一种电子雷管的应用研究

庞志锋，王晓静，王 倩，郑杰良

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018)

一种电子雷管的应用研究

庞志锋，王晓静，王 倩，郑杰良

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018)

中国国内电子雷管技术还处于研发阶段，有些省份已经成功研制出电子雷管产品，但由于其价格较高、组网能力有限使用较少。介绍了一种自主研发的电子雷管及其起爆系统，分析了在药头点火试验中遇到的问题，提高了组网能力；介绍了电子雷管在邢汾高速公路施工爆破和河北钢铁集团公司铁矿爆破中的试用情况，通过现场试用得出了使用电子雷管进行工程爆破综合成本并不高于传统电雷管或导爆管雷管的结论，证明了该电子雷管取代传统电雷管或导爆管雷管在爆破工程中大力推广的可行性。

爆破工程；电子雷管；可行性

随着新型爆破技术电子雷管的发展，中国国内的爆破工程中开始小规模使用电子雷管进行爆破[1]。在一次次成功的爆破中，越来越多的爆破专家看到了电子雷管的优点，该电子雷管具有以下优点。

1)延时时间精确[2]。该电子雷管在名义延时1 s内的误差约0.2 ms,在名义延时1 s间的误差约为±3 ms ，而传统电雷管或导爆管雷管在同段的延时误差约±100 ms。该电子雷管名义延时越高误差变化不大，而传统电雷管或导爆管雷管名义延时越高误差越大[3]。

2)不受段别限制。该电子雷管能现场编程，按需要灵活设置时间，能逐孔微差精确控制爆破，不发生窜段现象。传统电雷管或导爆管雷管需要通过段别划分来确定延时时间，且有窜段现象发生[4]。

3)良好的联网可检测性。起爆器可对联网内电子雷管的信息进行扫描，实时检测网络中每一发电子雷管的延时时间、工作状态等，确保可靠起爆。传统电雷管或导爆管雷管只能人工检查或用仪器做简单的通断检测，在大规模网络连接中检测可靠性低[5]。

4)极高的安全性。该电子雷管采用随机数通信，只有使用专用起爆器，输入正确的起爆密码才能起爆。静电、雷电、杂散电流、射频、直流电、交流电甚至220 V工频电不会且不能起爆电子雷管。传统电雷管或导爆管雷管极易被起爆，容易被不法分子非法利用，危害社会安全。

5)自毁功能。对电子雷管通以大电流，电子芯片即自行烧毁，之后再通以任何形式或大小的电流均不能起爆，从而减小了被犯罪分子非法利用进行作案的机会。

正是由于这些优点，该电子雷管已在炸矿炸山、修筑公路等爆破领域使用，并将在楼房拆除、挖掘隧道、煤矿井下等领域得到进一步推广。

1 电子雷管系统

1.1电子雷管设计

该电子雷管是完全自主研制的，其结构如图1所示。电子雷管的外部包括聚能穴、钢管外壳、橡胶塞、两条脚线、连接卡子(连接块)，其钢管壳内装有起爆药和控制电路板，其中控制电路是整个电子雷管的核心，芯片控制着电子雷管的工作，2个储能元件分别提供芯片工作的能量和起爆能量。桥丝和点火药作为电引火元件，通过桥丝瞬间发热点燃点火药进而起爆电子雷管。

图1 电子雷管结构图Fig.1 Structure of electronic detonators

电子雷管控制电路原理功能框图如图2所示，其包括输入保护、全桥整流、MOS开关、DC-DC、接收电路、发送电路、RC振荡器、数字逻辑控制电路、密码存储电路等。电子雷管控制电路输入端有保护装置，可以高度可靠地保护雷管不被杂散电流、过载电压、静电射频等电磁辐射的干扰；具有全桥整流电路，防止脚线反接；MOS开关用于控制桥丝上的电压通断；DC-DC用于将输入的直流电压变为逻辑电路可用的电压；接收电路将直流电上传输的数字信号检测出来，进而传给逻辑电路；RC振荡器用于提供逻辑电路正常工作的时钟；数字逻辑控制电路根据接收到的信息，进而相应的动作，如打开MOS开关等；密码存储电路用于存储起爆密码，防止被非法使用。

