智能無線遠距離起爆系統(tǒng)在露天礦山爆破的應(yīng)用分析

李萍豐 張金鏈 徐振洋 張兵兵 李 新 楊 飛

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623;2.深圳市憨包民爆云領(lǐng)電子發(fā)展有限公司,廣東 深圳 518000;3.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

無線網(wǎng)絡(luò)遠距離起爆系統(tǒng)進行爆破作業(yè)時,能夠擺脫傳統(tǒng)起爆器的導(dǎo)線物理連接,炮孔之間沒有聯(lián)系,省略了爆破網(wǎng)路連接和檢查環(huán)節(jié),節(jié)省爆破作業(yè)時間,提高爆破作業(yè)效率,減少人員進入高風險區(qū)域的機會,最大程度上保證爆破作業(yè)人員的安全,避免因起爆能量不足或爆破網(wǎng)路連接失誤造成盲炮的爆破安全事故,實現(xiàn)爆破作業(yè)場所少人化和本質(zhì)安全。宋依青等[1]提出采用無線傳感器網(wǎng)路智能起爆系統(tǒng),使起爆系統(tǒng)組網(wǎng)靈活,有很好的穩(wěn)健性和可靠性,解決了長距離通信和低成本之間的矛盾。遲洪鵬等[2]基于無線網(wǎng)路系統(tǒng)分析了地下和地表起爆控制單元的軟硬件及起爆控制的流程、地下與地表起爆控制端的通訊方式、遠程無線起爆網(wǎng)路安全技術(shù)及系統(tǒng)安全設(shè)計。劉慶等[3]利用PIC單片機與擴頻控制技術(shù),設(shè)計無線遙控器、電子起爆器及配套電容式擊發(fā)針的遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng),該系統(tǒng)主要是改變導(dǎo)爆管起爆方式。孫琮琮等[4]基于Keeloq滾動編解碼設(shè)計多路遙控起爆器,豐富了爆破的信息化、智能化。李澤華等[5]開發(fā)露天臺階爆破設(shè)計系統(tǒng),以Visual C++為開發(fā)平臺,采用MFC框架,結(jié)合OpenGL三維引擎,現(xiàn)場應(yīng)用表明爆破人員通過系統(tǒng)實現(xiàn)了三維環(huán)境下布孔和爆破網(wǎng)路設(shè)置,取得了良好的爆破效果。LIN Moujin等[6]采用遠程控制裝置進行裝藥施工,實現(xiàn)了所有炮孔同時完成下放導(dǎo)爆索、裝藥、堵塞,以最快的速度完成裝填工作并引爆炸藥。

為克服現(xiàn)有爆破網(wǎng)路連接和起爆環(huán)節(jié)中的安全性、便利性、智能化等方面存在的不足,結(jié)合數(shù)碼電子雷管的優(yōu)勢,開發(fā)了智能無線遠距離起爆系統(tǒng),編寫軟件系統(tǒng)和研制配套的器械,智能無線起爆系統(tǒng)經(jīng)過安全性校驗,滿足現(xiàn)場爆破要求,并進行了現(xiàn)場試驗。

1 系統(tǒng)組成及技術(shù)路線

1.1 系統(tǒng)組成

智能無線遠距離起爆系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由智能起爆控制器、信號中繼器、智能無線起爆模塊、數(shù)碼電子雷管和無線遠距離起爆系統(tǒng)平臺軟件等幾大部分組成。

圖1 智能無線遠距離起爆系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 General architecture of intelligent wireless long-distance initiation system

1.2 技術(shù)路線

智能無線遠距離起爆系統(tǒng)研究的技術(shù)路線如下:

(1)起爆系統(tǒng)保留數(shù)碼電子雷管的三碼綁定規(guī)則[7],具有信息可追溯、起爆控制安全的優(yōu)點。數(shù)碼電子雷管與智能無線起爆模塊連接,智能無線起爆模塊直接放置在炮孔旁,每個炮孔由智能無線起爆模塊單獨控制,每一發(fā)數(shù)碼電子雷管能獨立運行。數(shù)碼電子雷管的信息與通訊[8],通過智能無線起爆模塊的無線信號與智能起爆控制器(或信號中繼器)進行通訊數(shù)據(jù)交換。

(2)采用安全、穩(wěn)定、抗干擾、低功耗、價格便宜的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[9],確保智能無線起爆模塊成本適中。

