(山東水總有限公司，山東 濟(jì)南 272100)

1 引 言

二氧化碳爆破始于20世紀(jì)50年代，80年代在美國(guó)開(kāi)始發(fā)展，主要是想避免因炸藥爆破產(chǎn)生火焰引起爆炸事故而專(zhuān)門(mén)為高瓦斯礦井的采煤工作面研發(fā)的。2015年，隨著科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)二氧化碳爆破器材廠商逐步涌現(xiàn)(主要部件仍然依靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)故障率略高) ，但當(dāng)前其成熟度不足，仍處在不斷成長(zhǎng)和發(fā)展階段。

目前二氧化碳爆破在水利工程方面的水庫(kù)大壩施工中應(yīng)用較多，大壩[1]是攔擋水河的堤堰，可分為土壩、重力壩、混凝土面板堆石壩、拱壩等。

2 二氧化碳冷爆破原理

二氧化碳冷爆破原理就是將二氧化碳?xì)怏w在一定的高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過(guò)高壓泵將液態(tài)的二氧化碳?jí)嚎s至圓柱體容器(爆破筒)內(nèi)，裝入安全膜、破裂片、導(dǎo)熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成了爆破前的準(zhǔn)備工作。將爆破筒和起爆器及電源線(xiàn)攜至爆破現(xiàn)場(chǎng)，把爆破筒插入鉆孔中固定好，連接起爆器電源。當(dāng)微電流通過(guò)高導(dǎo)熱棒時(shí)，產(chǎn)生高溫?fù)舸┌踩?，瞬間將液態(tài)二氧化碳?xì)饣?，急劇膨脹產(chǎn)生高壓沖擊波致泄壓閥自動(dòng)打開(kāi)，利用液態(tài)二氧化碳吸熱氣化時(shí)體積急劇膨脹產(chǎn)生的高壓使巖體開(kāi)裂(見(jiàn)圖 1)。

圖1 二氧化碳冷爆破工作原理示意圖

3 二氧化碳爆破技術(shù)在實(shí)際施工中的系統(tǒng)構(gòu)成[2]

莊里水庫(kù)位于山東省南四湖湖東地區(qū)十字河流域，地處棗莊市的滕州市和山亭區(qū)境內(nèi)，壩址位于滕州市羊莊鎮(zhèn)西江和前臺(tái)村北。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1.33億m3。

該工程使用二氧化碳爆破的原因如下：

由于該工程中導(dǎo)流明渠樁號(hào)0+354～0+460處距離西江村民房較近，為加快施工進(jìn)度、保證工期，在該導(dǎo)流明渠段采用二氧化碳爆破方法進(jìn)行施工。

二氧化碳爆破技術(shù)在該工程中的施工工藝如下：

首先，采用充裝機(jī)將液態(tài)的二氧化碳裝入爆破管內(nèi)(還要裝入爆破片、加熱器等)，并將爆破管裝入炮孔，對(duì)炮孔進(jìn)行嚴(yán)密封閉；然后采用智能云安全發(fā)爆器激活爆破管里面的加熱器，使液態(tài)二氧化碳在快速加熱的條件下，急速膨脹1000～2000倍以上，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。然后，沖破爆破片，沿著設(shè)定的出氣孔快速?zèng)_出，沖出后，由于爆破鉆孔封閉，不能自由外泄，從而對(duì)周?chē)膸r石產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生破壞作用，形成破巖效果。

智能二氧化碳冷爆破系統(tǒng)由地面操作間裝備、施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以及智能云系統(tǒng)平臺(tái)組成。設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備配置

3.1 地面操作間與設(shè)備

地面操作間應(yīng)設(shè)置在井口附近，有軌道直接進(jìn)入的地方，面積 50m2以上。便于分類(lèi)、分區(qū)域存放爆破管等。地面操作間的設(shè)備有二氧化碳儲(chǔ)液罐、充裝機(jī)、充裝臺(tái)、拆裝機(jī)等(如圖 2所示)。

