小断面引水隧道中数码电子雷管的应用与盲炮分析.pdf

小断面引水隧道中数码电子雷管的应用与盲炮分析孟 涛1,胡文钊1,张 杰1,周 健1,何志伟2(1.安徽荻港海螺水泥股份有限公司,安徽 芜湖 241005;2.安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232001)摘要:通过介绍数码电子雷管的结构、工作原理、起爆系统分析其在隧道工程中的优势,计算隧道中爆破振动速度与冲击波压力。以某工程引水洞隧道实例详细介绍数码电子雷管在隧道爆破中的应用并对产生的盲炮进行原因分析。隧道工程应用表明,采用数码电子雷管可以明显改善爆破效果,减弱爆破振动,减少钻孔数目,岩石破碎均匀,大大提高了爆破作业安全性和施工效率,为今后数码电子雷管在工程应用推广起到积极作用。关键词:数码电子雷管;隧道爆破;冲击波;爆破振动中图分类号:TD235;U455 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)02-0012-05收稿日期:2022-12-19基金项目:国家自然科学基金项目(51404006)作者简介:孟涛(1996),男,安徽淮南人,工程师,硕士,主要从事矿山爆破、含能材料及爆破器材等研究。E-mail:1104726355 。引用格式:孟涛,胡文钊,张杰,等.小断面引水隧道中数码电子雷管的应用与盲炮分析J.煤矿爆破,2023,41(2):12-16.MENG Tao,HU Wenzhao,ZHANG Jie,et al.Application and misfire analysis of digital electronic detonators in small section diversion tunnelJ.Coal Mine Blasting,2023,41(2):12-16.Application and misfire analysis of digital electronic detonators in small section diversion tunnel MENG Tao1,HU Wenzhao1,ZHANG Jie1,ZHOU Jian1,HE Zhiwei2(1.Anhui Digang Conch Cement Co.,Ltd.,Wuhu 241005,China;2.School of Chemical Engineering,Anhui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)Abstract:By introducing the structure,working principle and detonation system of digital electronic detonator,its advantages in tunnel engineering are analyzed,and the blasting vibration velocity and shock wave pressure in tunnel are calculated.Taking the diversion tunnel of a project as an example,the application of digital electronic detonator in tunnel blasting is introduced in detail and the causes of misfire are analyzed.The application in tunnel engineering shows that the use of digital electronic detonators can significantly improve the blasting effect,reduce the blasting vibration and the number of boreholes,and,break the rock evenly,which greatly improves the safety and construction efficiency of the blasting operation.In addition,it plays a positive role in the engineering application of digital electronic detonators in the future.Key words:digital electronic detonator;tunnel blasting;shock wave;blasting vibration0 引言数码电子雷管作为当下的新型起爆器材,是一种可以设定任意时间并准确实现预期发火的起爆器材,其本质是在普通工业雷管的基础上采用电子控制元件代替化学延期药进行延期时间的控制,这也是数码电子雷管与普通工业雷管最显著的区别。