Температурно-давленческие характеристики фазопереходного выстрела CO2 и механизм разрушения труб для гидроразрыва

Разрушение породы без традиционных взрывчатых веществ

В горном деле и при проходке часто применяют мощные взрывчатые вещества, которые сопровождаются шумом, нагревом и опасностью. В этом исследовании рассматривается другой подход: использование сжатого углекислого газа (CO2), который при внезапном переходе из жидкости в газ создает трещины в породе. За счет точного контроля нагрева, расширения и выхода CO2 из стальной трубы инженеры могут фрагментировать породу, избегая открытого пламени и химических взрывчатых веществ. Понимание этого процесса может сделать подземные работы безопаснее, тише и точнее.

Как устроен выстрел CO2

В фазопереходном выстреле CO2 в скважину, пробуренную в породе или угле, помещают прочную стальную трубу. В трубу нагнетают жидкий CO2 и охлаждают его, чтобы он оставался в плотном, прессованном состоянии. Встроенный нагревательный элемент затем включается электрическим сигналом. При нагреве жидкий CO2 быстро превращается в сильно сжатое состояние, близкое к газообразному, и его объем стремится увеличиться в сотни раз. Это вызывает резкий рост давления внутри трубы до тех пор, пока специально рассчитанная зона не разрушится — после чего CO2 вырывается наружу и действует на поверхность породы. Поскольку энергия получается за счет физического фазового перехода, а не химического горения, метод дает меньшие вибрации и не создает пламени или токсичных выделений.

Что происходит внутри трубы

Авторы подробно отслеживают изменения температуры и давления в трубе в трех ключевых стадиях: заполнение, нагрев и выпуск. При заполнении CO2 циклически присутствует в газовой и жидкой фазах, давление постепенно растет, а стенка трубы воспринимает нагрузку без пластических деформаций. При нагреве специальные химические гранулы ведут себя как компактный нагреватель, переводя CO2 в сверхкритическое состояние за доли секунды. Давление резко возрастает, но труба изготовлена из высокопрочного легированного стали с утолщенными торцами, поэтому остается в пределах допустимых напряжений. Исследование показывает, что пиковые напряжения в корпусе трубы далеко ниже прочности металла на разрушение, что означает возможность многократного использования корпуса трубы при условии правильного расчета и контроля ее наименее прочного элемента.

Конструируемые слабые звенья, управляющие взрывом

Истинная «предохранительная вставка» в системе — это деталь, рассчитанная на разрушение: либо тонкая герметизирующая диафрагма внизу многоразовой трубы, либо продольный шов с пазом по боковой стороне одноразовой трубы. С помощью компьютерного моделирования исследователи показывают, что нижняя диафрагма преимущественно разрывается срезом по кольцевой зоне на стыке нагруженного центра и зажатого края. Давление, необходимое для разрушения диафрагмы, почти линейно растет с прочностью и толщиной металла и уменьшается с размером нагружаемой области. Это простое соотношение позволяет инженерам подобрать материал и геометрию диафрагмы, чтобы задать требуемое давление срабатывания и, следовательно, энергию выстрела.

Одноразовые трубы и роль пазов

Для одноразовых труб с боковым выпуском слабым звеном служит продольный V-образный паз, выполненный на стенке трубы. По мере роста давления CO2 напряжения концентрируются в районе паза до тех пор, пока металл не разорвется вдоль его длины, выпуская газ в боковом направлении в ствол скважины. Поскольку форма паза сложнее, давление разрыва не выражается простой формулой. Вместо этого команда использует статистический метод проектирования для изучения множества комбинаций глубины, длины и ширины паза. Их анализ показывает, что глубина оказывает наибольшее влияние на момент разрыва, затем идет длина, а ширина влияет в меньшей степени. Регулируя эти параметры, конструкторы могут точно настроить легкость раскрытия трубы и количество энергии, передаваемой породе.

От газовой струи до трещащей породы

Когда труба раскрывается, CO2 устремляется наружу в виде высокоскоростной струи. Она проходит через узкий зазор между трубой и стенкой скважины, постепенно теряя энергию, но по-прежнему нанося роковой удар по породе. Этот удар генерирует волны напряжения, распространяющиеся по породе и вызывающие мелкие трещины вокруг ствола. Оставшийся под давлением газ затем проникает в эти трещины, раздвигая их и способствуя дальнейшему раскрытию. В работе описывается, как давление у стенки усиливается при попадании струи, а затем переходит в более медленно действующее поле давления, сочетая быстрый «удар молотка» с длительным выталкиванием для эффективного разрушения породы.

Почему это важно для более безопасного дробления породы

В целом исследование показывает, что фазопереходный выстрел CO2 управляется четко заданной эволюцией состояния рабочего тела: от газа к жидкости, в плотное сверхкритическое состояние и обратно к газу. То, как меняются температура и давление внутри трубы и как сконструирована зона преднамеренного разрушения, определяет, сколько энергии достигает породы и как растут трещины. Предоставляя формулы, моделирования и правила проектирования для многоразовых и одноразовых труб, работа предлагает дорожную карту для повышения предсказуемости и эффективности этого безвзрывного метода. Для работников и жителей районов вокруг шахт и тоннелей это может означать более безопасные работы с меньшими вибрациями, меньшим шумом и меньшей зависимостью от традиционных взрывчатых веществ.

Цитирование: Chen, Z., Yuan, Y., Li, B. et al. Temperature–pressure characteristics of CO₂ phase-transition blasting and the failure mechanism of fracturing tubes. Sci Rep 16, 9526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40279-y

Ключевые слова: Выстрел CO2, разрушение горных пород, безвзрывная снос, газовые струи, безопасность горных работ