兩種提高工業(yè)電子雷管抗沖擊波性能緩沖材料的實驗研究

岳彩新

(中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

工業(yè)電子雷管(簡稱“電子雷管”)作為我國未來民爆器材發(fā)展趨勢中的主導(dǎo)產(chǎn)品，是集電子芯片技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身的新型起爆器材。 電子雷管與傳統(tǒng)雷管相比引入電子控制模塊實現(xiàn)其通信控制、延期設(shè)置及加密起爆功能，具有高延期精度、高安全、智能化等優(yōu)勢。 經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國電子雷管技術(shù)水平已取得長足進步，被廣泛應(yīng)用于爆破工程中[1-3]。 但是，電子雷管可靠性研究還不夠充分，存在的安全隱患尚無可靠的安全保護措施。 針對此問題，筆者對電子雷管在小斷面爆破作業(yè)應(yīng)用過程中發(fā)生的拒爆丟炮現(xiàn)象，設(shè)計2 種緩沖材料，并分別對其提高電子雷管的抗沖擊波性能開展實驗驗證，并對實驗結(jié)果進行了理論分析。

目前，國內(nèi)對于電子雷管受沖擊波作用的研究較少，就提高其抗沖擊波性能的防護裝置更無報道，且研究對象為傳統(tǒng)雷管。 例如王尹軍等[4]針對發(fā)藍殼延期電雷管的2 段和5 段進行了水下耐沖擊波測試。 試驗表明:延期雷管在水中受到主發(fā)藥包沖擊波作用后，主要出現(xiàn)兩種情況，一是與主發(fā)藥包距離較近時發(fā)生殉爆，二是距離較遠時雷管受到損壞導(dǎo)致失效。 但電子雷管的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)雷管存在明顯區(qū)別，傳統(tǒng)雷管抗沖擊波性能測試結(jié)果不能科學(xué)地指導(dǎo)電子雷管的研究。 查找相關(guān)文獻，僅有南京理工大學(xué)近期采用霍普金森桿測試電子雷管各組件的抗沖擊波性能以及小斷面爆破環(huán)境下電子雷管所受壓力，針對電子雷管受沖擊波作用而發(fā)生失效的機理研究并不充分。 因此，進一步開展電子雷管抗沖擊波性能的研究，并提供可靠簡易的緩沖材料，為提高電子雷管抗沖擊波性能、爆破作業(yè)的安全性、經(jīng)濟性具有重要意義。

1 實驗裝置及緩沖材料

爆炸沖擊試驗在一個直徑1.8 m、水深1.8 m、壁厚30 mm 的高強度不銹鋼水箱內(nèi)進行，內(nèi)襯沖擊波吸收層，減少箱壁和箱底反射對水中沖擊波峰值壓力的影響。 將0.015 kg 工業(yè)炸藥(二級巖石乳化炸藥)和1 發(fā)8 號電子雷管組裝成主發(fā)裝藥，在水中產(chǎn)生爆炸沖擊波。 其外殼由防水牛皮紙手工卷制而成，內(nèi)徑25 mm、長度25 mm(長徑比1 ∶1，這里近似球形裝藥，裝藥半徑R0=12.5 mm)，將紙筒外部包裹防水塑料。 將主發(fā)藥包上下端用絲線綁牢拉直固定在測試固定架上，采用相同的方法將被測試電子雷管和ICP 電氣石水下爆炸壓力傳感器(簡稱“水下傳感器”)也用絲線固定在測試固定架上，主發(fā)裝藥、被測試電子雷管的芯片和水下傳感器的形心處在同一水平位置(組裝如圖1所示)，將組裝好的測試部件采用吊放設(shè)施吊裝入水箱內(nèi)。

圖1 主發(fā)裝藥、被測試電子雷管和水下爆炸沖擊波測試系統(tǒng)組裝示意圖

1.1 沖擊波超壓峰值壓力計算

主發(fā)裝藥水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過程中，隨著距離增加而迅速衰減，其壓力狀態(tài)在近場和中遠場呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，以比距離R/R0=6 作為波形變化的分界點[5]。

當6≤R/R0≤44 時，通過水下傳感器測量不同距離點的壓力峰值，擬合得出壓力峰值與距離和藥量的計算公式(1)。 試驗共測試4 組數(shù)據(jù)，不同距離壓力峰值測試結(jié)果見表1。

表1 不同距離壓力峰值測試結(jié)果

將所測的實測數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標中進行線性擬合，得到公式(1):

主發(fā)裝藥中的工業(yè)炸藥藥量W=0.015 kg，因此，經(jīng)過恒等變形可變?yōu)楣?2):

當R/R0＜6 時，沖擊波波陣面與波后流場并未完全分離，測試會受到干擾，采用電氣手段測試近場的沖擊波峰值壓力比較困難。 因此，通過相關(guān)文獻數(shù)值擬合[6]，結(jié)合上述中遠場公式，可得近似回歸公式來估算近場峰值壓力，如公式(3)所示。

