液体松动爆破在睢宁风电项目中的应用

液体松动爆破在睢宁风电项目中的应用

姜斌1薛娟2

1国华（江苏）风电有限公司224200；2江苏方圆建设工程检测有限公司224200

摘要：经过施工过程中多种措施和方案的比较和现场试验，最终确定二氧化碳液体松动爆破措施契合设计要求，并且效率最高，造价最省。

二氧化碳液体松动爆破解决了传统炸药爆破的手续繁琐、安全性低、对基础面松动程度控制难等问题。而且爆破过程中不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响，不产生任何有害气体，环保高效。

关键词：液体爆破气态转变为液态契合设计环保高效

正文

1．工程概况及场址工程地质条件

1.1工程概况

睢宁36MW风电场位于睢宁县岚山镇和姚集镇，场区地貌以低矮丘陵为主，山体高程为40～180m，坡度较缓，地表覆盖较浅，多为柏树、杂草和裸露岩石，部分区块有废弃采石场。风电场分为南北两个区域，两场区距离17km。

本风电场拟布置18台单机容量2.0MW的风机，总容量规模36.0MW。风机机位均沿山脊走向布置于山包顶部，地面高程70～180m，场址区域植被较少，50%岩体长期裸露在空气中，但受外界环境腐蚀很轻微。

1.2场址工程地质条件

本工程区以灰岩为主，属于可溶岩地区。根据地质测绘，山脊顶部岩溶现象以裸露基岩表面的溶蚀裂隙、溶孔为主，山脚下局部地段发育有溶沟、溶槽及溶蚀漏斗等岩溶地质现象。该风电场属扬子断块区的下扬子断块，区域地貌上属黄海潮间带滩涂地貌单元。本区上部第四系沉积物厚度达350m左右，以下为上第三系地层（N）半固结粉砂、砂砾（厚度约480m），下伏基岩为上白垩统浦口组（K2p）粉细砂岩、砾岩。，勘探深度内均为第四系沉积物，上部②～③层为第四系全新统（Q4）冲海相粉土、粉砂，下部为晚更新世（Q32）陆相、滨海相沉积物。共分七个大层，细分为14个亚层及2个夹层。从上至下为①-3层冲填土、②-1层粉土（Q4）、②-2层粉土（Q4）、③-1层粉砂夹粉土（Q4）、③-2层粉砂（Q4）、③-夹层粉土（Q4）、④-1层粉质粘土、④-2层粘质粉土、⑤层层状粉土（Q32）、⑥-1层粉砂夹粉土（Q32）、⑥-2层粉砂（Q32）、⑥-夹层粉土、⑦-1层粉质粘土、⑦-2层粉质粘土夹薄层粉土（Q32）、⑦-3层粉砂（Q32）。根据现场地质测绘、坑探及区域地质资料分析，本场区内出露的地层主要为震旦系九顶山组（Z2jd）灰岩以及上覆的第四系残坡积层（Qel+dl），岩体切割成大块状，岩质坚硬。

2．风机基础持力层设计和对基础岩面要求

2.1风机基础对持力层设计

本风电场场区大部分为基岩裸露或大块石堆积，块石为中风化灰岩，场地土层工程性能良好，可作为风机基础天然地基持力层。

本工程采用筏板式扩展基础。②-2层灰岩层地基土承载力特征值fak可取350kPa，层厚适中，埋藏深度较浅，可作为风电机组扩展基础的持力层。

2.2风机基础设计对基础岩面要求

本工程基础为风机使用，故对基础岩面要求较高，不允许松动或不稳定岩体作为基础岩面，需采取精细措施进行控制。

根据地勘报告，本工程大部分风机位置岩石坚硬完整，宜采取爆破措施开挖至设计高程，但应采取多钻孔少装药的分层爆破措施，以保证风机基础基岩面的完整和稳定。

另外可采取挖掘机清表后，啄木鸟式履带凿岩机进行上层开挖，清除上部大块石，最后50cm采取风镐渐进式凿岩达到设计高程。

3．二氧化碳液体爆破应用

经过施工过程中多种措施和方案的比较和现场试验，最终确定二氧化碳液体松动爆破措施契合设计要求，并且效率最高，造价最省。该项技术自二十世纪五十年代.开始被重视和开发，是专门为高瓦丝矿井的采煤工作面研发的。因其安全高效使用方便的特点很快被应用于水泥、钢铁行业。随着技术的不断发展完善，目前已经在欧美国家的采矿业、隧道工程、市政工程、水下爆破等领域进行广泛推广和应用。我国引用此技术相对滞后且保守。为了改变这种现状，目前该技术日臻完善和成熟。传统炸药退出民爆市场的时代已经来临，即将开启一个划时代的革命。

