電子雷管及其起爆系統(tǒng)安全性分析

張柏林 高寧 劉海波

摘要：本文以JM-2 電子雷管及其起爆系統(tǒng)為例，介紹了電子雷管的發(fā)展過程及國內(nèi)推廣應(yīng)用情況，分析了電子雷管的工作原理和結(jié)構(gòu)，電子雷管及其起爆系統(tǒng)的精確延時、在線檢測、抗干擾性能、降低爆破振動，提高爆破效率及社會安全性等性能，并通過實驗數(shù)據(jù)對電子雷管的各項性能進(jìn)行了對比分析。JM-2電子雷管及其起爆系統(tǒng)不僅提高了爆破器材的本質(zhì)安全，而且電子雷管的密碼控制、專用起爆器起爆區(qū)域控制以及北斗定位等技術(shù)對于爆破器材安全監(jiān)管和爆破作業(yè)的安全管理都是強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，所以加快電子雷管技術(shù)的推廣應(yīng)用，對于創(chuàng)新爆破器材安全管理模式，提升爆破器材安全監(jiān)管能力，減少和消除流失社會的爆破器材被不法分子利用的可能性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電子雷管;起爆系統(tǒng);安全性能;爆破振動;社會安全性

一、電子雷管發(fā)展簡介

電子雷管是指在雷管內(nèi)植入電子智能芯片，采用集成芯片控制技術(shù)、加密技術(shù)以及電子延期技術(shù)，實現(xiàn)了抗靜電、射頻、雜散電流及網(wǎng)絡(luò)編程、檢測、校準(zhǔn)等功能，并由專用起爆器實現(xiàn)控制起爆的新型雷管。電子雷管是新型高智能、高安全的雷管起爆技術(shù)，是先進(jìn)的爆破控制技術(shù)、電子延時技術(shù)與傳統(tǒng)火工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是工程爆破行業(yè)的一項技術(shù)革命，它使爆破器材產(chǎn)業(yè)和工程爆破行業(yè)一舉邁入數(shù)字化新時代。

國外電子雷管技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代初，20世紀(jì)80年代末，電子雷管產(chǎn)品開始進(jìn)入起爆器材市場，但總體上仍處于技術(shù)與產(chǎn)品研究開發(fā)和應(yīng)用試驗階段。20世紀(jì)90年代，電子雷管及其起爆系統(tǒng)取得了快速發(fā)展，電子雷管技術(shù)逐步趨于成熟，并處于爆破工程實用化階段[1]。直到21世紀(jì)初才得以規(guī)?；膽?yīng)用。2006年6月6日，舉世矚目的三峽工程三期混凝土圍堰進(jìn)行爆破拆除，采用的是澳大利亞Orica公司生產(chǎn)的i-Kon牌電子雷管起爆，是國內(nèi)較有規(guī)模的應(yīng)用電子雷管的工程實例之一[2]。

國內(nèi)電子雷管的研究起步較早，冶金部安全環(huán)保研究院于1985年開始研制電子延時超高精度雷管，通過與上海元件五廠及云南燃料一廠合作，于198年完成我國第 1 代電子雷管的研發(fā)[3]。

目前，國外的數(shù)碼電子雷管主要有波蘭eDET公司生產(chǎn)的eDET電子雷管、奧瑞凱公司的i-Kon型電子雷管、奧斯丁公司的E*Star型電子雷管以及諾貝爾公司的Smartshot型電子雷管和Digishot型電子雷管[1].其中，在三峽三期碾壓混凝土圍堰拆除爆破工程中，為了滿足對爆破器材抗水、抗壓、延期時間及精度的控制要求，就應(yīng)用了i-kon數(shù)碼雷管進(jìn)行起爆，收到了較好的爆破效果[2]。

由于電子雷管在技術(shù)指標(biāo)、安全指標(biāo)方面的突出優(yōu)勢，公安部和工信部于2018年開始大力推廣電子雷管，2020年全國電子雷管使用量已經(jīng)達(dá)到1.2億發(fā)，民爆行業(yè)各單位對電子雷管紛紛進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn)和聯(lián)合開發(fā)工作，到2020年6月，國內(nèi)共有二十多家家企業(yè)投入研制和推廣使用，通過市場情況反饋，上述企業(yè)中以無錫盛景、融硅思創(chuàng)、太原新欣三家企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)比較成熟。本文就以天津宏泰華凱科技有限公司生產(chǎn)的的JM-2電子雷管為例，對電子雷管及其起爆系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹，并對其安全性能進(jìn)行分析。

