楊 文 吳 競(jìng) 宋家良 夏 光 黃孟文 陳以鉆

①中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)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(guó)未來(lái)民爆器材發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)品，工業(yè)電子雷管(簡(jiǎn)稱電子雷管)是集電子芯片技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(xué)延期體，實(shí)現(xiàn)了通信控制、延期設(shè)置及加密起爆等功能，具有延期精度高、延期時(shí)間任意設(shè)置、智能化等優(yōu)點(diǎn)。電子雷管已在各類爆破工程得到廣泛應(yīng)用[1-3]；尤其在隧道爆破中的應(yīng)用真正實(shí)現(xiàn)了高精度化、信息化和科學(xué)化，被稱作爆破技術(shù)的革命。

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)電子雷管生產(chǎn)企業(yè)的電子控制模塊是外包生產(chǎn)的。不同生產(chǎn)企業(yè)的控制模塊來(lái)自不同的電子設(shè)計(jì)企業(yè)，出現(xiàn)了控制模塊內(nèi)部電路設(shè)計(jì)不一致、元器件選擇差異大、性能指標(biāo)不統(tǒng)一以及雷管產(chǎn)品質(zhì)量差異較大的現(xiàn)象。尤其在隧道、井下及孔樁等小斷面爆破中，掘進(jìn)斷面的周邊孔部位電子雷管拒爆、丟炮情況比較常見，嚴(yán)重阻礙其推廣與應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者將小斷面爆破中電子雷管拒爆的主要原因歸結(jié)為:

1)先爆孔炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)電子芯片產(chǎn)生影響[4]；

2)由于小斷面掘進(jìn)爆破中孔距相對(duì)較近，先爆孔爆炸沖擊對(duì)后爆孔內(nèi)的電子雷管產(chǎn)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(yàn)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(shí)原因，以至于不能有效避免拒爆、丟炮現(xiàn)象的發(fā)生和準(zhǔn)確指導(dǎo)生產(chǎn)商解決產(chǎn)品存在的問(wèn)題。

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

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

選取兩種典型的電子雷管樣品(A、B)進(jìn)行水下抗沖擊性能試驗(yàn)。

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(guò)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(qiáng)度不銹鋼水箱；水下爆炸壓力測(cè)試采用ICP 電氣石傳感器和BLAST-PRO 沖擊波測(cè)試系統(tǒng)；示波器型號(hào)為泰克MDO3034。

1.2 試驗(yàn)方案

測(cè)試系統(tǒng)見圖1。將電子雷管中心與主發(fā)藥包中心對(duì)齊，保持在一條直線上，通過(guò)直徑約1 mm 的細(xì)鐵絲拉直固定在框架內(nèi)，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(cè)雷管與起爆電子雷管同網(wǎng)連接，延期時(shí)間為100 ms，主發(fā)藥包起爆產(chǎn)生的沖擊波作用于被測(cè)雷管，模擬起爆網(wǎng)絡(luò)中電子雷管受沖擊的作用。改變被測(cè)雷管與炸藥包間的距離，控制其所受沖擊強(qiáng)度，通過(guò)專用的儀器對(duì)沖擊后的雷管樣品的損傷部位進(jìn)行檢測(cè)。

采用相同的試驗(yàn)方法對(duì)電子控制模塊進(jìn)行沖擊，通過(guò)示波器測(cè)試采集起爆電壓的變化。通過(guò)水下爆炸沖擊波測(cè)試系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)，擬合得到適合本試驗(yàn)的沖擊波峰值壓力計(jì)算公式。

2 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)[7]，被測(cè)樣品拒爆發(fā)生在中遠(yuǎn)場(chǎng)，所以主要考慮沖擊波對(duì)樣品的損傷作用。采用最小二乘法對(duì)水下爆炸沖擊波測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到球形裝藥水下爆炸沖擊波峰值壓力計(jì)算公式為

式中:pm為沖擊波峰值壓力，MPa；Q為標(biāo)定藥包的質(zhì)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(yàn)結(jié)果見表1、表2。非工作狀態(tài)電子雷管的延時(shí)用“ -”代替。

