二氧化碳相變致裂技術：應用現狀與未來展望
編輯：2025-09-04 15:39:11
1 引言
二氧化碳相變致裂技術作為一種創新性的物理破巖方法，近年來在采礦工程、巖土施工等領域展現出巨大的應用潛力。該技術利用液態二氧化碳在特定條件下瞬間氣化膨脹產生高壓氣體，從而使煤巖體破裂，實現了安全、*、環保的破巖*。與傳統炸藥爆破和水力壓裂技術相比，二氧化碳相變致裂技術具有無明火、無火花、震動小等*優勢，特別適用于高瓦斯環境、城市施工等相對安全性要求較高的場合。隨著全球對安全生產和環境保護要求的不斷提高，這一技術正受到越來越廣泛的關注和應用。
本文將從技術原理、應用現狀、優勢挑戰以及未來發展方向等方面，同時引用中德鼎立集團在此領域的實際應用數據及*，*剖析二氧化碳相變致裂技術的發展狀況，為相關領域的研究人員和工程技術人員提供參考和借鑒。
2 技術原理與工作機制
二氧化碳相變致裂技術的核心在于利用液態二氧化碳在激發條件下瞬間氣化膨脹產生的高壓氣體做功破巖。當液態二氧化碳受熱汽化時，體積可迅速膨脹約600倍，產生高達200-300MPa的壓力，足以使大多數煤巖體發生破裂。
一套完整的二氧化碳相變致裂系統主要包括儲液筒、激發裝置、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步驟：
裝填與*：將液態二氧化碳填充至特制的高強度合金管（致裂器）內，安裝定壓破裂片和激發裝置（通常為電熱*）。
送入孔底：將組裝好的致裂器通過鉆桿或專用推送裝置精準送入煤層深孔（可達十幾米至上百米）的目標位置。
激發相變：地面遠程啟動激發裝置，加熱管內的液態二氧化碳。液態二氧化碳迅速吸熱氣化，體積瞬間膨脹數百倍。
致裂破煤：管內壓力急劇升高，超過破裂片設定壓力閾值后破裂片瞬間打開，高壓二氧化碳氣體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，過程結束。
表：二氧化碳相變致裂技術參數表
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參數指標 |
數值范圍 |
單位 |
備注 |
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產生壓力 |
200-300 |
MPa |
足以破裂大多數煤巖體 |
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體積膨脹倍數 |
600 |
倍 |
液態變為氣態 |
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升壓時間 |
約1.2 |
ms |
正對爆破口處 |
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影響半徑 |
4.5-5.7 |
米 |
可依據參數調整 |
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瓦斯抽采提升 |
3.8-6.7 |
倍 |
相比常規抽采 |
近年來，技術創新推動了新型致裂系統的開發。如筆者從中德鼎立集團了解到，近些年中德鼎立致力于攻克的可控沖擊脈沖致裂系統采用金屬絲和脈沖電源替代傳統的加熱棒，通過電弧等離子體放電引發相變，進一步提高了安全性和可控性。這種設計*了傳統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可靠。目前此技術還存在著技術應用*差、成本過高等問題。
3 多樣化應用場景
二氧化碳相變致裂技術在多個領域展現出廣泛的應用價值，筆者引用中德鼎立集團的二氧化碳致裂系統產品的實際應用數據及*，進行分析與展示。其主要應用場景包括但不限于以下幾個方面：
3.1 煤礦領域
在煤礦領域，二氧化碳相變致裂技術主要用于瓦斯抽采增透、防治沖擊地壓和堅硬頂板處理等方面。對于高瓦斯、低透氣性煤層，該技術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險。