式中:Pm為主發(fā)裝藥在水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力，MPa；W為主發(fā)裝藥中工業(yè)炸藥的藥量，kg；R為被測試電子雷管或水下傳感器距離主發(fā)裝藥的軸線距離，m；R0為主發(fā)裝藥的裝藥半徑，m。

1.2 被測電子雷管及緩沖材料

被測試電子雷管由電子控制模塊、引火藥頭、加強帽、起爆藥和主裝藥等組裝在管殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，管殼材料為發(fā)藍鋼質(zhì)，總長度95.0 mm，電子控制模塊及引火元件尺寸長度53.0 mm，管徑7.1 mm。

圖2 被測試電子雷管結(jié)構(gòu)(單位:mm)

被測試電子雷管在爆破工程應(yīng)用過程中，要面臨極端的作業(yè)環(huán)境，因此，防護材料的選擇除應(yīng)滿足本試驗所考察的性能外，還需滿足:①適用溫度范圍-60 ～85 ℃；②耐腐蝕和老化，使用年限5 年以上；③具有一定的柔韌性，便于安裝(不改變原有電子雷管結(jié)構(gòu))；④便于爆破人員取材，價格低廉。 根據(jù)上述要求，選擇乳膠管和橡塑保溫材料作為爆炸沖擊波的緩沖材料進行考察試驗，組裝方式如圖3 所示。

圖3 被測試電子雷管和乳膠管、橡塑保溫材料組裝圖

乳膠管采用天然橡膠制造，因具有高彈性、耐老化的特點，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)抽血軋帶、實驗室玻璃管連接、輸送食品飲料等領(lǐng)域。 根據(jù)被測試電子雷管的外徑(?7.1 mm)和被保護部位(電子控制模塊及引火元件)，截取長度53.0 mm、內(nèi)徑6.0 mm、壁厚1.5 mm 的乳膠管進行組裝。

橡塑保溫材料是彈性閉孔材料，具有柔軟、耐曲繞、耐寒、耐熱、阻燃、防水、導(dǎo)熱系數(shù)低、減震、吸音等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于建筑、化工、輕紡、冶金、汽車、電器等行業(yè)和各類冷熱介質(zhì)管道。 截取長度53.0 mm、內(nèi)徑6.0 mm、壁厚9.0 mm 的橡塑保溫材料進行組裝。

2 實驗過程

由上述可知，測試系統(tǒng)主要由爆炸水箱、水下爆炸沖擊波測試系統(tǒng)、吊放設(shè)施、主發(fā)裝藥及測試固定架等組成。

2.1 實驗方案

組裝好測試部件放入爆炸水箱前，固定主發(fā)裝藥的藥量(0.015 kg)，放入水箱后的主發(fā)裝藥形心距離水面1.0 m。 改變被測試電子雷管(分別為無防護、乳膠管防護和橡塑保溫材料防護3 種情況)與主發(fā)裝藥的距離(垂直固定在被測試固定架上時軸線之間的距離)，分別在0.03、0.05、0.07、0.10、0.13、0.15 m 處進行沖擊試驗，一次測試2 發(fā)，平行測試2 組，試驗后用專用儀器檢測電子雷管狀態(tài)。同時，改變水下傳感器與主發(fā)裝藥的距離，分別在0.40、0.45、0.50、0.55 m 處實測沖擊波峰值壓力，將數(shù)據(jù)擬合得到該型號炸藥中遠場峰值壓力計算公式。 近場沖擊波峰值壓力計算通過相關(guān)文獻的計算公式進行修正估算。 通過不同距離處的電子雷管狀態(tài)和峰值壓力，定量評估被測試電子雷管抗沖擊波性能。 測試結(jié)果見表2。

表2 爆炸沖擊波對電子雷管性能影響的測試結(jié)果

2.2 沖擊波對電子雷管的影響

根據(jù)表2 的測試結(jié)果，將觀察的試驗現(xiàn)象劃分為2 種情形:

1)情形1，被測試電子雷管如果距離主發(fā)裝藥過近，電子雷管會發(fā)生殉爆。 將主發(fā)裝藥中的電子雷管接入起爆器(此時，被測試電子雷管未接入)引爆，當電子雷管與主發(fā)裝藥的間距為0.03 m 時，不管被測試電子雷管加不加防護，均發(fā)生殉爆。 被測試電子雷管與主發(fā)裝藥間距大于0.05 m 時，被測試電子雷管就不再發(fā)生殉爆。

