二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 周盛涛罗学东蒋楠张宗贤姚颖康 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition ZHOU Sheng-tao,LUO Xue-dong.JIANG Nan,ZHANG Zong-xian,YAO Ying-kang 引用本文： 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.工程科学学报，2021,43(7)：883-893.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.11.05.006 ZHOU Sheng-tao,LUO Xue-dong,JIANG Nan,ZHANG Zong-xian,YAO Ying-kang.A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):883-893.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006 在线阅读View online::htps:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.11.05.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报.2020.42(9%：1130htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.06.002 CO,作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报.2020,42(2：203htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.30.001 介孔二氧化硅基复合相变材料研究进展 Research progress of mesoporous silica-based composite phase change materials 工程科学学报.2020,42(10：1229htps:oi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.05.25.001 新型2ClMo2Ni钢在含二氧化碳油田采出液中的腐蚀行为 Corrosion behavior of novel 2Cr1Mo2Ni steel in the oil field formation water containing CO> 工程科学学报.2017,397)：1062htps:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.07.012 添加纳米二氧化硅对氧化铁颗粒表观黏度的影响 Effect of nano-SiO,addition on the apparent viscosity of Fe2O particles 工程科学学报.2018.40(4：446htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.007 锂离子电池安全性研究进展 Research progress on safety of lithium-ion batteries 工程科学学报.2018,408)：901 https::doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.002

二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 周盛涛 罗学东 蒋楠 张宗贤 姚颖康 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition ZHOU Sheng-tao, LUO Xue-dong, JIANG Nan, ZHANG Zong-xian, YAO Ying-kang 引用本文: 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(7): 883-893. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006 ZHOU Sheng-tao, LUO Xue-dong, JIANG Nan, ZHANG Zong-xian, YAO Ying-kang. A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 883-893. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报. 2020, 42(9): 1130 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 CO2作为RH提升气的冶金反应行为研究 Metallurgical reaction behavior of CO2 as RH lifting gas 工程科学学报. 2020, 42(2): 203 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.001 介孔二氧化硅基复合相变材料研究进展 Research progress of mesoporous silica-based composite phase change materials 工程科学学报. 2020, 42(10): 1229 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.25.001 新型2Cr1Mo2Ni钢在含二氧化碳油田采出液中的腐蚀行为 Corrosion behavior of novel 2Cr1Mo2Ni steel in the oil field formation water containing CO2 工程科学学报. 2017, 39(7): 1062 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.012 添加纳米二氧化硅对氧化铁颗粒表观黏度的影响 Effect of nano-SiO2 addition on the apparent viscosity of Fe2 O3 particles 工程科学学报. 2018, 40(4): 446 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.007 锂离子电池安全性研究进展 Research progress on safety of lithium-ion batteries 工程科学学报. 2018, 40(8): 901 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.002

工程科学学报.第43卷，第7期：883-893.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:883-893,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006;http://cje.ustb.edu.cn 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 周盛涛)，罗学东12)四，蒋楠12，张宗贤)，姚颖康2) 1)中国地质大学（武汉）工程学院.武汉4300742)江汉大学爆破工程湖北省重点实验室，武汉4300243)奥卢大学奥卢矿业学院，奥卢 90014 ☒通信作者，E-mail:cugluoxd(@foxmail.com 摘要二氧化碳相变致裂作为一种环境友好的绿色破岩技术，具有破岩效率高、振动小、无污染等优点，近年来已成为岩 石破碎与开挖领域的热门研究课题，相关研究发展迅速.大量学者运用理论分析、实验研究和数值模拟等手段对二氧化碳相 变致裂技术进行了广泛探究，并取得了一些有益进展.通过对现有相关研究成果的调研分析，阐述了二氧化碳相变致裂技术 的破岩机理，回顾了二氧化碳相变致裂荷载特征及其测试手段，归纳了致裂荷载表征方法，概括了致裂荷载与致裂效果的主 要影响因素，分析了二氧化碳相变致裂的有害效应，总结了二氧化碳相变致裂技术在多领域的应用，并探讨了二氧化碳相变 致裂当前存在的问题与未来挑战，以期为二氧化碳相变致裂技术的理论研究和工程应用推广提供参考. 关键词二氧化碳：岩石破碎：破岩机理：荷载特征：有害效应 分类号TU94+1 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition ZHOU Sheng-tao,LUO Xue-dong2,JIANG Nan 2,ZHANG Zong-xian,YAO Ying-kang2) 1)Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China 2)Hubei Key Laboratory of Blasting Engineering,Jianghan University,Wuhan 430024,China 3)Oulu Mining School,University of Oulu,Oulu 90014,Finland Corresponding author,E-mail:cugluoxd @foxmail.com ABSTRACT With continuously increasing urban construction,more underground projects require the breaking of rocks near sensitive areas,such as hospitals,schools,and residential areas.On one hand,since conventional blasting that uses explosives has a negative impact on the safety of the surrounding buildings and brings about noise and flying rocks,the use of explosives are sometimes not allowed.On the other hand,the efficiency of mechanical rock excavation is very low,resulting in a low speed of rock excavation and high operation cost.In view of this situation,techniques that incorporate carbon dioxide phase transition fracturing have been tried in rock fragmentation in complex and sensitive environments such as those mentioned above.Furthermore,carbon dioxide phase transition fracturing is also regarded as an ideal substitute for the explosives in the field of coal permeability improvement.As an environmentally friendly rock-breaking technology,carbon dioxide phase transition fracturing has the advantages of high excavation efficiency,low vibration,and no pollution.In recent years,it has become a hot topic in the field of rock breakage and excavation.Research on this gas explosion technology has been developed rapidly and several useful progresses were made in this technology using theoretical analysis, experiments,and numerical simulations in a wide range.Through investigation and analysis of existing research results,the rock breakage mechanism of carbon dioxide phase transition fracturing was elaborated.A review was also presented on the fracturing load characteristics and its testing method.The main factors influencing the fracture load and fracture result were recapitulated.This review also analyzed the harmful effects of this new technique and generalized the applications of this technology in different fields.Finally,the 收稿日期：2020-11-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(42072309)：爆破工程湖北省重点实验室开放基金资助项目(HKLBEF202002)

二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 周盛涛1)，罗学东1,2) 苣，蒋    楠1,2)，张宗贤3)，姚颖康1,2) 1) 中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074    2) 江汉大学爆破工程湖北省重点实验室，武汉 430024    3) 奥卢大学奥卢矿业学院，奥卢 90014 苣通信作者，E-mail：cugluoxd@foxmail.com 摘    要    二氧化碳相变致裂作为一种环境友好的绿色破岩技术，具有破岩效率高、振动小、无污染等优点，近年来已成为岩 石破碎与开挖领域的热门研究课题，相关研究发展迅速. 大量学者运用理论分析、实验研究和数值模拟等手段对二氧化碳相 变致裂技术进行了广泛探究，并取得了一些有益进展. 通过对现有相关研究成果的调研分析，阐述了二氧化碳相变致裂技术 的破岩机理，回顾了二氧化碳相变致裂荷载特征及其测试手段，归纳了致裂荷载表征方法，概括了致裂荷载与致裂效果的主 要影响因素，分析了二氧化碳相变致裂的有害效应，总结了二氧化碳相变致裂技术在多领域的应用，并探讨了二氧化碳相变 致裂当前存在的问题与未来挑战，以期为二氧化碳相变致裂技术的理论研究和工程应用推广提供参考. 关键词    二氧化碳；岩石破碎；破岩机理；荷载特征；有害效应 分类号    TU94+1 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition ZHOU Sheng-tao1) ，LUO Xue-dong1,2) 苣 ，JIANG Nan1,2) ，ZHANG Zong-xian3) ，YAO Ying-kang1,2) 1) Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China 2) Hubei Key Laboratory of Blasting Engineering, Jianghan University, Wuhan 430024, China 3) Oulu Mining School, University of Oulu, Oulu 90014, Finland 苣 Corresponding author, E-mail: cugluoxd@foxmail.com ABSTRACT    With continuously increasing urban construction, more underground projects require the breaking of rocks near sensitive areas,  such  as  hospitals,  schools,  and  residential  areas.  On  one  hand,  since  conventional  blasting  that  uses  explosives  has  a  negative impact  on  the  safety  of  the  surrounding  buildings  and  brings  about  noise  and  flying  rocks,  the  use  of  explosives  are  sometimes  not allowed. On the other hand, the efficiency of mechanical rock excavation is very low, resulting in a low speed of rock excavation and high operation cost. In view of this situation, techniques that incorporate carbon dioxide phase transition fracturing have been tried in rock fragmentation in complex and sensitive environments such as those mentioned above. Furthermore, carbon dioxide phase transition fracturing is also regarded as an ideal substitute for the explosives in the field of coal permeability improvement. As an environmentally friendly  rock-breaking  technology,  carbon  dioxide  phase  transition  fracturing  has  the  advantages  of  high  excavation  efficiency,  low vibration, and no pollution. In recent years, it has become a hot topic in the field of rock breakage and excavation. Research on this gas explosion technology has been developed rapidly and several useful progresses were made in this technology using theoretical analysis, experiments,  and  numerical  simulations  in  a  wide  range.  Through  investigation  and  analysis  of  existing  research  results,  the  rock breakage mechanism of carbon dioxide phase transition fracturing was elaborated. A review was also presented on the fracturing load characteristics and its testing method. The main factors influencing the fracture load and fracture result were recapitulated. This review also analyzed the harmful effects of this new technique and generalized the applications of this technology in different fields. Finally, the 收稿日期: 2020−11−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（42072309）；爆破工程湖北省重点实验室开放基金资助项目（HKLBEF202002） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：883−893，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 883−893, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006; http://cje.ustb.edu.cn

