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2019-06-29 10:34:13.0 责任编辑:崔玮na

wang旭光l 沈立jin1,2

(1.北京矿冶褁in縵ong院,北京100044; 2.北京科ji大学,北京100083)

摘要    综述了国内外工ye雷管de糺i跸肿春头han,介shao了无起爆yao雷管、冲jipian雷管、磏uo缋坠芎偷缱永坠躣e结构、te点、优缺点yi及ying用领域,详述了 数码电子雷管起爆xi统de构cheng、各元件功neng、起爆网路yi及国外dezhu要生产厂shang。同时,dui工ye雷管de发zhan提出了见解。

关键词    工ye雷管;苀en郑幌肿从敕han;数码电子雷管

19世纪60年代,瑞dian化学家艾尔弗雷德·nuobei尔发明de雷管和王yexiaogan炸yao,代表着工ye炸yaodeyi个发zhan新纪元---达纳迈te纪元[1]。yibai多年来,bet98规模de不duan扩大、 爆炸工yide不duan更新,大大ciji了bet98器材de迅速发zhan;而bet98器材de迅速发zhan又推动了bet98和bet98工yide巨大jin步。

工程bet98中常用de工ye雷管有huo雷管、电雷管和fei电雷管祋u5缋坠苡钟兴卜⒌缋坠堋⒚胙悠诘缋坠堋⒑撩胙悠诘缋坠艿raofen帧20世纪80年代yi来,工ye雷管发zhan迅速,产品开发异常huo跃,新苀en帧⑿录ji醪籨uan涌现。其謝ie鋢ing代表ying是无起爆yao雷管、磏uo缋坠堋⒊錴ipian雷管、数码电子雷管等yixilie新苀en郑曛咀殴e雷管de发zhan已达到yi个新水平。本文dui这些新苀en掷坠躩in行了综述。

1无起爆yao雷管

工ye雷管普遍装有猛炸yao、起爆yao和延期烟huo剂。猛炸yao作为ji本装yao位于雷管de底bu,延期烟huo剂位于上bu,二者之间装起爆yao,依靠起爆yao将延期烟huo剂deran烧zhuancheng爆轰chuan给猛炸yaoyi引起猛炸yao爆轰。然而zai实ji使用中,起爆yao即使yaoliang只有几簂iang撕筒籹hou詊i灰衕uo焰或其ta外界作用引起发热,就neng完全爆轰。猛炸yao只有zaiyaoliangxiang礲ei蠡騭hou严密詊i鴇e情况xiacaikeneng被加热或huo焰引ran并ran烧zhuan爆轰。觤i髌鸨瑈aode化学物常常是具有高感秖u⒈鋍heng长迅速de物质,如DDNP(二xiaoji重氮酚)、斯蒂酚酸铅)和Pb(N32 (叠氮化铅)祋u>哂写硇詃e猛炸yao有tai安、黑suo今、梯恩梯、奥克托金、te屈尔、662炸yao祋uai用上述起爆yao制zao雷管de方法具有结构简单、加工容yi、cheng本低廉觧uo悖琩anzai雷管de加工、使用过程中并不十fen安全,而莥i褂衒ei水污染等wenti。开发研制出无起爆yao雷管,縮hang岣呃坠躾ai生产、yun输、使用中de安全性,消除起爆yao制zao时产生defei水。无起爆yao工ye雷管de研制zhu要从雷管结构和起爆yao替代品两个方面ru手来解决雷管从ran烧zhuan爆轰dewenti。

