管和起爆器通过电源线连接，把致裂管插入钻孔中固定好，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、气变化临界温度：31.06℃，临界压力：7.383MPa，当温度高于31°时液态二氧化碳会迅速气化）体积膨胀600倍，当管内气体压力超过泄压释能片极限强度（可设定）时，气体冲破泄压释能片，从泄能孔释放出来，瞬间产生强大的气团冲击力，沿

着目标体自然裂隙冲开物料并将其推离主体，从而达到预裂松动的目的。

致裂管每次使用后可以装填新的加热装置（发热剂）、泄压释能片，充装液态二氧化碳再次使用。

二氧化碳液气相变裂岩设备主要组件有：

1、致裂主管，是高强度可重复使用的钢管---- 高屈服强度合金钢材、

耐高压、高温管状容器，用于储存液态二氧化碳。

2、加热装置（发热器）----有启爆器、化学发热材料、PVC或者牛皮

纸包装物组成，是提供热量的装置。其中发热材料是几种化工材料配制而成，它在空气中具有难燃性，即常温常压下无法明火点燃或引爆。需在一定的均匀围压下方可引燃，可根据致裂管充装液态二氧化碳变气体所需热量值调整热源剂量。

3、泄能组件----用于固定泄能释能片，封闭气体，高压气体释放孔，

施工中可根据情况使用不同方向的释放孔。

4、充气组件----封闭气体，是液态二氧化碳进入储液钢管的开关，连

接导通加热装置电路组件。

5、泄能释能片----是控制释放气体压力的组件，使用不同规格的剪

切片可得到不同释放压力。

其他辅助设备有液态二氧化碳充装机----用于向储液钢管充装液态二氧化碳。杜瓦罐----用于储存液态二氧化碳。旋紧系统----用于致裂管两端充气组件、泄能组件的拆解组装。

设备的优点及应用

①工作介质：CO2，无色、无味、无毒，不助燃，来源广泛，成本低廉；

②工作状况：可控，弱声波、微振动、无飞石，不污染环境，无火花、

无毒害气体等；

③致裂效率：单点每天可开挖1000立方以上；

④开采成本：针对不同岩质工况，情况不一，单总体情况略高于爆破，

低于机械破碎；

⑤操作程序：操作安装简单，但需要按操作要求操作，接受专业培训；

⑥适用范围：环境复杂，不宜爆破的石方开挖。

起爆至结束整个过程只需 0.4 毫秒，且是低温下运行，不受高温、高热、高湿、高寒影响。在井下爆破时对瓦斯具有稀释作用，无震荡，无粉尘。二氧化碳属于惰性气体非易燃易爆物质，爆破过程就是体积膨的过程，物理做功而非化学反应。

目前，国际上约有140多个国家应用过CO2破岩技术，主要应用在以下方面：（1）煤矿矿山开采；（2）隧道掘进；（3）石材开采；（4）城市基坑开挖；（5）水下爆破；（6）岩石二次分解；（7）管道疏通；（8）竖井开挖和沟槽开挖。

在国内，除了煤矿应用外，在非煤露天矿山开采、管道疏通、水泥除垢、城市基坑开挖等应用已经比较广泛，名贵石材开采、隧道掘进和地铁建设等也开始逐步地应用推广并取得了良好的社会经济效益

国内外研究现状

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CO2相变致裂装置（称为Cardox管）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； 21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CO2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。

设备发展趋势

设备需要技术规范，安全统一管理

二氧化碳液气相变裂岩技术在工程实践中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工，是一项绿色环保技术，解决一部分炸药雷管不能使用的工况或工程，但在实践中，这项技术出现一部分无序发展，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，国家出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容易些，也基本不具备社会安全危害性，可以由相关的行业，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，也是国家危化品监管的部分，热源剂相对民爆火工品是更安全的产品，但由于内含有高氯化物（高氯酸钾）也属于管控物品，仍需要国家监管其生产˴运输˴贮藏˴使用，以确保使用人员安全与社会公共安全！