液化包装后二氧化碳装药松动爆破

3.1液体爆破原理

液体爆破系统是指二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（爆破筒）内，装入安全膜、破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了爆破前的准备工作。将爆破筒和起爆器及电源线携至爆破现场，把爆破筒插入钻孔中固定好，连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生高压致使岩体开裂。被爆破物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从起爆至结束整个过程只需0.4毫秒，且是低温下运行，与周围环境的液体，气体不相融合，不产生任何有害气体，不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响。并且无噪音，无振动，无污染，爆炸力好控制，比使用工程机械或者炸药爆破节省很大成本。

液态二氧化碳相变致裂技术是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术，属于物理爆破技术，具有爆破过程无火花外露、爆破威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品，其运输、储存和使用获豁免审批等优点，被广泛应用于采煤、清堵、建筑物拆除。因此，液态二氧化碳相变致裂技术有望取代炸药预裂爆破、水力扩孔、水力压裂来强化提高煤层透气性，快速消除突出危险性或冲击地压。

液态二氧化碳相变致裂属于物理致裂过程，通过化学加热液态二氧化碳，使其压力剧增至20MPa~60MPa，高压液态二氧化碳冲破定压剪切片迅速转化为气态，体积膨胀600多倍，瞬间释放的气体膨胀能使钻孔周边煤体致裂；液态二氧化碳体积膨胀过程会吸收大量的热量，能有效降低致裂范围内的煤体温度，有利于抑制煤层自燃；液态二氧化碳相变致裂采用低压启动（9v），比传统爆破更安全，且不需要验炮，爆破后即可进人，实现连续工作。液态二氧化碳相变致裂装备结构。

3.2液体爆破应用广泛

3.2.1优势

（1）气体比炸药更有安全性，不属于民爆产品，运输、储存和使用不需要审批。

（2）无需炸药审批的繁琐程序和公安部门的严格监管。

（3）爆破过程中无破坏性震动和短波，扬尘比例降低，对周围环境影响不大。

（4）复杂的作业环境均可使用，煤矿及矿山领域。

（5）二氧化碳气易采购，部分装置可重复使用。

（6）多个爆破筒可同时并联，爆破威力大，爆破后岩石个体大。

3.2.2缺点

（1）效率低：步骤过于繁琐，每天炸不了几次，环节多了出问题的机率就多。如灌装、接线、封孔等环节。

（2）临空面要求：利用临空面才有效果，深基坑或凌空不好的作业面不适合。

（3）产量低：无法实现多排爆破，就造成单次爆破的爆破筒数量不宜超过两排，超过一排就容易卡住或炸坏爆破筒。

（4）工程量较小时成本高：其使用的活化器是专用的，一次性用品，产量不高时也造成爆破成本高。

（5）要求高：爆破筒装填工艺和现场施工均较复杂，对炮孔质量要求较高。

（6）噪音及安全：爆破震动力虽不大，毕竟声响比较明显，若要在周边有居民楼及建筑物的使用，应尽量先征求当地安监及环保是否允许。

3.2.3应用范围

液体膨胀二氧化碳开采器适用范围:凡属利用传统咋药的行业均可应用，非民爆领域的特殊区域或场所更能体现其卓越特性。

（1）采矿业：露天矿的开采和矿井的掘进、回采、放顶、煤仓均可应用。如工作面的消突，消除冲击地压，石门揭煤，巷道底鼓治理，处理煤层断层，疏通煤仓等。

（2）应急救援抢险：道路清障、堰塞湖处理、清除山体滑坡、泄洪，堤坝加固。更是矿井救护队的必备工具。

（3）地铁与隧道及市政工程：强硬岩石的爆破和掘进，城市混凝土建筑物的定向爆破，道路壕沟的挖掘等。

（4）水泥、钢铁、电力等行业：预热器、旋窑、炉窑钢渣等设备及设施的清堵。城市热电厂垃圾燃烧炉的结块处理。山区高压线路塔架底盘加固等。

（5）地质勘探：野外钻探取样，各种石材、矿物开采和切割。

（6）高寒区域：破冰，雪峰爆破，各种粉状块状物的疏松作业等。

（7）水下工程：海底电缆和管道壕沟开挖，海底钻井爆破等。

3.3液体膨胀二氧化碳开采系统在本项目中的优势

对于传统开采方法的一场新革命。用于煤矿采煤工作面,替代传统炮采方法，实现工作面落煤,爆破威力大、抛煤量多、块大、抛出距离短,减少工人的强力,且不会造成放炮崩人事故的发生。另外爆破煤块成块率高,煤粉比率明显降低,基本不扬尘,大大降低了煤尘爆炸隐患。煤矿应用此技术可带来产量猛烈增长与利润大幅度提高。

