二氧化碳相變致裂技術(shù)：應(yīng)用現(xiàn)狀與未來展望
編輯：2025-09-04 15:39:11
1 引言
二氧化碳相變致裂技術(shù)作為一種創(chuàng)新性的物理破巖方法，近年來在采礦工程、巖土施工等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)利用液態(tài)二氧化碳在特定條件下瞬間氣化膨脹產(chǎn)生高壓氣體，從而使煤巖體破裂，實(shí)現(xiàn)了安全、*、環(huán)保的破巖*。與傳統(tǒng)炸藥爆破和水力壓裂技術(shù)相比，二氧化碳相變致裂技術(shù)具有無明火、無火花、震動(dòng)小等*優(yōu)勢，特別適用于高瓦斯環(huán)境、城市施工等相對安全性要求較高的場合。隨著全球?qū)Π踩a(chǎn)和環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，這一技術(shù)正受到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
本文將從技術(shù)原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)勢挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向等方面，同時(shí)引用中德鼎立集團(tuán)在此領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)及*，*剖析二氧化碳相變致裂技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員提供參考和借鑒。
2 技術(shù)原理與工作機(jī)制
二氧化碳相變致裂技術(shù)的核心在于利用液態(tài)二氧化碳在激發(fā)條件下瞬間氣化膨脹產(chǎn)生的高壓氣體做功破巖。當(dāng)液態(tài)二氧化碳受熱汽化時(shí)，體積可迅速膨脹約600倍，產(chǎn)生高達(dá)200-300MPa的壓力，足以使大多數(shù)煤巖體發(fā)生破裂。
一套完整的二氧化碳相變致裂系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)液筒、激發(fā)裝置、定壓破裂片和釋放裝置等組件。其工作流程通常包括以下幾個(gè)步驟：
裝填與*：將液態(tài)二氧化碳填充至特制的高強(qiáng)度合金管（致裂器）內(nèi)，安裝定壓破裂片和激發(fā)裝置（通常為電熱*）。
送入孔底：將組裝好的致裂器通過鉆桿或?qū)Ｓ猛扑脱b置精準(zhǔn)送入煤層深孔（可達(dá)十幾米至上百米）的目標(biāo)位置。
激發(fā)相變：地面遠(yuǎn)程啟動(dòng)激發(fā)裝置，加熱管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳。液態(tài)二氧化碳迅速吸熱氣化，體積瞬間膨脹數(shù)百倍。
致裂破煤：管內(nèi)壓力急劇升高，超過破裂片設(shè)定壓力閾值后破裂片瞬間打開，高壓二氧化碳?xì)怏w通過釋放孔高速噴出，沖擊鉆孔壁煤體。
卸壓消散：高壓氣體通過裂隙快速泄壓，*終通過鉆孔或煤體裂隙釋放，過程結(jié)束。
表：二氧化碳相變致裂技術(shù)參數(shù)表
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參數(shù)指標(biāo) |
數(shù)值范圍 |
單位 |
備注 |
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產(chǎn)生壓力 |
200-300 |
MPa |
足以破裂大多數(shù)煤巖體 |
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體積膨脹倍數(shù) |
600 |
倍 |
液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài) |
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升壓時(shí)間 |
約1.2 |
ms |
正對爆破口處 |
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影響半徑 |
4.5-5.7 |
米 |
可依據(jù)參數(shù)調(diào)整 |
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瓦斯抽采提升 |
3.8-6.7 |
倍 |
相比常規(guī)抽采 |
近年來，技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)了新型致裂系統(tǒng)的開發(fā)。如筆者從中德鼎立集團(tuán)了解到，近些年中德鼎立致力于攻克的可控沖擊脈沖致裂系統(tǒng)采用金屬絲和脈沖電源替代傳統(tǒng)的加熱棒，通過電弧等離子體放電引發(fā)相變，進(jìn)一步提高了安全性和可控性。這種設(shè)計(jì)*了傳統(tǒng)加熱棒中高氯酸鉀等易爆成分帶來的安全隱患，使致裂過程更加精準(zhǔn)可靠。目前此技術(shù)還存在著技術(shù)應(yīng)用*差、成本過高等問題。
