新型延時(shí)起爆控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

高文樂(lè)，羅衍濤，周奧博，代緒慧，楊 磊

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島，266590；2.成都天博威科技有限公司，四川 成都，610000）

?

新型延時(shí)起爆控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

高文樂(lè)1，羅衍濤1，周奧博1，代緒慧2，楊 磊1

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島，266590；2.成都天博威科技有限公司，四川 成都，610000）

摘 要：介紹了一種新型數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)起爆控制系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和性能，測(cè)試了系統(tǒng)的延時(shí)精度及組網(wǎng)能力。結(jié)果表明：該系統(tǒng)安全可靠、延期精度高、延期時(shí)間可自由調(diào)整，在未來(lái)大規(guī)模、高水平的工程爆破中具有應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼電子雷管；瞬發(fā)雷管；延期時(shí)間；控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，爆破規(guī)模不斷擴(kuò)大，爆破應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，對(duì)爆破工藝也提出了更嚴(yán)格的要求。電子延期雷管作為一種新型爆破器材，可以任意設(shè)定并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)延期發(fā)火時(shí)間，其本質(zhì)是采用電子芯片取代普通電雷管中的化學(xué)延期藥劑及其起爆系統(tǒng)，具有延期精度高、安全性好、網(wǎng)絡(luò)可檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前世界各民爆器材公司都已擁有自己的電子雷管及其配套起爆系統(tǒng)，同時(shí)電子雷管的延時(shí)精度也都有了很大的提高。例如I-konTM雷管延期時(shí)間小于100ms時(shí)，誤差小于0.1ms；延期時(shí)間大于100ms時(shí)，誤差小于0.1％。2007 年北方邦杰公司成功研發(fā)出隆芯1號(hào)電子雷管，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的具有在線可編程功能的數(shù)碼電子雷管技術(shù)誕生[3-4]。

數(shù)碼電子雷管擁有較高的延時(shí)精度，可以顯著地降低爆破振動(dòng)、提高振動(dòng)頻率，并改善爆堆破碎度提高生產(chǎn)效率[5-6]。但由于電子雷管的價(jià)格較高，發(fā)展中國(guó)家的承受能力有限，同時(shí)對(duì)電子雷管的認(rèn)同還未達(dá)到一定程度，使其應(yīng)用推廣受到了一定的阻礙。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)仍普遍使用延期藥劑型延時(shí)雷管，其延期時(shí)間受延期藥影響較大。使用中的實(shí)際延期與實(shí)驗(yàn)條件下的延期無(wú)法對(duì)應(yīng)，造成爆破效果不能達(dá)到預(yù)期效果[7]。因此市場(chǎng)急需價(jià)格容易接受，同時(shí)延時(shí)精度較高的替代產(chǎn)品，數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)正是基于我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況應(yīng)運(yùn)而生的。

1　數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)由成都天博威公司研制，該產(chǎn)品主要由3大部分組成：延時(shí)起爆系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)。主要的組成構(gòu)件有：（1）數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)器LDT-100；（2）數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)編程器LDP-100；（3）數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)主控制器LDC-100；（4）數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)集線器LDH-100。系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)連接時(shí)，延時(shí)器與瞬發(fā)電雷管一一對(duì)應(yīng)（兩者組合相當(dāng)于電子雷管），延時(shí)器內(nèi)置有儲(chǔ)能元件，避免起爆過(guò)程中“斷線”等意外事件對(duì)爆破網(wǎng)絡(luò)的影響。主控制器負(fù)責(zé)為起爆網(wǎng)絡(luò)充電，為保證產(chǎn)品的安全性，在整個(gè)組網(wǎng)的過(guò)程中均采用低電壓小電流供電，組網(wǎng)完成后接入檢測(cè)控制系統(tǒng)檢測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否工作正常，在確認(rèn)所有的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有問(wèn)題后即可以充電控制起爆，并且數(shù)碼起爆器必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的操作時(shí)序邏輯才能實(shí)施起爆，從而確保使用安全?？偟脑硪?jiàn)圖1，系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖1　數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of digital network delay control system

圖2　數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖Fig.2 Diagram of digital network delay control system

1.2編程系統(tǒng)

施工時(shí)，數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)器可以隨意選擇安裝，無(wú)需對(duì)應(yīng)編號(hào)。安裝完后通過(guò)數(shù)碼編程器現(xiàn)場(chǎng)編程為延時(shí)起爆器設(shè)定預(yù)先規(guī)劃好的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合需要調(diào)整不同的延時(shí)間隔，然后將組網(wǎng)信息上傳到數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)主控制器。以便爆破按預(yù)期的起爆次序進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)特定的爆破效果。特殊場(chǎng)合亦可通過(guò)在線編程控制從而減少出渣量或混凝土襯砌，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3檢測(cè)起爆控制系統(tǒng)