二、JM-2電子雷管工作原理

1、JM-2電子雷管構(gòu)造

JM-2電子雷管與普通電雷管的外形、尺寸差別不大，其本質(zhì)區(qū)別在于采用了集成電子芯片替代了普通電雷管的延時藥和電點火元件，其延時范圍為在0～16000ms，可以在此范圍內(nèi)任意設(shè)定，絕對誤差小于1ms。JM-2電子雷管的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示

2、JM-2電子雷管起爆系統(tǒng)

JM-2電子雷管起爆系統(tǒng)，主要由JM-2電子雷管、專用起爆器等設(shè)備組成。起爆系統(tǒng)采用雙線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個起爆器可以并聯(lián)連接500發(fā)JM-2電子雷管，構(gòu)成一個爆破網(wǎng)路，一臺起爆器可以聯(lián)動組網(wǎng)連接多臺起爆器，形成具有多條爆破支網(wǎng)路的電子雷管起爆系統(tǒng)，通過操作一臺起爆器同時控制多個起爆器同時聯(lián)動起爆全部電子雷管。

首先，起爆器通過掃碼或者在線注冊，把雷管注冊到起爆器并從全國電子雷管密碼中心下載密碼進(jìn)行授權(quán)，然后技術(shù)人員按照爆破設(shè)計要求，通過起爆器來設(shè)定雷管的延期時間，起爆器讀取爆破網(wǎng)絡(luò)中的雷管數(shù)據(jù)，經(jīng)檢查無誤后，即可觸發(fā)整個爆破網(wǎng)絡(luò)。通過起爆器可以實現(xiàn)對數(shù)碼電子雷管進(jìn)行起爆控制，也可以檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的雷管數(shù)量、延期時間，可以檢測電子雷管的連接狀態(tài)、連接可靠性等，實現(xiàn)安全可靠起爆。

三、安全可靠性分析

電子雷管除了通過精確的控制起爆時間，達(dá)到優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，節(jié)約爆破成本，提高工作效率之外，在安全可靠性方面，它更可以通過精確延時，利用地震波疊加減震的原理，大大降低爆破振動效應(yīng)，減少爆破對周圍構(gòu)筑物的影響。此外，它的在線檢測、在線編程技術(shù)也在很大程度提高了爆破網(wǎng)路檢測、故障排除的準(zhǔn)確性。

1、精確延時

普通的電延期雷管或者導(dǎo)爆管雷管主要靠內(nèi)部的化學(xué)延期體來控制延期時間，因此存在較大的誤差，在名義延時1000ms時間段的誤差約為±100ms，因此普通延期雷管在延期時間上需做段別劃分，但即使做了段別劃分，但是化學(xué)延期體自身特點（延期藥由氧化劑和還原劑組成，兩者混合后會有緩慢的化學(xué)反應(yīng)存在，隨著儲存時間的增長，化學(xué)延期體的延期時間會變長）以及制造工藝的差異，仍然會發(fā)生竄段現(xiàn)象（所謂竄段是指標(biāo)稱延期時間長的延期雷管先于標(biāo)稱延期時間短的雷管先起爆），因此在實際使用時受到了很大的限制;而電子雷管的延期范圍較大，在同時間段的誤差較普通延期雷管大大降低。JM-2電子雷管的延期范圍為0～16000ms，最小延期設(shè)定間隔為1ms，可在此范圍內(nèi)任意設(shè)定延期時間，無需分段，可輕易實現(xiàn)逐孔微差精確控制爆破。

此外，JM-2電子雷管可以實現(xiàn)延期時間的任意設(shè)定，可以在出廠前根據(jù)用戶的要求進(jìn)行延期時間設(shè)定，也可以在爆破現(xiàn)場單發(fā)進(jìn)行延期時間設(shè)定，也可以在爆破網(wǎng)絡(luò)連接完成后進(jìn)行現(xiàn)場編程。JM-2電子雷管延期時間設(shè)定后掉電不會消失。