3 多樣化應(yīng)用場景
二氧化碳相變致裂技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值，筆者引用中德鼎立集團(tuán)的二氧化碳致裂系統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)及*，進(jìn)行分析與展示。其主要應(yīng)用場景包括但不限于以下幾個(gè)方面：
3.1 煤礦領(lǐng)域
在煤礦領(lǐng)域，二氧化碳相變致裂技術(shù)主要用于瓦斯抽采增透、防治沖擊地壓和堅(jiān)硬頂板處理等方面。對于高瓦斯、低透氣性煤層，該技術(shù)能夠顯著提高煤層透氣性，增加瓦斯抽采效率和流量，從而有效降低瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。
中德鼎立集團(tuán)在陜西彬長集團(tuán)下溝煤業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)能有效*掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性或沖擊地壓，為"抽掘采"平衡提供了安全保障和科學(xué)依據(jù)。
山西焦煤華晉吉寧煤業(yè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其抽采*是常規(guī)抽采的4.3倍，是水力沖孔措施的2.3倍，增透*顯著。
針對煤礦堅(jiān)硬頂板工作面開采易產(chǎn)生的巷道端頭懸頂過大問題，該技術(shù)也能發(fā)揮重要作用。中德鼎立集團(tuán)在陜西延能集團(tuán)禾草溝煤礦工作面的實(shí)踐中，采用液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)對懸頂進(jìn)行致裂切頂，通過窺視儀觀測鉆孔裂紋擴(kuò)展發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)多條裂紋擴(kuò)展、貫通與延伸，設(shè)計(jì)的3次循環(huán)起爆方案有效破碎了頂板巖石，完成了切頂目標(biāo)。研究還發(fā)現(xiàn)，三角形布孔方案比矩形布孔方案致裂*更好。
3.2 金屬礦開采
在金屬礦開采領(lǐng)域，二氧化碳相變致裂技術(shù)主要用于替代傳統(tǒng)炸藥爆破，特別適用于對環(huán)境振動(dòng)和飛石控制要求較高的場合。在冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該技術(shù)在不同致裂階段中不會(huì)產(chǎn)生任何對空氣和人體有害的氣體，并且無粉塵、無破壞性震動(dòng)。
*上降低了對礦區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物和環(huán)境的破壞，能夠基本滿足嵩縣黃金礦業(yè)一些特定的臺(tái)階推進(jìn)和擴(kuò)幫需求。這與傳統(tǒng)炸藥爆破相比具有明顯優(yōu)勢，為金屬礦開采提供了新的技術(shù)選擇。
3.3 土木工程領(lǐng)域
在土木工程領(lǐng)域，二氧化碳相變致裂技術(shù)可用于基坑工程、巖石開挖和建筑物拆除等場景。中德鼎立與當(dāng)?shù)卣献鲗?shí)驗(yàn)使用二氧化碳相變致裂系統(tǒng)應(yīng)用于安徽馬鞍山G4221滬武高速博望互通立交工程結(jié)果表明，通過調(diào)整裂解管的直徑，可以實(shí)現(xiàn)對地下巖土的精準(zhǔn)控制，提高了裂解過程的可調(diào)性，適用于不同地質(zhì)條件和工程需求。
采用該方法可有效減少施工過程中的噪音、振動(dòng)和粉塵，*地降低對周邊環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展理念。*能耗是該方法的另一優(yōu)勢，通過充分利用二氧化碳相變釋放的能量，提高了整個(gè)工程的能源利用效率，并降低了施工成本。
表：二氧化碳相變致裂在不同領(lǐng)域的應(yīng)用*對比
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二氧化碳相變致裂技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比，具有多方面的顯著優(yōu)勢：
本質(zhì)安全性：整個(gè)相變過程是物理變化，不涉及化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生明火、高溫?zé)嵩椿蚧鸹ǎ瑥氐?了在瓦斯環(huán)境中誘發(fā)爆炸的*主要點(diǎn)火源風(fēng)險(xiǎn)。氣體膨脹做功相對緩慢（相較于炸藥爆炸的爆轟波），產(chǎn)生的是準(zhǔn)靜態(tài)壓力或弱沖擊波，對圍巖擾動(dòng)小，降低了誘發(fā)煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。