(3)采用多層安全防護體系:一是授權(quán)和位置“合法”;二是無線通信“一對一”、“排他性和封閉性”;三是“密碼”;四是“開關(guān)”。

(4)無線起爆系統(tǒng)在試驗過程中,需考慮周圍環(huán)境因素的影響,包括射頻、地磁干擾,黑客入侵,靜電危害,及可能存在的電流信號的干擾,并通過試驗用以驗證系統(tǒng)具有良好的可靠性。

2 智能無線網(wǎng)絡(luò)遠程起爆控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 智能起爆控制器

智能起爆控制器主要包含12 V電池、充電電路、3.3 V降壓穩(wěn)壓電路、無線通訊收發(fā)模塊、GPS模塊、藍牙通訊模塊、EEPROM存儲、FLASH存儲、LCD液晶顯示、按鍵矩陣電路、開關(guān)機控制電路、蜂鳴器、指示燈、掃描槍等,整體結(jié)構(gòu)見圖2所示。實現(xiàn)與手機端、信號中繼器或智能無線起爆模塊雙向通訊、定位、存儲資料、與手機端APP實現(xiàn)雙向資料的傳輸?shù)裙δ躘10]。

圖2 智能起爆控制器整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure diagram of intelligent initiation controller

2.2 智能無線起爆模塊

智能無線起爆模塊功能[11]:與數(shù)碼電子雷管[12]、智能起爆控制器(或信號中繼器)雙向通訊、為數(shù)碼電子雷管提供起爆時間和起爆能量,其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能無線起爆模塊整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure diagram of wireless initiation module

2.3 信號中繼器

信號中繼器是工作在物理層上的連接設(shè)備,適用于完全相同的2個網(wǎng)絡(luò)之間的互連,主要是對數(shù)據(jù)信號的重新發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā),進而擴大數(shù)據(jù)信號的傳輸距離。信號中繼器是利用局域網(wǎng)絡(luò)延長傳輸距離[13],但它屬于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備,在OSI的物理層進行操作。信號中繼器對在線路上的信號具有放大再生的功能,用于擴展局域網(wǎng)網(wǎng)段的長度,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信號中繼器整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure diagram of signal repeater

2.4 數(shù)碼電子雷管

電子雷管工作原理[14-15]如圖5所示,K選用4098型12V DC繼電器,T使用成品脈沖升壓變壓器,S2首選小型雙極按鍵自鎖開關(guān),VD1選擇S8050型NPN功率晶體管,VD2選用BU406型高反壓硅NPN晶體管,C1和C2均選用耐壓值為630V的鋁電解電容器。

圖5 電子雷管工作原理Fig.5 Electronic detonator working principle diagram

當起爆位置達到規(guī)定范圍,起爆器發(fā)送起爆充電指令(假設(shè)為 001),接收到起爆充電信號后,stm32f103接收中斷,判斷信號指令,若接收信號指令是001,則stm32的引腳PB5輸出一個高電平脈沖信號,V1導(dǎo)通,K1吸合,常開觸頭接通,振蕩升壓電路通電工作,在T的W3繞組上產(chǎn)生高壓脈沖,該電壓經(jīng)過VD2整流后,通過R5對C1和C2快速充電。起爆器發(fā)送起爆指令后,stm32單片機進入中斷,定時器延遲10 ms后置低PB5,使V1截止,K1釋放,常開觸頭斷開,振蕩升壓電路停止工作,C1和C2迅速向電雷管放電,將電雷管引爆。

3 智能無線網(wǎng)絡(luò)遠程起爆控制系統(tǒng)軟件平臺

3.1 手機端APP“爆破助手”編制

手機端APP“爆破助手”(圖6)是實現(xiàn)智能起爆控制器與政府部門授權(quán)的紐帶。手機端APP“爆破助手”確認智能起爆控制器的合法性及爆破區(qū)域使用;手機端APP“爆破助手”下載數(shù)碼電子雷管和智能無線起爆模塊的工作碼,發(fā)送至智能起爆控制器,爆破完成后接收起爆控制器發(fā)送相關(guān)資料,上傳到相關(guān)政府平臺。

圖6 手機APP“爆破助手”界面Fig.6 Interface diagram of"blasting assistant"of mobile phone APP

3.2 智能起爆控制器軟件編制

智能起爆控制器為實現(xiàn)與手機端、信號中繼器或智能無線起爆模塊雙向通訊、定位、存儲資料、與手機端APP“爆破助手”實現(xiàn)雙向資料的傳輸?shù)裙δ?。設(shè)計了單片機等數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件,編制了相應(yīng)的軟件。圖7為智能起爆控制系統(tǒng)的操作界面。

