二氧化碳相變致裂技術的創新應用與未來展望

二氧化碳相變致裂技術作為一種以物理相變為核心的新型綠色破巖技術，經過十余年的發展與工程實踐，已形成了涵蓋煤礦瓦斯治理、礦山開采、隧道掘進等領域的成熟應用體系。本文在系統梳理該技術礦用場景的基礎上，深度探索其在鄰近既有建筑物隧道施工、城市市政工程、地質災害治理與應急救援、水下工程、干熱巖地熱開發、新能源基礎設施建設、應急破冰以及頁巖氣開發等新興領域的應用潛力與工程價值。研究表明，隨著智能化控制、超臨界CO?壓裂、CCUS多技術融合等前沿方向的持續推進，二氧化碳相變致裂技術正從“煤礦瓦斯治理的輔助技術”向“多領域綜合破巖解決方案”轉變，市場前景廣闊，有望成為推動綠色巖土工程施工轉型的關鍵技術力量。

1 引言

二氧化碳相變致裂技術利用液態CO?在密閉容器內受熱瞬間氣化、體積急劇膨脹的物理原理產生高壓氣體做功破巖，全過程無明火、無高溫、無沖擊波、不產生有毒有害氣體，屬于典型的本安型物理致裂技術。該技術*早于20世紀60年代用于管道清堵和儲罐清理，2013年以來，中國工程技術人員將其系統應用于煤層增透抽采瓦斯、低滲透煤礦增滲等領域，取得了顯著的工程效益。經過十余年的持續迭代，該技術已在煤礦瓦斯治理、露天礦山開采、堅硬頂板切頂卸壓等傳統領域實現規模化應用，其安全性與經濟性得到了廣泛驗證。

然而，二氧化碳相變致裂技術的潛力遠不止于此。隨著我國城鎮化進程提速、環保政策收緊、“雙碳”戰略深入推進，傳統炸藥爆破在城市施工、生態敏感區作業、特殊工程中的限制日益嚴格，為物理致裂技術創造了廣闊的市場替代空間。本文將從技術原理出發，系統梳理該技術在高瓦斯煤礦之外的應用場景與*新探索，并對其未來發展趨勢進行前瞻性展望。

2 技術原理與核心優勢回顧

二氧化碳相變致裂器的核心工作流程可概括為“充裝—送入—激發—相變—泄能—致裂”六步：液態CO?注入高強度合金鋼儲液管并密封后，通過鉆桿或專用推送裝置精準送入目標鉆孔，遠程電控啟動激發裝置使電熱元件瞬時加熱，液態CO?在毫秒級時間內氣化，體積膨脹約600倍，管內壓力快速攀升至200MPa以上；當壓力超過定壓剪切片設定閾值時，高壓氣體通過泄能頭定向釋放，沖擊鉆孔壁產生并擴展裂隙，實現目標介質的定向致裂。

與傳統炸藥爆破相比，該技術具有以下核心競爭優勢：

（1）本質安全，全過程不存在生火星和高溫源，杜絕了在瓦斯環境下引發爆炸的風險，同時作業警戒范圍可控制在50m以內，無需頻繁避炮，可實現連續化作業；

（2）低擾動掘進，CO?相變產生的峰值質點振動速度僅為等效炸藥爆破的1/74至1/78，對周邊圍巖和建筑物的擾動極小；

（3）綠色環保，致裂過程不產生有毒有害氣體和粉塵污染，CO?可部分封存于裂隙巖體中，契合碳達峰與碳中和戰略方向；

（4）審批便捷與技術經濟協同，二氧化碳致裂作為物理致裂技術，目前不納入民爆物品管理體系，極大縮短了工程準備周期，提升了施工組織的靈活性；

（5）效率與成本協同，對于f值在5-8左右的中硬及硬巖，配合二氧化碳致裂可單班作業2000噸以上，相較于傳統破碎錘效率提升3-4倍，綜合成本降低20%-30%。這些*優勢，正是二氧化碳相變致裂技術能夠走出煤礦、向多領域拓展的動力源泉。