884 工程科学学报，第43卷，第7期 problems and future challenges of carbon dioxide phase transition fracturing were discussed.The review aims to provide a reference for the theoretical research,generalization,and application of carbon dioxide phase transition fracturing technology KEY WORDS carbon dioxide:rock breakage;rock-breaking mechanism;load characteristics;harmful effect 由于资源开发、工程建设等方面的需要，人类 备CO2储液罐、CO2充填设备、CO2相变致裂管m 对岩石破碎的需求从未停歇.早在公元前5世纪， (图1).CO2相变致裂管由充装头、发热管、储液 我国就采用火爆法落矿.自19世纪以来，硝化 管、密封垫、剪切片及泄能头组成4刀，如图2所示 甘油炸药的发明使爆破成为应用最广泛的岩石 破碎开挖方法四爆破作为一种高加载率破岩方 法，不可避免地带来振动、空气冲击波和飞石等公 害P-习，且存在损伤原岩、对临近建筑物扰动较大 等缺点.为克服爆破的诸多缺点，一些安全可靠的 Screwing machine 爆破替代技术逐步被引入岩石破碎与开挖领域. Fracturing pipe 其中，C02相变致裂具有安全性好、操作方便、破 Storage tank 岩效率高、公害小等优点，在各类岩体破碎开挖工 程中使用较多. Filling machine Filling rack CO2相变致裂以超临界CO2与气态CO2之间 图1二氧化碳相变致裂设备 的能量差作为破岩动力，致裂时液态CO,首先吸 Fig.I Mechanical equipment of the carbon dioxide phase transition 热转化为超临界态，再卸压膨胀转换为高压气体， fracturing 破碎岩石.整个致裂过程不仅无火花，还能吸热抑 燃，属于典型的物理爆炸（该技术起源于20世纪 Detonating Heater Liquid storage Rupture Explosion vent head pipe disc nozzle 初，最初用于英国煤矿中的低透气高瓦斯煤层增 4 透和开采，以达到减少开采煤尘、降低瓦斯爆炸风 Connection 险的目的阿，随后在美、德、法等国的煤矿中大量 Sealing Discharge 使用阿.得益于煤矿机械化生产的快速发展，20世 gasket head 纪70年代末，英国在采煤领域全方位推广了机械 图2二氧化碳相变致裂管结构图 化开采，停止了CO,相变致裂管的使用与此同 Fig.2 Structure of carbon dioxide phase transition fracturing pipe 时，此技术开始在钢铁、水泥、电力等领域崭露头 充装头上设置有充液阀，是液态CO2注人致 角，用于结块清除、管道清堵、料仓破拱⑧ 裂管的通道；此外，还设置有电阻芯，用于传导起 如今，CO2相变致裂在改善瓦斯抽放、复杂环 爆电流.发热管化学成分特殊，在极小的电流下即 境下岩土体开挖等领域破岩的优势再度得到关 可发热，从而促使CO2由液态转化为超临界态列 注，但因其致裂效果影响因素较多，理论研究尚处 储液管通常由高强度合金材料制成，是CO2发生 于起步阶段，生产规范还未形成，大规模推广应用 相态转换的场所.剪切片与密封垫在致裂管激发 仍存在一定困难.为推动该技术在岩石破碎与开 前对储液管起到密封作用，致裂管通电起爆时，剪 挖领域的大规模应用，本文针对国内外CO2相变 切片厚度在起爆时控制致裂管爆力大小.泄能头 致裂相关研究成果，系统归纳分析了CO2相变致 通常与储液管材质相同，泄能头上设置的泄爆口 裂设备、致裂原理、致裂荷载、致裂效果影响因素 (泄爆喷嘴)是高压CO2气体释放的通道 及有害效应研究现状，介绍了该技术在各个领域 1.2致裂原理 的应用情况，并指出了该技术现有研究的不足和 当温度超过31.3℃且压力超过7.39MPa时， 未来发展趋势 二氧化碳进入超临界态.CO2相变致裂时，发热管 1二氧化碳相变致裂技术 通电释放大量热量，储液管内的液态CO2受热相 变为超临界态，管内压力升高.当管内压力超过剪 1.1致裂设备 切片的额定压力时，剪切片发生破断，超临界 CO,相变致裂对机械设备要求较高，使用时需配 CO,瞬间卸压膨胀为高压气体，破碎岩石

problems and future challenges of carbon dioxide phase transition fracturing were discussed. The review aims to provide a reference for the theoretical research, generalization, and application of carbon dioxide phase transition fracturing technology. KEY WORDS    carbon dioxide；rock breakage；rock-breaking mechanism；load characteristics；harmful effect 由于资源开发、工程建设等方面的需要，人类 对岩石破碎的需求从未停歇. 早在公元前 5 世纪， 我国就采用火爆法落矿. 自 19 世纪以来，硝化 甘油炸药的发明使爆破成为应用最广泛的岩石 破碎开挖方法[1] . 爆破作为一种高加载率破岩方 法，不可避免地带来振动、空气冲击波和飞石等公 害[2−3] ，且存在损伤原岩、对临近建筑物扰动较大 等缺点. 为克服爆破的诸多缺点，一些安全可靠的 爆破替代技术逐步被引入岩石破碎与开挖领域. 其中，CO2 相变致裂具有安全性好、操作方便、破 岩效率高、公害小等优点，在各类岩体破碎开挖工 程中使用较多. CO2 相变致裂以超临界 CO2 与气态 CO2 之间 的能量差作为破岩动力，致裂时液态 CO2 首先吸 热转化为超临界态，再卸压膨胀转换为高压气体， 破碎岩石. 整个致裂过程不仅无火花，还能吸热抑 燃，属于典型的物理爆炸[4] . 该技术起源于 20 世纪 初，最初用于英国煤矿中的低透气高瓦斯煤层增 透和开采，以达到减少开采煤尘、降低瓦斯爆炸风 险的目的[5] ，随后在美、德、法等国的煤矿中大量 使用[6] . 得益于煤矿机械化生产的快速发展，20 世 纪 70 年代末，英国在采煤领域全方位推广了机械 化开采，停止了 CO2 相变致裂管的使用[7] . 与此同 时，此技术开始在钢铁、水泥、电力等领域崭露头 角，用于结块清除、管道清堵、料仓破拱[8] . 如今，CO2 相变致裂在改善瓦斯抽放、复杂环 境下岩土体开挖等领域破岩的优势再度得到关 注，但因其致裂效果影响因素较多，理论研究尚处 于起步阶段，生产规范还未形成，大规模推广应用 仍存在一定困难. 为推动该技术在岩石破碎与开 挖领域的大规模应用，本文针对国内外 CO2 相变 致裂相关研究成果，系统归纳分析了 CO2 相变致 裂设备、致裂原理、致裂荷载、致裂效果影响因素 及有害效应研究现状，介绍了该技术在各个领域 的应用情况，并指出了该技术现有研究的不足和 未来发展趋势. 1    二氧化碳相变致裂技术 1.1    致裂设备 CO2 相变致裂对机械设备要求较高，使用时需配 备 CO2 储液罐、CO2 充填设备、CO2 相变致裂管[7] （图 1）. CO2 相变致裂管由充装头、发热管、储液 管、密封垫、剪切片及泄能头组成[4, 7] ，如图 2 所示. Screwing machine Storage tank Filling machine Filling rack Fracturing pipe 图 1    二氧化碳相变致裂设备 Fig.1     Mechanical  equipment  of  the  carbon  dioxide  phase  transition fracturing Detonating head Heater Liquid storage pipe Rupture disc Explosion vent nozzle Sealing gasket Connection Discharge head 图 2    二氧化碳相变致裂管结构图 Fig.2    Structure of carbon dioxide phase transition fracturing pipe 充装头上设置有充液阀，是液态 CO2 注入致 裂管的通道；此外，还设置有电阻芯，用于传导起 爆电流. 发热管化学成分特殊，在极小的电流下即 可发热，从而促使 CO2 由液态转化为超临界态[7, 9] . 储液管通常由高强度合金材料制成，是 CO2 发生 相态转换的场所. 剪切片与密封垫在致裂管激发 前对储液管起到密封作用，致裂管通电起爆时，剪 切片厚度在起爆时控制致裂管爆力大小. 泄能头 通常与储液管材质相同，泄能头上设置的泄爆口 （泄爆喷嘴）是高压 CO2 气体释放的通道. 1.2    致裂原理 当温度超过 31.3 ℃ 且压力超过 7.39 MPa 时 ， 二氧化碳进入超临界态. CO2 相变致裂时，发热管 通电释放大量热量，储液管内的液态 CO2 受热相 变为超临界态，管内压力升高. 当管内压力超过剪 切片的额定压力时 ，剪切片发生破断 ，超临 界 CO2 瞬间卸压膨胀为高压气体，破碎岩石. · 884 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 885· 自CO2相变致裂技术问世以来，对其破岩机 同，CO2相变致裂荷载与爆破荷载区别明显， 理的讨论从未间断.Singh分析了致裂管Cardox CO2相变致裂时，气楔作用时长大于应力波作用 的作用过程，认为致裂释放的高压CO2气体通过 时间，较大部分能量的表现形式为气楔作用，应力 对岩体施压产生拉应力场，以较小的拉应力破坏 波能量占比较低，加载率偏小.CO2相变致裂峰值 岩石，岩体内部随后产生锥形裂隙，达到破岩目的 压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，升压 (图3).现有观点普遍认为，致裂时高压气体冲击 段斜率小于爆破荷载的升压段斜率，高压作用持 钻孔壁，激发强烈的应力波，致裂孔近区岩体内部 续时间较爆破荷载更长，属于中应变率长持时荷 压应力远高于岩石的极限抗压强度，岩石受压破 载22（表1） 碎，形成压碎区.压碎区外岩体内部压应力低于岩 石动抗压强度，但岩体受压产生的环向拉应力大 表1不同破岩技术荷载参数对比2-2网 于岩石的极限抗拉强度，岩石受拉破坏；高压气体 Table 1 Load parameters of different rock-breaking technologies Peak 随后进入拉破坏裂隙，初始裂隙发生二次扩展，这 Methods Pressure rise Loading rate/Total pressure/ time/s (GPa's) time/s MPa 部分区域被称为裂隙区.应力波在裂隙区外侧不 -104 -106 103-105 >106 断衰减，该区域岩体仅受弹性波作用产生震动，属 Blasting CO,phase transition 于震动区（图4）-)C02相变致裂荷载下的岩石 103 10-102 fracturing 102 -10 破碎本质上是应力波与高压气体共同驱动下的岩 Hydraulic fracturing 10 102 10--10-2 -10 体裂纹扩展行为.冲击动应力在高压CO2气体释 放的瞬间破坏岩石，使其产生初始裂隙，裂纹尖端 2.2 致裂压力测试 进而在远场应力与高压气体压力作用下向前扩 CO2相变致裂峰值压力是评价CO2相变致裂 展.裂纹扩展受气体压力、裂纹尺寸形状、射流方 爆力的重要指标，致裂压力曲线特征分析是致裂 向等多因素共同控制4-) 理论研究的基础.CO2相变致裂峰值压力远低于 爆破峰值压力，在传感器可测量程内，因此可直接 Blockage Free surface 开展致裂压力曲线测试.为获取致裂孔内冲击压 力变化规律，谢晓锋等阿将PVDF压电薄膜传感 Rock throw 器布置在致裂管外壁和泄能头腔内，采集致裂孔 direction 内泄爆压力曲线，测试结果如图5所示.但由于采 用PVDF压电薄膜传感器时，无法直接测试泄爆 Rock fracture 口处钻孔壁受荷特征，压力测试曲线的可用性仍 surface 有待验证.现阶段，大多数学者主要采用室内测试 图3贯通式锥型破碎 方法获取泄爆压力时程曲线，主要分为管内测试 Fig.3 Penetrating cone fracture 和管外测试.周西华等2直接测试致裂管内部压 Fracture zone 力，将压力测试曲线分为四段：①管内二氧化碳受 热升压至泄能片破断压力；②剪切片破断后气体 压力继续升高至峰值压力；③气体冲出，致裂管内 压力和冲击波速度迅速下降：④应力波衰减为地 震波（图6）.此外，剪切片破断后致裂管与大气连 Crush zone 通，因此致裂管内压力测试曲线泄压段能在一定 Vibration zone 程度上反映相变致裂对目标介质的做功情况.周 图4钻孔围岩分区示意图 科平等2以此为依据分析致裂管内压力测试曲 Fig.4 Surrounding rock zones of the borehole 线，发现C02相变致裂时最大加载速率约为227.19~ 2二氧化碳相变致裂荷载 299.34GPas. 管外压力测试较管内测试形式更加多样.Ke 2.1荷载特征 等在射流方向上设置一列压力传感器，采集得 尽管CO,相变致裂压力曲线表现为类似爆破 到自由场中各位置处压力，并将压力曲线正相段 荷载的近三角形式-2，但由于破岩能量来源不 分为四段一射流压力迅速升高至峰值、压力略