图2 功能框图Fig.2 Functional block diagram

数字逻辑电路根据接收到的指令主要完成的功能：充电、安全放电、快速放电、起爆储能电容高低压检测、电子雷管序列码反馈、EEPROM编程等。

数字逻辑电路处理的主要指令包括充电、安全放电、起爆(快速放电)、电压检测、序列码读取、序列码设置、延时时间设置、延时时间读取、起爆密码设置、起爆密码读取等。电子雷管工作时，数字逻辑电路处理指令的流程图如图3所示。

图3 指令流程图Fig.3 Flow chart of instruction

1.2电子雷管起爆系统

电子雷管的起爆系统包括电子雷管、编码器和起爆器[6]。编码器是电子雷管与起爆器沟通的桥梁，其主要起“翻译”作用，即将起爆器发送指令的串行通信协议码“翻译”成雷管可以识别的曼彻斯特码,再将雷管反馈的信息“翻译”成起爆器可以识别的码，编码器与电子雷管的连接采用单总线结构，即总线只有一根双绞线，供电线和通信线复用方式。起爆器通过编码器与电子雷管连接，如图4所示，各编码器之间并联，各发电子雷管之间也是并联的。起爆器被数码锁保护，只有经过授权的人员才能使用[7]。起爆器控制整个爆破网络的编程和起爆，从每发电子雷管芯片上读取整个网络中的电子雷管数据，然后实时检测整个起爆网络中每发电子雷管的工作状态。只有当整个起爆网络中每一发电子雷管的延时时间、起爆电压等信息正确后，通过起爆器向起爆网络发送正确的起爆密码，才能起爆整个网络上的电子雷管[8-9]，起爆网络如图4所示。

图4 电子雷管起爆网络Fig.4 Detonative network of electronic detonators

2 药头组网试验

电子雷管的一大缺点就是组网带载能力有限[10]。为了克服这一缺点需要进行大量的药头点火试验，理想状态下，一个起爆器可以级联20个编码器，每个编码器可以连接200发雷管，一次爆破可起爆4 000发雷管[11-12]。一个编码器带载200发药头点火试验如图5所示，在此次试验中延时时间0～10 s,每10发一组，分为20组，组与组间时间间隔为0.5 s, 每组10发药头的延时时间相同,图5中按照从右向左的顺序依次起爆。

图5 药头点火试验Fig.5 Experiment of medicated head

在上万发的药头点火试验中，随机取5组试验情况进行分析，统计结果如表1所示。其中单板表示用一个编码器带n发药头，级联表示用m个编码器，每个编码器带n发药头。如第3组表示药头600发，采用6个编码器级联，每个编码器带载100发药头，没有出现芯片虚焊和起爆密码设置错误的情况，有2发药头的卡子与总线接触不好，有1发药头的桥丝断了，有2发药头没有响应起爆指令。

表1 药头组网试验结果

通过分析大量的试验数据，导致药头没有点火的主要原因是控制芯片虚焊、卡子与总线接触不好、起爆密码错误、桥丝断了、没有响应起爆指令等。表1的试验数据表明，出现以上情况的几率很小，而且这些问题有些是可以在起爆之前通过在线检测检测出来的，如果哪一发药头的“芯片虚焊”或者是“卡子与总线接触不好”，那么在线检测时就会出现该药头检测失败的提示。为了防止“起爆密码错误”和”桥丝断了”这两种情况的出现，在组网之前应对每发药头进行检测，读取起爆密码以确保密码的正确性，用万用表或者专用的电阻仪测量桥丝的阻值确保桥丝的接通。“没有响应起爆指令”主要是误码率造成的。解决了导致药头没有点火的问题，可提高电子雷管的带载能力，为后续做雷管爆破试验铺平了道路。

3 爆破试验

为了进一步验证该电子雷管的可靠性，进行了2次大规模的施工现场爆破试验。第1次：酷热的8月在邢汾高速公路施工中进行了4次爆破，共用电子雷管500发，最大组网150发，最小组网56发，孔深小于10 m，炮孔直径90 mm，使用乳化炸药，总共装药量为9.2 t。第2次：寒冷的12月在河北钢铁集团开采铁矿现场进行了9次爆破试验，共用电子雷管500发，最大组网351发，最小组网32发，孔深15～20 m，炮孔直径310 mm，使用铵油炸药，总共装药量为300 t。13次爆破都很成功，达到了预期的爆破效果，下面详细介绍了其中的一次爆破试验。

