二氧化碳相变致裂技术的创新应用与未来展望

二氧化碳相变致裂技术作为一种以物理相变为核心的新型绿色破岩技术，经过十余年的发展与工程实践，已形成了涵盖煤矿瓦斯治理
、矿山开采、隧道掘进等领域的成熟应用体系。本文在系统梳理该技术矿用场景的基础上，深度探索其在邻近既有建筑物隧道施工
、城市市政工程、地质灾害治理与应急救援、水下工程、干热岩地热开发
、新能源基础设施建设
、应急破冰以及页岩气开发等新兴领域的应用潜力与工程价值。研究表明
，随着智能化控制
、超临界CO₂压裂、CCUS多技术融合等前沿方向的持续推进
，二氧化碳相变致裂技术正从“煤矿瓦斯治理的辅助技术”向“多领域综合破岩解决方案”转变
，市场前景广阔
，有望成为推动绿色岩土工程施工转型的关键技术力量。

1 引言

二氧化碳相变致裂技术利用液态CO₂在密闭容器内受热瞬间气化、体积急剧膨胀的物理原理产生高压气体做功破岩
，全过程无明火
、无高温、无冲击波、不产生有毒有害气体
，属于典型的本安型物理致裂技术
。该技术*早于20世纪60年代用于管道清堵和储罐清理，2013年以来
，中国工程技术人员将其系统应用于煤层增透抽采瓦斯

、低渗透煤矿增渗等领域
，取得了显著的工程效益。经过十余年的持续迭代
，该技术已在煤矿瓦斯治理、露天矿山开采
、坚硬顶板切顶卸压等传统领域实现规模化应用

，其安全性与经济性得到了广泛验证
。

然而，二氧化碳相变致裂技术的潜力远不止于此。随着我国城镇化进程提速、环保政策收紧、“双碳”战略深入推进，传统炸药爆破在城市施工、生态敏感区作业、特殊工程中的限制日益严格，为物理致裂技术创造了广阔的市场替代空间。本文将从技术原理出发，系统梳理该技术在高瓦斯煤矿之外的应用场景与*新探索，并对其未来发展趋势进行前瞻性展望。

2 技术原理与核心优势回顾

二氧化碳相变致裂器的核心工作流程可概括为“充装—送入—激发—相变—泄能—致裂”六步：液态CO₂注入高强度合金钢储液管并密封后，通过钻杆或专用推送装置精准送入目标钻孔，远程电控启动激发装置使电热元件瞬时加热，液态CO₂在毫秒级时间内气化，体积膨胀约600倍，管内压力快速攀升至200MPa以上；当压力超过定压剪切片设定阈值时
，高压气体通过泄能头定向释放，冲击钻孔壁产生并扩展裂隙
，实现目标介质的定向致裂。

与传统炸药爆破相比，该技术具有以下核心竞争优势：

（1）本质安全，全过程不存在生火星和高温源，杜绝了在瓦斯环境下引发爆炸的风险，同时作业警戒范围可控制在50m以内，无需频繁避炮
，可实现连续化作业；

（2）低扰动掘进，CO₂相变产生的峰值质点振动速度仅为等效炸药爆破的1/74至1/78，对周边围岩和建筑物的扰动极小；

（3）绿色环保，致裂过程不产生有毒有害气体和粉尘污染，CO₂可部分封存于裂隙岩体中，契合碳达峰与碳中和战略方向
；

（4）审批便捷与技术经济协同，二氧化碳致裂作为物理致裂技术，目前不纳入民爆物品管理体系，极大缩短了工程准备周期，提升了施工组织的灵活性；

（5）效率与成本协同，对于f值在5-8左右的中硬及硬岩
，配合二氧化碳致裂可单班作业2000吨以上，相较于传统破碎锤效率提升3-4倍
，综合成本降低20%-30%。这些*优势
，正是二氧化碳相变致裂技术能够走出煤矿
、向多领域拓展的动力源泉。