自 CO2 相变致裂技术问世以来，对其破岩机 理的讨论从未间断. Singh [10] 分析了致裂管 Cardox 的作用过程，认为致裂释放的高压 CO2 气体通过 对岩体施压产生拉应力场，以较小的拉应力破坏 岩石，岩体内部随后产生锥形裂隙，达到破岩目的 （图 3）. 现有观点普遍认为，致裂时高压气体冲击 钻孔壁，激发强烈的应力波，致裂孔近区岩体内部 压应力远高于岩石的极限抗压强度，岩石受压破 碎，形成压碎区. 压碎区外岩体内部压应力低于岩 石动抗压强度，但岩体受压产生的环向拉应力大 于岩石的极限抗拉强度，岩石受拉破坏；高压气体 随后进入拉破坏裂隙，初始裂隙发生二次扩展，这 部分区域被称为裂隙区. 应力波在裂隙区外侧不 断衰减，该区域岩体仅受弹性波作用产生震动，属 于震动区（图 4） [11−13] . CO2 相变致裂荷载下的岩石 破碎本质上是应力波与高压气体共同驱动下的岩 体裂纹扩展行为. 冲击动应力在高压 CO2 气体释 放的瞬间破坏岩石，使其产生初始裂隙，裂纹尖端 进而在远场应力与高压气体压力作用下向前扩 展. 裂纹扩展受气体压力、裂纹尺寸形状、射流方 向等多因素共同控制[14−18] . Blockage Free surface Rock throw direction Rock fracture surface 图 3    贯通式锥型破碎 Fig.3    Penetrating cone fracture Fracture zone Crush zone Vibration zone 图 4    钻孔围岩分区示意图 Fig.4    Surrounding rock zones of the borehole 2    二氧化碳相变致裂荷载 2.1    荷载特征 尽管 CO2 相变致裂压力曲线表现为类似爆破 荷载的近三角形式[18−21] ，但由于破岩能量来源不 同 ， CO2 相 变 致 裂 荷 载 与 爆 破 荷 载 区 别 明 显 . CO2 相变致裂时，气楔作用时长大于应力波作用 时间，较大部分能量的表现形式为气楔作用，应力 波能量占比较低，加载率偏小. CO2 相变致裂峰值 压力与升压时长介于爆破与水力压裂之间，升压 段斜率小于爆破荷载的升压段斜率，高压作用持 续时间较爆破荷载更长，属于中应变率长持时荷 载[22] （表 1）. 表 1 不同破岩技术荷载参数对比[22−24] Table 1   Load parameters of different rock-breaking technologies Methods Peak pressure/ MPa Pressure rise time/s Loading rate/ (GPa·s−1) Total time/s Blasting ~104 ~10−6 103−106 >10−6 CO2 phase transition fracturing ~102 ~10−3 10−102 ~10 Hydraulic fracturing ~10 ~102 10−1−10−2 ~104 2.2    致裂压力测试 CO2 相变致裂峰值压力是评价 CO2 相变致裂 爆力的重要指标，致裂压力曲线特征分析是致裂 理论研究的基础. CO2 相变致裂峰值压力远低于 爆破峰值压力，在传感器可测量程内，因此可直接 开展致裂压力曲线测试. 为获取致裂孔内冲击压 力变化规律，谢晓锋等[25] 将 PVDF 压电薄膜传感 器布置在致裂管外壁和泄能头腔内，采集致裂孔 内泄爆压力曲线，测试结果如图 5 所示. 但由于采 用 PVDF 压电薄膜传感器时，无法直接测试泄爆 口处钻孔壁受荷特征，压力测试曲线的可用性仍 有待验证. 现阶段，大多数学者主要采用室内测试 方法获取泄爆压力时程曲线，主要分为管内测试 和管外测试. 周西华等[26] 直接测试致裂管内部压 力，将压力测试曲线分为四段：①管内二氧化碳受 热升压至泄能片破断压力；②剪切片破断后气体 压力继续升高至峰值压力；③气体冲出，致裂管内 压力和冲击波速度迅速下降；④应力波衰减为地 震波（图 6）. 此外，剪切片破断后致裂管与大气连 通，因此致裂管内压力测试曲线泄压段能在一定 程度上反映相变致裂对目标介质的做功情况. 周 科平等[27] 以此为依据分析致裂管内压力测试曲 线，发现 CO2 相变致裂时最大加载速率约为 227.19～ 299.34 GPa·s−1 . 管外压力测试较管内测试形式更加多样. Ke 等[28] 在射流方向上设置一列压力传感器，采集得 到自由场中各位置处压力，并将压力曲线正相段 分为四段——射流压力迅速升高至峰值、压力略 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 885 ·

886 工程科学学报，第43卷，第7期 175 158.3MPa 未来二氧化碳相变致裂基础研究的重要发展方向. 150 2.3致裂荷载表征方法 125 尽管压力测试曲线能直观表示二氧化碳相变 致裂爆力，但致裂压力测试试验条件要求高，开展 难度大.为方便理论分析和数值计算中对CO2相 变致裂荷载进行定量描述，学者们提出多种相变 50 致裂荷载表征方法，其中，最常见的是用压力容器 25 爆炸能量表征致裂总能量.董庆祥等0对比三种 25 50 75 100 125 常用的压力容器爆炸能量计算方法，提出应选用 Time/ms 压缩气体和水蒸气容器爆炸能量计算方法计算致 图5致裂孔内压力测试曲线 裂总能量E: Fig.5 Pressure test curve in the fracturing holes 0.1013 E 10- (1) 其中，E为致裂总能量，k;P为致裂器内气体的绝 对压力，MPa;V为储液管容积，m3:k为二氧化碳 的绝热指数，取1.295 Ke等2o、郭勇等BI利用Span Wagner状态方 程，从爆炸热力学角度分析了致裂总能量.作为爆 炸能量的外部表现形式，致裂振动在一定程度上 TT, Tls 能反映爆源总能量大小，郭杨霖B、Yang等对 图6致裂管内压力测试曲线示意图 比三硝基甲苯(TNT)爆炸和CO2相变致裂振动时 Fig Pressure test curve in the fracturing pipe 程曲线的均方根值和振动能量，计算得到1kg二 降至某一固定压力、射流压力维持在固定值、压 氧化碳的TNT当量分别为430g和380g,均能满 力逐渐衰减至0.致裂管在钻孔中起爆后，高压 足工程需求.孙可明等通过拟合气爆口的压力 CO,气体在受限空间内发生聚集运移.为准确获 测试曲线得到了CO2气爆射流对应的JWL方程 取致裂孔内气体压力变化特征，雷云与郑天照0 参数，用WL方程描述了致裂荷载 用无缝钢管模拟致裂孔，测试轴向渗失条件下的 上述研究表明，CO2相变致裂荷载表征研究现 气体压力变化，发现射流核心冲击区压力具有峰 阶段主要集中在致裂总能量计算方面，忽略了致 前线性升高和峰后非线性下降的三角脉冲特点； 裂能量的作用过程，具有一定局限性.因此，有必 随着与泄爆口距离的增加，致裂峰值压力呈指数 要结合CO2相变致裂过程，深人研究考虑能量作 形式降低.为模拟致裂高压气体在目标煤（岩）体 用过程的致裂荷载定量表征方法. 中的渗失，郑天照进一步在钢管侧壁增设径向 2.4致裂荷载影响因素 渗失孔，发现气爆能量在渗失孔周围聚集，渗失孔 C02相变致裂泄爆总能量主要由液态CO2充 周围压力表现为梯形脉冲.此外，气楔压力是影响 装量和剪切片厚度控制.CO2充装量主要通过影 裂纹扩展长度的关键因素，但由于岩石破裂时裂 响二氧化碳泄压持时和峰值致裂压力控制致裂总 纹扩展具有随机性，气楔压力曲线监测难度较大 能量，肖诚旭通过分析不同剪切片厚度、CO2充 孙可明等通过在混凝土试件中预制弱面的方式 装量下的膛压测试结果发现，当CO2充装量由 克服了这一问题，发现气楔压力服从负指数衰减 1075g增至1475g时，峰值致裂压力仅提高11.6%， 规律 远小于剪切片厚度对峰值压力的影响.谢晓锋等1 总体而言，学者们提出了一系列CO,相变致 拟合了致裂总能量与剪切片破断压力的特征曲 裂压力测试方法，分析了CO2相变致裂压力变化 线，发现致裂总能量随剪切片破断压力的增大而 特征，但上述测试方法的可靠性仍待探讨.随着荷 增大.此外，Lu等)认为致裂总能量不仅与峰值 载特征研究的深人，系统分析不同压力测试方法 致裂压力有关，还与喷嘴射流速度、气体密度和管 的准确性，对比优选合理的致裂压力测试方法，是 外压力有关.其中，喷嘴射流速度是射流流场中的

