液态CO2多致裂管爆破同步性研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2018. 03. 012 液态 CO2多致裂管爆破同步性研究 * 范永波 乔继延 李世海 冯 春 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室(北京,100190) [摘 要] 现场进行爆破作业时,为提升爆破效果,往往布设多个钻孔,同时起爆。 实际上,多致裂管起爆的时间 差较大,同步性较难控制,直接影响爆破效果。 本文中,提出一种提升液态 CO2多致裂管爆破同步性的方法,保持 现有致裂管主体结构不变,将导爆管直接粘贴在防爆片上。 通过开展致裂管爆破对比试验,对爆破全过程进行压 力数据采集。 经试验数据对比分析发现,原有致裂管内导爆管与防爆片分置在致裂管两端,导爆管点燃后,需通过 致裂管内的液态 CO2传递压力,击破防爆片共需30 ~ 60 ms,优化后击破时间小于20 ms,可明显降低爆破时间的不 确定性,这种条件下多管串、并联爆破更容易实现同步性。 另外,通过开展对比试验研究,在其他条件不变的前提 下,增大致裂管释放口面积 20%,可有效增大总冲量值 10%,提升爆破效果。 [关键词] 致裂管;液态 CO2;爆破同步性 [分类号] TD235. 3 Study on Blasting Synchronization of Liquid CO2Cardox Blasters FAN Yongbo, QIAO Jiyan, LI Shihai, FENG Chun Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences (Beijing, 100190) [ABSTRACT] Normally a group of cardox blasters will be detonated simultaneously during onsite operation to enhance the blasting effect.In fact, the blasting synchronization can not be well controlled which may affect the blasting effect.In this paper, a new method was proposed to improve the blasting synchronization by the direct paste of detonator on the rup- ture disk.Pressure values for the whole process of blasting were collected by comparison test.Testing data analysis disclo- ses that for cardox blaster with detonator and rupture disk separated at each of its ends, it takes about 30- 60 ms to accom- plish the ignition of detonator and pressure passing through the liquid CO2to blow up the rupture disk. Whereas for the new design, it needs less than 20 ms.Superior blasting synchronization could be obtained after optimization.In addition, in- creasing the outlet area by 20% while other conditions remain unchanged can effectively bring in 10% improvement in total impulse value which will enhance the blasting effect. [KEYWORDS] cardox blaster; liquid CO2; time synchronization; experiment study 引言 液态 CO2爆破方法是 60 年代初期在美国等一 些采矿业发达的国家开始研究应用的一种物理爆破 方法,美国埃多克斯公司最先研制成功了液态 CO2 致裂管 [1] 。 高压液态 CO2爆破是一种无炸药爆破。 60 年代初,美国采用液态 CO2爆破法开采的原煤已 占其总产量的20% [2- 3] 。 液态 CO2爆破与一般炸药 爆破相比,气体缓慢膨胀、扩散,剪切效果平稳,适用 于破碎多孔脆性介质 [4- 5] 。 液态 CO2爆破产生高压 气体的压力比炸药的压力小,约为黑火药的 1/ 3、硝 铵炸药的1/ 6 [6]。 近20 年来,液态 CO2致裂管爆破技术在中国 也得到了应用 [7- 8] 。 郭志兴 [9] 利用液化的 CO2作为 传递爆炸威力的媒介,将液化的 CO2充入致裂管, 工作时通过电极和加热元件将 CO2加热,使其压力 迅速提升,从而冲破致裂管末端的防爆片,使液态 CO2快速气化膨胀,为被爆物提供气动力和推力,将 被爆物体胀开。