本次试用施工现场是邢汾高速公路#L10 标段，爆破的目的是使高速两旁笔直的山有一定的坡度。爆破之后的效果是使边坡松动。爆破前的现场如图6所示。施工现场共83个炮孔，炮孔间距2 m×2 m，梅花形布局，炮孔直径90 mm，炮孔深度最浅为1.8 m左右，最深为6 m左右。边坡松动打眼示意图如图7所示。

图6 爆破前Fig.6 Before blasting

图7 边坡松动打眼示意图Fig.7 Slope loose drill diagram

使用83发电子雷管进行组网，分为4组，如图7所示，每一横排为一组，逐孔起爆方式，炮孔之间时间间隔为100 ms，爆破时间从1 000 ms开始到8 200 ms结束。每个炮孔中放1发电子雷管和一定数量的乳化炸药，单个炮孔最大装药量为24 kg,在炮孔中放置雷管以及乳化炸药时，用绳子确认炮孔深度。炮孔里填装上雷管以及乳化炸药后，再用土、碎石等进行填埋。1～45发电子雷管连接在起爆母线1上，46～83发电子雷管连接在起爆母线2上，起爆母线1和起爆母线2连接在警戒线外的起爆主线上。电子雷管的脚线长度为14 m，83发电子雷管共使用脚线1 162 m，子母线共计30 m，主母线大约150 m，使用连接线总长度大约1 342 m，共用乳化炸药1 t。

采用一个编码器带载这83发电子雷管，在一切准备工作做好后，对83发电子雷管进行检测、延时时间设置、延时时间读取、充电、电压检测等操作，均一遍成功，在输入正确的起爆密码后，成功起爆，图8为爆破瞬间。经过起爆后现场分析没有拒爆的雷管，而且爆破效果得到了爆破人员的认可，爆破非常成功。

图8 爆破瞬间Fig.8 Blasting moment

分析这13次的电子雷管试用情况得出结论，电子雷管并不会提高爆破成本，反而会降低爆破成本, 用电子雷管综合费用低于普通电雷管或导爆管雷管，原因有以下3点。

1)传统的电子雷管在爆破过程中一个孔内会放置2发雷管，电子雷管只需1发就能保证百分之百爆破，节省了雷管。

2)电雷管存在着静电、杂散电流，用任意电池就可引爆的缺点。导爆管克服了电雷管的缺点，但最大的缺点是其起爆网络无法在线检测[13]，一孔2发，如果有一发未放，公安部也检测不到，会导致雷管丢失，如果误入不法分子手中会危害社会安全。

3)好的爆破效果一是不留根底[14]，如果是10 m的孔，嘣的就应该是10 m而不是8 m；二是边坡，嘣完后的孔应该是一边完好的。用电子雷管爆破，由于其秒量精确度高，能产生良好的爆破效果，而使用普通雷管不能保证产生好的爆破效果，如果第1次爆破效果不理想，需要第2次爆破，第2次爆破的费用也不少，而且铲装的费用也很高。

4 结 语

药头点火试验解决了组网遇到的问题，该研发的电子雷管及其起爆系统能够实现大规模组网，随着爆破技术的发展，电子雷管的单发成本在下降，将进一步降低使用电子雷管的综合成本，试验表明该电子雷管可以在酷暑严寒等恶劣环境下使用，电子雷管取代普通雷管将指日可待。

本文需要进一步研究的内容是：1)雷管的连接块使用比较复杂，可以考虑使用便携插座连接，且进行防水设计；2)雷管的2条脚线在寒冷的天气比较脆弱，容易折断，而且用温度较高的乳化炸药时脚线绝缘皮又容易老化，需要研制既抗低温又耐高温的脚线；3)研究出一种起爆后能检测出所有网络内的雷管是否正常起爆的方法。

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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；责任编辑：陈书欣

庞志锋(1959-)，男，河北平泉人，教授，主要从事计算机控制技术方面的研究。

E-mail：pang_zhf@hebust.edu.cn

U416；TN492

A

10.7535/hbgykj.2014yx0413

庞志锋，王晓静，王 倩,等. 一种电子雷管的应用研究[J].河北工业科技，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.