降至某一固定压力、射流压力维持在固定值、压 力逐渐衰减至 0. 致裂管在钻孔中起爆后，高压 CO2 气体在受限空间内发生聚集运移. 为准确获 取致裂孔内气体压力变化特征，雷云[29] 与郑天照[20] 用无缝钢管模拟致裂孔，测试轴向渗失条件下的 气体压力变化，发现射流核心冲击区压力具有峰 前线性升高和峰后非线性下降的三角脉冲特点； 随着与泄爆口距离的增加，致裂峰值压力呈指数 形式降低. 为模拟致裂高压气体在目标煤（岩）体 中的渗失，郑天照[20] 进一步在钢管侧壁增设径向 渗失孔，发现气爆能量在渗失孔周围聚集，渗失孔 周围压力表现为梯形脉冲. 此外，气楔压力是影响 裂纹扩展长度的关键因素，但由于岩石破裂时裂 纹扩展具有随机性，气楔压力曲线监测难度较大. 孙可明等[16] 通过在混凝土试件中预制弱面的方式 克服了这一问题，发现气楔压力服从负指数衰减 规律. 总体而言，学者们提出了一系列 CO2 相变致 裂压力测试方法，分析了 CO2 相变致裂压力变化 特征，但上述测试方法的可靠性仍待探讨. 随着荷 载特征研究的深入，系统分析不同压力测试方法 的准确性，对比优选合理的致裂压力测试方法，是 未来二氧化碳相变致裂基础研究的重要发展方向. 2.3    致裂荷载表征方法 尽管压力测试曲线能直观表示二氧化碳相变 致裂爆力，但致裂压力测试试验条件要求高，开展 难度大. 为方便理论分析和数值计算中对 CO2 相 变致裂荷载进行定量描述，学者们提出多种相变 致裂荷载表征方法，其中，最常见的是用压力容器 爆炸能量表征致裂总能量. 董庆祥等[30] 对比三种 常用的压力容器爆炸能量计算方法，提出应选用 压缩气体和水蒸气容器爆炸能量计算方法计算致 裂总能量 E： E = PV k−1   1− ( 0.1013 P ) k−1 k   ×103 （1） 其中，E 为致裂总能量，kJ；P 为致裂器内气体的绝 对压力，MPa；V 为储液管容积，m 3 ；k 为二氧化碳 的绝热指数，取 1.295. Ke 等[20]、郭勇等[31] 利用 Span Wagner 状态方 程，从爆炸热力学角度分析了致裂总能量. 作为爆 炸能量的外部表现形式，致裂振动在一定程度上 能反映爆源总能量大小，郭杨霖[32]、Yang 等[33] 对 比三硝基甲苯（TNT）爆炸和 CO2 相变致裂振动时 程曲线的均方根值和振动能量，计算得到 1 kg 二 氧化碳的 TNT 当量分别为 430 g 和 380 g，均能满 足工程需求. 孙可明等[34] 通过拟合气爆口的压力 测试曲线得到了 CO2 气爆射流对应的 JWL 方程 参数，用 JWL 方程描述了致裂荷载. 上述研究表明，CO2 相变致裂荷载表征研究现 阶段主要集中在致裂总能量计算方面，忽略了致 裂能量的作用过程，具有一定局限性. 因此，有必 要结合 CO2 相变致裂过程，深入研究考虑能量作 用过程的致裂荷载定量表征方法. 2.4    致裂荷载影响因素 CO2 相变致裂泄爆总能量主要由液态 CO2 充 装量和剪切片厚度控制. CO2 充装量主要通过影 响二氧化碳泄压持时和峰值致裂压力控制致裂总 能量，肖诚旭[35] 通过分析不同剪切片厚度、CO2 充 装量下的膛压测试结果发现 ，当 CO2 充装量由 1075 g 增至 1475 g 时，峰值致裂压力仅提高 11.6%， 远小于剪切片厚度对峰值压力的影响. 谢晓锋等[13] 拟合了致裂总能量与剪切片破断压力的特征曲 线，发现致裂总能量随剪切片破断压力的增大而 增大. 此外，Lu 等[7] 认为致裂总能量不仅与峰值 致裂压力有关，还与喷嘴射流速度、气体密度和管 外压力有关. 其中，喷嘴射流速度是射流流场中的 175 150 125 100 75 50 25 Pressure/MPa 158.3 MPa 0 100 125 Time/ms 0 25 50 75 图 5    致裂孔内压力测试曲线[25] Fig.5    Pressure test curve in the fracturing hole[25] Pmax P1 P/MPa T4 T/s 0 T1 T2 T3 The gas pressure rises to the peak value after the rupture disc is broken Gas rushes out and the pressure in the fracturing pipe drops rapidly Stress waves decay into seismic waves Inner pressure increases until the rupture disc is broken 图 6    致裂管内压力测试曲线示意图[26] Fig.6    Pressure test curve in the fracturing pipe[26] · 886 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 887 关键参数，CO2相变射流流场受喷嘴形状、数量和 6 面积等因素共同控制.黄晓实等研究认为，楔 形喷嘴压力场长而集中，且峰值压力更大；方形喷 嘴压力场粗且密集，压力分布更加分散.周航 研究发现，双孔喷嘴的CO2射流压力曲线经历应 力激增、应力剧减、应力减速衰减三个阶段，而四 2 孔喷嘴压力曲线有应力升高、应力激增、应力剧 减和应力衰减四个阶段；泄爆喷嘴总面积越接近 致裂管内截面面积.致裂峰值压力越大 50 100 150200 250300 350 可以看出，现有研究主要围绕单一变量下致 Peak fracturing pressure/MPa 裂荷载的变化特征展开，但CO,相变致裂荷载受 图7有效影响半径随致裂蜂值压力的变化情况 多因素共同控制，分析不同因素对致裂荷载的影 Fig.7 Variation of effective influence radius with varying peak fracturing pressures 响权重，建立多因素CO2泄爆射流荷载数学模型， 对CO2相变致裂工程应用有重要意义 0.6 3二氧化碳相变致裂效果影响因素 6 05 0.4 CO,相变致裂应用过程中，其致裂效果是最主 要的关注点之一.CO2相变致裂效果受爆源参数 0.3 与外部因素共同控制，明晰不同因素对致裂效果 的影响规律，能有效指导孔网参数选取，优化致裂 Cumulative crack length 效果，对提高致裂破岩效率意义重大.近年来，部 ★Number of main cracks 0.1⊙ 分学者通过理论分析、室内试验、现场试验和数 0 9 10 11 12 值模拟等手段在此领域进行了初步探究 Peak fracturing pressure/MPa 3.1爆源参数 图8不同峰值压力下裂纹累计长度和主裂纹条数变化情况吲 C0,充装量和峰值致裂压力是CO2相变致裂 Fig.8 Variation in cumulative crack lengths and the number of main 爆源参数，主要通过控制致裂管爆力影响致裂效 cracks with varying peak fracturing pressuress 果.周西华等B)以井下相变致裂后瓦斯现场抽采 率较高：而梅花形布孔时，裂纹在行、列与对角线 效果为评价指标，发现致裂有效半径与峰值致裂 方向上均能贯通，是一种更优的布孔方式9.王兆 压力呈正相关，当峰值压力增至280MPa后，致裂 丰等o)、李豪君等]在平煤十三矿开展井下增透 半径的增长趋于平缓（图7）.孙可明等统计了 试验，对比矩形和梅花形布孔时的煤层增透效果， 混凝土试件室内致裂试验的主裂纹条数N和裂纹 发现梅花形布孔时，瓦斯抽采达标仅需100~125d, 累计长度D,发现主裂纹数量和裂纹累计长度均 较矩形布孔时短15~20d.群孔CO,相变致裂破 与峰值致裂压力P呈对数函数关系（图8）.除峰值 岩时，可考虑采用梅花形布孔优化破岩效果 致裂压力外，CO2充装量是保证致裂较长持时的 岩体爆破开挖时，若设置有控制孔，应力波会 关键因素，对致裂效果的影响不容忽视.田泽础阁 在控制孔处发生反射叠加，促进爆生裂纹发育 研究发现，CO2充装量越大时，致裂压碎区范围越 CO2相变致裂中，无控制孔时裂纹一般受自由面 大，裂缝数目越多，破岩块度分布范围越广.工程 应力波反射叠加作用发生贯通，有控制孔时裂纹 应用中，综合考虑两种爆源参数对破岩效果的影 常沿致裂孔与控制孔连线方向发育，控制孔对裂 响，对提升破岩效果有重要意义 纹扩展有导向作用9谢晓锋等]开展了三种含 3.2孔网参数设计 控制空孔的桩井开挖试验（图9），发现控制空孔布 工程爆破中，合理的孔网参数设计方案能有 置过多时（方案1），会增加气体逸散途径，减弱破 效控制爆炸能量分布，得到理想的破岩效果.矩形 岩效果；控制空孔设置过少时（方案2），致裂效果 布孔和梅花形布孔是爆破中常用的布孔形式，实 较差，需要二次破裂；仅当控制空孔数量设置合理 践表明，上述两种布孔方式下致裂破岩效果区别 时（方案3）破岩效果较好，说明控制孔过多与过少 明显.矩形布孔时，致裂孔孔间贯通面积小，大块 均会弱化破岩效果，选择合适的控制孔数量有利

