兩種電子雷管抗沖擊性能對比試驗研究?

楊 文 吳 競 宋家良 夏 光 黃孟文 陳以鉆

①中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司(安徽淮北，235000)

②廣西金建華民用爆破器材有限公司(廣西百色，533000)

引言

作為我國未來民爆器材發(fā)展的主導產品，工業(yè)電子雷管(簡稱電子雷管)是集電子芯片技術與網絡技術于一身的新型起爆器材。與普通雷管相比，電子雷管引入電子控制模塊，取代傳統(tǒng)的化學延期體，實現了通信控制、延期設置及加密起爆等功能，具有延期精度高、延期時間任意設置、智能化等優(yōu)點。電子雷管已在各類爆破工程得到廣泛應用[1-3]；尤其在隧道爆破中的應用真正實現了高精度化、信息化和科學化，被稱作爆破技術的革命。

目前，國內多數電子雷管生產企業(yè)的電子控制模塊是外包生產的。不同生產企業(yè)的控制模塊來自不同的電子設計企業(yè)，出現了控制模塊內部電路設計不一致、元器件選擇差異大、性能指標不統(tǒng)一以及雷管產品質量差異較大的現象。尤其在隧道、井下及孔樁等小斷面爆破中，掘進斷面的周邊孔部位電子雷管拒爆、丟炮情況比較常見，嚴重阻礙其推廣與應用。

國內學者將小斷面爆破中電子雷管拒爆的主要原因歸結為:

1)先爆孔炸藥爆炸產生的電磁脈沖對電子芯片產生影響[4]；

2)由于小斷面掘進爆破中孔距相對較近，先爆孔爆炸沖擊對后爆孔內的電子雷管產生影響，造成電子雷管損壞失效[5]。

由于缺乏系統(tǒng)和深入的試驗研究支持，沒有全面和客觀地揭示電子雷管發(fā)生拒爆的真實原因，以至于不能有效避免拒爆、丟炮現象的發(fā)生和準確指導生產商解決產品存在的問題。

選取兩種典型電子雷管樣品，利用水作為傳壓介質，模擬起爆網絡中電子雷管受沖擊的作用；對比分析不同電子雷管產品抗沖擊強度及沖擊拒爆的原因，為提高產品的抗沖擊性能、降低盲炮率提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及設備

選取兩種典型的電子雷管樣品(A、B)進行水下抗沖擊性能試驗。

A、B 電子雷管樣品由專用起爆器起爆；主發(fā)藥包由15 g、?25 mm ×27 mm 的抗水乳化炸藥藥卷和1 發(fā)起爆電子雷管通過防水牛皮紙卷制而成，可近似看作球形裝藥；爆炸水池為?1.8 m×1.8 m、壁厚30 mm 的高強度不銹鋼水箱；水下爆炸壓力測試采用ICP 電氣石傳感器和BLAST-PRO 沖擊波測試系統(tǒng)；示波器型號為泰克MDO3034。

1.2 試驗方案

測試系統(tǒng)見圖1。將電子雷管中心與主發(fā)藥包中心對齊，保持在一條直線上，通過直徑約1 mm 的細鐵絲拉直固定在框架內，再將框架放入爆炸水池中，藥包中心入水深度為水池深度的2/3[6]。被測雷管與起爆電子雷管同網連接，延期時間為100 ms，主發(fā)藥包起爆產生的沖擊波作用于被測雷管，模擬起爆網絡中電子雷管受沖擊的作用。改變被測雷管與炸藥包間的距離，控制其所受沖擊強度，通過專用的儀器對沖擊后的雷管樣品的損傷部位進行檢測。

采用相同的試驗方法對電子控制模塊進行沖擊，通過示波器測試采集起爆電壓的變化。通過水下爆炸沖擊波測試系統(tǒng)采集壓力數據，擬合得到適合本試驗的沖擊波峰值壓力計算公式。

2 試驗結果與分析

2.1 電子雷管抗沖擊性能

以傳感器到藥包中心的距離R與裝藥半徑R0的距離比R/R0=6 作為分界點[7]，被測樣品拒爆發(fā)生在中遠場，所以主要考慮沖擊波對樣品的損傷作用。采用最小二乘法對水下爆炸沖擊波測試系統(tǒng)測得的試驗數據進行擬合，得到球形裝藥水下爆炸沖擊波峰值壓力計算公式為

式中:pm為沖擊波峰值壓力，MPa；Q為標定藥包的質量，kg；R為傳感器至藥包中心的距離，m。

工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)的A、B 電子雷管樣品在主發(fā)藥包(m=15 g)爆炸沖擊作用下的試驗結果見表1、表2。非工作狀態(tài)電子雷管的延時用“ -”代替。

表1 A 電子雷管樣品沖擊作用結果Tab.1 Impact results of electronic detonator Sample A

表2 B 電子雷管樣品沖擊作用結果Tab.2 Impact results of electronic detonator Sample B

隨著受沖擊距離的增加(壓力降低)，非工作狀態(tài)的電子雷管發(fā)火數降低直至未出現發(fā)火。發(fā)火原因是雷管受強烈沖擊產生殉爆。從電子雷管發(fā)火數與距離的關系(圖2)可知，A、B樣品不被殉爆的臨界距離分別為LA=8 cm(pm=250.65 MPa)、LB=18 cm(pm=77.30 MPa)；A 樣品抗沖擊殉爆強度是B樣品的3.2 倍。