*增透：高壓氣體能在煤體中有效溝通和擴(kuò)展原生裂隙，形成更復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，極大提高煤層的透氣性系數(shù)（現(xiàn)場試驗(yàn)表明可提高數(shù)十倍）。增透后，鉆孔瓦斯抽采流量可提升數(shù)倍，瓦斯抽采濃度提高，流量衰減系數(shù)顯著降低。
綠色環(huán)保：反應(yīng)介質(zhì)僅為液態(tài)/氣態(tài)二氧化碳，不產(chǎn)生有毒有害氣體、粉塵或殘留污染物。部分二氧化碳可能被吸附或封存在煤層裂隙中，具有一定的碳封存（CCS）潛力，符合"雙碳"目標(biāo)方向。
操作便捷：針對井下深孔推送笨重致裂器的難題，創(chuàng)新開發(fā)了基于井下壓風(fēng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的深孔推送裝置。該裝置利用壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)增壓泵提供液壓動(dòng)力，通過抱緊機(jī)構(gòu)、移送機(jī)構(gòu)和液壓千斤頂?shù)木芘浜希瑢?shí)現(xiàn)導(dǎo)電推桿（連接致裂器）的步進(jìn)式推送和回撤，無需依賴鉆機(jī)完成推送、固定、拉出等全過程。
4.2 技術(shù)挑戰(zhàn)與局限性
盡管二氧化碳相變致裂技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然面臨一些挑戰(zhàn)和局限性：
能量限制：相較于傳統(tǒng)炸藥爆破，相變爆破屬于一種低能量致裂方式，在極堅(jiān)硬巖層或大規(guī)模爆破需求場景下，其破巖能力可能不足。這限制了其在需要高強(qiáng)度破碎場合的應(yīng)用。
參數(shù)優(yōu)化：致裂*受多種因素影響，包括泄能方向、煤巖體性質(zhì)、爆破參數(shù)、初始地應(yīng)力、鉆孔布置參數(shù)和鉆孔切槽特性等。目前對于不同地質(zhì)條件下*優(yōu)的裝藥量、致裂器布置方式、孔間距等參數(shù)尚未形成系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)。
成本問題：高壓致裂管和相關(guān)設(shè)備的制造成本較高，特別是需要滿足煤礦井下防爆要求的材質(zhì)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這在一定程度上增加了初始投資成本。
認(rèn)知局限：對于相變爆破多速率沖擊破碎、損傷破壞多尺度分析、致裂過程多物理場耦合等方面的機(jī)理研究尚不夠深入，需要進(jìn)一步擴(kuò)展研究。
5 未來發(fā)展趨勢展望
隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，二氧化碳相變致裂技術(shù)未來可能朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：
5.1 裝備智能化與輕量化
據(jù)悉中德鼎立集團(tuán)目前正在進(jìn)一步提升致裂器及推送裝置的自動(dòng)化、智能化水平，減輕重量，提高操作便捷性和適應(yīng)性。智能致裂系統(tǒng)可能集成傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)和自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)致裂過程的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化調(diào)整。例如，通過植入光纖傳感器或微震監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)采集致裂過程中的壓力、溫度和裂隙發(fā)育數(shù)據(jù)，為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。
5.2 工藝參數(shù)精準(zhǔn)化
深入研究不同煤層地質(zhì)條件下（硬度、裂隙發(fā)育、地應(yīng)力等）*優(yōu)的裝藥量、致裂器布置方式、孔間距等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)致裂。通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，建立地質(zhì)條件與*優(yōu)致裂參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系庫，開發(fā)專家系統(tǒng)輔助工程設(shè)計(jì)和決策。研究表明，泄能方向?qū)γ簬r體破壞起到直接作用，引發(fā)非對稱損傷破壞，而煤巖體抗壓強(qiáng)度和致裂孔間距是影響致裂*的關(guān)鍵因素。