圖2 地面操作車(chē)間設(shè)備示意圖

操作間的作用是充裝爆破管、存儲(chǔ)爆破管、發(fā)放爆破管，以及對(duì)相關(guān)設(shè)備的維修等。

3.2 施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

設(shè)備主要是爆破管、智能云安全發(fā)爆器、90型風(fēng)動(dòng)鉆巖機(jī)。

3.2.1 爆破管

爆破管是智能二氧化碳冷爆破的核心設(shè)備之一，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，由儲(chǔ)液管、充裝頭、釋放頭等組成。采用超強(qiáng)度的特殊鋼材經(jīng)過(guò)特殊處理而成，具有極高的強(qiáng)度和韌性(見(jiàn)圖3)。

圖3 二氧化碳冷爆破管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 智能云安全發(fā)爆器

圖4 智能云安全發(fā)爆器

如圖4所示，智能云安全發(fā)爆器，是點(diǎn)燃爆破管內(nèi)加熱器的核心設(shè)備，同時(shí)具有微差起爆實(shí)現(xiàn)光面爆破的功能。人員閉鎖、時(shí)間閉鎖、地點(diǎn)閉鎖等多參數(shù)閉鎖，確保不安全就不能起爆的本質(zhì)安全功能，以及與智能云通信連接等功能。

3.2.3 鉆眼設(shè)備

150型鑿巖機(jī)是以壓縮空氣為動(dòng)力的中深孔鑿巖機(jī)具，適用于0.9m×0.9m到2.0m×2.0m的斷面，鉆孔直徑100mm，有效孔深 3m。在巖基中采用直徑 100mm的十字形合金釬頭，平均純鑿巖速度可達(dá)680mm/分。該鉆架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆運(yùn)方便，工作安全可靠，效率高。

3.3 智能云系統(tǒng)平臺(tái)

智能云系統(tǒng)平臺(tái)，是監(jiān)管監(jiān)控二氧化碳冷爆破的智能平臺(tái)(見(jiàn)圖5)。其主要功能如下：

a.收集每一次的冷爆破數(shù)據(jù)，包括孔深、孔數(shù)、孔距、巖性、爆破效果，以及起爆時(shí)間、操作人員、地點(diǎn)等。

b.對(duì)冷爆破作業(yè)實(shí)現(xiàn)安全閉鎖，不安全就不能起爆。

c.為改進(jìn)完善冷爆破作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

d.強(qiáng)化管理力度，避免事故發(fā)生。

圖5 智能二氧化碳冷爆破智能云平臺(tái)示意圖

4 二氧化碳爆破技術(shù)的作業(yè)步驟

4.1 總體操作步驟

在地面操作間組裝→充裝氣體→采用皮卡車(chē)運(yùn)輸?shù)奖频攸c(diǎn)→起爆→回收?qǐng)?bào)管→運(yùn)輸?shù)降孛孳?chē)間→拆卸清洗→再組裝

4.2 地面操作間操作步驟

4.2.1 二氧化碳冷爆破管充裝前的準(zhǔn)備工作

a.需要給充裝機(jī)、拆裝機(jī)供應(yīng) 380V 交流電。

b.儲(chǔ)液罐有足夠的液態(tài)二氧化碳。

c.爆破管和相應(yīng)的耗材(加熱棒、爆破片、墊片)。

d.萬(wàn)用表、鉗子、扳手、內(nèi)六角等工具。

4.2.2 組裝

a.將爆破管儲(chǔ)液管放在陳列架上，將鐵絲插入主管中，并使帶鉤的一端從主管刻字的一端伸出。然后用鐵絲鉤住加熱裝置的導(dǎo)線(xiàn)并拉動(dòng)鐵絲使導(dǎo)線(xiàn)從儲(chǔ)液管的另一端伸出。

b.將定壓剪切裝上密封墊，并與加熱裝置的導(dǎo)線(xiàn)連接在一起(注意定壓減切片凸起的一端朝里)。然后拉出加熱裝置，使定壓減切片完全進(jìn)入儲(chǔ)液管內(nèi)。

c.先擰緊釋放管，再擰緊充裝閥，均擰到手無(wú)法擰動(dòng)為止。

d.將擰好的爆破管放在拆裝機(jī)鉗口上，并將充裝閥一頭插入拆裝頭里。然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)急停按鈕，按下啟動(dòng)按鈕以啟動(dòng)拆裝機(jī)。

