Sustituto de explosivos de alta calidad, sistema de voladura de rocas con O2 y sistema de voladura de rocas con CO2
En proyectos donde está prohibido el uso de explosivos civiles, la explosión con oxígeno líquido, el expansor (triturador estático) y la voladura de roca con dióxido de carbono (CO₂) son tecnologías alternativas comunes. A continuación, se detallan los principios, los procedimientos operativos, los indicadores técnicos y el control de seguridad, junto con escenarios reales de aplicación de ingeniería y especificaciones técnicas.
1. Tecnología de voladura de rocas con oxígeno líquido
1. Principio y escenarios de aplicación: La voladura de roca con oxígeno líquido se basa en las características de rápida oxidación y liberación de calor tras la mezcla de oxígeno líquido (-183 °C) con combustibles (como polvo de carbón, virutas de madera e hilo de algodón). Al encender la mezcla mediante un detonador o un dispositivo de ignición eléctrica, el oxígeno líquido se vaporiza y expande instantáneamente (su volumen se expande aproximadamente 860 veces), generando una onda de choque de alta presión que tritura la masa rocosa.
Escenarios aplicables: trituración de rocas duras, minería (especialmente adecuado para minas con alto contenido de gas, porque el oxígeno líquido en sí no es inflamable y tiene una mayor seguridad).
2. Proceso de operación
1. Diseño de perforación: diámetro del agujero: 40–60 mm, la profundidad del agujero es del 80%–90% del espesor de la roca.
Espaciado entre agujeros y espaciado entre filas: ajustado de acuerdo a la dureza de la roca, generalmente el espaciado entre agujeros es de 0,8 a 1,2 m, el espaciado entre filas es de 0,6 a 1,0 m.
2. Preparación de la bolsa explosiva: coloque los combustibles (como el polvo de carbón) en bolsas de tela antiestáticas, sumérjalas en oxígeno líquido según la relación de masa de oxígeno líquido a combustibles 1:2-1:3, y el llenado debe completarse en 5 a 10 minutos* (el oxígeno líquido es fácil de volatilizar y causar fallas).
3. Carga de explosivos y detonación: después de insertar la bolsa explosiva en el pozo, se sella a la boca del pozo con lodo amarillo y el tiempo de retardo después de que se enciende el detonador se controla a 20-30 ms.
4. Indicadores técnicos
Balance de oxígeno: es necesario asegurar que los combustibles y el oxígeno líquido reaccionen completamente para evitar la acumulación de oxígeno residual (el valor del balance de oxígeno debe ser cercano a 0).Velocidad de detonación: alrededor de 200–300 m/s, menor que la de los explosivos (como la velocidad de detonación de TNT 6900 m/s), y la energía debe compensarse con agujeros densamente distribuidos.Umbral de seguridad: La concentración de oxígeno en el área de trabajo debe ser inferior al 23% (la atmósfera normal es del 21%) para evitar incendios causados por un entorno rico en oxígeno.
5. Riesgos de seguridad
Fugas volátiles: Las fugas de oxígeno líquido pueden provocar que la concentración local de oxígeno supere el estándar, por lo que es necesario configurar un monitor de concentración de oxígeno en tiempo real. Sensibilidad estática: Todas las herramientas deben estar tratadas con un tratamiento antiestático y los operadores deben usar ropa antiestática. 2. Tecnología de agente expansivo (agente de trituración estática).
1. Principio y escenarios de aplicación. El expansor se compone principalmente de óxido de calcio (CaO), que reacciona con el agua para formar hidróxido de calcio y libera calor (fórmula de reacción: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 65 kJ/mol). Se expande de 3 a 4 veces su volumen, genera una presión de expansión de 30 a 50 MPa y agrieta lentamente el macizo rocoso. Escenarios de aplicación: demolición de edificios urbanos, proyectos de protección de reliquias culturales y trituración estática de estructuras de hormigón. 2. Proceso de operación.
1. Parámetros de perforación: diámetro del orificio: 38–42 mm, la profundidad del orificio es el 80% del espesor del componente.
Distancia entre orificios: 8 a 10 veces el diámetro del orificio (por ejemplo, diámetro del orificio de 40 mm, distancia entre orificios de 320 a 400 mm).
