遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

劉 慶 周桂松 杜華善 郝亞飛 李俊杰

①中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司(重慶，401121)②武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院(湖北武漢，430205)

引言

隨著導(dǎo)爆管雷管的廣泛應(yīng)用，其爆破網(wǎng)路起爆的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性變得尤為重要。目前，國內(nèi)最常用的導(dǎo)爆管雷管及網(wǎng)路起爆方式為高能脈沖擊發(fā)起爆，爆破主線用電導(dǎo)線或?qū)П躘1]。從爆破現(xiàn)場實(shí)際的需求和安全性考慮，在爆破施工中會采用長的電導(dǎo)線引爆方式，而長電導(dǎo)線因電阻大會造成擊發(fā)能量損失，直接影響了爆破網(wǎng)路起爆的安全可靠性，此外也會延長工時(shí)；特別是在大規(guī)模的礦山爆破中，需遠(yuǎn)離爆破現(xiàn)場幾千米，如何在保證起爆安全和穩(wěn)定的同時(shí)，減少電導(dǎo)線長度也成為一個(gè)關(guān)鍵問題。因此，有必要研發(fā)新型導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，進(jìn)一步推進(jìn)爆破服務(wù)。

本文中，設(shè)計(jì)了一種遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，涉及到遙控器、電子起爆器和電容式擊發(fā)針的設(shè)計(jì)；并對遙控電子起爆器進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，檢驗(yàn)其安全性和可靠性。

1 導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的現(xiàn)狀

高脈沖式導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)由高脈沖起爆器、起爆主線、擊發(fā)針和導(dǎo)爆管雷管組成。國內(nèi)各廠家的高脈沖起爆器雖然名稱不一，但原理大致相同，利用擊發(fā)針尖端放電，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)爆管高脈沖擊發(fā)傳爆。在爆破施工中，高脈沖起爆器和操作人員在一起，與導(dǎo)爆管雷管分立兩端；起爆主線由電導(dǎo)線、擊發(fā)針和導(dǎo)爆管連接而成。由于中深孔臺階爆破安全距離要求至少為200 m[2]，實(shí)際施工中考慮地形影響和安全要求，安全起爆距離一般大于300 m。所以，通常選用300 m以上導(dǎo)爆管，或選用300 m以上電導(dǎo)線作為爆破主線。如圖1所示。

這兩種爆破主線連接方式各有特點(diǎn)。前者使用較長的導(dǎo)爆管連接，可以保證起爆效果穩(wěn)定，但需消耗比較長的導(dǎo)爆管，增加了起爆成本和勞動量；后者使用較長的電導(dǎo)線連接，雖減少了導(dǎo)爆管用量，但受技術(shù)限制，必須使用電阻小的銅線，同時(shí)，擊發(fā)能量在長距離傳輸過程中有損失，在施工時(shí)容易出現(xiàn)多次放電卻無法起爆的現(xiàn)象，降低了起爆可靠性，增加了起爆安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動量。

2 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的模塊及功能

針對現(xiàn)有導(dǎo)爆管起爆方式中存在的問題，研制的遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)模塊如圖2所示[3]，制作設(shè)計(jì)及功能要求如表1。

圖1 兩種爆破主線連接方式Fig.1 Two connecting types of initiation truckline

圖2 遙控導(dǎo)爆管起爆模塊Fig.2 A sketch map of new type shock-conducting tube system

表1 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能Tab.1 Design functions and requirements

該系統(tǒng)主要由遙控器、電子起爆器、電容式擊發(fā)針和導(dǎo)爆管雷管組成，具備本地有線控制操作與無線遙控控制操作功能。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅可以通過有線的方式有效控制電容式擊發(fā)針電路，完成遠(yuǎn)距離的起爆操作；同時(shí)，與遙控器配合使用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線起爆功能。

3 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 遙控電子起爆器

為了可以智能化控制整個(gè)起爆過程，遙控電子起爆器采用PIC系單片機(jī)作為核心控制單元，4個(gè)8段數(shù)碼管作為顯示部分，構(gòu)成了系統(tǒng)最核心的控制及顯示單元[4]。系統(tǒng)具有回路通斷狀態(tài)檢測和擊發(fā)能量檢測的功能；通過閉環(huán)控制，可以保證擊發(fā)能量在額定范圍內(nèi)才進(jìn)入起爆階段；通過電源管理電路，系統(tǒng)電源部分采用可充聚合物鋰電池，實(shí)現(xiàn)高效可靠供電；內(nèi)置無線控制模塊，實(shí)現(xiàn)無線起爆功能。通過系統(tǒng)授權(quán)登入、狀態(tài)檢測、信號處理與顯示和安全連鎖等功能設(shè)計(jì)，保證操作人員、設(shè)備及整個(gè)起爆過程的安全性和可靠性[5]。

3.2 無線控制技術(shù)

露天礦山中存在各種射頻及電磁干擾，若使用無線控制起爆技術(shù)，其可靠性尤為重要。因此，遙控器與遙控電子起爆器之間為雙向無線控制通信，資源統(tǒng)一調(diào)配；采用先進(jìn)的擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸距離與穿透能力比傳統(tǒng)頻移鍵控(FSK，frequency-shift keying)提升1倍以上，使用前向糾錯(cuò)算法(FEC，forward error correction)和加密計(jì)算，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，使通訊距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)[6]，無線控制的可靠性更高。

同時(shí)，在操作方面，結(jié)合現(xiàn)場人員操作習(xí)慣，遙控電子起爆器與遙控器設(shè)置為三鍵式起爆操作和多重指令確認(rèn)功能，實(shí)現(xiàn)安全連鎖，極大地增強(qiáng)了現(xiàn)場無線控制起爆的安全性和可靠性。

