Hochwertiger Sprengstoffersatz, O2-Gesteinssprenganlage und CO2-Gesteinssprenganlage

Bei Projekten, bei denen der Einsatz ziviler Sprengstoffe verboten ist, kommen häufig Flüssigsauerstoffexplosionen, Expander (statischer Brecher) und Kohlendioxid (CO₂)-Gesteinssprengungen als alternative Technologien zum Einsatz. Im Folgenden werden die Prinzipien, Betriebsverfahren, technischen Indikatoren und Sicherheitskontrollen detailliert erläutert, kombiniert mit praktischen Anwendungsszenarien und technischen Spezifikationen.

1. Flüssigsauerstoff-Sprengtechnologie

1. Prinzip und Anwendungsszenarien: Flüssigsauerstoffsprengungen basieren auf der schnellen Oxidation und Wärmefreisetzung nach der Vermischung von flüssigem Sauerstoff (-183 °C) mit brennbaren Stoffen (wie Kohlenstoffpulver, Holzspänen, Baumwollgarn). Wird die Mischung durch einen Zünder oder eine elektrische Zündvorrichtung gezündet, verdampft der flüssige Sauerstoff augenblicklich und dehnt sich aus (das Volumen vergrößert sich um das etwa 860-fache). Dadurch entsteht eine Hochdruckstoßwelle, die das Gestein zertrümmert.

Anwendungsszenarien: Zerkleinern von Hartgestein, Bergbau (besonders geeignet für Bergwerke mit hohem Gasgehalt, da flüssiger Sauerstoff selbst nicht brennbar ist und eine höhere Sicherheit bietet).

2. Betriebsablauf

1. Bohrdesign: Lochdurchmesser: 40–60 mm, Lochtiefe beträgt 80–90 % der Gesteinsdicke.

Lochabstand und Reihenabstand: werden je nach Gesteinshärte angepasst, im Allgemeinen beträgt der Lochabstand 0,8–1,2 m, der Reihenabstand 0,6–1,0 m.

2. Vorbereitung des Sprengstoffbeutels: Geben Sie brennbare Stoffe (wie Kohlenstoffpulver) in antistatische Stoffbeutel, tränken Sie diese in flüssigem Sauerstoff gemäß dem Massenverhältnis von flüssigem Sauerstoff zu brennbaren Stoffen von 1:2–1:3 und das Befüllen muss innerhalb von 5–10 Minuten* abgeschlossen sein (flüssiger Sauerstoff verflüchtigt sich leicht und kann zu Ausfällen führen).

3. Sprengladung und Detonation: Nachdem der Sprengstoffbeutel in das Bohrloch eingeführt wurde, wird er mit gelbem Schlamm an der Lochmündung abgedichtet und die Verzögerungszeit nach der Zündung des Zünders wird auf 20–30 ms geregelt.

4. Technische Indikatoren

Sauerstoffbilanz: Es muss sichergestellt werden, dass die brennbaren Stoffe und der flüssige Sauerstoff vollständig reagieren, um die Ansammlung von Restsauerstoff zu vermeiden (der Sauerstoffbilanzwert sollte nahe 0 liegen). Detonationsgeschwindigkeit: etwa 200–300 m/s, niedriger als die von Sprengstoffen (z. B. TNT-Detonationsgeschwindigkeit 6900 m/s), und die Energie muss durch dicht verteilte Löcher kompensiert werden. Sicherheitsschwelle: Die Sauerstoffkonzentration im Arbeitsbereich muss unter 23 % liegen (normalerweise 21 %), um Brände durch eine sauerstoffreiche Umgebung zu verhindern.

5. Sicherheitsrisiken

Flüchtiges Leck: Das Austreten von flüssigem Sauerstoff kann dazu führen, dass die lokale Sauerstoffkonzentration den Standard überschreitet. Daher muss ein Echtzeit-Monitor für die Sauerstoffkonzentration konfiguriert werden. Statische Empfindlichkeit: Alle Werkzeuge müssen antistatisch behandelt werden, und die Bediener müssen antistatische Kleidung tragen. 2. Technologie für expandierende Mittel (statisches Brechmittel)

1. Prinzip und Anwendungsfälle: Der Expander besteht hauptsächlich aus Calciumoxid (CaO), das mit Wasser zu Calciumhydroxid reagiert und dabei Wärme freisetzt (Reaktionsformel: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 65 kJ/mol), sich auf das 3- bis 4-fache seines Volumens ausdehnt, einen Expansionsdruck von 30–50 MPa erzeugt und das Gestein langsam aufbricht. Anwendungsfälle: Abriss städtischer Gebäude, Schutzprojekte für Kulturdenkmäler und statisches Zerkleinern von Betonkonstruktionen. 2. Betriebsablauf

1. Bohrparameter: Lochdurchmesser: 38–42 mm, Lochtiefe beträgt 80 % der Bauteildicke.

Lochabstand: 8–10-facher Lochdurchmesser (z. B. 40 mm Lochdurchmesser, Lochabstand 320–400 mm).