20世纪50年代后期,随譶uo嫉ji鮠e发zhan,为了kang射频和防zhi静电de需要,开始褁in坎蛔捌鸨瑈ao而用爆炸线直jie起爆猛炸yao。终于zai60年代初,zai褁inkanㄏ咧眏ie起爆猛炸yaodeji础上研制出爆炸线电雷管[2],dan是cai用爆炸线雷管时要求配yi昂贵笨重de起爆器。1960年出现hong宝石ji光器和其taji光器,1966年美国开始用ji光直jie起爆猛炸yao。60年代后期出现了ji光雷管[3],它提供了yizhong用低nengji光装置直jie起爆猛炸yaode安全ke靠de方法。ji光器输出deji光,通过光导纤维后zai聚jiao玻璃球聚jiao,首先引起密度较小de猛炸yao六xiaoji二苯an钾(KHND)低速爆轰,jin而起爆密度较大de猛炸yaotai安(PETN),使之高速爆轰。这zhong雷管keyikang射频、kang静电,防zhi意外低电ya引起de早爆,dan是ji光雷管需要昂贵deji光装置[4]。高yahuohua间xi雷管[5]keyi克服电雷管yi被低电ya引爆和褃ou本炔huai坏饶裻i,dan这zhong雷管至少需要0. 06μFde电容器chong电到 1000Vde电yacaineng引爆,莥i饔檬奔涠(wei秒级),难yi用于工程bet98中[4]

1978年美国专利4070970公bu了电爆点huo器雷管。它实ji上是yizhong施加高ya起爆de无起爆yao雷管,dan是这zhong雷管需要高nengcai被起爆,且制zaocheng本昂贵,觶hong籲eng是瞬发, 因而它deying用shou到了限制。于是美国学者又xiang继研制出低ya无起爆yao雷管,如美国专利 3158098、3062143、3726217、4316412公bude低ya无起爆yao雷管,dan它de结构复za,生产cheng本高。

1985年,我国cheng功研制出矿蒵iaoこ逃梦奁鸨瑈ao雷管[6],它是yizhong不用起爆yaode电或fei电瞬发或延期安全工ye雷管,由yi个外壳和内壳zucheng(图1),内壳中装填了具有加速ran烧倾向de猛炸yao和yi个聚neng元件,二者构cheng了yi个起爆元件(zai其内bu或外bu装填有延期烟huo剂或延期元件),qu代了yi般雷管中de起爆yao。雷管外壳keyi是金属de或fei金属de,开口端keyi插ru各zhong不同de引huo机构。起聚neng作用de内管帽壳keyi是金属de或塑liaode,keyi有孔或无孔,孔deduan面kequ不同xing状(如圆xing或矩xing),也允xuzai起爆元件中不装配聚neng帽壳。该类初级装yaozai较强de詊i鴛ia,其起爆力虽neng满足无起爆yao雷管de要求,danhuo焰感度低,不yi被导huosuo、延期yao等点huo元件引爆,需用点huoyao来弥bu,并需先ya制yi个内壳和聚neng元件,这就增添了装填磜en中猩咝鑚in行改zao。专利文xian[7],[8]suo述de无起爆yao雷管,是用点huoyao代替起爆yao,yi般由ke萰i亮蚯杷崆Α⒀翘杌Α⑴稹ui祌an友趸羫ucheng,这类初级装yao感度高,yi于点huo,dan引爆冲neng较小,zai结构上需dui初级装yao和zhuan爆yao有较强de詊i芭涔i也较复za。

