某型電子雷管在隧道控制爆破中的應用?

周慈亮 湯有富 鄭 琪 嚴宜豪 夏 崟 李勁松

浙江物產光華民爆器材有限公司(浙江衢州，324400)

引言

電子雷管是20 世紀80 年代初出現(xiàn)的一種精確毫秒延期雷管，即采用電子控制模塊對起爆過程進行控制的電雷管[1]。

隧道控制爆破[2-8]中，使用雷管數(shù)量較多。 但一般爆破區(qū)域，特別是地鐵隧道爆破施工區(qū)域，離城區(qū)較近。 因此，對爆破振動及爆破作業(yè)的安全性要求較高，必須優(yōu)化掏槽方案，確保減振和進尺雙效益。

1 某型電子雷管的結構、芯片工作原理及其起爆系統(tǒng)

1.1 結構

電子雷管的核心部件是電子控制模塊，采用微電子技術、加密技術等實現(xiàn)延時、通信、加密、控制等功能，當接收到起爆指令后，能夠獨立工作并按設定的延期時間引爆雷管。 某型電子雷管的具體結構如圖1 和圖2 所示。

圖1 某型電子雷管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of an electronic detonator

1.2 芯片工作原理

圖2 某型電子雷管內部芯片正、反兩面實物圖Fig.2 Picture of front and back sides of the internal chip of an electronic detonator

電子雷管采用供電線和通信線復合使用的方式。 為提高電子雷管的使用可靠性，保證在爆破過程中，當供電線路由于某種原因出現(xiàn)故障時，仍能按設定的延期時間完成爆破操作，采用儲能電容C1和和C2分別儲存和控制芯片工作及點火藥頭所需的能量。 為提高電子雷管的抗干擾(靜電、射頻、雜散電流干擾等)能力，提高電子雷管的安全性，采用電子開關K1控制對起爆能(電能)的充電，使其只有在起爆準備(連接、檢測、延期時間設定等)完成后，才處于待起爆狀態(tài)。 在達到延期時間后，電子開關K3工作，把C2的儲能釋放到點火藥上，從而完成電子雷管的起爆工作。 在緊急情況下，需要終止爆破操作時，由電子開關K2接通，把C2的儲能釋放。 電子雷管芯片控制原理示意圖見圖3。

圖3 芯片控制原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of chip control principle

整流電橋B:用來實現(xiàn)腳線和爆破母線的無極性連接；

開關K1:控制對電容C2的充電，充電前，K1為打開狀態(tài)；

開關K2:對電容C2安全保護，非充電時，開關K2閉合，短路保護，確保電容無法充電；

開關K3:點火開關，把電容C2的能量釋放到點火藥上，從而引爆雷管；

電容C1:存放芯片工作的能量，確保雷管可靠起爆；

電容C2:存放雷管的點火能量，確保點火可靠。

1.3 起爆系統(tǒng)

該電子雷管的起爆系統(tǒng)主要包括起爆器、爆破母線和爆破管理APP。 考慮生產廠家檢驗的方便性，有專門的藍牙密鑰代替爆破管理APP，簡化操作步驟。 在雷管起爆完成后，起爆系統(tǒng)自動上傳雷管的相關信息(雷管編碼、芯片UID 碼、起爆時間、起爆點經緯度、爆破員、作業(yè)任務、使用的起爆器的編號及雷管使用狀態(tài)等)，并將其上傳至民爆信息系統(tǒng)網絡服務平臺。

起爆系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 起爆系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of detonating system

2 爆破應用

顧山隧道位于浙江省紹興市上虞區(qū)長塘鎮(zhèn)境內，進口端里程為DK33 +72，出口端里程為DK37 +179，全長4 107 m。 以其中一次具體的爆破工程為例，詳細介紹某型電子雷管在該隧道中的實際應用情況。

2.1 布孔和爆破參數(shù)

采用掏槽爆破、光面爆破和毫秒爆破組合的爆破方法，使用的炸藥為乳化炸藥。 布孔示意圖如圖5 所示。

圖5 布孔示意圖(單位:cm)Fig.5 Diagram of blast hole layout (Unit: cm)

為方便現(xiàn)場施工人員操作，對雷管進行分組。每組電子雷管用記號筆寫上段別。 以往導爆管雷管是按照段別分發(fā)入孔，現(xiàn)在線卡子上按照每組雷管注冊順序寫上段別，前期使用階段工人較容易掌握，不容易出錯，大大節(jié)省了施工時間。 爆破參數(shù)如表1 所示。

設計炮孔總數(shù)183 個，單耗0.85 kg/cm3，最大單響藥量48.00 kg，起爆藥量為263.80 kg。 周邊孔間隔裝藥，實際裝藥量根據(jù)巖石狀況做適當優(yōu)化，實際總起爆藥量為255.60 kg。