关键参数，CO2 相变射流流场受喷嘴形状、数量和 面积等因素共同控制. 黄晓实等[36] 研究认为，楔 形喷嘴压力场长而集中，且峰值压力更大；方形喷 嘴压力场粗且密集，压力分布更加分散. 周航[19] 研究发现，双孔喷嘴的 CO2 射流压力曲线经历应 力激增、应力剧减、应力减速衰减三个阶段，而四 孔喷嘴压力曲线有应力升高、应力激增、应力剧 减和应力衰减四个阶段；泄爆喷嘴总面积越接近 致裂管内截面面积，致裂峰值压力越大. 可以看出，现有研究主要围绕单一变量下致 裂荷载的变化特征展开，但 CO2 相变致裂荷载受 多因素共同控制，分析不同因素对致裂荷载的影 响权重，建立多因素 CO2 泄爆射流荷载数学模型， 对 CO2 相变致裂工程应用有重要意义. 3    二氧化碳相变致裂效果影响因素 CO2 相变致裂应用过程中，其致裂效果是最主 要的关注点之一. CO2 相变致裂效果受爆源参数 与外部因素共同控制，明晰不同因素对致裂效果 的影响规律，能有效指导孔网参数选取，优化致裂 效果，对提高致裂破岩效率意义重大. 近年来，部 分学者通过理论分析、室内试验、现场试验和数 值模拟等手段在此领域进行了初步探究. 3.1    爆源参数 CO2 充装量和峰值致裂压力是 CO2 相变致裂 爆源参数，主要通过控制致裂管爆力影响致裂效 果. 周西华等[37] 以井下相变致裂后瓦斯现场抽采 效果为评价指标，发现致裂有效半径与峰值致裂 压力呈正相关，当峰值压力增至 280 MPa 后，致裂 半径的增长趋于平缓（图 7）. 孙可明等[15] 统计了 混凝土试件室内致裂试验的主裂纹条数 N 和裂纹 累计长度 D，发现主裂纹数量和裂纹累计长度均 与峰值致裂压力 P 呈对数函数关系（图 8）. 除峰值 致裂压力外，CO2 充装量是保证致裂较长持时的 关键因素，对致裂效果的影响不容忽视. 田泽础[38] 研究发现，CO2 充装量越大时，致裂压碎区范围越 大，裂缝数目越多，破岩块度分布范围越广. 工程 应用中，综合考虑两种爆源参数对破岩效果的影 响，对提升破岩效果有重要意义. 3.2    孔网参数设计 工程爆破中，合理的孔网参数设计方案能有 效控制爆炸能量分布，得到理想的破岩效果. 矩形 布孔和梅花形布孔是爆破中常用的布孔形式，实 践表明，上述两种布孔方式下致裂破岩效果区别 明显. 矩形布孔时，致裂孔孔间贯通面积小，大块 率较高；而梅花形布孔时，裂纹在行、列与对角线 方向上均能贯通，是一种更优的布孔方式[39] . 王兆 丰等[40]、李豪君等[41] 在平煤十三矿开展井下增透 试验，对比矩形和梅花形布孔时的煤层增透效果， 发现梅花形布孔时，瓦斯抽采达标仅需 100～125 d， 较矩形布孔时短 15～20 d. 群孔 CO2 相变致裂破 岩时，可考虑采用梅花形布孔优化破岩效果. 岩体爆破开挖时，若设置有控制孔，应力波会 在控制孔处发生反射叠加，促进爆生裂纹发育. CO2 相变致裂中，无控制孔时裂纹一般受自由面 应力波反射叠加作用发生贯通，有控制孔时裂纹 常沿致裂孔与控制孔连线方向发育，控制孔对裂 纹扩展有导向作用[39] . 谢晓锋等[13] 开展了三种含 控制空孔的桩井开挖试验（图 9），发现控制空孔布 置过多时（方案 1），会增加气体逸散途径，减弱破 岩效果；控制空孔设置过少时（方案 2），致裂效果 较差，需要二次破裂；仅当控制空孔数量设置合理 时（方案 3）破岩效果较好，说明控制孔过多与过少 均会弱化破岩效果，选择合适的控制孔数量有利 6 5 4 2 3 Effective influence radius/m 1 0 250 350 Peak fracturing pressure/MPa 50 100 150 200 300 图 7    有效影响半径随致裂峰值压力的变化情况[37] Fig.7     Variation  of  effective  influence  radius  with  varying  peak fracturing pressures[37] 8 6 4 2 Number of main cracks Cumulative crack length/m 0 0.6 0.5 0.3 0.4 0.2 0.1 0 11 12 Peak fracturing pressure/MPa Cumulative crack length Number of main cracks 7 8 9 10 图 8    不同峰值压力下裂纹累计长度和主裂纹条数变化情况[15] Fig.8     Variation  in  cumulative  crack  lengths  and  the  number  of  main cracks with varying peak fracturing pressures[15] 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 887 ·

888 工程科学学报，第43卷，第7期 于提升破岩质量.此外，周西华等2、Kang等) 致裂影响范围更大，煤层CO2相变致裂增透时，可先 题正义与陈波借助数值模拟发现，有控制孔时 利用控制孔优化致裂效果，后利用控制孔抽采瓦斯. (a) (b) (c) Empty Empty hole hole Emp hole Fracturing Fracturing hole hole hole 图9三种不同的桩井开挖方案四(a)方案1：(b)方案2：(c)方案3 Fig.9 Three different pile well excavation schemes!2:(a)scheme 1:(b)scheme 2:(c)scheme 3 针对CO2相变致裂孔网参数的定性研究已经 应力赋存条件，分析不同应力状态下射流方向对 明确了布孔方式与控制孔对致裂效果的影响，但 裂纹起裂扩展的影响规律，提出不同地应力下 科学的致裂孔网参数设计标准尚未形成，因此以 C02定向致裂控制方案，是未来CO2致裂应用于 既有研究为基础，系统探究钻孔数量、间距、布置 深部岩体控制开挖的重要研究课题 方式对致裂效果的影响规律，建立一套CO2相变 4二氧化碳相变致裂有害效应研究 致裂孔网参数设计规范，是未来CO2相变致裂破 岩应用研究的重点研究方向 岩体开挖安全控制与环境保护是工程爆破领 3.3围压作用 域的关键课题，分析动力破岩过程中地震波、飞 深部岩体的破裂失稳往往受地应力场影响 石、噪声、粉尘、空气污染等有害效应的形成与传 地应力既能提高目标破碎岩体强度，又能对裂纹 播机制，对复杂环境下岩体开挖工程安全与环保 扩展起到导向作用，不同地应力场对CO,相变致 意义重大.由表1可知，CO,相变致裂峰值压力与 裂破岩效果的影响规律是其用于深部岩体破碎开 加载率较低，对应的应力波峰值强度较小，致裂时 挖的核心问题.孙可明等B4,5-分析不同初应力 高压CO2气体沿岩体裂隙和微裂缝扩散，岩石以 下的致裂效果发现，裂隙数量与长度均随初始应 受拉破坏为主，难以抛掷形成飞石，噪声、振动也 力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围也与初始 较小 应力呈负相关关系.此外，初始压应力能促进裂纹 尽管致裂激发的振动强度较低，但由于CO2 沿初始压应力方向起裂扩展，同时通过阻碍高压 相变致裂常被用于复杂敏感环境下的岩体开挖工 气体进入方向与其垂直的裂隙，抑制初始压应力 程中，其振动控制要求较高，振动效应不可忽视 垂直方向上的裂纹扩展.试验表明，控制垂直向初 研究表明，CO2相变致裂振动由气爆应力波激发， 始应力不变，逐渐增大水平向初始应力时，水平向 振速与应力均随传播距离增大而减小4，刀，振速曲 初始应力变化不影响该方向上裂纹的发育方向， 线频率集中在0~100Hz内8，不发生高频振荡2， 但控制垂直向裂纹扩展向水平方向发生偏转，且 强度远小于爆破振动，典型CO2相变致裂振速 偏转角度随着两方向应力差的增大而增大，此外， 时程曲线如图10所示 垂直向裂纹扩展长度随应力差的增大而减小.田 飞石、噪声、粉尘、空气污染是露天爆破安全 泽础研究发现，主应力差对非聚能方向上的裂 控制中的重要内容，部分学者针对上述露天施工 纹发育有明显影响，主应力差较大时，非聚能方向 有害效应进行了初步探索.李启月等o在基坑致 上径向裂纹发育明显；反之，该方向上裂纹扩展范 裂开挖时设置防爆毯，发现致裂时无飞石产生，扬 围较小. 尘较少，16m外声音强度小于76dB,能满足敏感 学者们已围绕不同应力下致裂裂纹扩展变化 区域开挖的要求.此外，CO2相变致裂低加载率的 规律开展了一些探索，但研究中往往忽略CO2泄 特点有利于岩石断裂，岩石以受拉破坏为主，从源 爆射流的定向致裂特点.随着深部地下工程的发 头上抑制了破岩粉尘的产生.刘光辉与王海亮5例 展，综合考虑CO,相变射流定向致裂特点与岩体 通过现场致裂试验发现，致裂破岩产生的粉尘和

