電子雷管小孔距爆破拒爆試驗(yàn)研究?

劉忠民 楊年華 石 磊 郭立峰 楊 軍 徐靖宇

①北京市公安局(北京，100011)

②北京工程爆破協(xié)會(huì)(北京，100081)

③中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司(北京，100081)

引言

電子雷管是一種可以任意設(shè)定并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)延期發(fā)火時(shí)間的智能雷管產(chǎn)品，其本質(zhì)是在雷管腳線與基礎(chǔ)雷管之間采用微電子芯片替代普通雷管中的化學(xué)延期藥與電點(diǎn)火元件[1-2]。電子雷管不僅具有延時(shí)范圍廣、延時(shí)精度高、可靠性高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還具有定位管控、三碼綁定等安全管理的優(yōu)勢(shì)[3]，現(xiàn)已在大量工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。北京市已在全市區(qū)域內(nèi)的爆破工程中全面使用電子雷管；但是由于電子雷管操作復(fù)雜、流程煩瑣，導(dǎo)致使用初期出現(xiàn)了多種問題，形成不安全因素，進(jìn)而影響施工。尤其在施工期間出現(xiàn)的雷管拒爆現(xiàn)象令人擔(dān)憂，在隧道和樁井爆破工程中，因小孔距和起爆時(shí)差較大等因素出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象偏多。

為弄清此類問題發(fā)生的原因，提高爆破工程中使用電子雷管的安全性，及時(shí)解決在使用電子雷管爆破施工中遇到的難題，在北京昌平鳳山礦和延慶昌赤路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)開展電子雷管小孔距條件下抗沖擊拒爆試驗(yàn)。選取不同廠家的電子雷管進(jìn)行強(qiáng)沖擊拒爆試驗(yàn)，對(duì)比電子雷管的強(qiáng)沖擊拒爆情況，分析電子雷管受沖擊的拒爆原因，從而優(yōu)選出質(zhì)量安全可靠的電子雷管。

1 拒爆試驗(yàn)方法及實(shí)施

1.1 試驗(yàn)Ⅰ:昌平鳳山礦試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)在昌平鳳山石灰石礦314-328平臺(tái)。選取甲廠生產(chǎn)的電子雷管，分別采用孔底起爆和孔口起爆兩種起爆方式，共完成5次試驗(yàn)。試驗(yàn)炮孔剖面見圖1。

圖1 試驗(yàn)炮孔剖面圖Fig.1 Profile of test holes

采用中心炮孔單發(fā)電子雷管起爆。其他不同間距測(cè)試孔布置在爆破孔四周，每個(gè)測(cè)試孔中都安裝模擬藥包及1發(fā)受試電子雷管。當(dāng)中心炮孔起爆后再取出測(cè)試孔中電子雷管，檢測(cè)其受鄰孔爆炸沖擊振動(dòng)影響后的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)的炮孔布置平面如圖2所示。1?！?＃炮孔為中心對(duì)稱的兩組，共16個(gè)炮孔，分別距中心爆破孔15～50 cm不等。為確保試驗(yàn)安全，受試炮孔中用面團(tuán)替代乳化炸藥，將16個(gè)測(cè)試孔各裝入1節(jié)圓柱狀面團(tuán)，并使電子雷管在圓柱狀面團(tuán)中心。一方面確保電子雷管在模擬炸藥卷中接受中心孔爆炸沖擊，另一方面防止在取出受試電子雷管時(shí)發(fā)生炸藥爆炸的意外事故。試驗(yàn)場(chǎng)地經(jīng)預(yù)先踏勘挑選，地質(zhì)條件為比較均質(zhì)的厚層石灰?guī)r。試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆鑿的炮孔深度1 m，直徑40 mm，角度90°，孔口填塞長(zhǎng)度40 cm。使用麻繩混合炮泥填塞炮孔，以方便后序取出受試電子雷管。中心爆破孔裝入?32 mm乳化炸藥藥卷，藥量從400 g逐漸增大至600 g。

圖2 試驗(yàn)Ⅰ炮孔布置設(shè)計(jì)圖(單位:cm)Fig.2 Layout design drawing of blast holes in TestⅠ(unit:cm)

為保證試驗(yàn)安全，對(duì)中心炮孔用炮被進(jìn)行覆蓋，中心炮孔起爆15 min后移開炮被，逐孔檢測(cè)各受試電子雷管，并記錄所有受試?yán)坠苁欠襁€處于正常狀態(tài)。隨后，將炮孔口填塞的麻繩混合炮泥清理干凈，取出面團(tuán)中的受試電子雷管。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，距離爆破孔很近或有裂隙與爆破孔連通的受試孔中有電子雷管被壓扁的現(xiàn)象。其他被清理出的電子雷管都用專用電子雷管檢測(cè)儀檢測(cè)，可正常注冊(cè)組網(wǎng)起爆的，由專用電子雷管起爆器直接組網(wǎng)再起爆；若雷管檢測(cè)不正常，則分析原因后再與其他正常雷管綁扎，用爆破法起爆銷毀，并在民爆管理網(wǎng)上人工注銷其雷管號(hào)。