2. Preparación de la lechada: relación agua-cemento 0,28-0,33 (por ejemplo, el rompedor tipo HSCA-III requiere 30-33 % de agua), remover hasta obtener una pasta uniforme.
3. Relleno y reacción del pozo: Se vierte la lechada hasta el 90 % de la profundidad del pozo y se sella la boca del pozo con un paño húmedo para evitar la evaporación del agua. Tiempo de reacción: 2-4 horas en verano, 6-8 horas en invierno (el tiempo de reacción se prolonga un 50 % por cada 10 °C de descenso de la temperatura).
3. Indicadores técnicos
Presión de expansión: 30-50 MPa (compatible con la resistencia a la compresión del cemento, que es de 30-50 MPa). Aumento de la temperatura de reacción: La temperatura de la lechada puede alcanzar los 80-100 °C, lo cual debe controlarse para evitar quemaduras. Protección ambiental: El valor de pH es de 12-13, y los residuos de lechada deben eliminarse tras el tratamiento de neutralización.
4. Optimización de la eficiencia
Asistencia para la perforación previa a la grieta: taladre orificios guía entre orificios adyacentes para guiar la dirección de expansión de la grieta. Control de temperatura: use agua tibia a 40 ℃ para mezclar la lechada en invierno para acortar el tiempo de reacción.
III. Tecnología de voladura de rocas con CO₂
1. Principio y escenarios de aplicación. El CO₂ líquido se almacena en una tubería de acero de alta presión (tubería de fractura) y la gasificación se activa mediante calentamiento eléctrico (el volumen líquido→gas se expande 600 veces). Cuando la presión alcanza los 300-400 MPa, rompe el disco de ruptura de presión constante y el gas a alta presión se libera a través del cabezal de liberación de energía para impactar la masa rocosa.
Escenarios aplicables: prevención de estallidos en minas de carbón subterráneas, voladura de superficies lisas de túneles y trituración precisa de masas rocosas peligrosas.
2. Proceso de operación
1. Conjunto de tubería de fracturación: Llene con CO₂ líquido hasta el 80 % del volumen de la tubería (para evitar una explosión por sobrepresión) y la presión de llenado es de 7 a 10 MPa.
2. Perforación y diseño: diámetro del agujero 90–110 mm, profundidad del agujero 2–5 m, el espacio entre el diámetro exterior de la tubería de fracturación y el diámetro del agujero ≤5 mm (fijado con almohadillas de goma).
3. Control de detonación: Encienda el calentador, el CO₂ se gasifica y presuriza a la presión de ruptura establecida (por ejemplo, 300 MPa) en 18 a 25 segundos.
4. Indicadores técnicos
Salida de energía: Un solo tubo de CO₂ (1,5 kg) libera alrededor de 1,5–2 MJ de energía, equivalente a 0,3–0,4 kg de TNT.Presión máxima: La liberación de energía puede alcanzar 200–300 MPa instantáneamente y la duración es de 2–5 ms.Redundancia de seguridad: El error del disco de ruptura de presión constante es de ±5% y se requieren muestreos y pruebas para cada lote.
5. Especificaciones de seguridad
Diseño anti-retroceso: La tubería de fracturación debe pasar la prueba de impacto GB/T 29910-2013.Distancia de seguridad: El operador debe estar a más de 15 m de la tubería de fracturación para evitar salpicaduras y lesiones.
IV. Puntos clave de la aplicación de la ingeniería
1. Monitoreo ambiental: La explosión de oxígeno líquido requiere el monitoreo en tiempo real de la concentración de oxígeno, y la explosión de CO₂ requiere la detección de la concentración de CO₂ en el área de operación (umbral ≤5000 ppm).
2. Diseño personalizado: para masas rocosas estratificadas, el espaciado de los agujeros debe reducirse entre un 20% y un 30%; las estructuras de hormigón deben evitar las barras de acero al perforar los agujeros.
3. Plan de emergencia: Poner en marcha el sistema de reemplazo de nitrógeno cuando se produzca una fuga de oxígeno líquido y activar la válvula de alivio de presión hidráulica cuando la tubería de fractura de CO₂ esté atascada.
