數碼電子雷管在某露天礦爆破中的應用

劉 慶，張程嬌，郝亞飛，田水龍

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶 401121)

數碼電子雷管是一種采用電子控制模塊取代傳統延期藥實現精準延時的新型起爆器材。上世紀80年代初，南非AEL和瑞典Dynamit Nobel公司分別發布了各自的第一代電子延時起爆系統Dynatronie和ExExl000。1999年德國Dynamit Nobel公司和澳大利亞Orica研制開發出I-Kon電子起爆系統(即EBS)，陸續出現了其他種類的數碼電子雷管系統，如EDD、Smartdet、E1ectrodet數碼電子雷管系統。我國數碼電子雷管的研究工作于上個世紀90年代末期開始。2006年6月6日，葛洲壩易普力公司成功將數碼電子雷管應用于三峽工程三期RCC圍堰拆除爆破[1]，開啟了國內數碼電子雷管技術蓬勃發展的序幕。目前，我國對民爆物品使用的安全管控需求日益迫切，數碼電子雷管的出現，很好的滿足了國家精準管控要求，在爆破工程中應用將越來越多[2-4]。但目前，數碼電子雷管在爆破工程中的高精度延時優勢尚未充分發揮[5-6]。為此，本文闡述了基于數碼電子雷管采用物聯網、數值仿真、大數據分析等現代信息技術的優勢，希冀為推動民爆器材的迭代更新提供一種探討。

1 數碼電子雷管優勢

數碼電子雷管屬于民用爆破器材的高尖端產品，與普通延時雷管相比，具有安全性好、性能優良、操作便捷、應用效益明顯、延時精度高等優點[7-8]。從市場反饋和技術發展方向來看，數碼電子雷管取代普通雷管將會是必然趨勢。

1)安全監管可控。數碼電子雷管產品采用多重加密控制指令和抗干擾保護設計，內置唯一身份編碼，實現“雷管ID碼、起爆密碼、雷管殼體碼”三碼綁定；通過將全國電子雷管密碼中心、數碼電子雷管現場作業身份識別系統、爆破設計施工信息化服務平臺進行功能對接，有利于安全監管向縱深推進，提高安全監管的及時性、完整性和準確性，實現了精準管控。

2)產品性能優良。數碼電子雷管內置高品質智能芯片，具有低功耗、高精度、時鐘溫度補償、器件功率優化、起爆能量控制、自適應能力強、抗干擾等特性，可在線檢測每發數碼電子雷管通訊狀態，延時精度可精確到1 ms或1%以內；經過發火可靠性設計與驗證，實現了芯片和點火元件的可靠匹配，準爆率達99.99%。

3)現場操作便捷。數碼電子雷管注冊機與專用起爆器采用分離式設計，爆破設計方案可導入注冊機，通過物聯網技術對炮孔與雷管的身份進行快速精確匹配，實現了雷管延時時間的批量自動設定，消除了延時時間設定的誤操作可能，極大縮短了聯網時間。

4)應用效益明顯。基于葛洲壩易普力公司爆破設計施工信息化服務平臺的數碼電子雷管起爆系統(見圖1)，將數碼電子雷管與爆破智能設計、專家支持系統深度融合，充分發揮數碼電子雷管延時精度高等性能優勢，運用爆破數值仿真、爆破施工大數據分析等技術，提高爆破能量利用率，降低爆破成本，控制爆破振動，改善爆破效果，提高鏟裝效率，降低破碎能耗，推進施工過程管理一體化。

圖1 數碼電子雷管起爆系統Fig.1 Digital electronic detonator detonating system

2 工程概況

該露天采場礦石主要以石灰石為主。采用深孔臺階爆破作業，設計臺階高度為12 m，超深1 m，連續裝藥結構。通過對采場現場爆破調查分析，發現存在以下問題：

1)大塊率過高，不利于鏟裝作業和礦山后續作業；

2)附近村莊感受振動明顯，對居民的生活造成影響；

3)炸藥單耗大，雷管使用量大，成本增加。

為了解決這些問題，擬在該礦使用數碼電子雷管進行爆破試驗。

3 工程應用試驗

數碼電子雷管合理的延時時間設置既能得到良好的爆破效果，又能最大限度降低爆破振動引起的爆破危害。由于孔間延時選取過小不易形成新的自由面，會影響爆破效果，因此最佳的延時時間是第1個炮孔起爆后，炮孔和自由面之間形成一定寬度的新自由面(裂縫)，此時巖石中尚有部分殘余應力，與后1個炮孔起爆產生的應力疊加，會呈現更好爆破效果。