e.按住夾緊按鈕壓力上升到10MPa以上后放開(kāi)。然后按住緊固按鈕，當(dāng)壓上升至10MPa時(shí)，放開(kāi)緊固按鈕。

f.按住松開(kāi)按鈕，然后將爆破管掉頭。

g.重復(fù)步驟e。

h.測(cè)量電阻，電阻在1～2Ω為正常。

4.2.3 充氣

a.將爆破管放在充裝臺(tái)上對(duì)好充裝孔，擰緊夾緊桿并用內(nèi)六角扳手打開(kāi)充裝閥。然后打開(kāi)爆破管所對(duì)應(yīng)的球閥，關(guān)閉沒(méi)有爆破管的球閥。

b.按下充裝機(jī)上的清零鍵，將稱(chēng)重儀表清零。

c.放氣：每天首次工作前，需要放氣，將整個(gè)管道排空。先打開(kāi)充裝臺(tái)上的進(jìn)口球閥和出口球閥。然后按下放氣按鈕，直到出口球閥噴出連續(xù)不斷的白色氣體后，關(guān)閉出口球閥。

d.洗管：按下放氣按鈕后，關(guān)閉進(jìn)口球閥，然后打開(kāi)出口球閥，將致裂器內(nèi)的二氧化碳放出，放出一大部分后關(guān)閉出口球閥。重復(fù)兩到三次。

e.充裝：關(guān)閉出口球閥后，按下增壓按鈕，待爆破管充滿(mǎn)后機(jī)器會(huì)自動(dòng)停止。機(jī)器停止后，用內(nèi)六角扳手將爆破管的充裝閥關(guān)閉，然后關(guān)閉進(jìn)口球閥，再打開(kāi)出口球閥，將多余氣體放出。

f.測(cè)試密封性：將爆破管的充裝閥和釋放管分別放入水中，確保沒(méi)有大量氣泡。

4.3 爆破操作步驟

4.3.1 設(shè)備運(yùn)輸

爆破管長(zhǎng)1.2m，外徑83mm，充裝液態(tài)二氧化碳后質(zhì)量約為25kg。儲(chǔ)液管采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口鋼材加工而成，結(jié)實(shí)耐用，可重復(fù)使用4000次，除了接通電路能啟動(dòng)爆破外，磕碰、撞擊、高溫都不會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生損壞;儲(chǔ)液管在地面充裝液態(tài)二氧化碳后，由礦方安排人員提前用礦車(chē)運(yùn)輸至爆破地點(diǎn);實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行時(shí)或者用不完的儲(chǔ)液管必須及時(shí)回收，妥善保管。

4.3.2 打眼

選擇鉆機(jī)類(lèi)型：硬巖選擇YGZ150鑿巖機(jī) 按照施工技術(shù)措施打眼要求打眼。

4.3.3 連接

a.把裝好氣的爆破管與沒(méi)裝氣的爆破管的DC插頭連接。

b.用銷(xiāo)子把兩個(gè)爆破管連接在一起，沒(méi)裝氣的爆破管要安裝上提拉頭供栓鋼絲繩用。

c.用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)啥说碾娮瑁娮钁?yīng)該在4Ω左右，電阻太大和電阻為0都不合格。

d.把連接好的爆破管放到炮孔里面。

e.用棉紗對(duì)爆破孔進(jìn)行封孔。

f.用φ20的鋼絲繩把所有的爆破管進(jìn)行固定，最后固定在巷道壁錨桿上。

g.用φ15的鋼絲繩把每個(gè)爆破管的頭部拴起來(lái)。

h.根據(jù)智能云安全發(fā)爆器功率將所有爆破管用導(dǎo)線(xiàn)連接好(單個(gè)孔中的爆破管為串聯(lián)，電阻值累計(jì)增加)。

4.3.4 爆破

a.打孔：φ83爆破管需要打φ100的孔，孔深3m。

b.將第一根爆破管和第二根爆破管先連接好，插好插銷(xiāo)。依次連接，一共連接5根管，并將第一根爆破管的DC插頭剪短，把兩根線(xiàn)纏在一起，并用絕緣膠布纏好。然后把錐頭連上。

c.將連接好的兩根爆破管插入孔中，插入前先把提拉桿插到第二根爆破管的釋放管中，然后插入孔中。

4.3.5 回收

a.將回收好的爆破管用礦車(chē)運(yùn)到操作間，把爆破管放在拆裝機(jī)鉗口上，并將充裝閥一頭插入拆裝頭里。然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)急停按鈕，按下啟動(dòng)按鈕以啟動(dòng)拆裝機(jī)。

