二氧化碳相变致裂技术在司家营铁矿的研究与应用

李国东 李 华 李万涛 郝红泽

（河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司）

现如今，在露天矿山生产过程中进行爆破和岩石破碎往往使用传统方法，例如：化学炸药和机械道具、合金钻头方式［1］，但都存在一些方面的不足，一定程度上制约了露天矿山的生产能力。然而二氧化碳相变致裂技术作为一种新型的致裂和破岩手段，和传统利用炸药对岩体进行爆破的的手段相比具有突出的优点，比如污染少、飞石易控制、爆破振动小等［2］，所以可以将此技术考虑应用在露天矿山台阶推进和扩帮中。经过在露天矿山采场的台阶致裂试验与初步应用，可以发现与使用最为广泛的炸药爆破相比较而言，二氧化碳相变致裂技术在本质上具有巨大的安全特性，同时能够最大限度地减少了对矿区内的环境破坏，安全环保，能够基本满足司家营露天矿山一些特定的台阶推进、扩帮等需求，同时具有供其他矿山参考的价值。

1 工程概况

1.1 矿山基本情况

司家营铁矿隶属河钢集团矿业公司，矿区位于河北省唐山市滦州市区东南约6 km处，是冀东矿脉的一部分，矿区铁矿石产于前震旦系变粒岩中，属鞍山式沉积变质铁矿床。矿区内矿体南北长约10 km，东西宽约2 km。采场年采选600万t铁矿石，露天采场采用由上向下的多台阶方式逐层开采，由于采场边坡地质条件复杂，尤其是东边帮岩层倾向与边坡坡面一致，节理裂隙十分发育，部分区块风化严重，个别区段难以保证边坡稳定。如若在此区段实施传统炸药爆破，将严重影响边坡稳定性，极可能发生不同程度的片帮和滑坡，而且在放炮区域半径200 m范围内东帮地表存在养猪场，炸药爆破引起的爆破振动对牲畜存在安全隐患。基于以上两方面原因考虑，决定在采场东帮个别区段展开二氧化碳相变致裂技术试验与进一步应用。

1.2 矿山地质

司家营铁矿矿区所在区域北部为基岩裸露区，出露地层有太古界、中上元古界、古生界，南部新生界，地层广泛分布。东边帮主要岩性为混合岩化黑云变粒岩和黑云变粒岩，部分地区有闪长岩入侵，其中东边帮浅部是混合岩化黑云变粒岩，岩体风化程度较高；混合岩化黑云变粒岩因为风化水平存在一定程度的差异，可细分为强风化、中风化、微风化3种；深部主要是黑云变粒岩，岩体完整性较好、强度较高；且东边帮岩体普遍存在顺层层理结构，节理裂隙十分发育，部分区块风化比较严重，个别区段难以保证边坡稳定，从而严重影响采场作业人员和设备安全。

2 二氧化碳相变技术原理及主要致裂装置

2.1 二氧化碳相变技术原理

二氧化碳作为一种常见的惰性气体，在一定的温度和压力条件下，可以分别以液态、固态和超临界态存在。利用二氧化碳气体相变致裂原理，就是通过温度的控制使得二氧化碳在一定的条件下发生相变。将液态二氧化碳储存至储液管内，储液管内的液态二氧化碳在高温装置发热后在极短时间内转变为气态。由于气体迅速膨胀，由此产生的高压冲击波使得定压剪切片自动打开，钻孔周围的岩石受到瞬间巨大压力的作用出现裂纹直到破裂。整个过程在极短时间内发生，只需0.4 ms，而且周围环境对整个过程影响较小，二氧化碳属于惰性气体，非易燃易爆物质，与周围环境的空气不相融合，相变爆破过程就是体积膨胀的过程，不产生任何有害气体［3-5］。