中德鼎立集團在陜西彬長集團下溝煤業的應用實踐表明，該技術能有效*掘進工作面突出危險性或沖擊地壓，為"抽掘采"平衡提供了安全保障和科學依據。
山西焦煤華晉吉寧煤業的試驗數據顯示，其抽采*是常規抽采的4.3倍，是水力沖孔措施的2.3倍，增透*顯著。
針對煤礦堅硬頂板工作面開采易產生的巷道端頭懸頂過大問題，該技術也能發揮重要作用。中德鼎立集團在陜西延能集團禾草溝煤礦工作面的實踐中，采用液態二氧化碳相變致裂技術對懸頂進行致裂切頂，通過窺視儀觀測鉆孔裂紋擴展發育情況，發現鉆孔內出現多條裂紋擴展、貫通與延伸，設計的3次循環起爆方案有效破碎了頂板巖石，完成了切頂目標。研究還發現，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
在金屬礦開采領域，二氧化碳相變致裂技術主要用于替代傳統炸藥爆破，特別適用于對環境振動和飛石控制要求較高的場合。在冀中能源峰峰集團邯鄲寶峰礦業的現場試驗表明，該技術在不同致裂階段中不會產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。
*上降低了對礦區內構筑物和環境的破壞，能夠基本滿足嵩縣黃金礦業一些特定的臺階推進和擴幫需求。這與傳統炸藥爆破相比具有明顯優勢，為金屬礦開采提供了新的技術選擇。
3.3 土木工程領域
在土木工程領域，二氧化碳相變致裂技術可用于基坑工程、巖石開挖和建筑物拆除等場景。中德鼎立與當地政府合作實驗使用二氧化碳相變致裂系統應用于安徽馬鞍山G4221滬武高速博望互通立交工程結果表明，通過調整裂解管的直徑，可以實現對地下巖土的精準控制，提高了裂解過程的可調性，適用于不同地質條件和工程需求。
采用該方法可有效減少施工過程中的噪音、振動和粉塵，*地降低對周邊環境的影響，符合可持續發展理念。*能耗是該方法的另一優勢，通過充分利用二氧化碳相變釋放的能量，提高了整個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域的應用*對比
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二氧化碳相變致裂技術與傳統方法相比，具有多方面的顯著優勢：
本質安全性：整個相變過程是物理變化，不涉及化學反應，不產生明火、高溫熱源或火花，徹底*了在瓦斯環境中誘發爆炸的*主要點火源風險。氣體膨脹做功相對緩慢（相較于炸藥爆炸的爆轟波），產生的是準靜態壓力或弱沖擊波，對圍巖擾動小，降低了誘發煤與瓦斯突出的風險。
*增透：高壓氣體能在煤體中有效溝通和擴展原生裂隙，形成更復雜的縫網系統，極大提高煤層的透氣性系數（現場試驗表明可提高數十倍）。增透后，鉆孔瓦斯抽采流量可提升數倍，瓦斯抽采濃度提高，流量衰減系數顯著降低。
綠色環保：反應介質僅為液態/氣態二氧化碳，不產生有毒有害氣體、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"目標方向。
操作便捷：針對井下深孔推送笨重致裂器的難題，創新開發了基于井下壓風系統驅動的深孔推送裝置。該裝置利用壓風驅動氣動增壓泵提供液壓動力，通過抱緊機構、移送機構和液壓千斤頂的精密配合，實現導電推桿（連接致裂器）的步進式推送和回撤，無需依賴鉆機完成推送、固定、拉出等全過程。
4.2 技術挑戰與局限性
盡管二氧化碳相變致裂技術具有諸多優勢，但在實際應用過程中仍然面臨一些挑戰和局限性：
能量限制：相較于傳統炸藥爆破，相變爆破屬于一種低能量致裂方式，在極堅硬巖層或大規模爆破需求場景下，其破巖能力可能不足。這限制了其在需要高強度破碎場合的應用。
參數優化：致裂*受多種因素影響，包括泄能方向、煤巖體性質、爆破參數、初始地應力、鉆孔布置參數和鉆孔切槽特性等。目前對于不同地質條件下*優的裝藥量、致裂器布置方式、孔間距等參數尚未形成系統化的標準。
成本問題：高壓致裂管和相關設備的制造成本較高，特別是需要滿足煤礦井下防爆要求的材質和設計標準。這在一定程度上增加了初始投資成本。
認知局限：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理研究尚不夠深入，需要進一步擴展研究。