1.2 試驗(yàn)Ⅱ:延慶昌赤路隧道內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)Ⅰ完成后，根據(jù)爆破效果對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)做出一些調(diào)整，在延慶昌赤路隧道底板上進(jìn)行了電子雷管抗沖擊安全試驗(yàn)Ⅱ。在隧道仰拱開挖工作面共進(jìn)行了3次爆破試驗(yàn)，認(rèn)為中心炮孔的藥量為600 g，比較符合實(shí)際。試驗(yàn)中，將乙、丙兩個(gè)不同廠家的電子雷管一同放入受試孔中，也對(duì)比了采用孔底起爆和孔口起爆兩種起爆方式的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)中盡量模擬樁井爆破的真實(shí)條件，在中心孔裝藥起爆，中心炮孔藥卷直徑32 mm，兩卷乳化炸藥藥量600 g；設(shè)計(jì)的炮孔平面布置見圖3。所有鉆孔深度1 m，直徑40 mm，角度90°。1?！?＃模擬炮孔共8個(gè)，分別距中心爆破孔15～50 cm不等。裝藥前需要實(shí)際測(cè)量各炮孔至中心爆破孔的真實(shí)距離。為確保試驗(yàn)安全，同時(shí)使電子雷管處于相似藥卷環(huán)境中，測(cè)試孔內(nèi)仍采用面團(tuán)替代乳化炸藥。每個(gè)測(cè)試炮孔內(nèi)同時(shí)放入乙、丙兩廠家的各1發(fā)電子雷管，將電子雷管插入圓柱狀面團(tuán)內(nèi)，依次按照1?！?＃的順序放置于炮孔中。使用麻繩混合炮泥堵塞炮孔，保證每孔填塞長(zhǎng)度達(dá)40 cm以上。

圖3 試驗(yàn)Ⅱ炮孔布置設(shè)計(jì)圖(單位:cm)Fig.3 Layout design drawing of blast holes in TestⅡ(unit:cm)

在起爆中心炮孔后，等待15 min通風(fēng)排煙，檢查并記錄受試電子雷管狀況。隨后，將麻繩混合炮泥清理干凈，最后將所有測(cè)試?yán)坠芮宄雠诳?，并用電子雷管檢測(cè)儀檢測(cè)受試電子雷管，若可正常注冊(cè)起爆，就直接起爆銷毀；對(duì)于檢測(cè)不正常或拒爆的雷管，做好觀察記錄，通知廠方解剖分析，并妥善處置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在昌平鳳山礦和延慶昌赤路隧道進(jìn)行的電子雷管抗沖擊拒爆試驗(yàn)中，采用甲、乙、丙3個(gè)不同廠家的電子雷管，共計(jì)128發(fā)，其中受爆炸沖擊損壞而不能正常起爆的電子雷管14發(fā)，總計(jì)拒爆率10.9%。

當(dāng)中心爆破孔炸藥量為600 g時(shí)，試驗(yàn)Ⅰ中進(jìn)行了1組試驗(yàn)，測(cè)試了16個(gè)炮孔；試驗(yàn)Ⅱ中進(jìn)行了3組試驗(yàn)，測(cè)試了24個(gè)炮孔。此時(shí)，由表1～表2可知，距離中心爆破孔小于22 cm的受試孔內(nèi)電子雷管拒爆嚴(yán)重:試驗(yàn)Ⅰ的4個(gè)受試炮孔中，甲廠的4發(fā)雷管有2發(fā)拒爆，拒爆率50.0%；試驗(yàn)Ⅱ的6個(gè)受試炮孔中，乙廠的6發(fā)雷管有4發(fā)拒爆，拒爆率達(dá)66.7%，而丙廠的6發(fā)雷管無拒爆。同樣，取中心爆破孔炸藥量為600 g，當(dāng)測(cè)試炮孔距離中心爆破孔25～45 cm時(shí)，試驗(yàn)Ⅰ的10個(gè)受試炮孔中，甲廠的10發(fā)雷管有5發(fā)拒爆，拒爆率50.0%；試驗(yàn)Ⅱ的15個(gè)受試炮孔中，乙廠的15發(fā)雷管有1發(fā)拒爆，拒爆率6.6%；丙廠的15發(fā)雷管無拒爆。測(cè)試炮孔距離中心爆破孔大于50 cm后，所有電子雷管再無拒爆現(xiàn)象。這充分說明，炮孔間距過小且有較大起爆時(shí)差的情況下，先爆炮孔可能會(huì)對(duì)鄰近炮孔內(nèi)的電子雷管造成強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致延期電子雷管拒爆。

不同廠家生產(chǎn)的雷管產(chǎn)品質(zhì)量差異較大(表1～表2)?？椎灼鸨绞?，600 g藥爆破時(shí)，最差的電子雷管拒爆率達(dá)43.8%，最好廠家的電子雷管拒爆率為零。試驗(yàn)后了解到，拒爆率為零的生產(chǎn)廠家在電子雷管封裝環(huán)節(jié)，增加了芯片保護(hù)層，這種保護(hù)層能有效減小爆炸沖擊振動(dòng)帶來的干擾，可防止電子雷管受振拒爆。因?yàn)樵囼?yàn)次數(shù)有限，中心孔裝藥量最大僅600 g，實(shí)際樁井爆破中可能達(dá)800 g，所以這個(gè)拒爆率只能作參考；此外，對(duì)比孔底起爆方式和孔口起爆方式發(fā)現(xiàn)，孔底起爆對(duì)鄰孔的電子雷管拒爆影響較大，孔口起爆試驗(yàn)沒發(fā)現(xiàn)拒爆雷管。