3 新興應用方向探索

3.1 城市隧道與地下空間施工

傳統隧道掘進中，炸藥爆破產生的沖擊波和振動往往對周邊建構筑物造成損傷，尤其在城市核心區、鄰近既有建筑物的施工條件下，炸藥爆破幾乎“寸步難行”。以貴州省桐梓縣巖門子水庫輸水隧洞為例，該隧道位于人口密集區，上方分布著數百戶磚木結構民房，部分房屋與開挖作業區直線距離僅30米，傳統爆破方案完全無法滿足安全要求。施工團隊采用MZL-51型CO?壓裂設備，以281克*當量精準調控能量，隧道爆破期間鄰近民房的振動峰值質點振動速度實測僅0.18cm/s，遠低于1.0cm/s的安全控制標準，較傳統爆破振動強度降低85%以上。與此同時，該技術在近期鄰近既有結構施工領域的學術進展也表明，CO?致裂技術已發展為具備精確能量標定、軌跡約束和振動量化評估能力的*工藝，有研究成果表明通過梯度優化致裂參數，可將爆破擾動半徑壓縮至15m以內，顯著降低了地層位移風險。該技術施工所用CO?可循環回收利用，綜合管控系統具備良好的場景通用性，科技成果已在Nature旗下《Scientific Reports》期刊發表，為同類隧道工程提供了寶貴的技術參考。

在地鐵建設領域，二氧化碳致裂技術也取得了突破性進展。北京中煤礦山工程有限公司于2023年申請的“一種地鐵聯絡通道二氧化碳致裂器開挖方法”專利，創造性地將二氧化碳致裂技術引入地鐵聯絡通道開挖，利用掌子面菱形布孔加中心緩沖空孔的方式，實現精準控制下的巖土層致裂，為人工風鎬二次破碎提供了極大的便利，有效縮短了工期，實現了工序流程的精簡與施工效率的提升。

更為值得一提的是，中國工程技術人員在全球范圍內首次提出了將二氧化碳相變能量精確換算為*當量、并強制納入隧道設計安全評估體系的完整方法論，這一創新極大地促進了CO?致裂技術從“憑經驗施工”向“可設計、可計算、可驗證”的安全工程范式轉變。新流程強調在施工作業期間持續開展無人機偵察與振動同步監測，實現動態安全預警，形成了一套完整的綜合質量管控體系。

3.2 城市市政工程與基坑施工

在城市核心區深基坑開挖、老舊小區改造等市政工程中，破巖施工的環保要求日趨嚴苛，特別是臨近醫院、學校、住宅區等噪聲敏感區域，傳統破碎錘的持續噪聲污染引發居民投訴頻繁，炸藥爆破則因安全隱患基本被排除。調研數據顯示，采用二氧化碳致裂技術后，周邊居民在建筑內未感受到任何噪聲和振動，各項數據符合國家規范要求。這一成效充分展現了二氧化碳致裂技術在市區復雜環境下的差異化競爭優勢。

在電網基礎設施建設方面，國網湖北十堰供電公司建設的220千伏柏懸線工程地處南水北調水源區，生態紅線嚴格控制。施工團隊創新采用二氧化碳致裂技術開展鐵塔基礎基坑開挖，作業全程無強震，對周邊植被和水源無擾動，壓力峰值可達200MPa，全流程僅耗時8小時，既守住了工程建設進度，又守住了水源地的綠水青山。與此同時，惠州水務技術團隊在城市更新、鐵路改擴建、地鐵深基坑開挖等多種對振動要求嚴苛的復雜場景中，也系統性地將相關綜合管控體系進行了有效推廣，凸顯了相關技術在市政巖石破除領域的廣泛適應性及工程應用的橫向移植能力。

在深基坑巖石精確破除方面，相關研究進一步指出，二氧化碳相變致裂技術在道路路基開挖、基坑開挖等場景中已獲廣泛應用，因其較低的能量耗散率和精確的致裂邊界控制，從而有效保護了鄰近地下管網和周邊建筑的工程安全。

3.3 地質災害治理與應急救援

在地質災害頻發的背景下，傳統手段治理邊坡危巖往往面臨施工難度大、安全性差的困境。二氧化碳致裂技術因其可以遠程遙控、精準布孔的*優勢，在地質災害治理中開辟了全新的應用場景。