由于数码电子雷管是通过微型电子芯片来控制延期时间,因此,比通过点火元件引燃延期药来控制21Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月时间更精确。此外,数码电子雷管在芯片内置起爆密码,从而保证数码电子雷管不能被非法引爆,极大地提高本质安全性;同时数码电子雷管还具有管控方便、抗射频、爆破效果好等优势1-4。数码电子雷管的出现是工程爆破行业跨时代的产物,对民爆行业的发展具有重大意义。尤其是在隧道爆破5-8工程上数码电子雷管的应用越来越频繁,这得益于数码电子雷管可以实现毫秒微差爆破且误差时间不大于 1 ms,从而减弱了爆炸产生的爆破振动,断面外轮廓损伤程度小,提高了围岩的稳定性9-10。此外,一些隧道爆破受环境限制对爆破振动11有严格要求,对雷管延期精度要求高,数码电子雷管延期精度高这一特性非常符合方案设计要求,给施工带来极大的便捷,加快了施工进度,降低了施工成本。1数码电子雷管的结构、工作原理及其起爆系统1.1 结构数码电子雷管是由装药结构、防护帽、点火药头、电子芯片元件及导线 5 个部分组成,其核心部分是装载芯片的电子控制元件,通过电子控制元件实现延时控制、网络通信和加密等功能;在接收到起爆指令后能够按照设置的延期时间进行精确起爆。数码电子雷管的具体结构如图 1 所示。1234561猛炸药;2起爆药;3点火药头;4电子控制元件;5防护帽;6导线。图 1 数码电子雷管结构示意图1.2 数码电子雷管的工作原理通常情况下,为保护数码电子雷管储存安全性,结构构造采用无内部电源的设计,所需电源需要依靠外部设备对其激活。外部设备通过电信号加载在雷管脚线上与主控芯片建立正常的工作模式,从而进行延期时间的设置、代码识别、电容充放电及内部检测等操作指令。此外,为了保证数码电子雷管的安全可靠性和实现通信数据线与电源线的复用,防止发生因某种原因数码电子雷管拒爆现象,保障在网络起爆过程中,爆破母线或雷管脚线在被炸断的情况下,数码电子雷管仍可以按照预设的延期时间正常起爆,这就需要在起爆准备阶段,电容存储足够多的能量。数码电子雷管采用双储能电容模式对雷管进行控制,一个电容负责控制芯片工作所需的能量;另一个电容负责点火药头所需的能量。当雷管接收到充电指令,主控芯片发出充电信号,电子开关K1 闭合,储能电容 C2 开始充电直到充电结束,然后 K1 断开,起爆器发出起爆指令后,芯片内部开始延期计时,达到规定的延期时间设定值后,主控芯片输出点火触发信号,电子开关 K3 闭合,已存储好能量的 C2 将能量传递给外接电引火药头,从而完成对数码电子雷管的起爆。K2 适用于雷管处于故障状态中,对其进行终止爆破操作,接通 K2 能够将C2 快速放电,使雷管快速转为安全模式。数码电子雷管的工作原理如图 2 所示。通信/供电线延期/控制延期电路控制电路内部检查通信管理点火头K 1K 3C 1K 2C 2图 2 数码电子雷管工作原理图1.3 数码电子雷管的起爆系统数码电子雷管的起爆系统12-13都是配套专用,不同公司生产的数码电子雷管是不能被其他起爆系统进行起爆的,但区别不是很大,主要是起爆器有所不同。在起爆数码电子雷管前需要用起爆器对其进行性能检测,检验所有雷管是否处于正常状态;待检测好的雷管完成起爆,起爆系统会自动上传起爆雷管的相关信息(雷管使用数量、雷管编码、起爆时间、起爆点经纬度、雷管使用状态、爆破员信息、作业任务和使用的起爆器的编号等),并将信息直接上传至民爆信息网络服务平台。起爆系统如图 3 所示。图 3 起爆系统示意图31第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.20232 隧道工程应用概况宁波至杭州湾新区引水工程标 2 号输水隧洞进口管道段桩号 SD0-286.674 SD0+000 m,2 号输水隧洞出口段桩号 SD18+800SD20+909.5 m,隧道断面为马蹄形。大池墩隧道及施工支洞开挖工程位于浙江余姚市,属于级围岩,在洞口覆盖层含少量碎石、角砾,厚度为 0.50.7 m;基岩为晶屑玻屑熔结凝灰岩,岩石致密坚硬;支洞进口段覆盖层厚约 0.7 m,强风化岩体厚约 11.3 m,岩体完整性较差,工程条件一般。大池墩隧道西南侧离最近民房有 300 m,距离村口道路 245 m;南侧面临大池墩水库,距其边缘处 250 m,距离水库大坝约1 100 m。鉴于此,在方案设计中要求控制振速不得超过 2.0 cm/s。