圖7 起爆器操作界面示意Fig.7 Schematic diagram of operation interface of blaster

3.3 智能無線起爆模塊軟件編制

為實現(xiàn)智能無線起爆模塊與數(shù)碼電子雷管、智能起爆控制器(或信號中繼器)雙向通訊[16]、為數(shù)碼電子雷管提供起爆時間和起爆能量。智能無線起爆模塊設(shè)計了單片機等數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件[17],編制了相應(yīng)的軟件。圖8為智能無線起爆模塊內(nèi)部電路板。

圖8 智能無線起爆模塊內(nèi)部電路板Fig.8 Internal circuit board diagram of intelligent wireless initiation module

4 安全性試驗

4.1 試驗內(nèi)容

無線遠距離起爆系統(tǒng)應(yīng)用前需進行安全測試,以保證起爆系統(tǒng)的準確、安全、可靠,測試內(nèi)容主要分為以下幾類:距離測試、地形測試、可靠性測試、單/多發(fā)起爆測試、抗干擾測試(分為同頻干擾和其他干擾等)。距離測試中,起爆距離為200、500、1 000 m,測試遠距離下起爆系統(tǒng)的運行狀態(tài)[18];地形測試中,地形分別為平地、山峰山谷、梯形地貌、高差為50、100 m;抗干擾測試中,分為同頻干擾測試和其他干擾,其他干擾包括:電磁干擾、震動干擾、雜散電流干擾;可靠性測試中,起爆信號激發(fā)藥包起爆可靠性;單/雙發(fā)起爆測試中,分別進行單發(fā)和多發(fā)起爆試驗。

4.2 試驗步驟

編制試驗方案、應(yīng)急預(yù)案、確定實施組織和人員編制、按爆破作業(yè)正規(guī)程序?qū)嵤?智能無線遠距離起爆系統(tǒng)實施時,進入試驗場地前,需將數(shù)碼電子雷管的注冊、驗證、授權(quán)、檢測及智能無線起爆模塊的檢測全部完成;進入試驗場地,將雷管腳線與智能無線起爆模塊連接。試驗過程如圖9所示。

圖9 試驗過程Fig.9 Test process

(1)雙向通訊信號。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發(fā)送起爆信號,檢驗智能無線起爆模塊能否接收起爆信號;同時智能無線起爆模塊發(fā)送反饋信息,驗證智能無線起爆模塊可以向智能起爆控制器發(fā)送反饋信息。

(2)注入延時時間。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發(fā)射延期時間信號,確保智能起爆控制器收到智能無線起爆模塊延期時間成功的信號。

(3)組網(wǎng)。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發(fā)送組網(wǎng)信號,確保智能起爆控制器收到智能無線起爆模塊組網(wǎng)成功的信號。

(4)起爆。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發(fā)送起爆命令,雷管準確起爆。

4.3 試驗結(jié)果分析

智能無線遠距離起爆系統(tǒng)試驗進行多項功能試驗,共計現(xiàn)場測試820次,雙向無線信號發(fā)射接收、注入延期時間、組網(wǎng)和起爆等科目全部滿足試驗要求,爆破成功率100%,在不安裝炸藥的情況下,智能無線起爆模塊完好率也是100%。試驗結(jié)果表明:

(1)智能起爆控制器、智能無線起爆模塊、信號中繼器和數(shù)碼電子雷管組成的起爆系統(tǒng)研發(fā)成功。

(2)無線遠距離起爆系統(tǒng)實現(xiàn)了智能起爆控制器直接起爆每一發(fā)數(shù)碼電子雷管的目標,實現(xiàn)了每發(fā)數(shù)碼電子雷管之間沒有任何連接目標。

(3)無線遠距離起爆系統(tǒng)具有強抗干擾、高穩(wěn)定、遠距離、安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢。

5 應(yīng)用實例

5.1 試驗露天礦山概況

試驗露天礦山以生產(chǎn)砂石骨料為主,礦區(qū)海拔高程為1 622～1 744 m,相對高差一般在122 m左右。開采方式為山坡型露天開采,巖石類型為花崗巖,主要采用臺階式中深孔爆破開采,生產(chǎn)規(guī)模為530萬m3/a。