于提升破岩质量. 此外，周西华等[42]、Kang 等[43]、 题正义与陈波[44] 借助数值模拟发现，有控制孔时 致裂影响范围更大，煤层 CO2 相变致裂增透时，可先 利用控制孔优化致裂效果，后利用控制孔抽采瓦斯. Empty hole (a) (b) (c) Fracturing hole Empty hole Fracturing hole Empty hole Fracturing hole 图 9    三种不同的桩井开挖方案[12] .（a）方案 1；（b）方案 2；（c）方案 3 Fig.9    Three different pile well excavation schemes[12] : (a) scheme 1；(b) scheme 2；(c) scheme 3 针对 CO2 相变致裂孔网参数的定性研究已经 明确了布孔方式与控制孔对致裂效果的影响，但 科学的致裂孔网参数设计标准尚未形成，因此以 既有研究为基础，系统探究钻孔数量、间距、布置 方式对致裂效果的影响规律，建立一套 CO2 相变 致裂孔网参数设计规范，是未来 CO2 相变致裂破 岩应用研究的重点研究方向. 3.3    围压作用 深部岩体的破裂失稳往往受地应力场影响， 地应力既能提高目标破碎岩体强度，又能对裂纹 扩展起到导向作用，不同地应力场对 CO2 相变致 裂破岩效果的影响规律是其用于深部岩体破碎开 挖的核心问题. 孙可明等[34, 45−46] 分析不同初应力 下的致裂效果发现，裂隙数量与长度均随初始应 力的增大而减小，压碎区和裂隙区范围也与初始 应力呈负相关关系. 此外，初始压应力能促进裂纹 沿初始压应力方向起裂扩展，同时通过阻碍高压 气体进入方向与其垂直的裂隙，抑制初始压应力 垂直方向上的裂纹扩展. 试验表明，控制垂直向初 始应力不变，逐渐增大水平向初始应力时，水平向 初始应力变化不影响该方向上裂纹的发育方向， 但控制垂直向裂纹扩展向水平方向发生偏转，且 偏转角度随着两方向应力差的增大而增大，此外， 垂直向裂纹扩展长度随应力差的增大而减小. 田 泽础[38] 研究发现，主应力差对非聚能方向上的裂 纹发育有明显影响，主应力差较大时，非聚能方向 上径向裂纹发育明显；反之，该方向上裂纹扩展范 围较小. 学者们已围绕不同应力下致裂裂纹扩展变化 规律开展了一些探索，但研究中往往忽略 CO2 泄 爆射流的定向致裂特点. 随着深部地下工程的发 展，综合考虑 CO2 相变射流定向致裂特点与岩体 应力赋存条件，分析不同应力状态下射流方向对 裂纹起裂扩展的影响规律 ，提出不同地应力下 CO2 定向致裂控制方案，是未来 CO2 致裂应用于 深部岩体控制开挖的重要研究课题. 4    二氧化碳相变致裂有害效应研究 岩体开挖安全控制与环境保护是工程爆破领 域的关键课题，分析动力破岩过程中地震波、飞 石、噪声、粉尘、空气污染等有害效应的形成与传 播机制，对复杂环境下岩体开挖工程安全与环保 意义重大. 由表 1 可知，CO2 相变致裂峰值压力与 加载率较低，对应的应力波峰值强度较小，致裂时 高压 CO2 气体沿岩体裂隙和微裂缝扩散，岩石以 受拉破坏为主，难以抛掷形成飞石，噪声、振动也 较小[4] . 尽管致裂激发的振动强度较低，但由于 CO2 相变致裂常被用于复杂敏感环境下的岩体开挖工 程中，其振动控制要求较高，振动效应不可忽视. 研究表明，CO2 相变致裂振动由气爆应力波激发， 振速与应力均随传播距离增大而减小[34,47] ，振速曲 线频率集中在 0～100 Hz 内[48] ，不发生高频振荡[25] ， 强度远小于爆破振动[49] ，典型 CO2 相变致裂振速 时程曲线如图 10 所示. 飞石、噪声、粉尘、空气污染是露天爆破安全 控制中的重要内容，部分学者针对上述露天施工 有害效应进行了初步探索. 李启月等[50] 在基坑致 裂开挖时设置防爆毯，发现致裂时无飞石产生，扬 尘较少，16 m 外声音强度小于 76 dB，能满足敏感 区域开挖的要求. 此外，CO2 相变致裂低加载率的 特点有利于岩石断裂，岩石以受拉破坏为主，从源 头上抑制了破岩粉尘的产生. 刘光辉与王海亮[51] 通过现场致裂试验发现，致裂破岩产生的粉尘和 · 888 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 889· 价方面.近年来，城市建筑物近接致裂破岩工程越 10 Long vibration 来越多，系统探究CO2相变致裂动力响应特征，提 Transversal vibration Vertical vibration 出完整的致裂有害效应安全控制方法，是保障其 应用安全的重点 5二氧化碳相变致裂应用现状分析 5.1富瓦斯煤层增透与煤炭开采 -10 近年来，C02相变致裂在煤矿生产中成功应用 的报道越来越多，尤其表现在富瓦斯煤层增透领 0.2 0.3 0.4 0.5 Time/s 域4,3-s刈CO2相变致裂用于煤层增透时，致裂产 图10典型CO2相变致裂振动速度时程曲线) 生的复杂裂缝破坏了瓦斯吸附平衡，原煤中瓦斯 Fig.10 Velocity-time history curve of a typical carbon dioxide phase 逐渐解吸为游离态：此外，致裂释放的CO2与甲烷 transition fracturing vibration 形成竞争吸附关系，并能在煤岩裂缝中逐步驱替 炮烟较爆破减少了50%.整体而言，C02相变致裂 甲烷，能有效提高瓦斯抽采率.最初，王兆丰等5将 的飞石、噪声、粉尘较小，环保优势明显.陶明等9 CO2相变致裂引入九里山矿进行煤层增透试验，试 通过理论计算发现，每破碎1m的岩石，爆破生成 验分别设置有致裂孔、控制孔、水力冲孔（图11）： 气体总量约为0.202~0.217kg,C02相变致裂气体 致裂当天致裂孔瓦斯抽采流量由0.004m3min提 生成量为0.21kg.尽管两种方法破岩生成的气体 升至0.078m3min,10d内致裂孔平均瓦斯抽采 总量接近，但爆破时往往会产生CO、NO、NO2等 流量为0.057m3min,是致裂前的4.3倍，为水力 多种有害气体，CO2相变致裂仅涉及CO2的相态 冲孔抽采的23倍；此外，试验前后流量衰减系数 转换，致裂时释放无毒无害无味的C02气体，较爆 由0.384d降至0.046d,表明C02相变致裂增透 破更加安全环保 不仅效果较好，瓦斯抽采可持续性也较好.随后， 与爆破不同，浅孔CO2相变致裂时，若致裂孔 周西华等7,1将该技术引入七台河煤矿增透中， 封堵不密实，孔内的高压气体可推动致裂管向外 致裂后煤层透气性系数提高了17.49~22.76倍，平 运动，发生“飞管”，致裂管最高可脱离致裂孔向上 均瓦斯抽采体积分数提高了56.4%.李丰亮等[56 抛出20~30m.此时，致裂能量主要用于致裂管抛 将此技术用于玉溪煤矿的强化增透卸压消突，致 掷，岩体致裂效果较差，同时也对施工作业人员的 裂后钻屑瓦斯解吸指标降低11倍，日均进尺提高 安全造成一定威胁.为保证致裂效果，提高CO2相 92.8%,保证了矿井高效安全生产.Cao等7将多 变致裂安全性，可采用封孔止飞、机械止飞、泄爆 根致裂管前后相连，提出多簇气体相变致裂技术， 口止飞等方法进行控制四，保障致裂管起爆稳 并在李村煤矿等多个煤矿中取得了良好的抽采与 定性 掘进效果.此外，张嘉凡等51尝试将该技术用于 C0,相变致裂有害效应较爆破更小，致裂破岩 开采煤炭，发现块煤率提高了20%~50%，在薄层 整体安全可控，相关研究多集中于定性描述与评 煤岩中开采较好 Hydraulic flushing borehole Fracturing borehole Control borehole 2 coal seam 16051 floor drainage roadway 国11九里山矿煤层增透试验钻孔布置图5 Fig.11 Borehole layout of the coal permeability improvement experiment in Jiulishan Minelss)

炮烟较爆破减少了 50%. 整体而言，CO2 相变致裂 的飞石、噪声、粉尘较小，环保优势明显. 陶明等[49] 通过理论计算发现，每破碎 1 m3 的岩石，爆破生成 气体总量约为 0.202～0.217 kg，CO2 相变致裂气体 生成量为 0.21 kg. 尽管两种方法破岩生成的气体 总量接近，但爆破时往往会产生 CO、NO、NO2 等 多种有害气体，CO2 相变致裂仅涉及 CO2 的相态 转换，致裂时释放无毒无害无味的 CO2 气体，较爆 破更加安全环保. 与爆破不同，浅孔 CO2 相变致裂时，若致裂孔 封堵不密实，孔内的高压气体可推动致裂管向外 运动，发生“飞管”，致裂管最高可脱离致裂孔向上 抛出 20～30 m. 此时，致裂能量主要用于致裂管抛 掷，岩体致裂效果较差，同时也对施工作业人员的 安全造成一定威胁. 为保证致裂效果，提高 CO2 相 变致裂安全性，可采用封孔止飞、机械止飞、泄爆 口止飞等方法进行控制[52] ，保障致裂管起爆稳 定性. CO2 相变致裂有害效应较爆破更小，致裂破岩 整体安全可控，相关研究多集中于定性描述与评 价方面. 近年来，城市建筑物近接致裂破岩工程越 来越多，系统探究 CO2 相变致裂动力响应特征，提 出完整的致裂有害效应安全控制方法，是保障其 应用安全的重点. 5    二氧化碳相变致裂应用现状分析 5.1    富瓦斯煤层增透与煤炭开采 近年来，CO2 相变致裂在煤矿生产中成功应用 的报道越来越多，尤其表现在富瓦斯煤层增透领 域[43, 53−54] . CO2 相变致裂用于煤层增透时，致裂产 生的复杂裂缝破坏了瓦斯吸附平衡，原煤中瓦斯 逐渐解吸为游离态；此外，致裂释放的 CO2 与甲烷 形成竞争吸附关系，并能在煤岩裂缝中逐步驱替 甲烷，能有效提高瓦斯抽采率. 最初，王兆丰等[55] 将 CO2 相变致裂引入九里山矿进行煤层增透试验，试 验分别设置有致裂孔、控制孔、水力冲孔（图 11）； 致裂当天致裂孔瓦斯抽采流量由 0.004 m3 ·min−1 提 升至 0.078 m3 ·min−1 ，10 d 内致裂孔平均瓦斯抽采 流量为 0.057 m3 ·min−1，是致裂前的 4.3 倍，为水力 冲孔抽采的 2.3 倍；此外，试验前后流量衰减系数 由 0.384 d−1 降至 0.046 d−1，表明 CO2 相变致裂增透 不仅效果较好，瓦斯抽采可持续性也较好. 随后， 周西华等[37, 42] 将该技术引入七台河煤矿增透中， 致裂后煤层透气性系数提高了 17.49～22.76 倍，平 均瓦斯抽采体积分数提高了 56.4%. 李丰亮等[56] 将此技术用于玉溪煤矿的强化增透卸压消突，致 裂后钻屑瓦斯解吸指标降低 11 倍，日均进尺提高 92.8%，保证了矿井高效安全生产. Cao 等[57] 将多 根致裂管前后相连，提出多簇气体相变致裂技术， 并在李村煤矿等多个煤矿中取得了良好的抽采与 掘进效果. 此外，张嘉凡等[58] 尝试将该技术用于 开采煤炭，发现块煤率提高了 20%～50%，在薄层 煤岩中开采较好. Hydraulic flushing borehole 21 coal seam 16051 floor drainage roadway 20 m 5 m Fracturing borehole Control borehole 图 11    九里山矿煤层增透试验钻孔布置图[55] Fig.11    Borehole layout of the coal permeability improvement experiment in Jiulishan Mine[55] 15 10 5 0 −5 −10 Velocity of particle vibration/(cm·s−1 ) −15 0.5 Time/s Vertical vibration Long vibration Transversal vibration 0.1 0.2 0.3 0.4 图 10    典型 CO2 相变致裂振动速度时程曲线[25] Fig.10    Velocity –time history curve of a typical carbon dioxide phase transition fracturing vibration[25] 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 889 ·