2.2 二氧化碳致裂器构造

二氧化碳致裂器构造见图1。

（1）储液管。用于储存液态二氧化碳，由高强度合金钢材制成，耐高压高温，可重复使用。

（2）充装头。液态二氧化碳通过此连接装置储存到储液管中。

（3）泄能头。二氧化碳流突破定压剪切片，经泄能头喷射而出，实现二氧化碳气体瞬间释放，可控制射流方向。

（4）定压剪切片。用于控制二氧化碳气体释放的阀门，当储液管的内压超过其破裂强度时发生破裂，其厚度可控制泄放压力。

（5）发热管。电流通过后发热，为二氧化碳变为气态提供热量。

3 二氧化碳相变技术国内应用现状

二氧化碳相变技术所采用的是纯液态状态下的二氧化碳，这项技术最先是北美在20世纪80年代提出来的，研究人员对此技术进行了试验，并在现场开展了一些初步的应用。后期经过数年的改进与提高，在国外数千井次的压裂施工中得到了广泛应用。在我们国内有一些大型油田利用二氧化碳相变技术陆续进行了比较多的试验和尝试，而且取得了相当好的效果。目前，国内油田已经进行了纯液态二氧化碳压裂试验，取得成功［6］。二氧化碳相变技术在国内煤矿和高速公路建设破碎解石施工以及地铁车站基坑开挖中得到广泛应用。其产生振动和噪音较小，对周边环境影响较小，效果较好［7］。

4 二氧化碳相变技术在采场的试验与应用

4.1 试验设备及部件

试验设备及部件见图2。

4.2 二氧化碳相变致裂设计参数

在采场选取人工预先凿好的台阶临空面进行试验，钻孔直径为216 mm，孔深为6 m，填塞长度为3 m，孔间距为3.5 m，孔数为6个。利用爆破振动测试仪对6个测点进行测振。

4.3 二氧化碳相变致裂工艺

二氧化碳致裂工艺流程见图3。

二氧化碳致裂施工工艺如下。

（1）施工准备。此项工作主要利用钩机等工具为钻孔的场地进行一定程度的平整，为接下来潜孔钻机的钻孔合格率提供一定的保证。

（2）布孔。根据工程的特点、地质条件、岩石性质、台阶高度等，不同条件下布孔的方式不同。此次的二氧化碳致裂在采场的试验采取三角形布孔方式。见图4。

（3）钻孔。钻孔设备采用露天潜孔钻机进行施工，钻孔可以采用垂直孔，也可采用斜孔。根据采场实际台阶推进和扩帮的需求而定。

（4）安装二氧化碳致裂器。致裂器由于长度和重量原因宜采取挖掘机进行安装，安装之前，要先检查钻孔深度是否符合要求。

（5）填塞。致裂管安装完成后，填充致裂孔孔隙。

（6）网路连接。网路连接的接头要用高质量绝缘胶布缠紧，保证连接可靠。

（7）启动电源致裂。

（8）回收致裂器。在致裂完之后，收集致裂器，检查是否有损坏，以备下次使用，降低成本。

4.4 二氧化碳致裂效果评价标准

（1）致裂后的岩块和爆堆需适合挖掘机作业。

（2）致裂对紧邻爆区台阶边坡的破坏力度较小。

（3）致裂产生的振动对一定范围内的构筑物和人员不会产生安全危害。

（4）相邻炮孔之间岩面的不平整度不应大于15 cm［8］。

（5）满足规范要求。

（6）产生的振动不对邻近构筑物或周围居民造成安全影响。

4.5 试验测试结果与分析

4.5.1 现场二氧化碳致裂效果

现场二氧化碳致裂效果见图5。

4.5.2 振动速度波形及其数据处理

由于总共有6个振动测点，每个测点分别得出水平径向、垂直向和轴向3个方向的振动图像，因振动图像较多，在此以1号测点3个方向振动图像为例。分别见图6~图8。然后将6个测点的图像数据统计结果见表1。

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根据有关爆破振动研究资料显示，在3个振动方向上，建筑物受到水平方向的影响力最大，使建筑物产生水平剪力进而可能导致破坏，在试验区边界（6 m处的近点）的测点显示，其最大振动速度沿地面方向，最大速度为7.385 6 cm/s；水平方向X中，最大振动速度为10.122 8 cm/s，小于规范要求值。此次试验效果达到预期，破岩程度良好。

4.6 试验总结

试验结果表明，二氧化碳气体相变技术的致裂能力基本满足中风化岩层台阶施工要求，可操作性强，工艺简单。通过试验发现，该致裂方法对台阶周边震动、飞石、污染、噪音等影响较小，二氧化碳致裂可控性相比普通炸药爆破存在巨大优势。

5 结 论

经过在露天矿山采场的致裂试验和初步应用，可以发现与传统的炸药爆破相比，二氧化碳相变技术具有其本质的安全特性。从储存、运输、携带、使用、回收等方面均无安全隐患，并且二氧化碳致裂在实施过程中不产生任何有害气体，无粉尘、无破坏性震动，最大限度地减少了对矿区内的环境破坏，安全环保。能够基本满足司家营露天矿山一些特定的台阶推进和扩帮需求，同时具有供其他矿山参考的价值。