3.1 大平臺分區爆破試驗

第1個大平臺分區爆破試驗，是在標準平臺進行的。爆區呈L形，平臺設計高度12 m，實際高度大約12.5～13 m，尖角向外凸出部分是上個施工循環未爆破的殘留巖體(見圖2)。現場爆破試驗環境對檢驗爆破網路延時設計、分采分爆方案可行性、完善現場聯網操作方法均非常有利。

注：Row1表示不規則炮孔，用虛線圈表示；Row2～Row10表示規則排布的炮孔，用實線圈表示；1～14表示具體炮孔編號。圖2 爆區平臺Fig.2 Platform of blasting area

現場采用基于數碼電子雷管的新型爆破網路設計方案，結合3D軟件制作了平臺示意模型，并按實際情況設置炮孔參數及起爆順序(見圖3～圖4)，從爆區彎折處將爆區分成2個部分(左、右)，起爆順序由外側向內側，方案單孔、單響，無重段，相鄰延時時間4 ms。

圖3 3D模型及起爆次序Fig.3 3D model and detonating sequence

注：Row1表示不規則炮孔，用虛線圈；Row2～Row10表示規則排布的炮孔，用實線圈；1～14表示具體炮孔編號。圖4 起爆順序及相鄰起爆時間Fig.4 Detonating sequence and adjacent initiation time

3.2 平臺邊坎不規則部位試驗

第2個平臺邊坎不規則部位試驗。所在爆區屬于平臺的邊坎部位，爆區地表有1～2 m高差，且平面形狀不規則，爆破部位和孔位設計如圖5所示。如何處理形狀不規則部位的聯網方法是該部位延時時間設置的主要問題。因此，將該爆區分為7排炮孔，其中第1排最長，從第2排往后逐次遞減。起爆順序采用前排(1～3排、7排)逐孔起爆，后排(4～6排)2孔同時起爆。后排相鄰2孔同時起爆可提高拋擲能力，具體起爆順序及相鄰起爆時間如圖6所示。

圖5 爆破部位及孔位Fig.5 Blasting area and hole position

注：Row1～Row6表示常規炮孔，Row7表示不規則和臨時補充的炮孔圖6 起爆順序及相鄰起爆時間Fig.6 Detonating sequence and adjacent initiation time

4 爆破效果及分析

根據現場爆破效果和爆堆形態可觀測到(見圖7～圖8)，爆區前排逐孔起爆，爆堆隆起，后部形成明顯溝槽，爆堆表面塊度均勻。實際挖裝過程中未發現大塊，經一段時間挖裝，爆堆局部有少量大塊(見圖9)，但不影響挖裝效率，說明爆破效果滿足要求，大塊率可以降低2%左右。

圖7 現場應用試驗Fig.7 Field application test

圖8 爆堆形態Fig.8 Blasting muckpile shape

圖9 塊度與挖裝Fig.9 Block size and dig loading

利用數碼電子雷管爆破過程中，距離爆區300 m遠位置無明顯振感。現場振動監測顯示比導爆管雷管振動要小，減少幅度可達21%～29%，說明數碼雷管單孔、單響設計很好地控制了爆破振動。

試驗表明在保障爆破效果的同時，使用數碼電子雷管爆破單耗可以降低11%～13%，單位耗時可以降低22%～27%，降本增效。使用數碼電子雷管和導爆管雷管爆破效果對比如表1所示。

表1 現場使用數碼電子雷管和導爆管雷管爆破效果對比

5 結語

通過爆破試驗，結合3D數值建模與仿真、新型爆破網路設計、現場聯網操作等新方法、新工藝，實現了快速組網、高效爆破。數碼電子雷管現場實際應用嘗試成功，以期為后續數碼電子雷管的推廣、爆破優化設計和編制科學的施工方案提供借鑒。

1)爆破效果滿足要求，大塊率可以降低2%左右；距離爆區300 m遠位置無明顯振感，現場監測顯示與導爆管雷管爆破對比，振動幅度降低可達到21%～29%，很好地控制了爆破振動；同時單耗可以降低11%～13%，單位耗時可以降低22%～27%，節約了成本。

2)本次試驗延時時間設置存在一些不合理之處，相鄰排間延時時間縮短，不利于爆破效果，另外也受到了巖石走向與用戶實際需求的制約，可在以后工程中根據需要改進。