邵鹏等 [10] 用石膏和石子做成不同 第47 卷 第 3 期 爆 破 器 材 Vol. 47 No. 3 2018 年6 月 Explosive Materials Jun. 2018 * 收稿日期2017- 10- 30 作者简介范永波(1980 - ),男,博士,助研,主要从事爆炸力学试验相关研究。 E- mailybfan@imech. ac. cn 万方数据 强度的正方形试块,尺寸为 200 mm 200 mm 200 mm,放入致裂管;将高压 N2注入致裂管,由于防爆 片的密封作用,使高压 N2暂时储存于致裂管内;随 着N2压力的不断增高,防爆片上的压力达到破膜压 力时即被撕裂,高压N2由撕裂孔迅速释放并作用于 被爆介质,使介质产生破碎;最终给出了破膜压力与 材料强度的关系曲线,随着介质抗拉强度的增加,破 碎介质所需要的破膜压力呈非线性增长。 杜玉 昆 [11] 开展了超临界 CO2射流破岩试验研究,超临界 CO2流体具有接近液体高密度和气体低黏度的特 性,表面张力小,因而有较好的流动、渗透和传质性 能。 证实了超临界 CO2能有效降低破岩门限压力, 导致岩石出现大体积破碎。 当在工作面布置多根液态 CO2致裂管进行爆 破时,往往会出现多根致裂管爆破不同步现象,尤其 位于同一钻孔串联的两根致裂管,如果起爆时间相 差过大,很容易出现致裂管弯曲,甚至“飞管”现象, 产生很大的安全隐患。 因此,提升多根致裂管现场 爆破的同步性,从而提升整体爆破效果显得尤为重 要。 笔者通过开展对比试验,对提升多致裂管爆破 同步性进行探讨。 1 液态 CO2致裂管及同步性测试试 验方案 通过灌装泵向致裂管内充装液态 CO2。 灌装之 前,将导爆管和防爆片封装在致裂管内,灌装完成 后,通过起爆器起爆导爆管,使致裂管内的液态 CO2 迅速升压至 200 ~ 300 MPa,促使防爆片破裂,液态 CO2迅速气化,体积瞬间膨胀 500 ~600 倍,高压 CO2气体从释放口喷出,通过出气口作用于岩体,达 到物理爆破的目的。 致裂管同步性的影响因素主要包括药量、起爆 位置、防爆片厚度及加工的精度。 液态 CO2致裂管,主要由导线、导爆管、液态 CO2储存仓、防爆片、释放口、出气口、进液口、控制 阀门组成,另外还需要辅助的起爆器和导线。 其中, 导爆管内装药的组分是高氯酸钾、水杨酸和草酸铵。 常规装药结构,导爆管与防爆片分置于致裂管 的两端,如图 1 所示;优化后的装药结构,通过胶水 将导爆管粘贴在防爆片上,如图2 所示。 两种装药结构的致裂管,除导爆管位置不相同 之外,初始灌装压力均为10MPa,其余包括致裂管 型号、液态CO2灌装质量、导爆管内装药质量等均 1 - 导线;2 - 导爆管;3 - 液态 CO2储存仓;4 - 释放 口;5 - 出气口;6 - 防爆片;7 - 进液口;8 - 控制阀门。 图1 液态 CO2致裂管常规装药结构示意图 Fig. 1 Conventional charging structure diagram of liquid CO2cardox blaster 1 - 导线;2 - 液态 CO2储存仓;3 - 导爆管;4 - 释放 口;5 - 出气口;6 - 防爆片;7 - 进液口;8 - 控制阀门。 图2 液态 CO2致裂管优化结构示意图 Fig. 2 Optimized structure diagram of liquid CO2cardox blaster 相同。 防爆片材质对于爆破压力峰值的影响最为直 接,为保证其压力峰值的稳定性,试验所用防爆片采 用同一批次钢材型号定制,直径和厚度完全一致。 通过改变导爆管位置,对爆破压力起跳信号至压力 峰值全过程进行监测。 对于现场爆破效果,多根致 裂管爆破的时间差起着控制性作用;时间差越小,爆 破效果越好。 2 试验数据分析 2. 1 压力时程曲线 由动态压力传感器获得的压力时程曲线整体上 分为3 个阶段 1)点火→完全爆燃阶段(小信号→主信号); 2)破片阶段(主信号→信号攀升); 3)气化压力迅速上升阶段(信号攀升→峰值)。 典型曲线如图3所示。需要说明的是,据压力 测试数据,液态CO2气化,压力上升的时间 t升为5 ~ 7 ms,因此,在该条件下多根致裂管爆破的时间差小 于 t升,即可认为同步性较好。 2. 2 导爆管粘在防爆片上,致裂管双管同步性测试 由图3可知,第1阶段时间占总时间比例最大, 而且波动最大,这一时间段反映的物理过程是导爆 16 2018 年6 月 液态 CO2多致裂管爆破同步性研究 范永波,等 万方数据 图 3 压力时程曲线 Fig. 3 Pressure- time history curve 管爆燃后,经过液态 CO2将压力传递至防爆片位 置。 为了消除这种不确定性因素,可尝试压缩其压 力传递时间。 优化后的装药结构是将导爆管直接粘 在防爆片上,导爆管爆燃后直接击破防爆片,完成爆 破过程,如图 4 所示。 图 4 导爆管粘在防爆片上 Fig. 4 Detonator pasted directly on the rupture disk 对于优化后的结构,开展了两组试验。 第1 组试验参数两根致裂管充装液态 CO2,质 量分别为 2. 18 kg、2. 20 kg,充装质量比较接近,相 差20 g,导爆管内装药质量均是 440 g,防爆片厚度 6 mm; 第2 组试验参数两根致裂管充装液态 CO2,质 量分别为 2. 10 kg、2. 