网络出版日期:2024-09-10,
收稿日期:2024-03-19,
修回日期:2024-09-05
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在岩土爆破工程中,超临界CO2相变致裂技术因其安全、高效、振动小的特点,在振动敏感区的应用日益广泛。致裂管作为该技术的核心部件,其释压特性对提高利用效率和安全性至关重要。致裂管成功激发和能量释放大小受CO2充装量、活化剂质量及泄能片厚度的影响。活化剂为CO2相变提供热量,而泄能片厚度影响破坏压力。目前,对这些因素的量化取值缺乏理论支撑,依赖工程经验。致裂管内压力表现为两段式增长,受活化剂质量、CO2充装量及泄能片厚度共同影响。升压阶段持续时间对泄能片的破坏形式起控制作用。本文通过膛压试验,研究了致裂管内部压力响应特征,探讨了影响因素对峰值压力和升压时间的影响,提出了工程应用中参数量化取值方法,为超临界CO2相变致裂技术的参数取值和破岩效果分析提供理论依据。
超临界CO2相变致裂技术利用CO2超过临界点后体积膨胀的特性,通过充装液态CO2并引燃活化剂实现快速放热,使CO2相变并释放能量。致裂管是实现能量释放的关键部件,由充装头、活化剂、储液管、泄能片和释放头组成。充装头负责充装液态CO2并作为激发电源两极,活化剂提供相变所需热量,储液管储存液态CO2并承受高压,泄能片作为高压系统中的薄弱环节,释放头负责能量泄放。
详细描述了超临界CO2相变致裂技术中致裂管释压特性的试验研究。试验系统由CO2充装系统、致裂测试系统和数据采集系统组成,包括高精度定量双泵增压仪、51型致裂管、固定支架、起爆器、压电式压力传感器等设备。试验考虑了活化剂质量、CO2充装量和泄能片厚度对释压特性的影响,设计了9组试验工况。试验步骤包括致裂管组装、压力传感器安装、CO2充装、致裂管固定和数据采集。结果显示,不同工况下致裂管内峰值压力为77.64~140.94 MPa,释压过程持续13.20~47.86 ms。超临界CO2相变致裂岩石时加载率约为104 MPa/s,作用持续时间更长、加载率更小,破坏程度和范围较小,对环境冲击振动小,适用于振动敏感区破岩工程。
通过实验研究了超临界CO2相变致裂技术中致裂管的释压特性。实验通过冲击压力传感器记录了致裂管内压力从激发到释放的响应曲线,发现压力响应曲线可分为升压阶段和释放阶段。在升压阶段,压力指数式增长,初期增长缓慢,随后迅速上升至峰值。释放阶段压力先陡降后缓慢降低,最终与大气压平衡。通过相关性分析,发现峰值压力与泄能片厚度强相关,而与活化剂质量和CO2充装压力相关性较弱。升压时间受活化剂质量、CO2充装量和泄能片厚度共同影响,其中活化剂质量和CO2充装量控制升压能力,泄能片厚度决定峰值压力。最后,提出了基于冲剪破坏的泄能片破坏压力计算方法,并通过与实验结果对比验证了其准确性。
本章节研究了超临界CO2相变致裂技术中致裂管释压特性,强调了活化剂质量和CO2充装量对致裂管成功激发的重要性。通过试验和文献分析,确定了活化剂与CO2充装压力的合适取值范围。采用Peng-Robinson状态方程统一了不同试验的CO2物性参数单位,发现CO2充装压力应大于7.38 MPa的临界压力。活化剂消耗系数Kc建议取200,即每千克CO2消耗200克活化剂。泄能片厚度控制释放压力,可根据岩石损伤和环境影响需求选择。升压时间是多管微差同步起爆的关键,受活化剂质量、CO2充装压力和泄能片厚度影响。增加CO2充装量和活化剂质量、优化引燃方式可减少升压时间,实现同步起爆。
通过膛压试验,研究了活化剂、CO2充装量和泄能片厚度对致裂管内压力的影响,发现这些因素共同影响升压时间和峰值压力。致裂管内压力响应分为升压和释放两个阶段,升压阶段压力先缓慢上升后激增,释放阶段压力先陡降后缓慢降低。致裂管激发的峰值压力可通过泄能片破坏压力表征。在常用泄能片厚度范围内,CO2初始充装压力平均值为10.2 MPa,活化剂消耗系数平均值为203.5。为实现同步起爆,应增加CO2充装压力和活化剂质量,优化活化剂引燃方式。研究对提高超临界CO2相变破岩效率和应用成熟度具有重要意义。
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