2. Schlammvorbereitung: Wasser-Zement-Verhältnis 0,28–0,33 (z. B. erfordert der Brecher vom Typ HSCA-Ⅲ 30–33 % Wasser), rühren, bis eine gleichmäßige Paste entsteht.

3. Lochfüllung und Reaktion: Die Aufschlämmung wird bis zu 90 % der Lochtiefe eingefüllt und die Lochöffnung mit einem feuchten Tuch verschlossen, um Wasserverdunstung zu verhindern. Reaktionszeit: 2–4 Stunden im Sommer, 6–8 Stunden im Winter (die Reaktionszeit verlängert sich pro 10 °C Temperaturabfall um 50 %).

3. Technische Indikatoren

Expansionsdruck: 30–50 MPa (entsprechend der Zementdruckfestigkeit von 30–50 MPa). Anstieg der Reaktionstemperatur: Die Schlammtemperatur kann 80–100 °C erreichen, was überwacht werden muss, um Verbrennungen zu vermeiden. Umweltschutz: Der pH-Wert liegt zwischen 12 und 13, und Schlammabfälle müssen nach der Neutralisationsbehandlung entsorgt werden.

4. Effizienzoptimierung

Unterstützung beim Vorreißen von Löchern: Bohren Sie Führungslöcher zwischen benachbarten Löchern, um die Richtung der Rissausdehnung zu steuern. Temperaturkontrolle: Verwenden Sie im Winter 40 °C warmes Wasser zum Mischen der Aufschlämmung, um die Reaktionszeit zu verkürzen.

III. CO₂-Sprengtechnik

1. Prinzip und Anwendungsszenarien Flüssiges CO₂ wird in einem Hochdruckstahlrohr (Bruchrohr) gespeichert und die Vergasung durch elektrische Heizung ausgelöst (Flüssigkeit→Gasvolumen dehnt sich um das 600-fache aus). Wenn der Druck auf 300–400 MPa steigt, durchbricht es die Berstscheibe mit konstantem Druck, und das Hochdruckgas wird durch den Energiefreisetzungskopf freigesetzt und trifft auf die Gesteinsmasse.

Anwendungsszenarien: Verhinderung von Ausbrüchen in unterirdischen Kohlebergwerken, Sprengung glatter Tunneloberflächen und präzises Zerkleinern gefährlicher Gesteinsmassen.

2. Betriebsablauf

1. Rohrmontage zum Brechen: Füllen Sie flüssiges CO₂ bis zu 80 % des Rohrvolumens (um eine Überdruckexplosion zu verhindern), und der Fülldruck beträgt 7–10 MPa.

2. Bohren und Layout: Lochdurchmesser 90–110 mm, Lochtiefe 2–5 m, Abstand zwischen dem Außendurchmesser des Fracking-Rohrs und dem Lochdurchmesser ≤ 5 mm (mit Gummipolstern fixiert).

3. Detonationskontrolle: Starten Sie die Heizung, CO₂ vergast und erreicht innerhalb von 18–25 Sekunden den eingestellten Berstdruck (z. B. 300 MPa).

4. Technische Indikatoren

Energieabgabe: Eine einzelne Tube CO₂ (1,5 kg) setzt etwa 1,5–2 MJ Energie frei, was 0,3–0,4 kg TNT entspricht. Spitzendruck: Die Energiefreisetzung kann sofort 200–300 MPa erreichen und die Dauer beträgt 2–5 ms. Sicherheitsredundanz: Der Fehler der Berstscheibe mit konstantem Druck beträgt ±5 % und für jede Charge sind Probenahme und Tests erforderlich.

5. Sicherheitsspezifikationen

Anti-Flashback-Design: Das Fracking-Rohr muss den Aufpralltest GB/T 29910-2013 bestehen. Sicherheitsabstand: Der Bediener muss mehr als 15 m vom Fracking-Rohr entfernt sein, um Spritzer und Verletzungen zu vermeiden.

IV. Kernpunkte der technischen Anwendung

1. Umweltüberwachung: Bei einer Explosion von flüssigem Sauerstoff ist eine Echtzeitüberwachung der Sauerstoffkonzentration erforderlich, und bei einer CO₂-Explosion muss die CO₂-Konzentration im Betriebsbereich erfasst werden (Schwellenwert ≤ 5000 ppm).

2. Maßgeschneidertes Design: Bei geschichteten Felsmassen muss der Lochabstand um 20–30 % reduziert werden; bei Betonkonstruktionen muss beim Bohren von Löchern auf Stahlstangen verzichtet werden.

3. Notfallplan: Starten Sie das Stickstoffersatzsystem, wenn flüssiger Sauerstoff austritt, und aktivieren Sie das hydraulische Überdruckventil, wenn das CO₂-Bruchrohr feststeckt.