30 kg,充装质量相差比较大, 相差200 g,导爆管内装药质量均是440 g,防爆片厚 度6 mm。 图5 为致裂管结构优化后双管同爆压力时程曲 线的对比。 由图5 可知,第 1 组试验两根致裂管气化时间 相差1. 4 ms,第 2 组试验两根致裂管气化时间相差 0. 8 ms,均小于液态 CO2的气化时间 5 ~ 7 ms,两组 试验的双管同步性均可以保证。 由上述试验测试数 据对比可以看出,当采用优化后的装药时,液态 CO2 的灌装量对双管的同步性几乎没有影响。 2. 3 常规装药结构,致裂管双管同步性测试 对于常规装药结构,现场多根致裂管同步性效 (a)第 1 组 (b)第 2 组 图 5 优化结构后双管同爆压力时程曲线对比 Fig. 5 Pressure- time history curve comparison after optimization 果不好,充装液态 CO2质量是一关键因素。 试验参 数两根致裂管充装液态 CO2的质量均为 2. 22 kg, 导爆管内装药质量均是440 g,防爆片厚度6 mm。 由图6 可见,两根致裂管气化时间相差3. 5 ms。 在充装 CO2质量控制精准的前提下,常规装药方式 双管起爆时间差均可控制在 5 ~ 7 ms 之内,可保证 同步性。 由图5和图6对比可以发现,在同等条件下,优 化后的装药结构,从起爆器点火到压力峰值之间的 时间跨度比常规装药结构的时间跨度缩短近一倍, 大幅降低时间不同步因素。现场爆破工程中,常规 装药结构方式下进行的双管同爆,出现的不同步现 图 6 常规装药结构双管同爆压力时程曲线对比 Fig. 6 Pressure- time history curve comparison of conventional structure 26 爆 破 器 材 第 47 卷第 3 期 万方数据 象较为突出,主要跟 CO2充装质量相差悬殊有直接 关系。 2. 4 改变致裂管释放口口径,加快气化速度 致裂管释放口剖面图如图 1、图 2 所示,通过调 节 r 值的大小,可以改变液态 CO2的气化速度。 理 论上来讲,r 值越大,液态 CO2气化越快。 改变致裂管释放口口径,并将其连接在测试筒 上。 在测试筒上① ~ ④位置进行压力测试,如图 7 所示。 改变致裂管释放口口径尺寸,开展了口径 38 mm 和46 mm 两组对比测试。 获得了较好的压力时 程曲线,其中一个数据见图 8。 在提取测试数据时,包括点火到破片的时间、破 片到峰值的时间、峰值后的卸压时间、压力峰值和冲 量。 其中,冲量指的是卸压的总冲量,即压力由峰值 回落到零点的阶段,由压力幅值与时间轴所包围的 面积(如图9)。 这个冲量值,反映了液态 CO2气化 对外做功的大小。 以压力峰值、峰值后的卸压时间和卸压的总冲 量作为指标,对比口径 38 mm 和 46 mm 的效果,统 计见表1。 据表1 可知,当口径较小时,压力峰值高,但是 卸压时间短,而总的冲量小。 这是因为,出气口的压 图7 改变致裂管口径爆破效果测试 Fig. 7 Blasting effect after changing the diameter of cardox blaster 图8 致裂管压力时程曲线(口径 46 mm) Fig. 8 Pressure- time history curve of cardox blaster (diameter 46 mm) 图 9 压力冲量的统计方法 Fig. 9 Statistical method diagram of pressure impulse 表1 致裂管不同口径冲量对比 Tab. 1 Impulse comparison of different diameters of cardox blaster 口径/ mm38�46� 压力峰值/ MPa22d. 219�. 4 卸压时间/ ms7M. 09*. 0 冲量/ (MPa ms)57d. 263�. 5 力由 p =2σSδ/ r 来决定,其中 σS是材料的强度,δ 和 r 分别为防爆片的厚度和半径。 当防爆片材质和 厚度相同时,出气口压力随半径的减小而增大。 由 口径和冲量数值对比可知,当增大致裂管出气口面 积20%,可有效增大总冲量值10%。 综上所述,增大致裂管释放口口径,更有利于液 态 CO2气化对岩体做功,破岩效果相应地改善。 3 结论 通过开展液态 CO2致裂管爆破对比试验,针对 导爆管位置和释放口口径提出了优化方案,经试验 数据对比分析,优化后的装药结构可有效提升多致 裂管的爆破同步性,增大致裂管释放口口径可一定 程度提升破岩效果。 获得结论如下所示。 1)优化装药结构后,可明显缩短爆破总时间, 双管同爆时,液态 CO2气化时间明显减少,可保证 多致裂管爆破的同步性;常规装药结构条件下,液态 CO2气化时间较长,在液态 CO2控制不够精准的条 件下,易出现爆破不同步现象。 2)增大致裂管释放口口径,压力峰值低,卸压 时间长,总冲量高。 增大致裂管出气口面积 20%, 可有效增大总冲量值10%。 参 考 文 献 [1] 徐颖,程玉生,王家来. 国外高压气体爆破[J]. 煤炭科 36 2018 年6 月 液态 CO2多致裂管爆破同步性研究 范永波,等 万方数据 学技术,1997,25(5)52- 53. 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