表1 爆破參數(shù)Tab.1 Blasting parameters

2.2 裝藥結構與起爆網路

單孔裝藥一般采用連續(xù)柱狀裝藥方式，每孔雙發(fā)雷管起爆，兩發(fā)雷管延期時間一致，起爆藥包分別裝在藥柱底部1/3 和2/3 處。

周邊孔不耦合裝藥結構見圖6。

圖6 不耦合裝藥結構Fig.6 Uncoupled charge structure

掏槽孔、輔助孔、底板孔及角孔采用連續(xù)裝藥結構，具體結構如圖7。

圖7 連續(xù)裝藥結構Fig.7 Continuous charge structure

2.3 施工流程及注意事項

2.3.1 施工流程

在鉆孔工作時進行雷管分組注冊，標好段別。并按照設計方案給雷管賦延期時間。 待鉆孔完成后，進行裝藥、填塞，然后進行組網連接，用一條母線將所有雷管連接起來后進行組網檢測。 組網檢測只是檢測雷管與起爆器的通信功能，電流不經過橋絲；因此，可以在爆破區(qū)域檢測，方便及時排查問題。 再將母線拉到起爆站，進行網路檢測。 網路檢測會有微電流經過橋絲，有一定的風險性；因此，必須要在起爆站進行。 警戒完成才可開始起爆流程，進行起爆。 起爆完成后，爆破管理APP 會將起爆信息上傳至民爆信息系統(tǒng)網絡服務平臺。

施工流程如圖8 所示。

圖8 施工流程Fig.8 Construction process

2.3.2 施工注意事項

1)單臺某型起爆器帶載雷管數(shù)量最多為400發(fā)，如果雷管數(shù)量比較多，可以采用多臺起爆器級聯(lián)模式。

2)電子雷管起爆模式有在線和離線模式。 在線模式需要在網絡比較好的情況下進行，起爆后自動上傳雷管信息；離線模式是在有網絡的情況下下載雷管編碼，然后在無網絡的情況下起爆，起爆后需要手動上傳雷管信息。 因此，每次爆破前需要確定起爆站是否有網絡，以便選擇相應的起爆模式。

3)電子雷管在注冊、施工過程、組網檢測和網路檢測時發(fā)現(xiàn)有問題而不能起爆時，應當拍照取證，形成書面材料，如實向省級平臺登記和向當?shù)毓矙C關報告。 因電子雷管每發(fā)都有唯一的身份信息，起爆后如果雷管信息沒有上傳，則會導致該發(fā)雷管的流向沒有形成閉環(huán)，不能再繼續(xù)申請起爆密鑰。

4)雷管網路連接時要防止漏接或短路。 雷管漏接時，起爆器會顯示幾號孔沒有連接，容易排查問題。 網路如果短路，一般情況下用二分法分區(qū)域排查短路的線路，但此方法操作過程復雜，費時費力；因此，可以使用爆破電橋在雷管網路連接時連接爆破母線，及時發(fā)現(xiàn)和排查短路問題。

3 效果與分析

本次爆破效果非常理想。 無盲炮，無大塊，振動小，爆堆集中，掘進距離長，爆后作業(yè)面平整。 為下次爆破布孔及鉆孔提供了方便。

爆后效果如圖9 所示。

圖9 爆破后效果Fig.9 Outcomes after blasting

隧道中使用電子雷管的優(yōu)勢:

1)起爆前可進行組網檢測及網路檢測，避免因漏連或雷管裝藥過程損壞而導致的盲炮，組網安全可靠。

2)采用微差爆破干擾減振技術，可使每次爆破最大振速降低70%。

3)采用全斷面的爆破方式進行掘進開挖，較使用導爆管雷管的分部開挖施工效率提高數(shù)倍，方便后續(xù)噴錨、支護、鏟裝、運輸，從而降低綜合成本，提高綜合效益。

4)用高能起爆器2 200 V 高壓連接雷管起爆，雷管內部芯片會損壞從而導致雷管不起爆。 該電子雷管能抗高壓、消除雜散電流和靜電等干擾，保證在隧道、地下礦等復雜環(huán)境下安全、穩(wěn)定、可靠地起爆。

5)雷管內部芯片采用雙鉭電容(通信電容及充電電容)設計。 通信電容用于雷管注冊、檢測；充電電容用于雷管最后起爆時放電。 能保證施工安全。

4 結論

某型電子雷管從2019 年到目前為止在某省內已使用近百萬發(fā)。 使用期間未出現(xiàn)任何安全事故，具有操作便捷、延期時間可任意設置、抗外界干擾能力強、爆破效果良好、減振降噪等優(yōu)點，得到了廣大施工方及公安部門的認可。 某型電子雷管在顧山隧道控制爆破中的成功應用，說明該電子雷管在隧道爆破中具有良好的應用前景。