5 未來發展趨勢展望
隨著技術的不斷成熟和應用經驗的積累，二氧化碳相變致裂技術未來可能朝著以下幾個方向發展：
5.1 裝備智能化與輕量化
據悉中德鼎立集團目前正在進一步提升致裂器及推送裝置的自動化、智能化水平，減輕重量，提高操作便捷性和適應性。智能致裂系統可能集成傳感器網絡、實時監測技術和自動控制功能，實現致裂過程的精準控制和優化調整。例如，通過植入光纖傳感器或微震監測裝置，實時采集致裂過程中的壓力、溫度和裂隙發育數據，為參數優化提供依據。
5.2 工藝參數精準化
深入研究不同煤層地質條件下（硬度、裂隙發育、地應力等）*優的裝藥量、致裂器布置方式、孔間距等參數，實現精準致裂。通過大數據分析和人工智能算法，建立地質條件與*優致裂參數的對應關系庫，開發專家系統輔助工程設計和決策。研究表明，泄能方向對煤巖體破壞起到直接作用，引發非對稱損傷破壞，而煤巖體抗壓強度和致裂孔間距是影響致裂*的關鍵因素。
5.3 與碳捕集、利用與封存技術結合
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合的可能性，如利用捕集的工業二氧化碳作為致裂介質，實現"以廢治害" 和碳減排雙重目標。這不僅能夠提高煤礦安全水平，還能為工業二氧化碳提供一種新的利用途徑，形成循環經濟模式。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 多技術耦合應用
研究二氧化碳致裂與水力壓裂、深孔爆破（在安全條件下）或其他增透技術的協同效應，追求更優的增透*。例如，可以先采用二氧化碳致裂創造初始裂隙網絡，然后通過水力壓裂進一步擴展和溝通裂隙，實現更廣泛的煤巖體改造。對比研究表明，不同增透技術各有優勢：增透措施對煤體影響范圍為水力壓裂＞深孔聚能爆破＞液態二氧化碳相變氣爆，而抽采鉆孔*大瓦斯體積分數為液態二氧化碳相變氣爆＞深孔聚能爆破＞水力壓裂。
表：二氧化碳相變致裂技術未來發展方向
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發展方向 |
主要內容 |
預期效益 |
技術挑戰 |
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智能化與輕量化 |
集成傳感器、自動控制 |
提高操作便捷性和安全性 |
防爆要求、可靠性 |
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參數精準化 |
建立地質參數數據庫 |
提高致裂*和效率 |
地質條件復雜性 |
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CCUS結合 |
利用捕集的工業CO? |
實現碳減排和廢物利用 |
氣體純度、成本控制 |
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多技術耦合 |
與水力壓裂等技術結合 |
協同增效，擴大應用范圍 |
工藝銜接和優化 |
6 結語
二氧化碳相變致裂技術作為一種創新型的物理致裂方法，以其本質安全性、*增透性和綠色環保性，成功克服了煤礦井下空間受限、瓦斯威脅大、傳統方法風險高等一系列挑戰。通過利用液態二氧化碳相變瞬間產生的巨大能量進行破巖，該技術不僅在煤礦瓦斯抽采、沖擊地壓防治等領域表現出顯著*，也在金屬礦開采、土木工程等領域展現出廣泛的應用潛力。
隨著技術的不斷優化和與低碳戰略的深度融合，二氧化碳相變致裂技術必將在煤礦安全、*、綠色開采的進程中扮演更加重要的角色。未來通過智能化提升、參數精準化、與碳捕集利用封存技術結合以及多技術耦合應用等方面的進一步發展，這一技術將為能源行業的可持續發展注入強勁動力，成為傳統爆破技術的重要替代和補充。
然而，該技術仍然面臨著能量限制、參數優化、成本問題和認知局限等挑戰，需要產學研各方共同努力，通過持續的研究和實踐創新，進一步完善技術理論和應用體系，拓展應用場景，為工程領域提供更加安全、*、環保的破巖解決方案。
