一種電子雷管的應(yīng)用研究

龐志鋒，王曉靜，王 倩，鄭杰良

(河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018)

一種電子雷管的應(yīng)用研究

龐志鋒，王曉靜，王 倩，鄭杰良

(河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018)

中國國內(nèi)電子雷管技術(shù)還處于研發(fā)階段，有些省份已經(jīng)成功研制出電子雷管產(chǎn)品，但由于其價格較高、組網(wǎng)能力有限使用較少。介紹了一種自主研發(fā)的電子雷管及其起爆系統(tǒng)，分析了在藥頭點火試驗中遇到的問題，提高了組網(wǎng)能力；介紹了電子雷管在邢汾高速公路施工爆破和河北鋼鐵集團公司鐵礦爆破中的試用情況，通過現(xiàn)場試用得出了使用電子雷管進行工程爆破綜合成本并不高于傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠艿慕Y(jié)論，證明了該電子雷管取代傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠茉诒乒こ讨写罅ν茝V的可行性。

爆破工程；電子雷管；可行性

隨著新型爆破技術(shù)電子雷管的發(fā)展，中國國內(nèi)的爆破工程中開始小規(guī)模使用電子雷管進行爆破[1]。在一次次成功的爆破中，越來越多的爆破專家看到了電子雷管的優(yōu)點，該電子雷管具有以下優(yōu)點。

1)延時時間精確[2]。該電子雷管在名義延時1 s內(nèi)的誤差約0.2 ms,在名義延時1 s間的誤差約為±3 ms ，而傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠茉谕蔚难訒r誤差約±100 ms。該電子雷管名義延時越高誤差變化不大，而傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠苊x延時越高誤差越大[3]。

2)不受段別限制。該電子雷管能現(xiàn)場編程，按需要靈活設(shè)置時間，能逐孔微差精確控制爆破，不發(fā)生竄段現(xiàn)象。傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠苄枰ㄟ^段別劃分來確定延時時間，且有竄段現(xiàn)象發(fā)生[4]。

3)良好的聯(lián)網(wǎng)可檢測性。起爆器可對聯(lián)網(wǎng)內(nèi)電子雷管的信息進行掃描，實時檢測網(wǎng)絡(luò)中每一發(fā)電子雷管的延時時間、工作狀態(tài)等，確保可靠起爆。傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠苤荒苋斯z查或用儀器做簡單的通斷檢測，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)連接中檢測可靠性低[5]。

4)極高的安全性。該電子雷管采用隨機數(shù)通信，只有使用專用起爆器，輸入正確的起爆密碼才能起爆。靜電、雷電、雜散電流、射頻、直流電、交流電甚至220 V工頻電不會且不能起爆電子雷管。傳統(tǒng)電雷管或?qū)П芾坠軜O易被起爆，容易被不法分子非法利用，危害社會安全。

5)自毀功能。對電子雷管通以大電流，電子芯片即自行燒毀，之后再通以任何形式或大小的電流均不能起爆，從而減小了被犯罪分子非法利用進行作案的機會。

正是由于這些優(yōu)點，該電子雷管已在炸礦炸山、修筑公路等爆破領(lǐng)域使用，并將在樓房拆除、挖掘隧道、煤礦井下等領(lǐng)域得到進一步推廣。

1 電子雷管系統(tǒng)

1.1電子雷管設(shè)計

該電子雷管是完全自主研制的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子雷管的外部包括聚能穴、鋼管外殼、橡膠塞、兩條腳線、連接卡子(連接塊)，其鋼管殼內(nèi)裝有起爆藥和控制電路板，其中控制電路是整個電子雷管的核心，芯片控制著電子雷管的工作，2個儲能元件分別提供芯片工作的能量和起爆能量。橋絲和點火藥作為電引火元件，通過橋絲瞬間發(fā)熱點燃點火藥進而起爆電子雷管。

圖1 電子雷管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electronic detonators