b.按住夾緊按鈕，壓力上升到10MPa以上后放開(kāi)。然后按住拆卸按鈕，旋轉(zhuǎn)一至兩圈后，放開(kāi)拆卸按鈕。

c.按住松開(kāi)按鈕，然后將爆破管掉頭。

d.重復(fù)步驟b。

e.將爆破管內(nèi)部的殘?jiān)謇砀蓛簦员阆麓问褂谩?/p>

4.3.6 智能云控制

a.按照爆破的順序把爆破母線(xiàn)連接在智能云安全發(fā)爆器上，最先起爆的連接在1號(hào)端子兩端，依次先后排列。

b.測(cè)量網(wǎng)絡(luò)阻止，以一個(gè)爆破管的電阻是2Ω為標(biāo)準(zhǔn)，參考計(jì)算。

c.按下起爆按鍵進(jìn)行起爆。

d.起爆完成后，要把智能云安全發(fā)爆器的數(shù)據(jù)傳到智能云安全監(jiān)控主機(jī)里面。

e.智能云安全監(jiān)控主機(jī)自動(dòng)把數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)。

f.根據(jù)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行以后爆破的調(diào)整。

4.4 爆破技術(shù)方案(見(jiàn)圖6)

a.交叉布眼，眼垂直工作面。

b.炮眼參數(shù)：眼的直徑是 100mm。

c.二氧化碳冷爆破參數(shù)：?炮孔間距0.9m;?炮孔排距0.9m;?炮孔深度3m;?封孔細(xì)砂0.024m3。

圖6 爆破孔布置示意圖

4.5 工程進(jìn)度完成情況

本次爆破施工歷時(shí)40余天，每天放2次炮，每次放炮用時(shí)3h，每次放炮600m3，每天可以爆破大約1200m3。共完成爆破工程量為47285m3。

5 二氧化碳爆破特點(diǎn)分析

根據(jù)二氧化碳爆破在實(shí)際施工中的應(yīng)用情況，作如下分析。

5.1 二氧化碳爆破的優(yōu)勢(shì)

a.環(huán)保：定向爆破對(duì)周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生破壞、不產(chǎn)生有毒氣體，沒(méi)有揚(yáng)土，能夠較好地改善工作環(huán)境。

b.有效：爆破力量可控。

c.安全：二氧化碳?xì)怏w比炸藥更有安全性，組裝、填充、運(yùn)輸和安裝等過(guò)程安全可靠，無(wú)需處理啞炮。

d.便利：不屬于民爆產(chǎn)品，運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用不需要審批，利用較安全的二氧化碳填充，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

e.經(jīng)濟(jì)：部分系統(tǒng)裝置可以重新利用3000次以上，使用成本低。

f.快速：組裝、充裝安裝和爆破操作簡(jiǎn)單，爆破準(zhǔn)備時(shí)間短，可提高工作效率。

5.2 二氧化碳爆破的劣勢(shì)

a.效率低：步驟過(guò)于煩瑣，每天可使用的次數(shù)少，環(huán)節(jié)多了出問(wèn)題的概率就會(huì)提高。

b.產(chǎn)量低：無(wú)法實(shí)現(xiàn)多排爆破，造成單次爆破的爆破筒數(shù)量不宜超過(guò)兩排，超過(guò)一排就容易卡住或炸壞爆破筒。

c.效果低：威力小。

5.3 總結(jié)

目前國(guó)內(nèi)的二氧化碳爆破施工雖然已有技術(shù)突破，但依然還有很長(zhǎng)的一段路要走，需要改進(jìn)和提升的技術(shù)還很多。爆破量與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比差距較大，同樣不能爆破作業(yè)的情況下循環(huán)使用的間隔時(shí)間長(zhǎng)。特別在水利工程中應(yīng)用時(shí)，因受周?chē)h(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及居民居住環(huán)境等影響，一定要認(rèn)真分析施工現(xiàn)場(chǎng)情況，因地制宜制定爆破施工方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)二氧化碳爆破在實(shí)際施工中的分析，總結(jié)了二氧化碳爆破的特點(diǎn)。重要的是在今后的實(shí)際工程應(yīng)用中還需要相關(guān)施工技術(shù)人員對(duì)技術(shù)手段不斷更新，對(duì)理論體系不斷完善，使該項(xiàng)技術(shù)在施工中順利應(yīng)用。