數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)主控制器能夠在線檢測(cè)連入起爆網(wǎng)絡(luò)的數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)器的編碼類(lèi)型及數(shù)量，并發(fā)送設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)到所有的節(jié)點(diǎn)“OK”后即可發(fā)送充電命令給每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能充電，當(dāng)儲(chǔ)能結(jié)束后自動(dòng)掃描每個(gè)節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能狀態(tài)，檢測(cè)正常后啟動(dòng)引爆完成起爆過(guò)程。若檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有誤差，可自動(dòng)檢查并列出出現(xiàn)故障的孔位編號(hào)，方便排除故障。

1.4延時(shí)起爆系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)編程器與起爆控制器發(fā)送的延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)，控制器首先發(fā)送儲(chǔ)能信號(hào)給該系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能，儲(chǔ)能結(jié)束后控制器發(fā)送起爆命令，起爆器在接收到命令后開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)時(shí)間結(jié)束后激發(fā)雷管起爆電路引爆雷管。該延時(shí)起爆系統(tǒng)均是獨(dú)立狀態(tài)的，延時(shí)起爆節(jié)點(diǎn)一旦接收到起爆命令即可獨(dú)立工作，避免連接線被斷開(kāi)而影響延時(shí)。

2　數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1主要試驗(yàn)儀器

（1）毫秒雷管測(cè)試儀 LGS-2A；（2）CHB-2000型電阻測(cè)試儀；（3）煤礦許用瞬發(fā)電雷管（山東圣世達(dá)化工有限責(zé)任公司）

2.2試驗(yàn)方法

利用起爆系統(tǒng)分別起爆點(diǎn)火頭（每組20發(fā)）、雷管點(diǎn)火頭及雷管（每組10發(fā)），用毫秒雷管測(cè)試儀測(cè)定不同電流強(qiáng)度下的作用時(shí)間，利用賦值后的產(chǎn)品連接點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭及雷管，測(cè)出點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭及雷管總的延期時(shí)間，扣除點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭及雷管的作用時(shí)間，近似得出產(chǎn)品的延時(shí)精度。最后利用起爆系統(tǒng)起爆組網(wǎng)狀態(tài)的雷管，驗(yàn)證起爆系統(tǒng)的組網(wǎng)能力。

2.3點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭及雷管的作用時(shí)間測(cè)定

電雷管的作用時(shí)間主要分為兩部分：（1）點(diǎn)燃時(shí)間：通電開(kāi)始到點(diǎn)火頭發(fā)火的作用時(shí)間；（2）傳導(dǎo)時(shí)間：點(diǎn)火頭點(diǎn)燃到雷管爆炸的時(shí)間。在試驗(yàn)中應(yīng)盡量控制由于雷管自身質(zhì)量帶來(lái)的誤差，以便更好地分析延時(shí)系統(tǒng)自身的精確度，因此雷管中電點(diǎn)火元件的質(zhì)量對(duì)于雷管質(zhì)量至關(guān)重要。

電點(diǎn)火頭有兩種結(jié)構(gòu)：彈性結(jié)構(gòu)及剛性結(jié)構(gòu)。相對(duì)于彈性藥頭，剛性藥頭具有明顯的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)：由于電點(diǎn)火藥頭增加了獨(dú)立的藥頭元件，極距固定，橋絲一致性好，電點(diǎn)火頭藥頭部位機(jī)械剛度大，裝配過(guò)程中不會(huì)造成點(diǎn)火頭的位移或開(kāi)裂，能夠保證藥頭的可靠發(fā)火，并且電學(xué)性能好[8]。因此試驗(yàn)中的點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭、雷管均采用性能一致性好的剛性藥頭結(jié)構(gòu)?；咀饔脮r(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1～3，作用時(shí)間與電流的關(guān)系如圖3～5所示。

表1　不同發(fā)火電流下點(diǎn)火頭作用時(shí)間Tab.1 Function time of igniter under different firing current

表2　不同發(fā)火電流下雷管點(diǎn)火頭作用時(shí)間Tab.2 Function time of detonator igniter under different firing current

表3　不同發(fā)火電流下雷管作用時(shí)間Tab.3 Function time of detonator under different firing current

由以上試驗(yàn)可以看出當(dāng)電流強(qiáng)度大于3A時(shí)，點(diǎn)火頭、雷管點(diǎn)火頭及雷管作用時(shí)間趨于穩(wěn)定。取此時(shí)的作用時(shí)間作為基本作用時(shí)間，以便進(jìn)行延時(shí)控制系統(tǒng)延時(shí)精度的測(cè)算。實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火頭較雷管作用時(shí)間有1.1ms的差別，這主要是雷管裝藥反應(yīng)時(shí)間。

圖3　不同發(fā)火電流下點(diǎn)火頭作用時(shí)間Fig.3 Function time curve of igniter under different firing current

圖4　不同發(fā)火電流下雷管點(diǎn)火頭作用時(shí)間Fig.4 Function time of igniter of detonator under different firing current

圖5　不同發(fā)火電流下雷管反應(yīng)時(shí)間Fig.5 Function time of detonator under different firing current