（1）具有本质的安全特性。从储存、运输、携带、使用、回收等方面均十分安全。主机与爆破器材分离，从灌装至爆破结束时间较短。液态二氧化碳灌注仅需1-3分钟，起爆至结束仅需4毫秒。实施过程无哑炮，无需验炮。安全警戒距离短，无安全隐患。爆破筒回收方便，可连续使用。

（2）既可定向爆破又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区、隧道、地铁、井下等环境，实施过程中无破坏性震动和短波，对周围环境无破坏性影响。

（3）在石材开采中不破坏纹理结构，成材率和效率较高。

（4）无需火工库，管理简便，操作易学，操作人员少，无需专业人员值守。

（5）在矿井下使用其性能更加突出，无论是高瓦丝矿井，冲击地压矿井、水文地质条件较复杂的矿井还是易自燃矿井均可应用。

（6）材料来源丰富，可就地取材。提高功效，增加效益，降低成本。减少繁杂的报批审核程序和管理限制。在灌注二氧化碳之前所有皆非爆品。

（7）为获得较大当量的威力，可根据现场情况，把爆破筒并联使用。

（8）在应急抢险救援中，可将全部设施托运任何交通工具上。而雷馆炸药属管制物品无此优势。可节约大量救援时间。

（9）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胀的过程，物理做功而非化学反应。

（10）二氧化碳爆破设备、代替炸.药、改变传统炮采方式、致裂器安全，在工作时不会产生任何明火或火花，是方便安全的液体爆破设备。

（11）环保：定向泄能对周围环境不产生破坏,不产生一氧化碳及氮氧化物等有害气体,能较好的改善工作环境,有益工人身体健康。

（12）便利：通过不同的CO2(二氧化碳)填充量,更换不同型号的定能泄压片和发热活化器可控制膨胀系统的工作压力,从而适应不同的工作环境。

（13）经济：整套系统可反复使用,使用成本低。

（14）安全：组装、填充和运输等过程安全可靠,相对于炸.药爆破可彻底消除哑炮崩人事故。

（15）快速：组装、充装操作简单,爆破准备时间短，可大大提高工作效率与量产。

3.4二氧化碳开采器技术参数及要求

二氧化碳气爆破全套设备包括：二氧化碳爆破管50支、二氧化碳爆破管灌装机、爆破管旋头机、二氧化碳爆破管充装架、低温气罐、爆破片及活性器耗材。

膨胀钢管可重复使用，成套的爆破钢管数量为50根，长度95cm，直径73mm，每根重量22kg；

（1）耗材a、为活化器（加热丝）、泄能片（爆破片）一组成套；耗材b、为液态二氧化碳，每根灌装0.9kg液碳；如爆破深度5m就是5根一组，工作面长度20m，孔距间隔2m，计10组，合计爆破用管50根。

（2）钻孔要求：钻孔直径89mm(另公司有挖机改钻机、挖改液压凿岩机、挖掘机改造钻机产品销售)；

（3）钻孔距离：硬度在5度以下，孔距为2m（大部分），硬度在5-10度之间，孔距为1.5m；

（4）一组爆破方量根据石材硬度及纹路约300至500方，全天上下两组的爆破量约1000方左右。

3.5实施方案

二氧化碳爆破在煤矿中使用主要分为五个工作步骤。第一步骤地面操作间的装管。第二步爆破工作面的打眼。第三步将装好气的致裂管运输到工作面。第四步把二氧化碳致裂管放炮眼里面，并且封孔，放炮。第五步回收。

3.5.1地面操作间装管

二氧化碳致裂管灌装前的准备工作：①需要给充装机、拆装机供应380V交流电。②储液罐有足够的液态二氧化碳。③致裂器和相应的耗材（加热棒、爆破片、垫片）。④万用表、钳子、扳手、内六角等工具。

3.5.2钻孔施工

按照岩石坚硬程度确定孔距后施工钻孔，设计孔深1m，装药后进行爆破，爆破后抽出爆破器和连接管，及时进行封孔处理、连接抽放管路进行抽放，每天上下午两次测量爆破孔的抽采浓度、负压等指标。

3.5.3设备运输

（1）储液管长1m，外径73mm，灌装液态二氧化碳后质量约为25Kg。储液管采用优质进口钢材加工而成，结实耐用，可重复使用4000次，除了接通电路能启动爆破外，磕碰、撞击、高温都不会对装置产生损坏。

