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