電子雷管控制電路原理功能框圖如圖2所示，其包括輸入保護、全橋整流、MOS開關(guān)、DC-DC、接收電路、發(fā)送電路、RC振蕩器、數(shù)字邏輯控制電路、密碼存儲電路等。電子雷管控制電路輸入端有保護裝置，可以高度可靠地保護雷管不被雜散電流、過載電壓、靜電射頻等電磁輻射的干擾；具有全橋整流電路，防止腳線反接；MOS開關(guān)用于控制橋絲上的電壓通斷；DC-DC用于將輸入的直流電壓變?yōu)檫壿嬰娐房捎玫碾妷海唤邮针娐穼⒅绷麟娚蟼鬏數(shù)臄?shù)字信號檢測出來，進而傳給邏輯電路；RC振蕩器用于提供邏輯電路正常工作的時鐘；數(shù)字邏輯控制電路根據(jù)接收到的信息，進而相應(yīng)的動作，如打開MOS開關(guān)等；密碼存儲電路用于存儲起爆密碼，防止被非法使用。

圖2 功能框圖Fig.2 Functional block diagram

數(shù)字邏輯電路根據(jù)接收到的指令主要完成的功能：充電、安全放電、快速放電、起爆儲能電容高低壓檢測、電子雷管序列碼反饋、EEPROM編程等。

數(shù)字邏輯電路處理的主要指令包括充電、安全放電、起爆(快速放電)、電壓檢測、序列碼讀取、序列碼設(shè)置、延時時間設(shè)置、延時時間讀取、起爆密碼設(shè)置、起爆密碼讀取等。電子雷管工作時，數(shù)字邏輯電路處理指令的流程圖如圖3所示。

圖3 指令流程圖Fig.3 Flow chart of instruction

1.2電子雷管起爆系統(tǒng)

電子雷管的起爆系統(tǒng)包括電子雷管、編碼器和起爆器[6]。編碼器是電子雷管與起爆器溝通的橋梁，其主要起“翻譯”作用，即將起爆器發(fā)送指令的串行通信協(xié)議碼“翻譯”成雷管可以識別的曼徹斯特碼,再將雷管反饋的信息“翻譯”成起爆器可以識別的碼，編碼器與電子雷管的連接采用單總線結(jié)構(gòu)，即總線只有一根雙絞線，供電線和通信線復用方式。起爆器通過編碼器與電子雷管連接，如圖4所示，各編碼器之間并聯(lián)，各發(fā)電子雷管之間也是并聯(lián)的。起爆器被數(shù)碼鎖保護，只有經(jīng)過授權(quán)的人員才能使用[7]。起爆器控制整個爆破網(wǎng)絡(luò)的編程和起爆，從每發(fā)電子雷管芯片上讀取整個網(wǎng)絡(luò)中的電子雷管數(shù)據(jù)，然后實時檢測整個起爆網(wǎng)絡(luò)中每發(fā)電子雷管的工作狀態(tài)。只有當整個起爆網(wǎng)絡(luò)中每一發(fā)電子雷管的延時時間、起爆電壓等信息正確后，通過起爆器向起爆網(wǎng)絡(luò)發(fā)送正確的起爆密碼，才能起爆整個網(wǎng)絡(luò)上的電子雷管[8-9]，起爆網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Detonative network of electronic detonators

2 藥頭組網(wǎng)試驗

電子雷管的一大缺點就是組網(wǎng)帶載能力有限[10]。為了克服這一缺點需要進行大量的藥頭點火試驗，理想狀態(tài)下，一個起爆器可以級聯(lián)20個編碼器，每個編碼器可以連接200發(fā)雷管，一次爆破可起爆4 000發(fā)雷管[11-12]。一個編碼器帶載200發(fā)藥頭點火試驗如圖5所示，在此次試驗中延時時間0～10 s,每10發(fā)一組，分為20組，組與組間時間間隔為0.5 s, 每組10發(fā)藥頭的延時時間相同,圖5中按照從右向左的順序依次起爆。