表1 試驗(yàn)Ⅰ的實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.1 Measured results of testⅠ

表2 試驗(yàn)Ⅱ的實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.2 Measured results of testⅡ

結(jié)合兩組試驗(yàn)中3家受試電子雷管的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)電子雷管發(fā)生拒爆有以下幾個(gè)方面的原因。

1)引火藥頭被振碎。隧道和樁井等掘進(jìn)工程都是小斷面爆破，炮孔間距相對(duì)露天爆破的孔距要小得多，而且常常是單自由面爆破，先爆炮孔對(duì)鄰近炮孔中的電子雷管產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊振動(dòng)；在這種強(qiáng)大、高頻的沖擊振動(dòng)下，在延期引爆前，后爆孔內(nèi)電子雷管的引火藥頭可能會(huì)被振碎，導(dǎo)致拒爆。試驗(yàn)過程中，解剖了拒爆的電子雷管，發(fā)現(xiàn)引火藥頭確實(shí)有些被振碎(如圖4)，說明電子雷管的引火藥頭仍需改進(jìn)。

圖4 被振碎的引火藥頭fig.4 Pulverized primer head

2)芯片數(shù)據(jù)擾亂。電子雷管與普通雷管最大的區(qū)別在于前者內(nèi)部含有芯片，雷管注冊(cè)、延時(shí)等功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于芯片，芯片的可靠性對(duì)于電子雷管至關(guān)重要。先爆炮孔爆炸瞬間產(chǎn)生巨大沖擊能量，同時(shí)使氣體電離形成等離子體，等離子體發(fā)出電磁輻射[4]，這種強(qiáng)沖擊振動(dòng)和電磁輻射可能會(huì)使芯片中的電路功能產(chǎn)生紊亂，出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂或相關(guān)信息丟失等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鄰孔內(nèi)電子雷管拒爆。試驗(yàn)Ⅰ中，對(duì)有些電子雷管在鄰孔爆炸后立即重新檢測(cè)組網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)電子雷管可以注冊(cè)，但不能起爆，存放數(shù)周后再注冊(cè)又能起爆。經(jīng)過廠家專業(yè)人員對(duì)電子雷管解剖分析認(rèn)為，芯片受強(qiáng)烈振動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂的可能性較大，這類問題還需要更深入的試驗(yàn)研究。

3)電容發(fā)生漂移。在先爆炮孔爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊振動(dòng)作用下，有些電子雷管的管殼有壓扁或變形情況。電子雷管最終需要內(nèi)部電容放電才能引爆點(diǎn)火藥頭，如果內(nèi)部電容受到強(qiáng)烈沖擊振動(dòng)、甚至擠壓，導(dǎo)致電容發(fā)生漂移，電容的供電電壓就可能改變，從而導(dǎo)致電路不穩(wěn)定或造成發(fā)火元件不發(fā)火，出現(xiàn)電子雷管拒爆。試驗(yàn)Ⅰ中，解剖的壓扁電子雷管有電容損壞的跡象；此外，經(jīng)專業(yè)人員解剖分析，可以注冊(cè)但不能引爆的雷管也可能是由于電容發(fā)生漂移。

總之，電子雷管在受到近距離炮孔爆炸沖擊作用下發(fā)生拒爆的原因比較復(fù)雜，這方面的問題仍需繼續(xù)深入研究。

3 結(jié)語

隧道和樁井爆破工程中，在小孔距爆破且起爆時(shí)差小于20 ms條件下發(fā)現(xiàn)了一些拒爆現(xiàn)象。研究認(rèn)為，主要原因是電子雷管受到強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)所致，現(xiàn)在急需論證和編制電子雷管的抗振標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)改進(jìn)電子雷管的抗振性能。

模擬現(xiàn)場(chǎng)條件下，對(duì)不同廠家的電子雷管進(jìn)行強(qiáng)沖擊試驗(yàn)，分析了電子雷管受沖擊后發(fā)生拒爆的原因，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)在炮孔間距小于45 cm的爆破工程中使用電子雷管，發(fā)生拒爆的可能性較高，應(yīng)開展相關(guān)模擬試驗(yàn)，選用抗振性能較好的電子雷管。

2)不同生產(chǎn)廠家的電子雷管產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，芯片、電容的質(zhì)量以及雷管的封裝工藝都對(duì)電子雷管的質(zhì)量、可靠性有重要影響，應(yīng)加快電子雷管抗沖擊振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的編制，減少爆破工程中電子雷管的拒爆現(xiàn)象。

3)孔底起爆比孔口起爆的應(yīng)力波更強(qiáng)，因此，孔底起爆對(duì)鄰孔的電子雷管拒爆影響更大。