Sostituto esplosivo di alta qualità, sistema di sabbiatura di rocce O2 e sistema di sabbiatura di rocce CO2
Nei progetti in cui l'uso di esplosivi civili è vietato, l'esplosione con ossigeno liquido, l'espansore (frantoio statico) e la sabbiatura con anidride carbonica (CO₂) sono tecnologie alternative comunemente utilizzate. Di seguito viene fornita una spiegazione dettagliata dei principi, delle procedure operative, degli indicatori tecnici e dei controlli di sicurezza, unitamente a scenari applicativi ingegneristici reali e specifiche tecniche.
1. Tecnologia di sabbiatura di rocce con ossigeno liquido
1. Principio e scenari applicabili: la sabbiatura di roccia con ossigeno liquido si basa sulle caratteristiche di rapida ossidazione e rilascio di calore dopo che l'ossigeno liquido (-183 °C) viene miscelato con combustibili (come polvere di carbone, trucioli di legno, filato di cotone). Quando la miscela viene innescata da un detonatore o da un dispositivo di accensione elettrico, l'ossigeno liquido vaporizza istantaneamente e si espande (il volume aumenta di circa 860 volte), generando un'onda d'urto ad alta pressione che frantuma la massa rocciosa.
Scenari applicabili: frantumazione di rocce dure, estrazione mineraria (particolarmente adatta per miniere ad alto contenuto di gas, perché l'ossigeno liquido stesso non è infiammabile e presenta una maggiore sicurezza).
2. Processo operativo
1. Progettazione della perforazione: diametro del foro: 40–60 mm, profondità del foro pari all'80%–90% dello spessore della roccia.
Distanza tra i fori e tra le file: regolata in base alla durezza della roccia, in genere la distanza tra i fori è compresa tra 0,8 e 1,2 m, mentre la distanza tra le file è compresa tra 0,6 e 1,0 m.
2. Preparazione del sacco esplosivo: mettere i combustibili (come la polvere di carbone) in sacchetti di stoffa antistatici, immergerli in ossigeno liquido secondo il rapporto di massa tra ossigeno liquido e combustibile di 1:2–1:3 e il riempimento deve essere completato entro 5–10 minuti* (l'ossigeno liquido si volatilizza facilmente e può causare guasti).
3. Caricamento e detonazione dell'esplosivo: dopo che il sacco esplosivo è stato inserito nel foro, questo viene sigillato all'imboccatura del foro con fango giallo e il tempo di ritardo dopo l'accensione del detonatore è controllato a 20-30 ms.
4. Indicatori tecnici
Bilancio dell'ossigeno: è necessario assicurarsi che i combustibili e l'ossigeno liquido reagiscano completamente per evitare l'accumulo di ossigeno residuo (il valore del bilancio dell'ossigeno dovrebbe essere vicino a 0). Velocità di detonazione: circa 200-300 m/s, inferiore a quella degli esplosivi (ad esempio la velocità di detonazione del TNT è di 6900 m/s) e l'energia deve essere compensata da fori densamente distribuiti. Soglia di sicurezza: la concentrazione di ossigeno nell'area di lavoro deve essere inferiore al 23% (l'atmosfera normale è del 21%) per prevenire incendi causati da un ambiente ricco di ossigeno.
5. Rischi per la sicurezza
Perdita volatile: la perdita di ossigeno liquido può causare un superamento dello standard della concentrazione di ossigeno locale ed è necessario configurare un monitor della concentrazione di ossigeno in tempo reale. Sensibilità statica: tutti gli utensili devono essere trattati con un trattamento antistatico e gli operatori devono indossare indumenti antistatici. 2. Tecnologia dell'agente espandente (agente di frantumazione statica)
1. Principio e scenari applicabili: l'espansore è composto principalmente da ossido di calcio (CaO), che reagisce con l'acqua per formare idrossido di calcio e rilascia calore (formula di reazione: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 65 kJ/mol), si espande di 3-4 volte in volume, genera una pressione di espansione di 30-50 MPa e frattura lentamente la massa rocciosa. Scenari applicabili: demolizione di edifici urbani, progetti di protezione di reperti culturali e frantumazione statica di strutture in calcestruzzo. 2. Processo operativo
1. Parametri di foratura: diametro del foro: 38–42 mm, profondità del foro pari all'80% dello spessore del componente.
Distanza tra i fori: 8–10 volte il diametro del foro (ad esempio diametro del foro 40 mm, distanza tra i fori 320–400 mm).