3 新兴应用方向探索

3.1 城市隧道与地下空间施工

传统隧道掘进中，炸药爆破产生的冲击波和振动往往对周边建构筑物造成损伤，尤其在城市核心区、邻近既有建筑物的施工条件下，炸药爆破几乎“寸步难行”。以贵州省桐梓县岩门子水库输水隧洞为例
，该隧道位于人口密集区
，上方分布着数百户砖木结构民房
，部分房屋与开挖作业区直线距离仅30米，传统爆破方案完全无法满足安全要求
。施工团队采用MZL-51型CO₂压裂设备，以281克*当量精准调控能量
，隧道爆破期间邻近民房的振动峰值质点振动速度实测仅0.18cm/s

，远低于1.0cm/s的安全控制标准，较传统爆破振动强度降低85%以上
。与此同时，该技术在近期邻近既有结构施工领域的学术进展也表明
，CO₂致裂技术已发展为具备精确能量标定
、轨迹约束和振动量化评估能力的*工艺，有研究成果表明通过梯度优化致裂参数，可将爆破扰动半径压缩至15m以内，显著降低了地层位移风险。该技术施工所用CO₂可循环回收利用，综合管控系统具备良好的场景通用性，科技成果已在Nature旗下《Scientific Reports》期刊发表
，为同类隧道工程提供了宝贵的技术参考。

在地铁建设领域，二氧化碳致裂技术也取得了突破性进展。北京中煤矿山工程有限公司于2023年申请的“一种地铁联络通道二氧化碳致裂器开挖方法”专利
，创造性地将二氧化碳致裂技术引入地铁联络通道开挖，利用掌子面菱形布孔加中心缓冲空孔的方式
，实现精准控制下的岩土层致裂
，为人工风镐二次破碎提供了极大的便利

，有效缩短了工期，实现了工序流程的精简与施工效率的提升
。

更为值得一提的是，中国工程技术人员在全球范围内首次提出了将二氧化碳相变能量精确换算为*当量、并强制纳入隧道设计安全评估体系的完整方法论，这一创新极大地促进了CO₂致裂技术从“凭经验施工”向“可设计
、可计算

、可验证”的安全工程范式转变
。新流程强调在施工作业期间持续开展无人机侦察与振动同步监测，实现动态安全预警，形成了一套完整的综合质量管控体系。

3.2 城市市政工程与基坑施工

在城市核心区深基坑开挖、老旧小区改造等市政工程中，破岩施工的环保要求日趋严苛，特别是临近医院
、学校、住宅区等噪声敏感区域
，传统破碎锤的持续噪声污染引发居民投诉频繁，炸药爆破则因安全隐患基本被排除。调研数据显示，采用二氧化碳致裂技术后
，周边居民在建筑内未感受到任何噪声和振动

，各项数据符合国家规范要求。这一成效充分展现了二氧化碳致裂技术在市区复杂环境下的差异化竞争优势。

在电网基础设施建设方面，国网湖北十堰供电公司建设的220千伏柏悬线工程地处南水北调水源区
，生态红线严格控制
。施工团队创新采用二氧化碳致裂技术开展铁塔基础基坑开挖，作业全程无强震，对周边植被和水源无扰动，压力峰值可达200MPa，全流程仅耗时8小时
，既守住了工程建设进度
，又守住了水源地的绿水青山

。与此同时，惠州水务技术团队在城市更新、铁路改扩建
、地铁深基坑开挖等多种对振动要求严苛的复杂场景中，也系统性地将相关综合管控体系进行了有效推广，凸显了相关技术在市政岩石破除领域的广泛适应性及工程应用的横向移植能力。

在深基坑岩石精确破除方面，相关研究进一步指出，二氧化碳相变致裂技术在道路路基开挖、基坑开挖等场景中已获广泛应用
，因其较低的能量耗散率和精确的致裂边界控制，从而有效保护了邻近地下管网和周边建筑的工程安全。

3.3 地质灾害治理与应急救援

在地质灾害频发的背景下
，传统手段治理边坡危岩往往面临施工难度大
、安全性差的困境
。二氧化碳致裂技术因其可以远程遥控
、精准布孔的*优势，在地质灾害治理中开辟了全新的应用场景。