2)情形2，當距離大于0.05 m 時，沖擊波不會造成被測試電子雷管的殉爆，但是未發(fā)生殉爆的電子雷管會受到?jīng)_擊波的影響。 將主發(fā)裝藥中的電子雷管延期時間設(shè)置0 ms，被測試電子雷管延期時間設(shè)置100 ms，一同接入起爆器起爆。 改變被測試電子雷管與主發(fā)裝藥的距離，試驗后用專用儀器檢測被測試電子雷管的狀況。 實驗結(jié)果表明:當被測試電子雷管不加防護時，在0.05 ～0.13 m 處被測試電子雷管出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象；采用乳膠管進行防護時，在0.05 ～0.07 m 處出現(xiàn)電子雷管拒爆現(xiàn)象；采用橡塑保溫材料進行防護時，未出現(xiàn)電子雷管拒爆現(xiàn)象。

3 實驗結(jié)果分析

當電子雷管無防護時，沖擊波超壓(83.71 ～522.68 MPa)會造成電子雷管損傷而無法正常起爆，分析原因有3 個:①沖擊波直接穿過雷管管殼和橡膠層，使得電子元器件發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的物理損傷、橋絲被振斷或橋絲與藥頭分離；②沖擊波壓強過大，將管殼壓扁(氣室部位更容易被壓扁)擠壓電子元器件部位，將芯片或電容壓壞，氣室部位管殼將點火藥頭擠掉或橋絲擠斷；③電子雷管內(nèi)的電解質(zhì)電容受沖擊波作用失電無法達到藥頭的發(fā)火電壓。 經(jīng)受沖擊波作用后電子雷管外觀如圖4 所示，通過觀察，管殼變形程度隨著距離的減小而加劇。

圖4 受沖擊波作用后電子雷管外觀

當采用乳膠管和橡塑保溫材料作為沖擊波緩沖材料時，因為沖擊波作用于無防護的電子雷管時沖擊波也會衰減，所以以無防護電子雷管對沖擊波的超壓值的影響效果為基準，利用公式(4)定量了解乳膠管和橡塑保溫材料對沖擊波的衰減效果。

式中:λP為沖擊波超壓影響比率，無量綱；φPunprotect為電子雷管無防護的沖擊波超壓峰壓，MPa，φprotect為電子雷管采用乳膠管或橡塑保溫材料作為緩沖材料的沖擊波超壓峰壓，MPa。

由表2 可知，電子雷管經(jīng)沖擊波作用仍能正常起爆的位置分別是:①當電子雷管無防護，在R=0.15 m、Pm=71.32 MPa 處；②當采用乳膠管作為緩沖材料時，在R=0.10 m、Pm=112.27 MPa 處；③當采用橡塑保溫材料作為緩沖材料時，在R=0.07 m、Pm=522.68 MPa 處。 根據(jù)公式(4)可得，乳膠管、橡塑保溫材料對沖擊波的衰減效果分別是無防護電子雷管的1.57 倍和7.33 倍。

由上述計算結(jié)果可知，相較于乳膠管，橡塑保溫材料對炸藥的爆炸沖擊波能量衰減更加有效。其原因是衰減效果取決于緩沖材料的材質(zhì)、密度和壁厚。 本試驗所研究的2 種緩沖材料物理特征為:①乳膠管的主要成分為順-聚異戊二烯，密度約為1 300 kg/m3，壁厚1.5 mm；②橡塑保溫材料是高發(fā)泡聚乙烯閉孔彈性材料，密度約為40 kg/m3，壁厚9.0 mm。 由此可知，橡塑保溫材料因其低密度的多孔顯微結(jié)構(gòu)和9.0 mm 壁厚，會對沖擊波產(chǎn)生反射、繞射的相互作用，產(chǎn)生的內(nèi)耗會對沖擊波產(chǎn)生更明顯的衰減。 而乳膠管與沖擊波作用會引起材料的共振，材料發(fā)生形變及材料表面的反射雖能一定程度衰減沖擊波，但因其只有1.5 mm 的壁厚，衰減特性不如橡塑保溫材料。

4 結(jié)論

綜上所述，可得到如下結(jié)論:

1)該型號電子雷管在無防護狀態(tài)下，沖擊波超壓峰壓在83.71 ～522.68 MPa 范圍內(nèi)，會造成電子雷管芯片、電容、橋絲、藥頭的物理損傷或電容失電的“暫時”損傷；

2)采用乳膠管或橡塑保溫材料作為該型電子雷管的緩沖材料時，可衰減爆炸沖擊波能量對電子雷管的影響，其沖擊波超壓影響比率λP分別是1.57 和7.33；

3)橡塑保溫材料的低密度多孔顯微結(jié)構(gòu)和9.0 mm 壁厚，對炸藥的爆炸沖擊波能量衰減更加有效。

實際工程爆破中，在進行孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計時，不應(yīng)使電子雷管發(fā)生殉爆、物理損傷或電容失電的情況發(fā)生。 如果在實際作業(yè)過程中，為了達到特定的爆破效果而要求炮孔間距必須保持較小且可能對電子雷管產(chǎn)生影響時，可采取適當?shù)谋Ｗo措施，在電子雷管芯片和氣室部位套一層乳膠套或低密度閉孔彈性材料。