（2）储液管在地面灌装液态二氧化碳后，由矿方安排人员提前用矿车运输至爆破地点。（3）实验无法进行或是用不完的储液管必须及时回收升井，妥善保管。

3.5.4放炮

（1）打孔：Φ73致裂器需要打Φ90的孔。

（2）将第一根致裂器和第二根致裂器先连接好，插好插销。并将第一根致裂器的DC

插头剪短，把两个线缠在一起，并用绝缘胶布缠好。然后把锥头连上。

（3）先插入连接好的两根致裂器插入孔中，插入前先把提拉杆插到第二根致裂器的释放管中，然后插入孔中，利用提拉杆支撑致裂器，不然致裂器掉下去。

（4）将第三根致裂器与第二根致裂器连接好，将第二根提拉杆插入第三根致裂器的释放管中。然后拔出第一个提拉杆，再把致裂器放入孔中。

（5）重复步骤④将剩余的致裂器连接好。

（6）用干细沙用细木根吧眼给封孔，确保管不能飞管⑦用15的钢丝绳把每个致裂管的头部栓起来。

（7）根据智能云安全发爆器功率将所有致裂器用导线连接好。（单个孔中的致裂器为串联，电阻值累计增加）

3.5.5回收

（1）将回收好的致裂器用矿车运到操作间，把致裂器放在拆装机钳口上，并将充装阀一头插入拆装头里。然后顺时针旋转急停按钮，按下启动按钮以启动拆装机。

（2）按住夹紧按钮压力上升到10MPa以上后放开。然后按住拆卸按钮，旋转一至两圈后，放开拆卸按钮。

（3）按住松开按钮，然后将致裂器掉头。④重复步骤②。

（4）将致裂器内部的残渣清理干净，以便下次使用。五、施工安全技术措施在液态二氧化碳相变致裂实施过程中，所有施工人员除均需严格遵守《煤矿安全规程》和矿井所有的安全施工措施外，还需要执行与液态二氧化碳相变致裂相关的安全实施规程。

3.5.6注意事项

3.5.6.1设备保存

（1）注液设备安置在地面，需安排库房值班人员妥善保爆破器材，无关人员禁止操作设备。

（2）二氧化碳钢瓶安置在通风、阴凉处，发现钢瓶有腐蚀、损伤、裂纹等缺陷时，及时向试验人员汇报并安排更换。

（3）井下致裂前一天对储液管进行二氧化碳灌装，做到随用随灌，不长期保存。

（4）灌装前，无关人员离开库房，试验人员对空压机、注液泵性能进行检查，确保装置一切正常时开始灌装二氧化碳。

（5）灌装过程中，严格按照《液态二氧化碳预裂装置操作手册》，试验期间由信息研究院技术人员操作执行，若出现漏气应及时停止，排查故障。

（6）灌装后，将储液管两端分别插到水中，检验是否漏气；灌装前后对储液管称重，核实灌入液态二氧化碳的质量；对线路进行导通测试，确保线路正常；充装完成后，上好两端保护盖。

3.5.6.2试验安全技术措施

钻孔施工由施工方负责，钻孔施工严格按照、实施方案施工。由施工方项目负责人负责协调，并安排专人对钻孔施工负责人、现场操作打钻工等进行钻孔布置要求的专项指导，确保打钻操作人员理解并掌握钻孔施工要求。

3.5.6.3加热器电流使用矿用智能云安全发爆器进行导电，由放炮队爆破工进行接通电流。

3.5.5.4井下进行实验前，要先在井上进行云计算智能云安全发爆器试验，检查好智能云安全发爆器，只有智能云安全发爆器性能能够适应井下变相致裂试验标准后方可使用。

3.5.6.5液态二氧化碳相变致裂试验前，对参加实验的相关人员学习本措施。参加实验的人员必须固定，需要调整人员时，参加人员必须学习本措施，学习后方准上岗作业。打钻工区自主组织学习，打钻机组人员必须固定。

3.5.6.6撤人停电、警戒范围：按照炸药爆破安全规程执行。

结论

二氧化碳开采装备的工作属性属于低温爆破过程，作业后爆破管表面温度及产生的二氧化碳气体温度极低（约-2～0℃)，再加上产生的大量的高压二氧化碳气体能够营造一个惰性的气体环境，供应爆破设备。二氧化碳开采装备可大范围布置作业威力大、采量多、开采的岩石（矿石）块的大小可控、抛出距离短，减少了工人的劳动强度，且不会造成放炮崩人事故的发生。

二氧化碳液体松动爆破解决了传统炸药爆破的手续繁琐、安全性低、对基础面松动程度控制难等问题。而且爆破过程中不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响，不产生任何有害气体，环保高效。

参考文献

1.《国华睢宁36MW风电场工程可行性研究报告》

2.《风力发电机组安全要求》(GB18451.1-2001，2006版)

3.《致裂安全规程》（GB6722-2014)