2、在線檢測

在工程爆破中，目前一般采用電雷管或者導(dǎo)爆管雷管引爆炸藥，產(chǎn)生雷管拒爆現(xiàn)象的概率很大，這主要是因為傳統(tǒng)雷管的起爆網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生漏接、斷路或連接錯誤等，雷管拒爆會影響工程爆破的質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致整個爆破的失敗，甚至引發(fā)安全事故。因此在起爆之前，對爆破網(wǎng)路進(jìn)行連接檢查是預(yù)防盲炮的有效措施，但由于普通非電延期雷管在連網(wǎng)完成后只能人工檢查，會浪費大量的時間，且難免會發(fā)生遺漏。普通電延期雷管也只能用儀器做簡單的通斷檢測，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)連接中，也無法逐一進(jìn)行通斷檢測來判斷連接是否可靠。為了提高起爆系統(tǒng)的可靠性，JM-2電子雷管具備在線檢測技術(shù)。首先在雷管連接起爆器進(jìn)行注冊時，如果起爆器順利讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行正常在線識別和注冊登記，則表明該雷管可以實現(xiàn)組網(wǎng)通信和可靠起爆，反之，則說明雷管性能存在問題，無法正常使用，只需檢查該發(fā)雷管的連接情況或者替換該雷管。其次，起爆器通過起爆網(wǎng)絡(luò)也可以實現(xiàn)在線檢測，在爆破網(wǎng)絡(luò)連接完成后，由起爆器通過與每發(fā)雷管進(jìn)行通訊，檢測每發(fā)雷管的工作性能及爆破網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，避免網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，大大提高起爆系統(tǒng)的可靠性。

3、抗干擾性能

傳統(tǒng)電雷管容易受到雜散電流、靜電、雷電、射頻輻射的作用而發(fā)生意外早爆。對于爆破現(xiàn)場的操作和檢查也相當(dāng)繁雜，裝藥包之前必須切斷一定范圍內(nèi)的所有電源等等。JM-2電子雷管的控制原理如圖 2 所示. 雷管采用供電線與通信線復(fù)合使用的方式，采用儲能電容 C1 和 C2 分別儲存控制芯片工作、點火藥頭所需能量，保證在爆破過程中，即使供電線路由于某些原因出現(xiàn)故障，仍可以按照設(shè)定的延期時間完成爆破。此外，采用電子開關(guān) SW1 控制對起爆電容的充電，使其只有在起爆準(zhǔn)備工作（連接、檢測、延期時間設(shè)定等）完成后，才處于待起爆狀態(tài)，這就是電子雷管的電路隔離作用，它使得一般的靜電干擾、系統(tǒng)雜散電流，甚至采用一般直流電源或工頻為220V/50Hz交流電，均不能直接作用于電子雷管的點火元件。SW2在緊急情況下可放掉C2上的電能，以確保安全，SW3控制點火頭的點火。

4、降低爆破振動，提高爆破效率

工程爆破中以爆破振動為主要的危害因素，而微差爆破技術(shù)是當(dāng)前降低爆破振動的主要手段。所謂微差爆破，也叫微差控制爆破，國際上慣稱為毫秒延期爆破，是指在爆破施工中采用一種特制的毫秒延期雷管，以毫秒級時差順序起爆各個（組）藥包的爆破技術(shù)，形成分段震波，由于震波在傳播過程中存在一定的相位差，可以實現(xiàn)波的干擾和疊加，使干擾后震波的振動幅值減小，振動效應(yīng)也就大為減弱。因此，如何確保雷管按照已設(shè)定的延期時間進(jìn)行起爆就成了降低爆破振動的重要研究內(nèi)容。普通延時雷管存在較大的誤差，會嚴(yán)重影響微差控制爆破的降振效果。根據(jù)上述對 JM-2 電子雷管精確延期功能的描述可以得知，它的延期范圍及精確度較傳統(tǒng)延期雷管有質(zhì)的提高，對于利用微差控制爆破時的延期時間也有很好的保障作用。

天津市薊州區(qū)天璽佳苑小區(qū)爆破項目在前期一直使用導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行爆破作業(yè)，因離最近的小區(qū)只有200米，爆破產(chǎn)生的振動給周邊的房屋造成了一定的損害，同時爆破中產(chǎn)生的飛石給附近居民帶來了安全風(fēng)險。為了解決爆破振動過大和飛石的問題，于2020年年初開始陸續(xù)在該項目上使用電子雷管進(jìn)行爆破。根據(jù)現(xiàn)場實際情況盡量減少爆破振動和飛石，并確保爆破效果的前提下確定了電子雷管爆破網(wǎng)絡(luò)的延期時間，并與導(dǎo)爆管雷管爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比，達(dá)到了預(yù)期目的，取得了許多有價值的數(shù)據(jù)。圖3和圖4為現(xiàn)場爆破效果照片。