圖5 藥頭點火試驗Fig.5 Experiment of medicated head

在上萬發(fā)的藥頭點火試驗中，隨機取5組試驗情況進行分析，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。其中單板表示用一個編碼器帶n發(fā)藥頭，級聯(lián)表示用m個編碼器，每個編碼器帶n發(fā)藥頭。如第3組表示藥頭600發(fā)，采用6個編碼器級聯(lián)，每個編碼器帶載100發(fā)藥頭，沒有出現(xiàn)芯片虛焊和起爆密碼設(shè)置錯誤的情況，有2發(fā)藥頭的卡子與總線接觸不好，有1發(fā)藥頭的橋絲斷了，有2發(fā)藥頭沒有響應(yīng)起爆指令。

表1 藥頭組網(wǎng)試驗結(jié)果

通過分析大量的試驗數(shù)據(jù)，導致藥頭沒有點火的主要原因是控制芯片虛焊、卡子與總線接觸不好、起爆密碼錯誤、橋絲斷了、沒有響應(yīng)起爆指令等。表1的試驗數(shù)據(jù)表明，出現(xiàn)以上情況的幾率很小，而且這些問題有些是可以在起爆之前通過在線檢測檢測出來的，如果哪一發(fā)藥頭的“芯片虛焊”或者是“卡子與總線接觸不好”，那么在線檢測時就會出現(xiàn)該藥頭檢測失敗的提示。為了防止“起爆密碼錯誤”和”橋絲斷了”這兩種情況的出現(xiàn)，在組網(wǎng)之前應(yīng)對每發(fā)藥頭進行檢測，讀取起爆密碼以確保密碼的正確性，用萬用表或者專用的電阻儀測量橋絲的阻值確保橋絲的接通?！皼]有響應(yīng)起爆指令”主要是誤碼率造成的。解決了導致藥頭沒有點火的問題，可提高電子雷管的帶載能力，為后續(xù)做雷管爆破試驗鋪平了道路。

3 爆破試驗

為了進一步驗證該電子雷管的可靠性，進行了2次大規(guī)模的施工現(xiàn)場爆破試驗。第1次：酷熱的8月在邢汾高速公路施工中進行了4次爆破，共用電子雷管500發(fā)，最大組網(wǎng)150發(fā)，最小組網(wǎng)56發(fā)，孔深小于10 m，炮孔直徑90 mm，使用乳化炸藥，總共裝藥量為9.2 t。第2次：寒冷的12月在河北鋼鐵集團開采鐵礦現(xiàn)場進行了9次爆破試驗，共用電子雷管500發(fā)，最大組網(wǎng)351發(fā)，最小組網(wǎng)32發(fā)，孔深15～20 m，炮孔直徑310 mm，使用銨油炸藥，總共裝藥量為300 t。13次爆破都很成功，達到了預(yù)期的爆破效果，下面詳細介紹了其中的一次爆破試驗。

本次試用施工現(xiàn)場是邢汾高速公路#L10 標段，爆破的目的是使高速兩旁筆直的山有一定的坡度。爆破之后的效果是使邊坡松動。爆破前的現(xiàn)場如圖6所示。施工現(xiàn)場共83個炮孔，炮孔間距2 m×2 m，梅花形布局，炮孔直徑90 mm，炮孔深度最淺為1.8 m左右，最深為6 m左右。邊坡松動打眼示意圖如圖7所示。

圖6 爆破前Fig.6 Before blasting

圖7 邊坡松動打眼示意圖Fig.7 Slope loose drill diagram

使用83發(fā)電子雷管進行組網(wǎng)，分為4組，如圖7所示，每一橫排為一組，逐孔起爆方式，炮孔之間時間間隔為100 ms，爆破時間從1 000 ms開始到8 200 ms結(jié)束。每個炮孔中放1發(fā)電子雷管和一定數(shù)量的乳化炸藥，單個炮孔最大裝藥量為24 kg,在炮孔中放置雷管以及乳化炸藥時，用繩子確認炮孔深度。炮孔里填裝上雷管以及乳化炸藥后，再用土、碎石等進行填埋。1～45發(fā)電子雷管連接在起爆母線1上，46～83發(fā)電子雷管連接在起爆母線2上，起爆母線1和起爆母線2連接在警戒線外的起爆主線上。電子雷管的腳線長度為14 m，83發(fā)電子雷管共使用腳線1 162 m，子母線共計30 m，主母線大約150 m，使用連接線總長度大約1 342 m，共用乳化炸藥1 t。