2. Preparazione della malta: rapporto acqua-cemento 0,28–0,33 (ad esempio il demolitore tipo HSCA-Ⅲ richiede il 30–33% di acqua), mescolare fino a ottenere una pasta uniforme.
3. Riempimento del foro e reazione: la poltiglia viene versata fino al 90% della profondità del foro e l'imboccatura del foro viene sigillata con un panno umido per impedire l'evaporazione dell'acqua. Tempo di reazione: 2-4 ore in estate, 6-8 ore in inverno (il tempo di reazione si prolunga del 50% per ogni calo di temperatura di 10 °C).
3. Indicatori tecnici
Pressione di espansione: 30-50 MPa (corrispondente alla resistenza a compressione del cemento di 30-50 MPa). Aumento della temperatura di reazione: la temperatura della poltiglia può raggiungere 80-100 °C, temperatura che deve essere monitorata per evitare ustioni. Protezione ambientale: il pH è compreso tra 12 e 13 e i rifiuti della poltiglia devono essere scaricati dopo il trattamento di neutralizzazione.
4. Ottimizzazione dell'efficienza
Assistenza pre-crepa fori: praticare dei fori guida tra i fori adiacenti per guidare la direzione di espansione della crepa. Controllo della temperatura: usare acqua calda a 40°C per mescolare la poltiglia in inverno per ridurre il tempo di reazione.
III. Tecnologia di brillamento delle rocce con CO₂
1. Principio e scenari applicabili La CO₂ liquida viene stoccata in un tubo di acciaio ad alta pressione (tubo di frattura) e la gassificazione viene innescata tramite riscaldamento elettrico (il volume liquido→gas si espande di 600 volte). Quando la pressione sale a 300-400 MPa, il disco di rottura a pressione costante viene sfondato e il gas ad alta pressione viene rilasciato attraverso la testa di rilascio di energia, colpendo la massa rocciosa.
Scenari applicabili: prevenzione delle esplosioni nelle miniere di carbone sotterranee, brillamento delle superfici lisce delle gallerie e frantumazione precisa di masse rocciose pericolose.
2. Processo operativo
1. Assemblaggio di tubazioni di fratturazione: riempire il tubo con CO₂ liquida fino all'80% del volume (per evitare esplosioni da sovrapressione) e la pressione di riempimento è di 7–10 MPa.
2. Perforazione e tracciamento: diametro del foro 90–110 mm, profondità del foro 2–5 m, spazio tra il diametro esterno del tubo di fratturazione e il diametro del foro ≤5 mm (fissato con tamponi di gomma).
3. Controllo della detonazione: avviare il riscaldatore, la CO₂ si gasifica e si pressurizza fino alla pressione di rottura impostata (ad esempio 300 MPa) entro 18-25 secondi.
4. Indicatori tecnici
Produzione di energia: un singolo tubo di CO₂ (1,5 kg) rilascia circa 1,5-2 MJ di energia, equivalenti a 0,3-0,4 kg di TNT. Pressione di picco: il rilascio di energia può raggiungere 200-300 MPa all'istante e la durata è di 2-5 ms. Ridondanza di sicurezza: l'errore del disco di rottura a pressione costante è ±5% e sono necessari campionamento e test per ogni lotto.
5. Specifiche di sicurezza
Design anti-ritorno di fiamma: il tubo di fratturazione deve superare il test di impatto GB/T 29910-2013. Distanza di sicurezza: l'operatore deve trovarsi a più di 15 m di distanza dal tubo di fratturazione per evitare schizzi e lesioni.
IV. Punti chiave dell'applicazione ingegneristica
1. Monitoraggio ambientale: l'esplosione di ossigeno liquido richiede il monitoraggio in tempo reale della concentrazione di ossigeno, mentre l'esplosione di CO₂ richiede il rilevamento della concentrazione di CO₂ nell'area operativa (soglia ≤5000 ppm).
2. Progettazione personalizzata: per le masse rocciose stratificate, la spaziatura dei fori deve essere ridotta del 20%-30%; nelle strutture in calcestruzzo è necessario evitare barre d'acciaio durante la perforazione dei fori.
3. Piano di emergenza: avviare il sistema di sostituzione dell'azoto in caso di perdite di ossigeno liquido e attivare la valvola di sicurezza idraulica quando il tubo di frattura della CO₂ è bloccato.
