CO2 相变爆破的温度—压力特性及裂缝管的破坏机制

无需传统炸药的破岩方法

采矿和掘进常依赖强力炸药，但伴随噪音、高温和安全隐患。本研究探讨一种不同路径：利用受压二氧化碳（CO2）由液态突变为气态来裂解岩石。通过精确控制 CO2 的加热、膨胀与释放过程，工程师可以在不产生明火或燃烧化学品的情况下使岩石破裂。理解这一过程有望使地下作业更安全、更安静且更可控。

CO2 爆破的装置构成

在 CO2 相变爆破中，一根高强度钢管被置入钻入岩体或煤层的孔眼内。液态 CO2 被泵注入管内并冷却以保持致密、增压的状态。随后通过电信号触发内置加热元件。加热时，液态 CO2 在极短时间内迅速转变为高度压缩的类气态（超临界）并试图膨胀数百倍。这导致管内压力急剧上升，直到一个预设的薄弱环节破裂，使 CO2 冲出并冲击邻近岩面。由于能量来自物相变化而非化学燃烧，该方法产生的振动更小，无明火也无有毒烟气。

管内发生的过程

作者细致跟踪了管内在三个关键阶段（注入、加热与释放）期间的温度与压力变化。注入阶段，CO2 在气液间循环，压力稳步上升，管壁承载负荷但不发生永久损伤。加热阶段，特制化学颗粒像紧凑的加热器，在几毫秒内将 CO2 推入超临界态。压力急剧上升，但管体由高强度合金钢制成、两端加厚，因此仍在安全极限内。研究表明，只要对薄弱部件进行适当控制，管体的峰值应力远低于金属破裂强度，管体可重复使用多次。

控制爆破的预设薄弱环节

系统中的真实“保险丝”是有意设计为先破坏的部分：可重复使用管底的薄破裂盘或一次性侧开管的开槽接缝。基于数值模拟，研究者表明底部破裂盘主要沿着受力中心与夹持边缘相接的环形区域发生剪切失效。使该破裂盘破裂所需的压力几乎随金属强度和厚度线性增加，并随受力面积的增大而降低。这个简单关系使工程师能够通过选择破裂盘材料与几何尺寸来设定期望的释放压力，从而调节爆破能量。

一次性管与开槽的作用

对于单次使用的侧开管，薄弱部位由沿管壁加工的一长条 V 形开槽形成。随着 CO2 压力上升，应力在开槽处集中，直至金属沿槽方向撕裂并侧向向孔眼释放气体。由于该开槽形状更复杂，破裂压力无法用简单公式表示。研究团队采用统计设计方法探索多种槽深、长度与宽度的组合。分析显示，深度对管体何时撕裂影响最大，其次为长度，宽度影响最小。通过调整这些参数，设计者可以微调管体开启的难易程度及传递给岩石的能量。

从气体射流到岩石破裂

一旦管体开启，CO2 以高速喷流冲出。喷流通过管与孔壁之间的窄缝传输，逐渐衰减但仍以尖锐冲击作用于岩面。该冲击产生在岩体中传播的应力波，在孔周围诱发微小裂缝。随后残留的加压气体渗入这些裂缝，推动裂缝扩展更远。研究描述了喷流撞击时壁面压力如何被放大，以及随后如何衰减为较慢作用的压力场，将快速的“锤击”与持续的推动结合起来，有效破碎岩体。

对更安全破岩方式的重要性

总体而言，研究表明 CO2 相变爆破由流体的一系列可控变化驱动：从气态到液态，进入致密的超临界态，再回到气态。管内温度与压力的变化以及管体故障的工程设计决定了传递到岩石的能量及裂缝的生长方式。通过为可重复使用与一次性管提供公式、模拟与设计规则，该研究为使这种无爆破方法更可预测、更高效提供了路线图。对在矿井和隧道周边工作的人员与社区而言，这可能意味着更安全的作业、更低的振动与噪声，以及对传统炸药的依赖减少。

引用: 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

关键词: CO2 爆破, 岩石破裂, 无爆破拆除, 气体射流, 采矿安全