采用一個編碼器帶載這83發(fā)電子雷管，在一切準備工作做好后，對83發(fā)電子雷管進行檢測、延時時間設(shè)置、延時時間讀取、充電、電壓檢測等操作，均一遍成功，在輸入正確的起爆密碼后，成功起爆，圖8為爆破瞬間。經(jīng)過起爆后現(xiàn)場分析沒有拒爆的雷管，而且爆破效果得到了爆破人員的認可，爆破非常成功。

圖8 爆破瞬間Fig.8 Blasting moment

分析這13次的電子雷管試用情況得出結(jié)論，電子雷管并不會提高爆破成本，反而會降低爆破成本, 用電子雷管綜合費用低于普通電雷管或?qū)П芾坠埽蛴幸韵?點。

1)傳統(tǒng)的電子雷管在爆破過程中一個孔內(nèi)會放置2發(fā)雷管，電子雷管只需1發(fā)就能保證百分之百爆破，節(jié)省了雷管。

2)電雷管存在著靜電、雜散電流，用任意電池就可引爆的缺點。導爆管克服了電雷管的缺點，但最大的缺點是其起爆網(wǎng)絡(luò)無法在線檢測[13]，一孔2發(fā)，如果有一發(fā)未放，公安部也檢測不到，會導致雷管丟失，如果誤入不法分子手中會危害社會安全。

3)好的爆破效果一是不留根底[14]，如果是10 m的孔，嘣的就應(yīng)該是10 m而不是8 m；二是邊坡，嘣完后的孔應(yīng)該是一邊完好的。用電子雷管爆破，由于其秒量精確度高，能產(chǎn)生良好的爆破效果，而使用普通雷管不能保證產(chǎn)生好的爆破效果，如果第1次爆破效果不理想，需要第2次爆破，第2次爆破的費用也不少，而且鏟裝的費用也很高。

4 結(jié) 語

藥頭點火試驗解決了組網(wǎng)遇到的問題，該研發(fā)的電子雷管及其起爆系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，電子雷管的單發(fā)成本在下降，將進一步降低使用電子雷管的綜合成本，試驗表明該電子雷管可以在酷暑嚴寒等惡劣環(huán)境下使用，電子雷管取代普通雷管將指日可待。

本文需要進一步研究的內(nèi)容是：1)雷管的連接塊使用比較復雜，可以考慮使用便攜插座連接，且進行防水設(shè)計；2)雷管的2條腳線在寒冷的天氣比較脆弱，容易折斷，而且用溫度較高的乳化炸藥時腳線絕緣皮又容易老化，需要研制既抗低溫又耐高溫的腳線；3)研究出一種起爆后能檢測出所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的雷管是否正常起爆的方法。

/

[1] 李月紅, 劉 峰, 顏景龍. 基于AVR單片機的電子延期雷管設(shè)計[J]. 火工品, 2012(2):44-46. LI Yuehong, LIU Feng, YAN Jinglong. Design on electronic delay detonator based on AVR single chip [J].Initiators & Pyrotechnics, 2012(2):44-46.

[2] 劉德功, 楊鳳云. 高精度電子雷管在特大斷面隧道爆破中的應(yīng)用[J]. 交通標準化, 2011(1):32-33. LIU Degong, YANG Fengyun. Application of high-precision electronic detonators in large section of tunnel blasting [J].Transport Standardization, 2011(1):32-33.

[3] MOHANTY B, ALARN M, GAUTHIER F. Precision delay detonators and their effect on blasting performance in quarry blasts [J]. Conference on Explosives and Blasting Technique, 2010(1): 289-303.

[4] YAMAMOTO M, ICHIJO T, INABA T. Experimental and theoretical study on smooth blasting with electronic delay detonators[J]. FRAGBLAS-International Journal for Blasting and Fragmentation, 2009,3(1): 3-4.

[5] 龐志鋒, 姚云峰. 機械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向[J]. 河北工業(yè)科技,2013,30(4):272-275. PANG Zhifeng, YAO Yunfeng. Research and development of mechanical reliability engineering[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2013, 30(4): 272-275.