此外,该隧道爆破出渣采用铺轨电车与卡车相结合的模式,在这种模式下可以大大缩短施工时间,提高出渣效率。2.1 爆破参数与炮孔布置本试验爆破采用掏槽爆破和毫秒延期爆破的组合方式,进行全断面开挖。炸药为 2 号岩石乳化炸药,实际断面尺寸为 3.3 m3.3 m,断面面积为9.5 m2,采用中空孔菱形布孔直孔掏槽,周边采用光面爆破。断面装药总量为 64.1 kg,装药总孔数为37 个,周边孔每孔装 2 发雷管,雷管总数为 50 发,具体爆破参数见表 1,布孔示意图如图 4 所示。9+9+9+9+9+9+9+8+8+8+8+8+8+8887556634422655367799112 7 5 03 3 0 03 3 0 0单位：m m图 4 布孔示意图2.2 装药结构该断面的装药结构采用连续不耦合装药和间断不耦合装药,炮孔直径为 42 mm,不耦合系数为1.31,掏槽孔与辅助孔采用单孔单发雷管连续装药,周边孔采用单孔双发雷管间断装药,起爆药包分别装在药柱底部 1/3 和 2/3 处,具体结构如图 5所示。12341填塞部分;2电子雷管脚线;3乳化炸药;4数码电子雷管。(a)连续装药结构12341填塞部分;2电子雷管脚线;3数码电子雷管;4乳化炸药。(b)间隔装药结构图 5 装药结构2.3 电子雷管组网流程数码电子雷管的组网方式通常有两种,一种采用非在线组网模式,使用起爆器扫描雷管卡口二维码进行注册,并对其状态进行检测(本文所用电子雷管为非在线组网模式);另一种采用在线网络组网模式,将爆破母线连接在起爆器上,然后把电子雷管脚线卡扣连接到爆破母线上,检测无误后对其进行注册,接着将下一发雷管连接到爆破母线上,重复此操作直到本次爆破所需雷管全部注册,完成组网工作。为了节约组网时间,提高工作效率,工程中多采用非在线组网模式,该组网流程如图 6 所示。开始雷管注册装孔设置爆破方案检查修改注册数据组网检查成功爆破警戒输入起爆密码充电起爆上传数据结束图 6 非在线组网流程表 1 隧道爆破参数炮孔名称炮孔数炮孔深度/m孔径/mm孔间距/m单孔装药量/kg总药量/kg延期时间/ms雷管数掏槽孔43.0420.10.22.49.6504004辅助孔162.8420.50.72.133.67501 90016周边孔132.8420.50.60.911.71 9002 00026底孔42.8420.60.82.39.21 7502 0004总计3764.15041Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月2.4 振动监测与分析本文选取大池墩隧道施工支洞下游作为爆破监测对象,测试仪器选用 TC4850N 爆破测振仪,电子雷管在距爆源 40 m 处测得两次的爆破垂直方向振动曲线波形图如图 7 所示。1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.40.00.10.20.30.40.50.60.7振动速度/(c m?s-1)时间/s图 7 爆破振动波形图由图可知,电子雷管在隧道断面产生的振动波形是低峰值振动波形,其振动峰值为 1.42 cm/s,在00.50 s 内,振动多为连续多峰段、低峰值波形,振动速度主要集中在 0.501.32 cm/s,0.5 s 后振动减弱直至振动消失。2.5 爆破振动校核及岩石冲击波压力计算GB 67222014爆破安全规程中爆破振动速度用下式计算:v=K3QR()(1)式中:v 为地面质点峰值振动速度,cm/s;Q 为一次最大段起爆药量,kg,取值 14.9 kg;K,为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减系数,其选取与岩石性质有关,本文 K 取值 150,取值 1.65;R为观测点与爆源间距离,取 35 m。经计算得出 v=1.87 cm/s,小于爆破安全规程爆破振动安全允许振动速度的取值标准,符合爆破安全要求。已知乳化炸药密度 e=1 300 kg/m3,爆速 D=4 500 m/s,k=2.5,大理石 0=2 800 kg/m3,岩石传播速度 c0=6 275 m/s,在满足默纳汉状态方程 n=4的条件下,将上述数据代入下列公式A=0c20/n(2)pj=eD2jk+1(3)ux=Djk+11+1-px/pj()2kk-1()+k+1()px/pj (4)u2m=pm01-1+pmA()-1/n(5)式中:A 为与岩石有关的常数;pj为爆轰波压力,Pa;px为爆轰产物反射波阵面的压力,Pa;ux为质点速度,m/s。计算得出岩石所受压力 pm=1.214104 MPa,在此冲击波条件下,岩石破碎均匀,几乎没有大块现象。