在玉田县地质灾害点的危石破除中
，施工人员通过精心设计钻孔布位和致裂参数，顺利完成了高位危岩的松动和无扰动*。二氧化碳致裂器可灵活安装于边坡、陡崖等不利地形
，操作过程中操作人员可以远距离激发，有效降低了传统人工清理危岩面临的滑落与滚石风险。

在地震、山体滑坡等自然灾害救援中


，二氧化碳致裂器可以作为打通生命通道的重要工具，快速破碎堵塞道路的岩石或障碍物。二氧化碳致裂系统可以便捷车辆托运

，易于随应急救援队伍快速机动部署

，能够争取宝贵的黄金救援时间
。装备的灵活机动性、环境适应性与本质安全性，使其在应急管理体系中具备了不可替代的价值。

3.4 水下工程与航道治理

水下破岩是工程爆破领域中技术门槛极高
、安全环保约束极为严格的细分领域
。传统水下钻爆作业会产生强烈冲击波和地震波，对水生态环境中的鱼类等水生物造成毁灭性伤害
，炸药化学成分在水中的溶解与反应还会造成水质污染。2021年
，广西联合试验团队在国内首次开展了二氧化碳水下膨胀破岩系统的工程性验证，数据表明：CO₂水下致裂产生的应力波强度仅为传统炸药水下爆破的十分之一

，地震波强度仅为炸药爆破的三十分之一
，测试结果表明CO₂致裂对邻近10m范围内的鱼类无明显影响，对周边水质保护*也极其理想。该技术的试验性的成功填补了国内在低生态影响条件下开展水下有效清礁作业领域的空白
，同时也为今后在港口航道、水库地质灾害清理等敏感水域快速安全施工提供了关键性技术储备
。

在水下清礁工程装备方面，该技术还具有设备布置灵活
、无需复杂审批等突出优点，并能大幅消减传统炸药爆破中产生的一氧化硫、二氧化氮等有害化学物质
，体现了绿色环保的工程理念。业内人士评价二氧化碳膨胀破岩是当前水下除礁工程的理想手段，具有广阔的应用前景。

在海上风电基础设施领域

，一项关于大直径海上风电嵌岩单桩施工的方法创新性地突破了以往仅能依靠直径2~4m石油钻机施工的技术瓶颈，通过机械开挖与CO₂膨胀破岩扩挖相结合的方式
，成功实现了直径高达8~10m级超大直径嵌岩单桩的水下精准开挖
。该方法不仅有效控制了水下施工的冲击波与震动效应，还有望为未来深远海风电场低成本大直径基础施工提供切实可行的创新解决方案
。

3.5 干热岩地热开发与CCUS融合

在深部干热岩地热资源开发中
，传统水力压裂长期面临“注不进、压不开”的技术瓶颈，严重制约了地热能的商业化利用。近年来的学术研究与工程实践表明，超临界CO₂凭借其低黏度
、强扩散性、易于形成复杂缝网及与碳封存相结合的*优势，正逐步成为干热岩压裂改造的理想工质
。

国际研究也在同步推进
。日本京都大学的实验通过布置声发射监测网络，发现CO₂比水能更均匀地增强岩层渗透性，这有助于在热储层内形成更大范围的*换热通道。与此同时
，一个至关重要的附加生态效应也被揭示：大部分注入地层的CO₂*终会被封存在裂隙空间中，从而在产热的同时实现了碳的固定与地质储存。

中国学术界在超临界CO₂压裂领域也积累了系统性成果。武汉岩土力学研究所团队通过自主研发实时高温（*高400℃）真三轴试验系统，揭示了高温环境下CO₂压裂裂缝形态由室温下的单一主裂缝向高温下的多尺度云状裂缝转变的规律
，并通过CT扫描和核磁共振进行验证


，为干热岩高温高应力条件下的裂缝扩展机理提供了重要的理论依据
。值得注意的是，中国在深部煤层气与干热岩型地热联合开采方面也开始进行一体化尝试，相关发明专利提出利用单分支水平井进行CO₂分段压裂，同时实现煤层气开采与地热能开发，大大提高了综合利用效率
。研究表明CO₂用作压裂介质时形成的裂缝网络更细密且连通性更好，有助于增加换热面积并提升热能开采强度
。未来将干热岩开发与碳捕集