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

表2 B 電子雷管樣品沖擊作用結(jié)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(shù)降低直至未出現(xiàn)發(fā)火。發(fā)火原因是雷管受強(qiáng)烈沖擊產(chǎn)生殉爆。從電子雷管發(fā)火數(shù)與距離的關(guān)系(圖2)可知，A、B樣品不被殉爆的臨界距離分別為L(zhǎng)A=8 cm(pm=250.65 MPa)、LB=18 cm(pm=77.30 MPa)；A 樣品抗沖擊殉爆強(qiáng)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(shù)近似呈現(xiàn)V形變化。最小發(fā)火數(shù)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(shì)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L(zhǎng)A=15 cm(pm=100.74 MPa)、LB=23 cm(pm=54.21 MPa)；A樣品抗沖擊性能強(qiáng)度是B 樣品的1.9 倍。

2.2 電子雷管拒爆原因

通過(guò)專用起爆器對(duì)拒爆的電子雷管進(jìn)行檢測(cè)，A、B 樣品檢測(cè)結(jié)果見表3、表4。拒爆后檢測(cè)正常，再次激發(fā)無(wú)法正常發(fā)火，說(shuō)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(qiáng)度的增加而加強(qiáng)。主要的損傷模式有:電子控制模塊損壞、藥頭損壞以及暫時(shí)失效(檢測(cè)正常，二次發(fā)火)。pm≥250.65 MPa 時(shí)，是電子控制模塊損壞導(dǎo)致拒爆；pm=123.97～181.36 MPa 時(shí)，是藥頭損壞和暫時(shí)失效導(dǎo)致拒爆；其中，暫時(shí)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(nèi)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(cè)結(jié)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(xiàn)A 樣品的暫時(shí)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(shí)，隨著壓力降低，在電子控制模塊未被損壞的前提下，依然會(huì)出現(xiàn)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(cè)結(jié)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(xiàn)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(yīng)的防護(hù)措施加以保護(hù)[8]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有樣品出現(xiàn)與工程實(shí)踐中發(fā)生的電子雷管拒爆后性能檢測(cè)正常、二次發(fā)火正常的類似現(xiàn)象，與普通雷管具有本質(zhì)區(qū)別[9]。初步分析認(rèn)為，可能是沖擊波作用導(dǎo)致電子控制模塊出現(xiàn)問(wèn)題；所以需對(duì)A樣品的電子控制模塊單獨(dú)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。通過(guò)示波器觀察到電子控制模塊內(nèi)部的起爆電壓受沖擊導(dǎo)致的失電現(xiàn)象，如圖3 所示。不同距離下，電子控制模塊失電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

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

通過(guò)升降法測(cè)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(jié)合表5 得圖4。在pm=181.36 MPa 時(shí)，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(huì)導(dǎo)致剩余能量無(wú)法點(diǎn)燃引火藥頭，無(wú)法進(jìn)行正常起爆；但內(nèi)部元器件沒有被沖擊損壞，可以重復(fù)使用，所以電子雷管出現(xiàn)暫時(shí)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(yàn)結(jié)果。

A 樣品的暫時(shí)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(xiàn)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(xiàn)失電壓力接近，但與A 樣品暫時(shí)失效拒爆壓力差異較大。所以，B 樣品沒有出現(xiàn)暫時(shí)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(dá)到失電拒爆閾值之前已被沖擊損壞。后期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子雷管電容沖擊失電是其固有的特性，驗(yàn)證了B 樣品未發(fā)生暫時(shí)失效拒爆，是因?yàn)樵谑щ娋鼙半娮涌刂颇K已被損壞。

3 結(jié)論

1)起爆網(wǎng)絡(luò)中電子雷管受到?jīng)_擊作用，隨著沖擊強(qiáng)度的增加，依次表現(xiàn)為雷管暫時(shí)失效拒爆、電子引火元件結(jié)構(gòu)損壞拒爆和殉爆，且不同工藝技術(shù)的產(chǎn)品受損程度差異較大。

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

3)不同工藝技術(shù)的電子雷管及電子控制模塊產(chǎn)品抗沖擊性能差異較大。A 樣品的抗沖擊強(qiáng)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(qiáng)度pm=181.36 MPa，B 樣品pm=54.21MPa。

4)在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置及方法可用于對(duì)電子雷管和電子控制模塊產(chǎn)品抗沖擊性能的檢測(cè)，為電子雷管抗沖擊性能檢測(cè)方法建標(biāo)奠定基礎(chǔ)。