3 爆破效果与盲炮分析数码电子雷管在隧道断面爆破中表现良好,爆破振动效应较小,对隧道围岩二次伤害影响小,爆堆集中,破碎度较好,没有大块现象,说明爆破过程中炸药能量主要作用在岩石破碎过程中,隧道断面也较为平整,爆破进尺好,为下一循环隧道施工提供了方便。爆破后效果如图 8 所示,爆后检查发现有个别盲炮存在,如图 9 所示。(a)出渣前(b)出渣后图 8 爆破效果图图 9 炮孔盲炮经对盲炮中的电子雷管检测发现有以下 3 种情况:电子雷管外观无损伤,检测电流、电阻值正常,重新接线能够成功起爆;电子雷管外观无损伤,检测电流、电阻值正常,但重新接线不能够成功起爆;电子雷管因受到爆炸冲击波或岩石中应力波的作用而受损,经检测,电流、电阻值异常且失去起爆能力。为探究盲炮产生的原因进行多次实验,实验结果表明,当电子雷管与发爆器连接的电缆线电阻过大会出现电子雷管虽然完好无损,电流、电阻值显51第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023示正常,具备起爆能力但是起爆失败的现象;部分电子雷管虽然外观完好无损,但是电流、电阻值显示异常,重新接线不能成功起爆的质量问题,主要表现为对杂散电流过于敏感导致的起爆失败;孔网参数及延期时间设计不合理会导致电子雷管因受到爆炸冲击波或岩石中应力波的作用而受损,经检测,电流、电阻值异常且失去起爆能力。4 结论1)数码电子雷管组网更加安全可靠,可以在起爆前进行网路检测,避免因漏连或雷管装药过程损坏而产生盲炮;在复杂环境下能够安全可靠起爆。2)在小断面隧道使用数码电子雷管通过微差减振爆破技术可以将最大爆破振速降低。3)数码电子雷管在隧道工程中的成功应用,说明该电子雷管在隧道爆破中有着良好的应用前景,可为数码电子雷管在隧道工程的实际应用提供实例参考。参考文献 1 陈文基 陈姗姗 杜华善.数码电子雷管电子引火元件发火可靠性影响因素研究 J.煤矿爆破 2021 39 3 15-18.2 端家荣 陶培培 韩震 等.一种低感度点火药头在电子数码雷管中的应用 J.煤矿爆破 2021 39 3 32-34.3 李治国.数码电子雷管装配生产线的实践 J.煤矿爆破 2021 39 1 35-38.4 吴国群.环境温度对数码电子雷管延期时间的影响研究 J.煤矿爆破 2020 38 1 26-28.5 孟小伟 黄明利 谭忠盛 等.数码电子雷管在城镇浅埋隧道减振爆破中的应用 J.工程爆破 2012 18 1 28-32.6 廖韧 邓友祥.数码电子雷管在矿山中的运用 J.煤矿爆破 2019 37 2 18-19.7 卜天宇 周海文 孙中富.隧道爆破未爆残药影响因素分析 J.工程爆破 2019 25 6 61-65.8 张勋 黄楠.复杂环境下矿山爆破振动及成本有效控制 J.煤矿爆破 2021 39 1 31-34.9 徐叶勤 李梅 姚俊伟 等.爆破荷载对含软弱夹层隧道围岩稳定性和变形破坏特征的影响 J.爆破 2020 37 2 35-41.10 张建国 张营 陈允斌 等.基于 FLAC 3D 在不同断面形状下隧道围岩的稳定性分析 J.建筑技术开发 2021 48 6 136-138.11 梁书锋 凌天龙 李晨.高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究 J.爆破 2021 38 1 116-123.12 任泰昌.浅谈电子雷管生产过程中的安全问题 J.煤矿爆破 2021 39 1 23-26.13 高文乐 罗衍涛 周奥博 等.新型延时起爆控制系统的应用研究 J.火工品 2016 1 33-36.(上接第 7 页)2)膨化铵油炸药替代多孔粒状铵油炸药进行实际应用,还有许多工作要做:安全方面,由于膨化铵油炸药有雷管感度,存在现场加工安全风险;应用方面,在目前的混装车结构下,输送螺旋存在堵料,在技术层面尚需解决;管理方面,工业炸药新产品、新技术的使用,必须经过新产品技术鉴定、安全评价等一系列安全认可程序方可投入应用。参考文献 1 王子亮 庞海波 牛天良 等.一种膨化硝铵炸药新配方的探讨 J.煤矿爆破 2012 30 2 17-18.2 张军 田园.液混式膨化硝铵炸药工艺控制因素浅析 J.煤矿爆破 2018 36 2 23-26.3 吕春绪.膨化硝铵炸药 M.北京 兵器工业出版社 2001.4 陶腾飞.膨化剂含量对膨化炸药性能影响探讨 J.煤矿爆破 2018 36 1 30-31.5 陈如水.膨化硝铵炸药的性能影响因素和控制措施的探讨 J.煤矿爆破 2017 35 6 27-29.6 王万勇.提高膨化硝铵炸药抗水性及流散性的实验研究 J.煤矿爆破 2015 33 3 13-15.61Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月