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