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 ·