隨著受沖擊距離的增加(壓力降低)，工作狀態(tài)的電子雷管發(fā)火數近似呈現V形變化。最小發(fā)火數的距離是雷管不被殉爆的臨界距離；小于此距離，隨著壓力降低，雷管被殉爆發(fā)火的概率下降，與非工作狀態(tài)趨勢一致；大于此距離，隨著壓力降低，雷管受損概率降低，正常發(fā)火率升高。從圖2 知，A、B 樣品正常發(fā)火的臨界距離分別為LA=15 cm(pm=100.74 MPa)、LB=23 cm(pm=54.21 MPa)；A樣品抗沖擊性能強度是B 樣品的1.9 倍。

2.2 電子雷管拒爆原因

通過專用起爆器對拒爆的電子雷管進行檢測，A、B 樣品檢測結果見表3、表4。拒爆后檢測正常，再次激發(fā)無法正常發(fā)火，說明雷管藥頭發(fā)生損壞。

由表3 知，A 樣品拒爆損傷程度隨著沖擊強度的增加而加強。主要的損傷模式有:電子控制模塊損壞、藥頭損壞以及暫時失效(檢測正常，二次發(fā)火)。pm≥250.65 MPa 時，是電子控制模塊損壞導致拒爆；pm=123.97～181.36 MPa 時，是藥頭損壞和暫時失效導致拒爆；其中，暫時失效所占比例高于藥頭損壞。集成電路損壞、電容斷開以及內部電路電流異常是A 樣品電子控制模塊損壞的主要特征。

表3 A 樣品拒爆檢測結果Tab.3 Misfire test results of Sample A

由表4 中知，B 樣品拒爆原因僅有電子控制模塊損壞和藥頭損壞，沒有出現A 樣品的暫時失效拒爆。電子控制模塊的損壞是B 樣品拒爆的主要原因；但pm在66.38～100.74 MPa 之間時，隨著壓力降低，在電子控制模塊未被損壞的前提下，依然會出現藥頭損壞拒爆。集成電路損壞和橋絲斷開是B樣品電子控制模塊損壞的主要特征。

表4 B 樣品拒爆檢測結果Tab.4 Misfire test results of Sample B

2.3 電子控制模塊抗沖擊性能

電子雷管受沖擊出現的殉爆、電子控制模塊及引火藥頭損壞等情況，與普通雷管受沖擊損傷特征一致，可采取相應的防護措施加以保護[8]。試驗中發(fā)現，有樣品出現與工程實踐中發(fā)生的電子雷管拒爆后性能檢測正常、二次發(fā)火正常的類似現象，與普通雷管具有本質區(qū)別[9]。初步分析認為，可能是沖擊波作用導致電子控制模塊出現問題；所以需對A樣品的電子控制模塊單獨進行沖擊試驗。通過示波器觀察到電子控制模塊內部的起爆電壓受沖擊導致的失電現象，如圖3 所示。不同距離下，電子控制模塊失電的試驗數據見表5。

表5 不同距離下A 樣品電子控制模塊失電結果Tab.5 Power loss results of electronic control module of Sample A at different distance

通過升降法測得A雷管樣品引火藥頭的發(fā)火電壓V99.99%=13.2 V，不發(fā)火電壓V0.01%=11.3 V，結合表5 得圖4。在pm=181.36 MPa 時，電子控制模塊沖擊失電12.4 V，剩余電壓10.1 V，低于藥頭發(fā)火電壓11.3 V，會導致剩余能量無法點燃引火藥頭，無法進行正常起爆；但內部元器件沒有被沖擊損壞，可以重復使用，所以電子雷管出現暫時失效拒爆。在pm=100.74 MPa 處，電子控制模塊沖擊失電壓3.9 V，剩余電壓18.6 V，高于藥頭發(fā)火電壓13.2 V，可以正常發(fā)火，符合表3 中試驗結果。

A 樣品的暫時失效拒爆壓力pm在100.74～123.97 MPa 之間，電子控制模塊開始出現失電壓力pm在36.87～66.38 MPa 之間。B 樣品電子控制模塊損壞壓力pm在54.21～66.38 MPa 之間，與A 樣品開始出現失電壓力接近，但與A 樣品暫時失效拒爆壓力差異較大。所以，B 樣品沒有出現暫時失效拒爆的原因可能是其電子控制模塊抗沖擊損壞性能較差，在達到失電拒爆閾值之前已被沖擊損壞。后期試驗發(fā)現，電子雷管電容沖擊失電是其固有的特性，驗證了B 樣品未發(fā)生暫時失效拒爆，是因為在失電拒爆之前電子控制模塊已被損壞。

3 結論

1)起爆網絡中電子雷管受到沖擊作用，隨著沖擊強度的增加，依次表現為雷管暫時失效拒爆、電子引火元件結構損壞拒爆和殉爆，且不同工藝技術的產品受損程度差異較大。

2)電子雷管受沖擊出現的暫時失效拒爆現象，是由于電子控制模塊發(fā)生沖擊失電，導致引火藥頭點火能量不足，但其內部元器件沒有被損壞，可以二次發(fā)火。

3)不同工藝技術的電子雷管及電子控制模塊產品抗沖擊性能差異較大。A 樣品的抗沖擊強度pm=100.74 MPa，B 樣品pm=54.21 MPa；A 樣品的電子控制模塊抗沖擊強度pm=181.36 MPa，B 樣品pm=54.21MPa。

4)在生產實踐活動中，設計的試驗裝置及方法可用于對電子雷管和電子控制模塊產品抗沖擊性能的檢測，為電子雷管抗沖擊性能檢測方法建標奠定基礎。