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