2.4延時(shí)控制系統(tǒng)的延時(shí)精度測(cè)定

該數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)系統(tǒng)起爆雷管的電源由數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)器LDT-100提供，其內(nèi)含電容要保證足夠的能量起爆瞬發(fā)雷管。因此其內(nèi)電容的輸出沖能K應(yīng)大于最鈍感電雷管發(fā)火沖能。電容的輸出沖能為：

要求有：

式（1）～（2）中：U0為電容器最大輸出電壓；C為電容器主電容；R為爆破網(wǎng)絡(luò)的總電阻；Ksmax為最鈍感電雷管發(fā)火沖能。經(jīng)過(guò)計(jì)算數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)器LDT-100內(nèi)的電容為470μ F，放電初始電壓為18V，雷管電阻為3?時(shí)，延時(shí)器1ms 內(nèi)輸出的發(fā)火沖能為19.23A2·ms。遠(yuǎn)大于GB 8031-2005[9]要求的普通雷管發(fā)火沖能上限7.9 A2·ms，完全可以排除雷管不被起爆的可能。利用數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)單個(gè)點(diǎn)火頭和雷管進(jìn)行延時(shí)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證系統(tǒng)延時(shí)的精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4～6所示。

表4　點(diǎn)火頭延時(shí)精度Tab.4 Delay precision of igniter

表5　雷管點(diǎn)火頭延時(shí)精度Tab.5 Delay precision of igniter of detonator

表6　雷管延時(shí)精度Tab.6 Delay precision of detonator

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)在雷管爆破時(shí)延期時(shí)間是很精確的，精確度很大程度上取決于瞬發(fā)電雷管自身的質(zhì)量。與國(guó)內(nèi)普通使用的導(dǎo)爆管延期雷管相比，延時(shí)精度得到了很大的提高。

2.5延時(shí)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)能力測(cè)定

在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了4組雷管起爆測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的可編程延期范圍達(dá)到0～5 940ms，延期時(shí)間步進(jìn)最大99ms，最小10ms。編程增量可以根據(jù)工程需要在線設(shè)定，雷管延期時(shí)間長(zhǎng)且誤差小。

表7　雷管組網(wǎng)測(cè)試Tab.7 Networking test of detonator

3　結(jié)論

（1）相比于國(guó)內(nèi)普遍使用的延期藥延期雷管，數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)系統(tǒng)延時(shí)精度有很大的提高，對(duì)于礦山工程和非重要級(jí)的拆除爆破實(shí)用性強(qiáng)。（2）該系統(tǒng)的延時(shí)精度很大程度上依賴(lài)于瞬發(fā)電雷管的精度，建議使用精度高、一致性好的瞬發(fā)電雷管，以便更好地使用該延時(shí)系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)采用延時(shí)器和電雷管分體式設(shè)計(jì)的方式，可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合需要選配不同特性的電雷管，采用冗余設(shè)計(jì)，兼容各種特性的常規(guī)電雷管。（4）數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制系統(tǒng)相對(duì)于目前使用的電子雷管，其性?xún)r(jià)比更高，優(yōu)越性更明顯，最終價(jià)格有望控制在20元左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅月,劉鋒,顏事龍.基于AVR單片機(jī)的電子延期雷管設(shè)計(jì)[J].火工品,2012(2):44-46.

[2]顏景龍.中國(guó)電子雷管技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)工程科學(xué),2015,17(1):36-41.

[3]劉星,徐棟,顏景龍.I-Kon電子起爆系統(tǒng)[J].火工品,2004(4):45-48.

[4]張樂(lè),顏景龍,李風(fēng)國(guó),姚浩輝.隆芯1號(hào)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):73-76.

[5]唐躍,曹躍,羅明榮,鄔艷禮.高精度數(shù)碼雷管在爆破施工降振中的應(yīng)用[J].爆破,2011,28(1):107-109.

[6]鄭瑞.基于單片機(jī)電子延時(shí)雷管起爆系統(tǒng)研究[D].成都:西華大學(xué),2014.

[7]王鵬.可編程電子延期雷管研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[8]王文斌.電子雷管用電引火元件研究[D].安徽:安徽理工大學(xué),2015.

[9]GB 8031-2005工業(yè)電雷管[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

Application of A New Delay Detonating Control System

GAO Wen-le1,LUO Yan-tao1,ZHOU Ao-bo1,DAI Xu-hui2,YANG Lei1
（1.Department of Civil and Architecture Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,266590；2.Chengdu Tianbowei Technology Co.Ltd.,Chengdu,610000)

Abstract：In this paper,a new digital delay detonating control system was introduced.The overall structure and properties of the system were expatiated.Meanwhile,the delay precision and network capability were tested.Results show that this system has the characteristics of reliable safety,higher delay precision and adjustable delay time.This system will have application prospect in large-scale,high level of engineering blasting.

Key words：Digital electronic detonator；Instantaneous detonator；Delay time；Control system

作者簡(jiǎn)介：高文樂(lè)（1966 -），男，教授，主要從事巖土力學(xué)和爆破安全技術(shù)研究。

收稿日期：2015-09-29

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ45+2.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0033-04