在玉田縣地質災害點的危石破除中，施工人員通過精心設計鉆孔布位和致裂參數，順利完成了高位危巖的松動和無擾動*。二氧化碳致裂器可靈活安裝于邊坡、陡崖等不利地形，操作過程中操作人員可以遠距離激發，有效降低了傳統人工清理危巖面臨的滑落與滾石風險。

在地震、山體滑坡等自然災害救援中，二氧化碳致裂器可以作為打通生命通道的重要工具，快速破碎堵塞道路的巖石或障礙物。二氧化碳致裂系統可以便捷車輛托運，易于隨應急救援隊伍快速機動部署，能夠爭取寶貴的黃金救援時間。裝備的靈活機動性、環境適應性與本質安全性，使其在應急管理體系中具備了不可替代的價值。

3.4 水下工程與航道治理

水下破巖是工程爆破領域中技術門檻極高、安全環保約束極為嚴格的細分領域。傳統水下鉆爆作業會產生強烈沖擊波和地震波，對水生態環境中的魚類等水生物造成毀滅性傷害，炸藥化學成分在水中的溶解與反應還會造成水質污染。2021年，廣西聯合試驗團隊在國內首次開展了二氧化碳水下膨脹破巖系統的工程性驗證，數據表明：CO?水下致裂產生的應力波強度僅為傳統炸藥水下爆破的十分之一，地震波強度僅為炸藥爆破的三十分之一，測試結果表明CO?致裂對鄰近10m范圍內的魚類無明顯影響，對周邊水質保護*也極其理想。該技術的試驗性的成功填補了國內在低生態影響條件下開展水下有效清礁作業領域的空白，同時也為今后在港口航道、水庫地質災害清理等敏感水域快速安全施工提供了關鍵性技術儲備。

在水下清礁工程裝備方面，該技術還具有設備布置靈活、無需復雜審批等突出優點，并能大幅消減傳統炸藥爆破中產生的一氧化硫、二氧化氮等有害化學物質，體現了綠色環保的工程理念。業內人士評價二氧化碳膨脹破巖是當前水下除礁工程的理想手段，具有廣闊的應用前景。

在海上風電基礎設施領域，一項關于大直徑海上風電嵌巖單樁施工的方法創新性地突破了以往僅能依靠直徑2~4m石油鉆機施工的技術瓶頸，通過機械開挖與CO?膨脹破巖擴挖相結合的方式，成功實現了直徑高達8~10m級超大直徑嵌巖單樁的水下精準開挖。該方法不僅有效控制了水下施工的沖擊波與震動效應，還有望為未來深遠海風電場低成本大直徑基礎施工提供切實可行的創新解決方案。

3.5 干熱巖地熱開發與CCUS融合

在深部干熱巖地熱資源開發中，傳統水力壓裂長期面臨“注不進、壓不開”的技術瓶頸，嚴重制約了地熱能的商業化利用。近年來的學術研究與工程實踐表明，超臨界CO?憑借其低黏度、強擴散性、易于形成復雜縫網及與碳封存相結合的*優勢，正逐步成為干熱巖壓裂改造的理想工質。

國際研究也在同步推進。日本京都大學的實驗通過布置聲發射監測網絡，發現CO?比水能更均勻地增強巖層滲透性，這有助于在熱儲層內形成更大范圍的*換熱通道。與此同時，一個至關重要的附加生態效應也被揭示：大部分注入地層的CO?*終會被封存在裂隙空間中，從而在產熱的同時實現了碳的固定與地質儲存。

中國學術界在超臨界CO?壓裂領域也積累了系統性成果。武漢巖土力學研究所團隊通過自主研發實時高溫（*高400℃）真三軸試驗系統，揭示了高溫環境下CO?壓裂裂縫形態由室溫下的單一主裂縫向高溫下的多尺度云狀裂縫轉變的規律，并通過CT掃描和核磁共振進行驗證，為干熱巖高溫高應力條件下的裂縫擴展機理提供了重要的理論依據。值得注意的是，中國在深部煤層氣與干熱巖型地熱聯合開采方面也開始進行一體化嘗試，相關發明專利提出利用單分支水平井進行CO?分段壓裂，同時實現煤層氣開采與地熱能開發，大大提高了綜合利用效率。研究表明CO?用作壓裂介質時形成的裂縫網絡更細密且連通性更好，有助于增加換熱面積并提升熱能開采強度。未來將干熱巖開發與碳捕集、利用與封存結合的CCS-Enhanced Geothermal模式為清潔能源發展提供了一條多贏路徑，二氧化碳致裂在地熱開發中的應用正在從“可能”走向“可行”。

