遙控導爆管起爆系統的設計與應用?

劉 慶 周桂松 杜華善 郝亞飛 李俊杰

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

引言

隨著導爆管雷管的廣泛應用，其爆破網路起爆的安全性、可靠性和經濟性變得尤為重要。目前，國內最常用的導爆管雷管及網路起爆方式為高能脈沖擊發起爆，爆破主線用電導線或導爆管[1]。從爆破現場實際的需求和安全性考慮，在爆破施工中會采用長的電導線引爆方式，而長電導線因電阻大會造成擊發能量損失，直接影響了爆破網路起爆的安全可靠性，此外也會延長工時；特別是在大規模的礦山爆破中，需遠離爆破現場幾千米，如何在保證起爆安全和穩定的同時，減少電導線長度也成為一個關鍵問題。因此，有必要研發新型導爆管起爆系統，進一步推進爆破服務。

本文中，設計了一種遙控導爆管起爆系統，涉及到遙控器、電子起爆器和電容式擊發針的設計；并對遙控電子起爆器進行現場試驗，檢驗其安全性和可靠性。

1 導爆管起爆系統的現狀

高脈沖式導爆管起爆系統由高脈沖起爆器、起爆主線、擊發針和導爆管雷管組成。國內各廠家的高脈沖起爆器雖然名稱不一，但原理大致相同，利用擊發針尖端放電，實現導爆管高脈沖擊發傳爆。在爆破施工中，高脈沖起爆器和操作人員在一起，與導爆管雷管分立兩端；起爆主線由電導線、擊發針和導爆管連接而成。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以上導爆管，或選用300 m以上電導線作為爆破主線。如圖1所示。

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

2 遙控導爆管起爆系統的模塊及功能

針對現有導爆管起爆方式中存在的問題，研制的遙控導爆管起爆系統模塊如圖2所示[3]，制作設計及功能要求如表1。

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

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

表1 遙控導爆管起爆系統設計及功能Tab.1 Design functions and requirements

該系統主要由遙控器、電子起爆器、電容式擊發針和導爆管雷管組成，具備本地有線控制操作與無線遙控控制操作功能。此系統的設計不僅可以通過有線的方式有效控制電容式擊發針電路，完成遠距離的起爆操作；同時，與遙控器配合使用，可實現遠程無線起爆功能。

3 遙控導爆管起爆系統的設計

3.1 遙控電子起爆器

為了可以智能化控制整個起爆過程，遙控電子起爆器采用PIC系單片機作為核心控制單元，4個8段數碼管作為顯示部分，構成了系統最核心的控制及顯示單元[4]。系統具有回路通斷狀態檢測和擊發能量檢測的功能；通過閉環控制，可以保證擊發能量在額定范圍內才進入起爆階段；通過電源管理電路，系統電源部分采用可充聚合物鋰電池，實現高效可靠供電；內置無線控制模塊，實現無線起爆功能。通過系統授權登入、狀態檢測、信號處理與顯示和安全連鎖等功能設計，保證操作人員、設備及整個起爆過程的安全性和可靠性[5]。

3.2 無線控制技術

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，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，資源統一調配；采用先進的擴頻技術，傳輸距離與穿透能力比傳統頻移鍵控(FSK，frequency-shift keying)提升1倍以上，使用前向糾錯算法(FEC，forward error correction)和加密計算，能主動糾正被干擾的數據包，使通訊距離更遠，抗干擾能力更強[6]，無線控制的可靠性更高。

同時，在操作方面，結合現場人員操作習慣，遙控電子起爆器與遙控器設置為三鍵式起爆操作和多重指令確認功能，實現安全連鎖，極大地增強了現場無線控制起爆的安全性和可靠性。

3.3 電容式擊發針

電容式擊發針內置控制電路、泄能電路和擊發電路，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針二次升壓擊發，有效地提高了起爆的發火可靠性。

表2 遙控電子起爆器與現有高脈沖起爆器擊發導爆管對比Tab.2 Comparison with shock-conducting tube ignited by existing high pulse initiator

4 遙控導爆管起爆系統的可靠性測試

遙控導爆管起爆系統能否在露天礦山爆破中得以應用，其擊發的可靠性與無線控制的可靠性最為關鍵。

4.1 擊發可靠性

普通擊發針屬于尖端放電，當擊發電壓迅速升高到合理范圍時，擊發針兩極之間的空氣將被擊穿，產生火花放電，從而激發導爆管，起爆爆破網路。一定的放電溫度和放電時間，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弱，這也是導爆管可靠擊發的關鍵因素[7]。

為研究遙控起爆系統擊發導爆管的可靠性，根據爆破主線的規格、結構尺寸及導體直流電阻[8]，將現有高脈沖起爆器與普通擊發針、遙控電子起爆器與電容式擊發針在不同規格的爆破主線上進行擊發導爆管試驗，數據見表2。

試驗結果表明：選擇高脈沖起爆器與電阻相對較小的細銅起爆線時，線長300 m比200 m時的擊發成功率要低。在一定放電時間內，系統電阻越大，電流衰減越快[9]，所以擊發能量損失相對較大，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針起爆時，系統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，保證了起爆的擊發能量和發火率。

4.2 無線起爆可靠性

4.2.1 不同地形環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對點和非點對點兩種方式，為了檢測露天礦山不同地形環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)，對遙控起爆系統的無線發射信號與接收信號進行測試，并采用激發導爆管方式驗證起爆的可靠性，測試結果見表3。

結果表明，無線控制技術可應用于多種露天礦山地形環境，其中，點對點有效控制距離約1 000 m，非點對點有效控制距離約600 m。

4.2.2 不同干擾因素條件下無線信號的可靠性

采用手機和對講機對遙控導爆管起爆系統的無線通信進行干擾，按爆破安全規程要求設定無線起爆距離為400 m，結果如表4所示。

試驗結果表明，手機信號對無線信號基本無干擾；而遙控器附近對講機的發射信號對無線信號干擾較大，當這種類型的干擾存在時，會影響遙控器接收不到回傳信號，但不影響其發送指令。因此，在使用無線控制起爆時，需保持遙控器周圍對講機處于不通話狀態。

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射與接收情況Tab.3 Radio signal transmitting and receiving in different mine terrain conditions

5 現場應用

2018年，在重慶某露天石灰石礦山爆破中，進行了多次遙控導爆管起爆系統應用試驗，遙控電子起爆器擊發能量設計為1 500 V，通過遙控器、遙控電子起爆器和電容式擊發針配合使用，分別對起爆距離為200、300 m和500 m的導爆管起爆系統進行了無線控制起爆測試，并記錄擊發能量和導爆管擊發情況，具體如表5。現場應用中，系統穩定可靠，擊發能量足夠，導爆管遙控起爆安全、高效。

6 結論

通過多次工程應用試驗驗證，遙控導爆管起爆系統能遠程、可靠地起爆導爆管爆破網路，可以在露天爆破中進行推廣使用，主要有以下優點：

遙控導爆管起爆系統功能豐富，同時具備遠程有線和無線可靠起爆功能，在有線起爆方式中，爆破主線可為鐵質電導線，取材方便；在無線起爆方式中，不需現場敷、收線，操作便捷、節省勞動力；同時，系統能滿足不同爆破安全距離要求，穩定可靠，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 無線起爆擊發能量測試Tab.5 Wireless initiation energy test