5.3 與碳捕集、利用與封存技術(shù)結(jié)合
探索將煤礦井下二氧化碳致裂與二氧化碳捕集、利用與封存更緊密結(jié)合的可能性，如利用捕集的工業(yè)二氧化碳作為致裂介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)"以廢治害" 和碳減排雙重目標(biāo)。這不僅能夠提高煤礦安全水平，還能為工業(yè)二氧化碳提供一種新的利用途徑，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。研究表明，部分二氧化碳可能被吸附或封存在煤層裂隙中，具有一定的碳封存潛力。
5.4 多技術(shù)耦合應(yīng)用
研究二氧化碳致裂與水力壓裂、深孔爆破（在安全條件下）或其他增透技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，追求更優(yōu)的增透*。例如，可以先采用二氧化碳致裂創(chuàng)造初始裂隙網(wǎng)絡(luò)，然后通過水力壓裂進(jìn)一步擴(kuò)展和溝通裂隙，實(shí)現(xiàn)更廣泛的煤巖體改造。對比研究表明，不同增透技術(shù)各有優(yōu)勢：增透措施對煤體影響范圍為水力壓裂＞深孔聚能爆破＞液態(tài)二氧化碳相變氣爆，而抽采鉆孔*大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為液態(tài)二氧化碳相變氣爆＞深孔聚能爆破＞水力壓裂。
表：二氧化碳相變致裂技術(shù)未來發(fā)展方向
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發(fā)展方向 |
主要內(nèi)容 |
預(yù)期效益 |
技術(shù)挑戰(zhàn) |
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智能化與輕量化 |
集成傳感器、自動(dòng)控制 |
提高操作便捷性和安全性 |
防爆要求、可靠性 |
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參數(shù)精準(zhǔn)化 |
建立地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫 |
提高致裂*和效率 |
地質(zhì)條件復(fù)雜性 |
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CCUS結(jié)合 |
利用捕集的工業(yè)CO? |
實(shí)現(xiàn)碳減排和廢物利用 |
氣體純度、成本控制 |
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多技術(shù)耦合 |
與水力壓裂等技術(shù)結(jié)合 |
協(xié)同增效，擴(kuò)大應(yīng)用范圍 |
工藝銜接和優(yōu)化 |
6 結(jié)語
二氧化碳相變致裂技術(shù)作為一種創(chuàng)新型的物理致裂方法，以其本質(zhì)安全性、*增透性和綠色環(huán)保性，成功克服了煤礦井下空間受限、瓦斯威脅大、傳統(tǒng)方法風(fēng)險(xiǎn)高等一系列挑戰(zhàn)。通過利用液態(tài)二氧化碳相變瞬間產(chǎn)生的巨大能量進(jìn)行破巖，該技術(shù)不僅在煤礦瓦斯抽采、沖擊地壓防治等領(lǐng)域表現(xiàn)出顯著*，也在金屬礦開采、土木工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。
隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化和與低碳戰(zhàn)略的深度融合，二氧化碳相變致裂技術(shù)必將在煤礦安全、*、綠色開采的進(jìn)程中扮演更加重要的角色。未來通過智能化提升、參數(shù)精準(zhǔn)化、與碳捕集利用封存技術(shù)結(jié)合以及多技術(shù)耦合應(yīng)用等方面的進(jìn)一步發(fā)展，這一技術(shù)將為能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力，成為傳統(tǒng)爆破技術(shù)的重要替代和補(bǔ)充。
然而，該技術(shù)仍然面臨著能量限制、參數(shù)優(yōu)化、成本問題和認(rèn)知局限等挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)學(xué)研各方共同努力，通過持續(xù)的研究和實(shí)踐創(chuàng)新，進(jìn)一步完善技術(shù)理論和應(yīng)用體系，拓展應(yīng)用場景，為工程領(lǐng)域提供更加安全、*、環(huán)保的破巖解決方案。