、利用与封存结合的CCS-Enhanced Geothermal模式为清洁能源发展提供了一条多赢路径
，二氧化碳致裂在地热开发中的应用正在从“可能”走向“可行”。

3.6 应急破冰与高寒工程施工

在高纬度、高寒地区的工程施工进程中
，河道冰凌堵塞、港口水域结冰以及冰盖*等问题十分棘手。二氧化碳相变致裂技术在该领域也显示出巨大的应用潜力
。相关学术研究明确指出
，该技术已被用于应急破冰作业中，依靠液态CO₂相变过程中释放的机械能，实现对冰体的有效破裂
，从而快速打通被冰封的江河和港口通道。相较需要投入重型机械甚至炸药的常规除冰清障方式，二氧化碳水下或冰面附近致裂具有响应速度快、可远距操控、人工依赖度低
、不影响冰下生态平衡等优点，尤其适用于大型水电工程泄洪道冰凌的预防性处理、航运关键航段的应急抢险等场景。

在公路交通工程等领域，该技术的应用同样有所深化。有研究指出，在雪峰爆破和松散各种粉状块等特定施工任务中，二氧化碳致裂技术也展现出了较好的安全性

、针对性和生态友好性
。虽然当前冰凌致裂与冻土致裂的工艺体系仍处于发展阶段

，但相关领域迅速增长的需求将同步推动高寒环境下致裂工艺的系统性研究
。

3.7 石油天然气及页岩气开采

在页岩气、致密砂岩气等非常规天然气开发中，储层的低孔低渗特性使资源开采仍面临较大技术难度。近年来，学者将超临界CO₂压裂
、CO₂置换和CO₂驱替作为提升页岩气采出率的关键技术方向。相关技术能够在裂缝网络形成的同时，利用CO₂分子的强吸附性有效置换出富集在页岩基质中的甲烷，并通过注气驱替进一步提高采收率
，实现页岩气增产与CO₂地质封存的双重目的。该理论体系的持续完善极大丰富了二氧化碳致裂技术从物理破岩向地质介质化学—力学—流体耦合作用方向的进阶。超临界CO₂压裂技术的一个显著特点是其在注入时兼具压裂介质
、驱替剂
、置换剂甚至可溶性运输载体的多重角色，通过在多物理场耦合环境中的综合调控，以较低能量输入实现储层*增渗。

相关研究也表明
，高温高压超临界CO₂致裂机理可总结为：以应力波诱导型径向裂缝的瞬态生成和高温高压CO₂驱动径向裂缝持续分支扩展为主的过程
，从而提高气体致裂的*与操控精细度。这为将二氧化碳致裂从传统的地表或井工岩土工程改造进一步推广至数千米地下的复杂高温高压非常规油气藏，奠定了理论与实验基础


。随着国内页岩油气等非常规资源开发力度的进一步加大，以二氧化碳为核心的“压裂—置换—驱替”一体化技术有望成为增产和碳封存协同创新的新方向
。

3.8 风光电基础设施建设

在新能源开发领域
，风电与光伏的快速扩张使山区施工现场的破碎、场地平整和电缆沟渠开挖需求持续增长。因大型风机塔筒基础多位于高山、林区等人迹罕至的地带，大型设备和炸药进出都存在较大限制
，导致施工难度大且周期长。

在湖北房县秦巴山区的输电线路塔基建设中，重载无人机配合二氧化碳致裂的基本工艺组合，在完全无需炸药且避免传统爆破审批与噪声扰民的情况下，单基塔基坑作业全流程仅耗时8小时
，完美输出峰值压力等致裂能量
，取代了以往山区施工依赖的人工攻坚和人拉肩扛的低效作业模式。相关团队进一步测算表明，与传统人工作业相比，新工艺综合效能提升5-6倍以上
，为今后类似林区山地光风电项目的快速入场与*施工提供了可复制的技术路径组合。