3.6 應急破冰與高寒工程施工

在高緯度、高寒地區的工程施工進程中，河道冰凌堵塞、港口水域結冰以及冰蓋*等問題十分棘手。二氧化碳相變致裂技術在該領域也顯示出巨大的應用潛力。相關學術研究明確指出，該技術已被用于應急破冰作業中，依靠液態CO?相變過程中釋放的機械能，實現對冰體的有效破裂，從而快速打通被冰封的江河和港口通道。相較需要投入重型機械甚至炸藥的常規除冰清障方式，二氧化碳水下或冰面附近致裂具有響應速度快、可遠距操控、人工依賴度低、不影響冰下生態平衡等優點，尤其適用于大型水電工程泄洪道冰凌的預防性處理、航運關鍵航段的應急搶險等場景。

在公路交通工程等領域，該技術的應用同樣有所深化。有研究指出，在雪峰爆破和松散各種粉狀塊等特定施工任務中，二氧化碳致裂技術也展現出了較好的安全性、針對性和生態友好性。雖然當前冰凌致裂與凍土致裂的工藝體系仍處于發展階段，但相關領域迅速增長的需求將同步推動高寒環境下致裂工藝的系統性研究。

3.7 石油天然氣及頁巖氣開采

在頁巖氣、致密砂巖氣等非常規天然氣開發中，儲層的低孔低滲特性使資源開采仍面臨較大技術難度。近年來，學者將超臨界CO?壓裂、CO?置換和CO?驅替作為提升頁巖氣采出率的關鍵技術方向。相關技術能夠在裂縫網絡形成的同時，利用CO?分子的強吸附性有效置換出富集在頁巖基質中的甲烷，并通過注氣驅替進一步提高采收率，實現頁巖氣增產與CO?地質封存的雙重目的。該理論體系的持續完善極大豐富了二氧化碳致裂技術從物理破巖向地質介質化學—力學—流體耦合作用方向的進階。超臨界CO?壓裂技術的一個顯著特點是其在注入時兼具壓裂介質、驅替劑、置換劑甚至可溶性運輸載體的多重角色，通過在多物理場耦合環境中的綜合調控，以較低能量輸入實現儲層*增滲。

相關研究也表明，高溫高壓超臨界CO?致裂機理可總結為：以應力波誘導型徑向裂縫的瞬態生成和高溫高壓CO?驅動徑向裂縫持續分支擴展為主的過程，從而提高氣體致裂的*與操控精細度。這為將二氧化碳致裂從傳統的地表或井工巖土工程改造進一步推廣至數千米地下的復雜高溫高壓非常規油氣藏，奠定了理論與實驗基礎。隨著國內頁巖油氣等非常規資源開發力度的進一步加大，以二氧化碳為核心的“壓裂—置換—驅替”一體化技術有望成為增產和碳封存協同創新的新方向。

3.8 風光電基礎設施建設

在新能源開發領域，風電與光伏的快速擴張使山區施工現場的破碎、場地平整和電纜溝渠開挖需求持續增長。因大型風機塔筒基礎多位于高山、林區等人跡罕至的地帶，大型設備和炸藥進出都存在較大限制，導致施工難度大且周期長。

在湖北房縣秦巴山區的輸電線路塔基建設中，重載無人機配合二氧化碳致裂的基本工藝組合，在完全無需炸藥且避免傳統爆破審批與噪聲擾民的情況下，單基塔基坑作業全流程僅耗時8小時，完美輸出峰值壓力等致裂能量，取代了以往山區施工依賴的人工攻堅和人拉肩扛的低效作業模式。相關團隊進一步測算表明，與傳統人工作業相比，新工藝綜合效能提升5-6倍以上，為今后類似林區山地光風電項目的快速入場與*施工提供了可復制的技術路徑組合。