[6] BLAIR P, ARMSTRONG W. Spectral control of ground vibration using electronic delay detonators[J].FRAGBLAST-International Journal for Blasting and Fragrnentation, 2009,3(4):303-304.

[7] 張 樂, 顏景龍, 李鳳國, 等. 隆芯1號數(shù)碼電子雷管在露天采礦中的應(yīng)用[J]. 工程爆破,2010,16(4):74-76. ZHANG Le, YAN Jinglong, LI Fengguo, et al. Application of LUX No.1 digital electronic detonator in an open pit mine[J]. Engineering Blasting,2010,16(4):74-76.

[8] 安徽理工大學. 可編程智能電子延期電雷管[P]. 中國專利: 200820033279, 2008-03-21. Anhui University of Science and Technology. Programmable Intelligent Electronic Delay Electric Detonators[P]. CN: 200820033279, 2008-03-21.

[9] 趙 勇, 王金柱. 電點火元件對毫秒延期電雷管秒量的影響[J].火工品, 2002(4):16-17. ZHAO Yong, WANG Jinzhu. The influence of fusehead on delay-time of ms-detonator[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2002(4):16-17.

[10] 王 維. 電子延期非電雷管的研究[D].武漢: 武漢理工大學, 2004. WANG Wei. The Research of Non-Electric Electronic Detonator[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2004.

[11] 王 鵬, 可編程電子延期雷管研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2007. WANG Peng. The Research of Programmable Electronic Delay Detonator[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2007.

[12] 高 銘. DetNet電子雷管產(chǎn)品評介[J].煤礦爆破, 2007(3):32-35. GAO Ming.Comment on DetNet electron detonator product[J]. Coal Mine Blasting, 2007(3):32-35.

[13] 丁銀銀,白采玉,張持健. 基于單片機的多功能密碼輸入器的設(shè)計[J].河北工業(yè)科技,2012, 29(3): 167-169. DING Yinyin, BAI Caiyu, ZHANG Chijian. Design of multi-functional password input set based on STC89C52 microchip[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2012,29(3): 167-169.

[14] 周貴松, 江小波，向華仙，等. I-Kon電子起爆系統(tǒng)在三峽RCC圍堰爆破拆除中的應(yīng)用[J]. 爆破器材,2009,36(6):23-26. ZHOU Guisong, JIANG Xiaobo，XIANG Huaxian,et al.Application of I-Kon electronic blasting system in the demolition of sanxia three gorges RCC cofferdam[J]. Explosive Materials, 2009,36(6):23-26.

Application research of a kind of electronic detonators

PANG Zhifeng, WANG Xiaojing, WANG Qian, ZHENG Jieliang

(School of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018， China)

Currently, the technology of electronic detonators in China is still in the developing stage. The electronic detonators are successfully developed in some provinces, but because of the higher price and the limited networking capability, the use of it is not popular. An electronic detonator and the detonating control system is designed in this paper. The problems of experiments in medicated head are analyzed and the ability of network is improved. The trials of electronic detonators are introduced in Xing-Fen highway construction blasting and Hebei Iron and Steel Group's iron mine blasting. Field trials show that the comprehensive cost in using electronic detonators for blasting is lower than the traditional detonators or nonel detonators, which proves the feasibility of using electronic detonators to replace traditional detonators or nonel detonators in blasting engineering projects.

blasting engineering; electronic detonators; feasibility

1008-1534(2014)04-0332-05

2013-10-31;

2013-12-20；責任編輯：陳書欣

龐志鋒(1959-)，男，河北平泉人，教授，主要從事計算機控制技術(shù)方面的研究。

E-mail：pang_zhf@hebust.edu.cn

U416；TN492

A

10.7535/hbgykj.2014yx0413

龐志鋒，王曉靜，王 倩,等. 一種電子雷管的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)科技，2014，31(4)：332-336.

PANG Zhifeng, WANG Xiaojing, WANG Qian,et al.Application research of a kind of electronic detonators[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2014，31(4)：332-336.