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(xué)電氣信息學(xué)院(湖北武漢，430205)

引言

隨著導(dǎo)爆管雷管的廣泛應(yīng)用，其爆破網(wǎng)路起爆的安全性、可靠性和經(jīng)濟性變得尤為重要。目前，國內(nèi)最常用的導(dǎo)爆管雷管及網(wǎng)路起爆方式為高能脈沖擊發(fā)起爆，爆破主線用電導(dǎo)線或?qū)П躘1]。從爆破現(xiàn)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(dǎo)線引爆方式，而長電導(dǎo)線因電阻大會造成擊發(fā)能量損失，直接影響了爆破網(wǎng)路起爆的安全可靠性，此外也會延長工時；特別是在大規(guī)模的礦山爆破中，需遠離爆破現(xiàn)場幾千米，如何在保證起爆安全和穩(wěn)定的同時，減少電導(dǎo)線長度也成為一個關(guān)鍵問題。因此，有必要研發(fā)新型導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，進一步推進爆破服務(wù)。

本文中，設(shè)計了一種遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，涉及到遙控器、電子起爆器和電容式擊發(fā)針的設(shè)計；并對遙控電子起爆器進行現(xiàn)場試驗，檢驗其安全性和可靠性。

1 導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的現(xiàn)狀

高脈沖式導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)由高脈沖起爆器、起爆主線、擊發(fā)針和導(dǎo)爆管雷管組成。國內(nèi)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(fā)針尖端放電，實現(xiàn)導(dǎo)爆管高脈沖擊發(fā)傳爆。在爆破施工中，高脈沖起爆器和操作人員在一起，與導(dǎo)爆管雷管分立兩端；起爆主線由電導(dǎo)線、擊發(fā)針和導(dǎo)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(dǎo)爆管，或選用300 m以上電導(dǎo)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(dǎo)爆管連接，可以保證起爆效果穩(wěn)定，但需消耗比較長的導(dǎo)爆管，增加了起爆成本和勞動量；后者使用較長的電導(dǎo)線連接，雖減少了導(dǎo)爆管用量，但受技術(shù)限制，必須使用電阻小的銅線，同時，擊發(fā)能量在長距離傳輸過程中有損失，在施工時容易出現(xiàn)多次放電卻無法起爆的現(xiàn)象，降低了起爆可靠性，增加了起爆安全風(fēng)險和勞動量。

2 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的模塊及功能

針對現(xiàn)有導(dǎo)爆管起爆方式中存在的問題，研制的遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)模塊如圖2所示[3]，制作設(shè)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(dǎo)爆管起爆模塊Fig.2 A sketch map of new type shock-conducting tube system

表1 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)設(shè)計及功能Tab.1 Design functions and requirements

該系統(tǒng)主要由遙控器、電子起爆器、電容式擊發(fā)針和導(dǎo)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(tǒng)的設(shè)計不僅可以通過有線的方式有效控制電容式擊發(fā)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(xiàn)遠程無線起爆功能。

3 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的設(shè)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(shù)碼管作為顯示部分，構(gòu)成了系統(tǒng)最核心的控制及顯示單元[4]。系統(tǒng)具有回路通斷狀態(tài)檢測和擊發(fā)能量檢測的功能；通過閉環(huán)控制，可以保證擊發(fā)能量在額定范圍內(nèi)才進入起爆階段；通過電源管理電路，系統(tǒng)電源部分采用可充聚合物鋰電池，實現(xiàn)高效可靠供電；內(nèi)置無線控制模塊，實現(xiàn)無線起爆功能。通過系統(tǒng)授權(quán)登入、狀態(tài)檢測、信號處理與顯示和安全連鎖等功能設(shè)計，保證操作人員、設(shè)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(shù)

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(shù)，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(tǒng)一調(diào)配；采用先進的擴頻技術(shù)，傳輸距離與穿透能力比傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jié)合現(xiàn)場人員操作習(xí)慣，遙控電子起爆器與遙控器設(shè)置為三鍵式起爆操作和多重指令確認功能，實現(xiàn)安全連鎖，極大地增強了現(xiàn)場無線控制起爆的安全性和可靠性。

3.3 電容式擊發(fā)針

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

表2 遙控電子起爆器與現(xiàn)有高脈沖起爆器擊發(fā)導(dǎo)爆管對比Tab.2 Comparison with shock-conducting tube ignited by existing high pulse initiator

4 遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的可靠性測試

遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)能否在露天礦山爆破中得以應(yīng)用，其擊發(fā)的可靠性與無線控制的可靠性最為關(guān)鍵。

4.1 擊發(fā)可靠性

普通擊發(fā)針屬于尖端放電，當(dāng)擊發(fā)電壓迅速升高到合理范圍時，擊發(fā)針兩極之間的空氣將被擊穿，產(chǎn)生火花放電，從而激發(fā)導(dǎo)爆管，起爆爆破網(wǎng)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(dǎo)爆管可靠擊發(fā)的關(guān)鍵因素[7]。

為研究遙控起爆系統(tǒng)擊發(fā)導(dǎo)爆管的可靠性，根據(jù)爆破主線的規(guī)格、結(jié)構(gòu)尺寸及導(dǎo)體直流電阻[8]，將現(xiàn)有高脈沖起爆器與普通擊發(fā)針、遙控電子起爆器與電容式擊發(fā)針在不同規(guī)格的爆破主線上進行擊發(fā)導(dǎo)爆管試驗，數(shù)據(jù)見表2。

試驗結(jié)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(fā)成功率要低。在一定放電時間內(nèi)，系統(tǒng)電阻越大，電流衰減越快[9]，所以擊發(fā)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(fā)針起爆時，系統(tǒng)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(fā)能量和發(fā)火率。

4.2 無線起爆可靠性

4.2.1 不同地形環(huán)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(huán)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(tǒng)的無線發(fā)射信號與接收信號進行測試，并采用激發(fā)導(dǎo)爆管方式驗證起爆的可靠性，測試結(jié)果見表3。

結(jié)果表明，無線控制技術(shù)可應(yīng)用于多種露天礦山地形環(huán)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(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)的無線通信進行干擾，按爆破安全規(guī)程要求設(shè)定無線起爆距離為400 m，結(jié)果如表4所示。

試驗結(jié)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(fā)射信號對無線信號干擾較大，當(dāng)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(fā)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(tài)。

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

5 現(xiàn)場應(yīng)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(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)應(yīng)用試驗，遙控電子起爆器擊發(fā)能量設(shè)計為1 500 V，通過遙控器、遙控電子起爆器和電容式擊發(fā)針配合使用，分別對起爆距離為200、300 m和500 m的導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)進行了無線控制起爆測試，并記錄擊發(fā)能量和導(dǎo)爆管擊發(fā)情況，具體如表5?，F(xiàn)場應(yīng)用中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，擊發(fā)能量足夠，導(dǎo)爆管遙控起爆安全、高效。

6 結(jié)論

通過多次工程應(yīng)用試驗驗證，遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)能遠程、可靠地起爆導(dǎo)爆管爆破網(wǎng)路，可以在露天爆破中進行推廣使用，主要有以下優(yōu)點：

遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)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(zhì)電導(dǎo)線，取材方便；在無線起爆方式中，不需現(xiàn)場敷、收線，操作便捷、節(jié)省勞動力；同時，系統(tǒng)能滿足不同爆破安全距離要求，穩(wěn)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(fā)能量測試Tab.5 Wireless initiation energy test