4 應用前景綜合分析

4.1 應用領域前景矩陣

基于技術特性與市場需求，二氧化碳相變致裂技術的各應用領域前景可概括為：

4.2 未來技術與市場展望

智能化升級是二氧化碳致裂技術深化發展的核心方向之一。當前工程實踐中，致裂參數設置、起爆時序觸發等環節仍然較多依賴施工人員經驗，存在主觀決策的不確定性。未來，將高精度傳感器集成至致裂裝置、通過物聯網平臺實現對致裂器全生命周期狀態的數據化監測、引入人工智能輔助參數建模，可以實現致裂參數的“自適應匹配”。從井下各鉆孔的裝藥量精細校正到多管精細化延時引發，再到致裂—通風—出渣全過程的協同控制，有望形成全鏈條的智能遠程協同閉路控制系統。該系統可顯著降低人員井下暴露和主觀決策風險，提升施工效率。

參數精準化方面，借助數值模擬技術與大數據分析，針對不同巖性、地應力特征、裂隙發育程度等條件的差異，建立“一孔一策”的精準致裂參數庫將日益普及。通過定量分析當量并將其應用于安全距離計算，既有試驗已完成將能量效應與*當量系統對標的工作。下一步的任務則是推進該技術的標準化，并將CO?致裂能量安全評估程序廣泛納入相關工程規范體系。

多技術融合已初現端倪：CO?致裂與水力壓裂融合可在煤礦瓦斯治理中實現“先導縫+后擴展”的復合縫網構建；與重載無人機等智能化調度平臺的組合則可在敏感地形施工中實現點對點物資精準投送并與無人化爆破形成完整閉環，有效破解高海拔薄土層地區的施工物流瓶頸。

碳中和深度整合方面，將二氧化碳致裂與深部煤層/頁巖/干熱巖的碳封存貫通，構成“技術實施—碳固定—能源產出—溫室氣體減排”的四位一體框架，潛在環境與經濟價值兼具。隨著國家碳市場的成熟與CCUS項目補貼政策的落地，該技術有望為相關企業帶來碳資產增值收益。學術界已前瞻性地提出CO?致裂——驅替——生物轉化CH?的CCCUS技術路線，隨著深部復雜地質條件向智能化、復合型技術方向升級，二氧化碳致裂正在綠色增產技術譜系中占據不可替代的位置。

標準化與國際合作方面，隨著在國內城市更新、鐵路擴建、跨海跨江通道等重大工程中的逐步推廣，中國工程團隊已開始在國際層面呼吁將CO?相變能量計算與安全評估程序上升到強制性工程規范的高度，并推廣至國際標準體系。這將使我國在二氧化碳物理致裂領域的技術優勢更快轉化為國際規則話語權和核心競爭力，推動中國領先的本安型破巖技術走向全球。

5 結論

二氧化碳相變致裂技術已從單一應用于高瓦斯煤礦的安全增透，逐步發展為涵蓋礦山開采、隧道掘進、市政工程、地質災害治理、水下破巖、應急搶險等多場景的綜合性破巖技術體系。其在城市敏感區施工、新能源基建、水下生態施工等新興領域的出色表現，充分證明該技術具備高度的場景適應性與工程推廣價值。

面向未來，隨著智能化控制、精準參數設計、多技術融合、碳中和路徑整合等技術方向的持續深化，二氧化碳相變致裂技術有望突破傳統炸藥爆破在復雜環境下的應用瓶頸，成為推動綠色巖土工程施工、非常規能源開發、碳捕集利用與封存協同發展的重要技術力量。

山西中德鼎立集團有限公司作為二氧化碳致裂技術應用領域的行業領頭人，始終堅持以技術創新驅動產業發展，積極推動本質安全型物理破巖技術的標準化、智能化與國際化進程。公司將持續加大研發投入，拓展新興應用場景，牽頭構建更加完善的技術標準和產業生態，為推動我國乃至全球的綠色破巖技術變革、助力“雙碳”目標實現做出更大的貢獻。 這智造的綠色技術，不僅回應了能源轉型與低碳發展的時代呼喚，也將為全球綠色巖土施工變革注入持久的創新動能。

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2026年5月