圖3為2020年5月在天津市薊州區(qū)天璽佳苑小區(qū)爆破項目進(jìn)行電子雷管爆破（97孔97發(fā)），爆堆松散。

圖4紅線左側(cè)為導(dǎo)爆管雷管爆破區(qū)，爆堆低，松散性差;紅線右側(cè) 為電子雷管爆破區(qū)，爆堆高，松散性好，大塊率低。

2020年5月在天津市薊州區(qū)天璽佳苑小區(qū)爆破項目進(jìn)行了電子雷管爆破，并進(jìn)行了振動測試。爆破方案為：炮孔直徑：100mm， 孔數(shù)：20個，孔網(wǎng)參數(shù)：6m×4.5m;孔深12.5m;逐孔起爆，單段最大起爆藥量45kg;總裝藥量900公斤，測振結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，電子雷管逐孔微差爆破網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計合理的情況下，在同等情況下，振動明顯小于采用普通延期雷管爆破網(wǎng)絡(luò)。另外根據(jù)唐躍[5]等人在高精度數(shù)碼雷管在爆破施工降振中的應(yīng)用的研究，對普通導(dǎo)爆管雷管和電子雷管在爆破施工中的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，結(jié)果表明采用電子雷管時的爆破振動強(qiáng)度明顯小于采用普通雷管;根據(jù)方桂富[6]等人對城鎮(zhèn)爆破電子雷管延時優(yōu)選工程實踐的研究，電子雷管的使用有效降低了爆破振動，僅為采用導(dǎo)爆管雷管起爆的 40%。這些研究成果表明電子雷管在微差控制爆破方面具有很大的推廣價值與應(yīng)用前景。

5、社會安全性

JM-2電子雷管嚴(yán)格按照公安部《工業(yè)電子雷管信息管理通則》（GA1531-2018）的總體控制原則設(shè)計，每發(fā)在生產(chǎn)時都有自己唯一的UID 碼、WID碼，雷管一旦發(fā)生流失，公安機(jī)關(guān)可通過管殼碼或者 UID 碼追溯雷管來源。

傳統(tǒng)的電雷管只要兩節(jié)電池便可以輕易引爆，而JM-2電子雷管則有抗非法起爆的功能。有相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)購買電子雷管后，需要按照《工業(yè)電子雷管信息管理通則》（GA1531-2018）的相關(guān)要求，只有當(dāng)起爆器下載正確的密碼后與電子雷管內(nèi)的密碼進(jìn)行比對成功后，爆破員才能通過起爆器引爆網(wǎng)絡(luò)。

JM-2電子雷管的芯片以及配套使用的起爆系統(tǒng)具有嚴(yán)密的安全管控機(jī)制。在起爆密碼不正確、電子雷管與專用起爆器不匹配等情況下，通過安全管控機(jī)制技術(shù)，可以確保電子雷管無法被起爆。在起爆器上內(nèi)置北斗定位系統(tǒng)，起爆器所處的位置、引爆時間、操作人員等數(shù)據(jù)，通過三碼綁定系統(tǒng)可以完成正常的數(shù)據(jù)記錄和授權(quán)，尤其是在禁爆區(qū)，即使下載了正確的起爆密碼，起爆器將自動鎖死，無法起爆電子雷管。

JM-2電子雷管及其起爆系統(tǒng)是通過技術(shù)革新提高爆破器材的本質(zhì)安全，其使用的安全性得到大幅度提高，即使不法分子獲取到電子雷管，也會因技術(shù)所限無法起爆，從而使流失社會的爆破器材被不法分子成功利用的可能性大大降低。電子雷管的高安全性、高可靠性，給電子雷管的安全監(jiān)管工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

四、結(jié)論

經(jīng)過上述論述對 JM-2 電子雷管及其起爆系統(tǒng)的精確延時、在線檢測、抗干擾性能、降低爆破振動，提高爆破效率及社會安全性等功能進(jìn)行 分析，得出如下結(jié)論：

（1）延時精度高，延時時間可調(diào)，便于根據(jù)現(xiàn)場鉆孔和地質(zhì)條件優(yōu)化起爆時差。利用逐孔起爆和精確延時降低爆破振動;

（2）起爆網(wǎng)路爆破前可測，可以查出具體每發(fā)雷管的狀態(tài)，增大了起爆的可靠性;

（3）可以提高炸藥能量利用率，降低大塊率，爆堆集中且更松散，便于挖運;

（4）相比普通雷管，可以通過逐孔毫秒微差爆破，大幅降低爆破振動，從而增加同次爆破規(guī)模，提高爆破效率，降低爆破成本。

（5）JM-2電子雷管及其起爆系統(tǒng)及不僅提高了爆破器材的本質(zhì)安全，而且電子雷管的密碼控制、專用起爆器起爆區(qū)域控制以及北斗定位等技術(shù)對于爆破器材安全監(jiān)管和爆破作業(yè)的安全管理都是強(qiáng)有力的 技術(shù)支撐，所以加快電子雷管技術(shù)的推廣應(yīng)用，對于創(chuàng)新爆破器材安全管理模式，提升爆破器材安全監(jiān)管能力，減少和消除流失社會的爆 破器材被不法分子利用的可能性具有重要意義。

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