890 工程科学学报，第43卷，第7期 上述研究主要集中在致裂作用下煤层增透效 术，CO2相变致裂应用前景广阔，并有望在更多领 果分析与煤炭开采应用方面，忽略了井下CO2相 域发挥功用6 变致裂带来的次生风险.实践表明，尽管二氧化碳 6 研究展望 在煤层中能有效驱替瓦斯，但部分CO2气体仍可 能沿钻孔及贯通煤岩裂隙向巷道扩散，导致井下 随着安全生产与绿色建造理念不断深入人心， 有限空间内二氧化碳超限，造成一定的安全风险 安全环保的气爆破岩技术较传统炸药爆破将更有 因此，有必要开展井下二氧化碳超限防治研究，为 发展潜力，尽管国内外学者借鉴爆破理论研究方 井下致裂煤层增透施工提供安全保障 法，针对CO2相变致裂开展了诸多有益探索，但实 5.2工程建设与石方开采 际工程应用中，仍存在致裂成缝控制难度大，致裂 针对不同破碎对象，CO,相变致裂的破碎效率 效果不稳定等问题.此外，由于CO,相变致裂破岩 均能维持在较高水平，可充分满足各类工程需要 速度快、致裂管结构复杂，CO,相变致裂破岩理论 除在煤矿应用较多外，该技术已被逐步引入工程 体系仍未完善，孔网参数设计标准尚未建立，一定 建设与石方开采领域，在桩井开挖、路基开挖、隧 程度上制约了该技术的大规模推广应用.为提高 道掘进等工程中展现出其优势.Caldwell介绍了 破岩效率，优化破岩方法，仍需进一步开展工作： Cardox管在澳大利亚桩井开挖工程的成功实例， (1)二氧化碳相变致裂破岩机理分析 开挖19.6m深的竖井时，单次致裂进尺0.9m,同 CO2相变致裂破岩过程中，一般认为致裂裂纹 一断面仅需23个致裂孔，且能较好达到开挖目的 由应力波与高压气体协同驱动扩展，但应力波与 Parsakhoo等Is9-60将此技术引入Hyrcanian森林路 高压气体在岩体内部的传播衰减特点、破岩能量 基开挖工程中，降低了飞石抛掷风险，成功保护了 占比仍未明确，二者协同破岩的力学机制有待进 拟建区附近的树木.此外，由于城市地铁营建的安 一步探究.此外，现阶段一般将CO2相变致裂假定 全要求较高，长沙、广州、南京、乌鲁木齐等地的 为同断面等压爆破，实际破岩时，泄爆口正对的岩 部分地铁车站与区间隧道中已采用CO2相变致裂 体受到的冲击应力更大，表现出明显的聚能特点 进行开挖掘进，有效缩短了工期，降低了施工成本 分析CO2相变致裂冲击力学模式，定量描述相变 石方开采领域中，土耳其Artem Insaat采石场 致裂泄爆压力曲线，建立CO2泄爆力学模型，探究 运用Cardox管开采方解石，日产量可达1500t: 应力波与高压气体的传播衰减规律，能为明晰岩 Bulawayo的金矿中，两根Cardox管与五孔爆破采 体致裂破坏模式提供理论支撑 石方量相等例近年来，由于压碎区范围小，CO2相 (2)致裂管结构优化设计与参数优选 变致裂技术在玉石开采领域也有应用，以提高玉 CO2相变致裂时，致裂总能量大小由剪切片厚 石开采的完整性 度与液态CO2充装量共同控制，C02射流压力曲 5.3其他应用 线还受泄爆喷嘴尺寸、数量、设计位置等因素影 CO2相变致裂不仅能应用于岩石破碎开挖领 响，各参数对泄爆荷载的影响规律现阶段仍未明 域，也能应用于其他领域.在汽车生产领域， 确.有必要开展致裂管结构优化设计研究，确定不 CO2相变致裂产生的高压CO2射流能有效应用于 同规格致裂管的剪切片强度、充装量、喷嘴直径 汽车喷漆前的清污处理6现有研究表明，地球物 的优选匹配关系，降低泄爆射流能量损失，全方位 理勘探中，CO2相变致裂激发的初至波传播距离 提高致裂管爆力，为CO2相变致裂大范围推广应 能达到1km,对应的高频段有效反射信息较炸药 用提供设备支持 震源资料剖面更丰富，是一种能有效替代炸药的 (3)致裂孔网参数设计规范建立 绿色可靠震源62-长时间以来，高纬度地区开辟 由于炸药管控日益严格，岩石破碎的需求依 航道的需求旺盛，大范围破冰作业是航道开辟的 旧旺盛，工程师们已尝试在各类岩体破碎开挖工 先决条件，Mellor6在New Hampshire和Alaska的 程中使用CO,相变致裂技术.直至今日，系统的致 湖泊上进行了气爆破冰尝试，发现CO,相变致裂 裂破岩技术指导规范仍未形成，致裂孔网参数选 能有效应用于破碎大体积浮冰.此外，徐超等的 取方法尚未达成共识，应用时只能依据工程经验 提出CO2相变致裂和水力压裂可联合用于干热岩 进行孔网参数设计，CO2相变致裂破岩优势还未 储层建造的构想，为深部地热能开发提供了新的 得到充分挖掘，能量利用率整体偏低.针对赋存于 思路.整体而言，作为一种新型绿色环保的破碎技 复杂工程地质环境中的各类目标岩体，分析揭示

上述研究主要集中在致裂作用下煤层增透效 果分析与煤炭开采应用方面，忽略了井下 CO2 相 变致裂带来的次生风险. 实践表明，尽管二氧化碳 在煤层中能有效驱替瓦斯，但部分 CO2 气体仍可 能沿钻孔及贯通煤岩裂隙向巷道扩散，导致井下 有限空间内二氧化碳超限，造成一定的安全风险. 因此，有必要开展井下二氧化碳超限防治研究，为 井下致裂煤层增透施工提供安全保障. 5.2    工程建设与石方开采 针对不同破碎对象，CO2 相变致裂的破碎效率 均能维持在较高水平，可充分满足各类工程需要. 除在煤矿应用较多外，该技术已被逐步引入工程 建设与石方开采领域，在桩井开挖、路基开挖、隧 道掘进等工程中展现出其优势. Caldwell[4] 介绍了 Cardox 管在澳大利亚桩井开挖工程的成功实例， 开挖 19.6 m 深的竖井时，单次致裂进尺 0.9 m，同 一断面仅需 23 个致裂孔，且能较好达到开挖目的. Parsakhoo 等[59−60] 将此技术引入 Hyrcanian 森林路 基开挖工程中，降低了飞石抛掷风险，成功保护了 拟建区附近的树木. 此外，由于城市地铁营建的安 全要求较高，长沙、广州、南京、乌鲁木齐等地的 部分地铁车站与区间隧道中已采用 CO2 相变致裂 进行开挖掘进，有效缩短了工期，降低了施工成本. 石方开采领域中，土耳其 Artem Insaat 采石场 运 用 Cardox 管开采方解石 ，日产量可 达 1500 t； Bulawayo 的金矿中，两根 Cardox 管与五孔爆破采 石方量相等[9] . 近年来，由于压碎区范围小，CO2 相 变致裂技术在玉石开采领域也有应用，以提高玉 石开采的完整性. 5.3    其他应用 CO2 相变致裂不仅能应用于岩石破碎开挖领 域 ，也能应用于其他领域 . 在汽车生产领域 ， CO2 相变致裂产生的高压 CO2 射流能有效应用于 汽车喷漆前的清污处理[61] . 现有研究表明，地球物 理勘探中，CO2 相变致裂激发的初至波传播距离 能达到 1 km，对应的高频段有效反射信息较炸药 震源资料剖面更丰富，是一种能有效替代炸药的 绿色可靠震源[62−63] . 长时间以来，高纬度地区开辟 航道的需求旺盛，大范围破冰作业是航道开辟的 先决条件，Mellor[64] 在 New Hampshire 和 Alaska 的 湖泊上进行了气爆破冰尝试，发现 CO2 相变致裂 能有效应用于破碎大体积浮冰. 此外，徐超等[65] 提出 CO2 相变致裂和水力压裂可联合用于干热岩 储层建造的构想，为深部地热能开发提供了新的 思路. 整体而言，作为一种新型绿色环保的破碎技 术，CO2 相变致裂应用前景广阔，并有望在更多领 域发挥功用[66] . 6    研究展望 随着安全生产与绿色建造理念不断深入人心， 安全环保的气爆破岩技术较传统炸药爆破将更有 发展潜力. 尽管国内外学者借鉴爆破理论研究方 法，针对 CO2 相变致裂开展了诸多有益探索，但实 际工程应用中，仍存在致裂成缝控制难度大，致裂 效果不稳定等问题. 此外，由于 CO2 相变致裂破岩 速度快、致裂管结构复杂，CO2 相变致裂破岩理论 体系仍未完善，孔网参数设计标准尚未建立，一定 程度上制约了该技术的大规模推广应用. 为提高 破岩效率，优化破岩方法，仍需进一步开展工作： （1）二氧化碳相变致裂破岩机理分析. CO2 相变致裂破岩过程中，一般认为致裂裂纹 由应力波与高压气体协同驱动扩展，但应力波与 高压气体在岩体内部的传播衰减特点、破岩能量 占比仍未明确，二者协同破岩的力学机制有待进 一步探究. 此外，现阶段一般将 CO2 相变致裂假定 为同断面等压爆破，实际破岩时，泄爆口正对的岩 体受到的冲击应力更大，表现出明显的聚能特点. 分析 CO2 相变致裂冲击力学模式，定量描述相变 致裂泄爆压力曲线，建立 CO2 泄爆力学模型，探究 应力波与高压气体的传播衰减规律，能为明晰岩 体致裂破坏模式提供理论支撑. （2）致裂管结构优化设计与参数优选. CO2 相变致裂时，致裂总能量大小由剪切片厚 度与液态 CO2 充装量共同控制，CO2 射流压力曲 线还受泄爆喷嘴尺寸、数量、设计位置等因素影 响，各参数对泄爆荷载的影响规律现阶段仍未明 确. 有必要开展致裂管结构优化设计研究，确定不 同规格致裂管的剪切片强度、充装量、喷嘴直径 的优选匹配关系，降低泄爆射流能量损失，全方位 提高致裂管爆力，为 CO2 相变致裂大范围推广应 用提供设备支持. （3）致裂孔网参数设计规范建立. 由于炸药管控日益严格，岩石破碎的需求依 旧旺盛，工程师们已尝试在各类岩体破碎开挖工 程中使用 CO2 相变致裂技术. 直至今日，系统的致 裂破岩技术指导规范仍未形成，致裂孔网参数选 取方法尚未达成共识，应用时只能依据工程经验 进行孔网参数设计，CO2 相变致裂破岩优势还未 得到充分挖掘，能量利用率整体偏低. 针对赋存于 复杂工程地质环境中的各类目标岩体，分析揭示 · 890 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