3.3 電容式擊發(fā)針

電容式擊發(fā)針內(nèi)置控制電路、泄能電路和擊發(fā)電路，與遙控電子起爆器配套使用。遙控電子起爆器通過檢測、匹配，然后控制電容式擊發(fā)針二次升壓擊發(fā)，有效地提高了起爆的發(fā)火可靠性。

表2 遙控電子起爆器與現(xiàn)有高脈沖起爆器擊發(fā)導(dǎo)爆管對比Tab.2 Comparison with shock-conducting tube ignited by existing high pulse initiator

4 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的可靠性測試

遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)能否在露天礦山爆破中得以應(yīng)用，其擊發(fā)的可靠性與無線控制的可靠性最為關(guān)鍵。

4.1 擊發(fā)可靠性

普通擊發(fā)針屬于尖端放電，當(dāng)擊發(fā)電壓迅速升高到合理范圍時(shí)，擊發(fā)針兩極之間的空氣將被擊穿，產(chǎn)生火花放電，從而激發(fā)導(dǎo)爆管，起爆爆破網(wǎng)路。一定的放電溫度和放電時(shí)間，決定了放電瞬間的功率大小，亦決定了電火花形成沖擊波的強(qiáng)弱，這也是導(dǎo)爆管可靠擊發(fā)的關(guān)鍵因素[7]。

為研究遙控起爆系統(tǒng)擊發(fā)導(dǎo)爆管的可靠性，根據(jù)爆破主線的規(guī)格、結(jié)構(gòu)尺寸及導(dǎo)體直流電阻[8]，將現(xiàn)有高脈沖起爆器與普通擊發(fā)針、遙控電子起爆器與電容式擊發(fā)針在不同規(guī)格的爆破主線上進(jìn)行擊發(fā)導(dǎo)爆管試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：選擇高脈沖起爆器與電阻相對較小的細(xì)銅起爆線時(shí)，線長300 m比200 m時(shí)的擊發(fā)成功率要低。在一定放電時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)電阻越大，電流衰減越快[9]，所以擊發(fā)能量損失相對較大，造成起爆不可靠和拒爆。因此在同等情況下，高脈沖起爆器如果選擇細(xì)鐵起爆線，起爆將更加不可靠。在遙控電子起爆器和電容式擊發(fā)針起爆時(shí)，系統(tǒng)采用起爆電容二次升壓控制方式，有效地避免了中間能量損失，保證了起爆的擊發(fā)能量和發(fā)火率。

4.2 無線起爆可靠性

4.2.1 不同地形環(huán)境下無線信號的可靠性

遙控電子起爆器與遙控器之間無線信號的傳播形式主要有點(diǎn)對點(diǎn)和非點(diǎn)對點(diǎn)兩種方式，為了檢測露天礦山不同地形環(huán)境下無線信號的可靠性，選擇了幾種露天礦山常見地形(圖3)，對遙控起爆系統(tǒng)的無線發(fā)射信號與接收信號進(jìn)行測試，并采用激發(fā)導(dǎo)爆管方式驗(yàn)證起爆的可靠性，測試結(jié)果見表3。

結(jié)果表明，無線控制技術(shù)可應(yīng)用于多種露天礦山地形環(huán)境，其中，點(diǎn)對點(diǎn)有效控制距離約1 000 m，非點(diǎn)對點(diǎn)有效控制距離約600 m。

4.2.2 不同干擾因素條件下無線信號的可靠性

采用手機(jī)和對講機(jī)對遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的無線通信進(jìn)行干擾，按爆破安全規(guī)程要求設(shè)定無線起爆距離為400 m，結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，手機(jī)信號對無線信號基本無干擾；而遙控器附近對講機(jī)的發(fā)射信號對無線信號干擾較大，當(dāng)這種類型的干擾存在時(shí)，會影響遙控器接收不到回傳信號，但不影響其發(fā)送指令。因此，在使用無線控制起爆時(shí)，需保持遙控器周圍對講機(jī)處于不通話狀態(tài)。

圖3 不同露天礦山地形下無線起爆可靠性的測試Fig.3 Detection of the reliability of wireless initiation in different open-pit mines

表3 不同礦山地形條件下無線信號發(fā)射與接收情況Tab.3 Radio signal transmitting and receiving in different mine terrain conditions

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年，在重慶某露天石灰石礦山爆破中，進(jìn)行了多次遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)，遙控電子起爆器擊發(fā)能量設(shè)計(jì)為1 500 V，通過遙控器、遙控電子起爆器和電容式擊發(fā)針配合使用，分別對起爆距離為200、300 m和500 m的導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)進(jìn)行了無線控制起爆測試，并記錄擊發(fā)能量和導(dǎo)爆管擊發(fā)情況，具體如表5?，F(xiàn)場應(yīng)用中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，擊發(fā)能量足夠，導(dǎo)爆管遙控起爆安全、高效。

6 結(jié)論

通過多次工程應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證，遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)能遠(yuǎn)程、可靠地起爆導(dǎo)爆管爆破網(wǎng)路，可以在露天爆破中進(jìn)行推廣使用，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)功能豐富，同時(shí)具備遠(yuǎn)程有線和無線可靠起爆功能，在有線起爆方式中，爆破主線可為鐵質(zhì)電導(dǎo)線，取材方便；在無線起爆方式中，不需現(xiàn)場敷、收線，操作便捷、節(jié)省勞動力；同時(shí)，系統(tǒng)能滿足不同爆破安全距離要求，穩(wěn)定可靠，更加智能化和安全。

表4 不同干擾因素條件下無線信號的可靠性Tab.4 Effects of different interference factors on wireless signals

表5 無線起爆擊發(fā)能量測試Tab.5 Wireless initiation energy test