5.2 爆破實施

礦山爆破采用深孔爆破方式,爆破效果要求為:塊度適合挖運,大塊(＞800 mm)率小于3%;爆堆松散,保證挖裝工序的安全和效率;杜絕飛石,保證底面平整,片幫整齊。爆破區(qū)域為+1 665 m平臺,現(xiàn)處于礦山開拓階段,暫未形成較為規(guī)整的平臺。采用φ115 mm的潛孔鉆機進行垂直鑿孔,臺階高度為6.4～11.9 m,共計18個炮孔,平均孔深8.7 m,超深為1 m。最小抵抗線為3.0～3.5 m,設(shè)計間排距為4.0 m×5.0 m,堵塞長度為3.5～4.0 m,設(shè)計單耗為0.35 kg/m3,最大單孔裝藥量為72 kg,最大段起爆藥量為228 kg,總藥量為548 kg,主炸藥為粉狀乳化炸藥,共計500 kg,藥包為2號巖石乳化炸藥共計48 kg。布孔方式采用單排孔與三角形布孔相結(jié)合;裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)耦合裝藥;共計使用30發(fā)數(shù)碼電子雷管,采用無線網(wǎng)絡(luò)遠距離起爆控制系統(tǒng)進行起爆。

爆破指揮部和起爆點設(shè)置在爆破區(qū)域的上方,安全距離為320 m,由于地勢開闊,起爆信號源較好,故未采用信號中繼器,直接采用智能起爆控制器起爆數(shù)碼電子雷管的方式進行。

5.3 爆破效果分析

智能無線遠程起爆系統(tǒng)的工業(yè)性試驗,驗證了無線遠程起爆系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、實施流程在工程爆破實踐中安全、高效、穩(wěn)定等特性,驗證了智能起爆控制器、智能無線起爆模塊等研制的爆破器材的工業(yè)應(yīng)用。

(1)智能起爆控制器采用盲炮智能檢測系統(tǒng)檢測和人工盲炮檢查,證實了18發(fā)數(shù)碼電子雷管(深孔13發(fā)、淺孔5發(fā))全部準確起爆,驗證了智能無線遠程起爆系統(tǒng)及配套器材在礦山實際應(yīng)用中的準確性、可靠性。

(2)現(xiàn)場2名持證員工裝藥548 kg(2號巖石乳化炸藥48 kg、粉狀乳化炸藥500 kg),使用18枚智能無線爆破模塊,采用無線遠距離起爆系統(tǒng)起爆,用時54 min完成爆破作業(yè)。

(3)爆堆形狀:爆堆松散,整體大塊率較小,較好地達到了爆破設(shè)計的要求。

5.4 爆破成本和效率分析

采用無線遠距離起爆系統(tǒng),使得爆破作業(yè)更為簡單、便捷、高效,爆破效率大幅提高。從表1可以看出無線遠距離起爆系統(tǒng)與其他系統(tǒng)比較效率提高20%～80%。

表1 無線遠距離起爆系統(tǒng)與其他系統(tǒng)效率對比Table 1 Comparison of efficiency of wireless long-distance detonation system with other systems

爆破作業(yè)中連接線、母線和智能無線起爆模塊是易耗材料,從表2可以看出無線遠距離起爆系統(tǒng)與其他系統(tǒng)成本相比僅增加2.12%～13.82%,每孔成本基本處于持平狀態(tài)。

表2 無線遠距離起爆系統(tǒng)與其他系統(tǒng)易耗材料對比Table 2 Comparison of consumable materials between wireless long-distance initiation system and other systems

6 結(jié) 論

智能無線遠程起爆系統(tǒng)在爆破現(xiàn)場減少了長導(dǎo)線的使用,省略了聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)路檢查的工序,節(jié)省人力,顯著提高了工作效率;無線遠距離起爆系統(tǒng)與傳統(tǒng)的起爆系統(tǒng)比較具有以下特點:

(1)在現(xiàn)場試驗中,孔距、排距、起爆距離等爆破參數(shù)相同的條件下,無線遠距離起爆系統(tǒng)對比現(xiàn)階段工程中常用的其他系統(tǒng)在工作效率上提高了20%～80%,大幅簡化了操作流程、提高了工作效率。

(2)無線遠距離起爆系統(tǒng)的成本與現(xiàn)階段爆破作業(yè)中連接線、母線等易耗材料成本相比僅增加2.12%～13.82%,成本適中、可應(yīng)用性較強。

(3)無線遠距離起爆系統(tǒng)的智能化水平較高,可自動判斷起爆對象和無線通信的“合法性”,實時獲取起爆對象的連接狀態(tài),為智能爆破研究提供了技術(shù)支撐。

(4)無線遠距離起爆系統(tǒng)不受起爆能量的限制,起爆規(guī)模不受限制;避免了因起爆能量不足或爆破網(wǎng)路連接失誤造成盲炮的爆破安全事故,實現(xiàn)了爆破作業(yè)場所少人化和本質(zhì)安全。