周盛涛等：二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 891 岩体强度、裂隙、层理等多因素对破岩效果的影 [13]Xie X F,Li X B,Li Q Y,et al.Liquid CO2 phase-transforming 响规律，建立完整的CO2相变致裂孔网参数设计 rock fracturing technology in pile-well excavation.J Cent South 规范，能为CO2相变致裂的工程应用提供有效指 Uniy Sci Technol.2018.49(8):2031 (谢晓锋，李夕兵，李启月，等.液态C0,相变破岩桩井开挖技术 导，是满足CO2相变致裂条件下岩石高效破碎开 中南大学学报（自然科学版），2018,49(8)：2031) 挖需求的必由之路 [14]Han Y B.Mechanism Research on Increase Coal Gas Perme- ability by Liquid CO,Phase Transition Fracturing Technique 参考文献 [Dissertation].Jiaozuo:Henan Polytechnic University,2014 [Xia B W,Gao Y G,Liu C W,et al.Experimental study on rock- (韩亚北.液态二氧化碳相变致裂增透机理研究[学位论文].焦 breaking load in slot-hydraulic blasting.Chin J Eng,2020,42(9): 作：河南理工大学，2014) 1130 [15]Sun K M,Xin L W,Zhang S C,et al.Experimental study on laws (夏彬伟，高玉刚，刘承伟，等.缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 of crack caused by gas burst of supercritical carbon dioxide.J Saf 工程科学学报，2020.42(9)：1130) Sci Technol,2016,12(7):27 [2]Armaghani D J,Hajihassani M,Sohaei H,et al.Neuro-fuzzy (孙可明，辛利伟，张树翠，等.超临界CO,气爆致裂规律实验研 technique to predict air-overpressure induced by blasting.Arab 究.中国安全生产科学技术，2016,12(7)：27) Geosci,.2015,8(12):10937 [16]Sun K M,Wang J Y,Xin L W.Experimental study of variation [3]Zhang Z X.Kinetic energy and its applications in mining pattern of gas pressure from explosion along fracture surface in engineering.Int J Min Sci Technol,2017,27(2):237 supercritical CO,gas explosion.Exp Mech,2019,34(4):693 [4]Caldwell T.A Comparison of Non-explosive Rock Breaking (孙可明，王金彧，辛利伟.超临界CO,气爆致裂爆生气体压力沿 Techniques [Dissertation].Queensland:The University of 破裂面变化规律实验研究.实验力学，2019,34(4)：693) Queensland,2004 [17]Zhou S T,Jiang N,He X,et al.Rock breaking and dynamic [5] Schooler D R.The Use of Carbon Dioxide for Dislodging Coal in response characteristics of carbon dioxide phase transition Mines [Dissertation].Missouri:Missouri School of Mines and fracturing considering the gathering energy effect.Energies,2020, Metallurgy,1944 13(6):1336 [6]Gao F,Tang,L H,Zhou K P,et al.Mechanism analysis of liquid [18]Zhang YN,Deng JR.Deng H W,et al.Peridynamics simulation carbon dioxide phase transition for fracturing rock masses of rock fracturing under liquid carbon dioxide blasting.IntJ Energies,.2018,11(11):2909 Damage Mech,2019,28(7):1038 [7]Lu T K,Wang Z F,Yang H M,et al.Improvement of coal seam [19]Zhou H.Experimental Study on the Variation Rules of the Flow gas drainage by under-panel cross-strata stimulation using highly and Noezle Impact Stress of Supercritical CO,Gas Explosion pressurized gas.Int J Rock Mech Min Sci,2015,77:300 [Dissertation].Fuxin:Liaoning Technical University,019 [8]Mellor M.Icebreaking Concepts[J/OLl.Cold Regions Research (周航.超临界C02气爆爆生气体管内流动及喷孔冲击应力变 and Engineering Lab Hanover Nh,(1980-01)[2020-11-05] 化规律实验研究学位论文]阜新：辽宁工程技术大学，2019) https://erdc-library.erdc.dren.mil/jspui/bitstream/11681/11985/ [20]Zheng T Z.Distribution Characteristics of Gas-Phase Shock 1/SR-80-2.pdf Energy Deriving from Liquid CO,Phase Transition in the [9]Campbell Sr R L.A review of methods for concrete removal Borehole [Dissertation].Fuxin:Liaoning Technical University, [J/OL].Army Engineer Waterways Experiment Station Vicksburg 2019 Ms Structures Lab(1982-04-01)[2020-10-02].https://apps.dtic.mil/ (郑天照.液态CO相变气爆爆破孔爆能分布特征研究学位论 sti/pdfs/ADA114100.pdf 文].阜新：辽宁工程技术大学，2019) [10]Singh S P.Non-explosive applications of the PCF concept for [21]Ke B,Zhou K P,Xu C S,et al.Thermodynamic properties and underground excavation.Tunn Undergr Space Technol,1998, explosion energy analysis of carbon dioxide blasting systems.Min 13(3):305 Technol,2019,128(1):39 [11]Sun K M,Xin L W,Wu D.Experimental study on fracture [22]Hu S B,Pang S G,Yan Z Y.A new dynamic fracturing method: mechanism of coal caused by supercritical CO,explosion.Explos deflagration fracturing technology with carbon dioxide.IntJ Shock Waves,2018,38(2):302 Frac1,2019,220(1):99 (孙可明，辛利伟，吴迪.超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研 [23]Sun J Z.Applied Research on Permeability Increasing by Liquid 究.爆炸与冲击，2018,38(2)：302) Carbon Dioxide Phase Transition Blasting Based on Different [12]Sun K M,Xin L W,Wang TT,et al.Simulation research on law Initiating Condition [Dissertation].Xuzhou:China University of of coal fracture caused by supercritical CO,explosion.J China Mining and Technology,2015 Univ Min Technol,2017,46(3):501 (孙建中，基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应 (孙可明，辛利伟，王婷婷，等.超临界CO,气爆煤体致裂规律模 用研究学位论文].徐州：中国矿业大学，2015) 拟研究.中国矿业大学学报，2017,46(3)：501) [24]Chi L Y,Zhang Z X,Aalberg A,et al.Measurement of shock

岩体强度、裂隙、层理等多因素对破岩效果的影 响规律，建立完整的 CO2 相变致裂孔网参数设计 规范，能为 CO2 相变致裂的工程应用提供有效指 导，是满足 CO2 相变致裂条件下岩石高效破碎开 挖需求的必由之路. 参    考    文    献 Xia B W, Gao Y G, Liu C W, et al. Experimental study on rock￾breaking load in slot-hydraulic blasting. Chin J Eng, 2020, 42（9）: 1130 （夏彬伟, 高玉刚, 刘承伟, 等. 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究. 工程科学学报, 2020, 42（9）：1130） [1] Armaghani  D  J,  Hajihassani  M,  Sohaei  H,  et  al.  Neuro-fuzzy technique  to  predict  air-overpressure  induced  by  blasting. Arab J Geosci, 2015, 8（12）: 10937 [2] Zhang  Z  X.  Kinetic  energy  and  its  applications  in  mining engineering. Int J Min Sci Technol, 2017, 27（2）: 237 [3] Caldwell  T. A Comparison of Non-explosive Rock Breaking Techniques [Dissertation].  Queensland:  The  University  of Queensland, 2004 [4] Schooler D R. The Use of Carbon Dioxide for Dislodging Coal in Mines [Dissertation].  Missouri:  Missouri  School  of  Mines  and Metallurgy, 1944 [5] Gao F, Tang, L H, Zhou K P, et al. Mechanism analysis of liquid carbon  dioxide  phase  transition  for  fracturing  rock  masses. Energies, 2018, 11（11）: 2909 [6] Lu T K, Wang Z F, Yang H M, et al. Improvement of coal seam gas  drainage  by  under-panel  cross-strata  stimulation  using  highly pressurized gas. Int J Rock Mech Min Sci, 2015, 77: 300 [7] Mellor  M.  Icebreaking  Concepts[J/OL]. Cold Regions Research and Engineering Lab Hanover Nh,  (1980-01)[2020-11-05]. https://erdc-library.erdc.dren.mil/jspui/bitstream/11681/11985/ 1/SR-80-2.pdf [8] Campbell  Sr  R  L.  A  review  of  methods  for  concrete  removal [J/OL]. Army Engineer Waterways Experiment Station Vicksburg Ms Structures Lab(1982-04-01)[2020-10-02]. https://apps.dtic.mil/ sti/pdfs/ADA114100.pdf [9] Singh  S  P.  Non-explosive  applications  of  the  PCF  concept  for underground  excavation. Tunn Undergr Space Technol,  1998, 13（3）: 305 [10] Sun  K  M,  Xin  L  W,  Wu  D.  Experimental  study  on  fracture mechanism of coal caused by supercritical CO2 explosion. Explos Shock Waves, 2018, 38（2）: 302 （孙可明, 辛利伟, 吴迪. 超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研 究. 爆炸与冲击, 2018, 38（2）：302） [11] Sun K M, Xin L W, Wang T T, et al. Simulation research on law of  coal  fracture  caused  by  supercritical  CO2 explosion. J China Univ Min Technol, 2017, 46（3）: 501 （孙可明, 辛利伟, 王婷婷, 等. 超临界CO2气爆煤体致裂规律模 拟研究. 中国矿业大学学报, 2017, 46（3）：501） [12] Xie  X  F,  Li  X  B,  Li  Q  Y,  et  al.  Liquid  CO2 phase-transforming rock  fracturing  technology  in  pile-well  excavation. J Cent South Univ Sci Technol, 2018, 49（8）: 2031 （谢晓锋, 李夕兵, 李启月, 等. 液态CO2相变破岩桩井开挖技术. 中南大学学报 (自然科学版), 2018, 49（8）：2031） [13] Han  Y  B. Mechanism Research on Increase Coal Gas Perme￾ability by Liquid CO2 Phase Transition Fracturing Technique [Dissertation]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2014 （ 韩亚北. 液态二氧化碳相变致裂增透机理研究 [学位论文]. 焦 作: 河南理工大学, 2014） [14] Sun K M, Xin L W, Zhang S C, et al. Experimental study on laws of crack caused by gas burst of supercritical carbon dioxide. J Saf Sci Technol, 2016, 12（7）: 27 （孙可明, 辛利伟, 张树翠, 等. 超临界CO2气爆致裂规律实验研 究. 中国安全生产科学技术, 2016, 12（7）：27） [15] Sun  K  M,  Wang  J  Y,  Xin  L  W.  Experimental  study  of  variation pattern  of  gas  pressure  from  explosion  along  fracture  surface  in supercritical CO2 gas explosion. J Exp Mech, 2019, 34（4）: 693 （孙可明, 王金彧, 辛利伟. 超临界CO2气爆致裂爆生气体压力沿 破裂面变化规律实验研究. 实验力学, 2019, 34（4）：693） [16] Zhou  S  T,  Jiang  N,  He  X,  et  al.  Rock  breaking  and  dynamic response  characteristics  of  carbon  dioxide  phase  transition fracturing considering the gathering energy effect. Energies, 2020, 13（6）: 1336 [17] Zhang Y N, Deng J R, Deng H W, et al. Peridynamics simulation of  rock  fracturing  under  liquid  carbon  dioxide  blasting. Int J Damage Mech, 2019, 28（7）: 1038 [18] Zhou  H. Experimental Study on the Variation Rules of the Flow and Nozzle Impact Stress of Supercritical CO2 Gas Explosion [Dissertation]. Fuxin: Liaoning Technical University, 2019 （ 周航. 超临界CO2气爆爆生气体管内流动及喷孔冲击应力变 化规律实验研究 [学位论文]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2019） [19] Zheng  T  Z. Distribution Characteristics of Gas-Phase Shock Energy Deriving from Liquid CO2 Phase Transition in the Borehole [Dissertation].  Fuxin:  Liaoning  Technical  University, 2019 （ 郑天照. 液态CO2相变气爆爆破孔爆能分布特征研究 [学位论 文]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2019） [20] Ke  B,  Zhou  K  P,  Xu  C  S,  et  al.  Thermodynamic  properties  and explosion energy analysis of carbon dioxide blasting systems. Min Technol, 2019, 128（1）: 39 [21] Hu S B, Pang S G, Yan Z Y. A new dynamic fracturing method: deflagration  fracturing  technology  with  carbon  dioxide. Int J Fract, 2019, 220（1）: 99 [22] Sun J Z. Applied Research on Permeability Increasing by Liquid Carbon Dioxide Phase Transition Blasting Based on Different Initiating Condition [Dissertation].  Xuzhou:  China  University  of Mining and Technology, 2015 （ 孙建中. 基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应 用研究 [学位论文]. 徐州: 中国矿业大学, 2015） [23] [24] Chi  L  Y,  Zhang  Z  X,  Aalberg  A,  et  al.  Measurement  of  shock 周盛涛等： 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 · 891 ·