4 应用前景综合分析

4.1 应用领域前景矩阵

基于技术特性与市场需求，二氧化碳相变致裂技术的各应用领域前景可概括为：

4.2 未来技术与市场展望

智能化升级是二氧化碳致裂技术深化发展的核心方向之一。当前工程实践中
，致裂参数设置、起爆时序触发等环节仍然较多依赖施工人员经验，存在主观决策的不确定性。未来
，将高精度传感器集成至致裂装置、通过物联网平台实现对致裂器全生命周期状态的数据化监测

、引入人工智能辅助参数建模，可以实现致裂参数的“自适应匹配”。从井下各钻孔的装药量精细校正到多管精细化延时引发
，再到致裂—通风—出渣全过程的协同控制，有望形成全链条的智能远程协同闭路控制系统

。该系统可显著降低人员井下暴露和主观决策风险
，提升施工效率。

参数精准化方面，借助数值模拟技术与大数据分析，针对不同岩性
、地应力特征、裂隙发育程度等条件的差异，建立“一孔一策”的精准致裂参数库将日益普及。通过定量分析当量并将其应用于安全距离计算，既有试验已完成将能量效应与*当量系统对标的工作。下一步的任务则是推进该技术的标准化，并将CO₂致裂能量安全评估程序广泛纳入相关工程规范体系。

多技术融合已初现端倪：CO₂致裂与水力压裂融合可在煤矿瓦斯治理中实现“先导缝+后扩展”的复合缝网构建；与重载无人机等智能化调度平台的组合则可在敏感地形施工中实现点对点物资精准投送并与无人化爆破形成完整闭环，有效破解高海拔薄土层地区的施工物流瓶颈
。

碳中和深度整合方面，将二氧化碳致裂与深部煤层/页岩/干热岩的碳封存贯通
，构成“技术实施—碳固定—能源产出—温室气体减排”的四位一体框架
，潜在环境与经济价值兼具
。随着国家碳市场的成熟与CCUS项目补贴政策的落地
，该技术有望为相关企业带来碳资产增值收益
。学术界已前瞻性地提出CO₂致裂——驱替——生物转化CH₄的CCCUS技术路线
，随着深部复杂地质条件向智能化、复合型技术方向升级
，二氧化碳致裂正在绿色增产技术谱系中占据不可替代的位置。

标准化与国际合作方面
，随着在国内城市更新、铁路扩建、跨海跨江通道等重大工程中的逐步推广
，中国工程团队已开始在国际层面呼吁将CO₂相变能量计算与安全评估程序上升到强制性工程规范的高度
，并推广至国际标准体系。这将使我国在二氧化碳物理致裂领域的技术优势更快转化为国际规则话语权和核心竞争力，推动中国领先的本安型破岩技术走向全球
。

5 结论

二氧化碳相变致裂技术已从单一应用于高瓦斯煤矿的安全增透，逐步发展为涵盖矿山开采、隧道掘进、市政工程

、地质灾害治理、水下破岩、应急抢险等多场景的综合性破岩技术体系。其在城市敏感区施工
、新能源基建
、水下生态施工等新兴领域的出色表现，充分证明该技术具备高度的场景适应性与工程推广价值。

面向未来，随着智能化控制、精准参数设计
、多技术融合、碳中和路径整合等技术方向的持续深化，二氧化碳相变致裂技术有望突破传统炸药爆破在复杂环境下的应用瓶颈，成为推动绿色岩土工程施工
、非常规能源开发
、碳捕集利用与封存协同发展的重要技术力量。

山西人生就是博集团有限公司作为二氧化碳致裂技术应用领域的行业领头人
，始终坚持以技术创新驱动产业发展，积极推动本质安全型物理破岩技术的标准化、智能化与国际化进程。公司将持续加大研发投入，拓展新兴应用场景，牵头构建更加完善的技术标准和产业生态，为推动我国乃至全球的绿色破岩技术变革、助力“双碳”目标实现做出更大的贡献。 这智造的绿色技术，不仅回应了能源转型与低碳发展的时代呼唤
，也将为全球绿色岩土施工变革注入持久的创新动能。

 

 

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2026年5月