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2冲jipian雷管

冲jipian雷管是由美国劳伦斯利费mo尔实验室Strond J R发明de,并于1971年申请了专利[9]。Strond指出,冲jipian雷管neng起爆美国军事标准MILSTD-1316中规定de直lie式xu用chuan爆yao(HNS)并给出了直lie式保险与解除保险xi统de设计原li[10]。冲jipian雷管结构简单,zhu要元件是桥bojipian、桥bo、飞pian、加速膛及钝感yaozhu[11]。冲jipian雷管de设计参照了爆炸桥丝EBW雷管,它不会因高neng射频chang、低频电势或静电积累而引起早爆,它不需要错位式(out-of-line)保险与解除保险xi蚦hangBW电雷管bi絰i鄹星揖哂衚e靠性,dan它也是yizhong生产费用昂贵de爆炸装置,neng起爆EBWde发huo元件,bi桥丝式起爆装置suo要求de电路复za而且cheng本更高。为积累nengliang,高ya大电liumai冲必须快速chuan递给桥丝,并且要足yi使其zhuanbianchengyi股等li子ti。EBW糺i踝畛跤擅拦鷑eng源国家实验室为核武器起爆ying用而褁in縟e,核弹头要求绝dui安全和快速爆炸响ying,这些te点使它们本身适合ying用于战略武器推jinxi统de保险yiyi解除保险和点huo。EBWxi统要求高电ya起爆,电子电路de尺寸zhu要决定于高ya发huo电容器和升ya器。战略导弹已cheng功地使用了EBWxi统,并证实了其ke靠性。冲jipian雷管zai设计过程中duiEBW雷管作了jinyi步改jin。 冲jipian雷管不使用起爆yao和松装猛炸yao,zhu炸yaode装yao密度较高且为钝感炸yao,炸yao与换neng元件不直jiejie触。冲jipian雷管只有zaite定de高neng电mai冲(电liu2~4kA电ya2~5kV, 功率4~10MW)作用xiacaineng引爆。它keyizai静电、射顿、高空电磁mai冲、闪电、瞬态电mai冲、za散电liu等恶劣环境xia保证其安全。从结构上说,它是yizhong新de薄xing起爆器。至今,zai美国dui冲jipian雷管de褁in恳丫30多年de历shi了,而且糺i跞涨鱟heng熟,并陆xu地将其用到数zhong高新科ji弹yaode起爆xi统中,如“陶-2B”穋i箍说嫉ⅰ鞍摺狈吹挤揽盏嫉ⅰ癆T-ACMS”陆军战术导弹等,而莥igu视糜谥眑ie式(inline爆炸xulie,zai钝竫ie痽ao中有着广阔deying用qian景[12]

冲jipian雷管有shuang向、反向等多zhong结构,dan它们de原liji本xiang同。dianxingdeshuang向 冲jipian雷管fenli元件如图2suo示。它利用mai冲功率装置(起爆装置)产生de电mai冲nengliang使金属桥bo发生快速电爆炸,爆炸产生de等li子ti将飞pian“剪切”出来沿着加速膛增速,出口速秖ue锏阶皔aode起爆阈值时引起装yao爆轰。目qian,冲jipian雷管装yao朝着钝感方向发zhan。cai用钝感装yao后,冲jipian起爆阈值大幅度增加,因此必须大幅度提高起爆nengliang。然而增加冲jipian雷管起爆装置denengliangshou到多方面de限制,如需增加电容容liang,降低回耭an绺校拗谱爸胻i积祋uui于PETN、HNS等单质炸yao装置来讲,当其炸yao颗li秗an跣『蟪錴ipian起爆阈值显著降低,即当炸yao颗libian细后dui冲jipian这样de短mai冲bian得min感,而dui机xie撞ji类de长mai冲bian得钝感。我国只永发等就炸yaokeli度dui冲jipian起爆感度deying响jin行了较为详细de褁in[13,14],褁inkan砻60~80目 HNS-Ⅱ炸yaode撞ji感度为60%~76%,其装yao不neng被冲jipian起爆,danHNSde撞ji感度仅为28%,而且hen容yi被冲jipian起爆。

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3 磏uo缋坠

为了减少和杜绝外来电de危hai,1979年英国化学工ye公司(NEC)利用电磁感ying原li发明了电磁起爆xi统,继而该公司和nuobei尔公司生产xiao售了磏uo缋坠[15]。 80年代中期开始,我国煤炭科学褁in縵ong院、北京矿冶褁in縵ong院和213褁in縮uoxiang继cheng功地研制了不同xing号de磏uo缋坠芎妥ㄓ闷鸨鳎⒁褃ing用于我国各油田和某些te定debet98作ye。

3. 1 磏uo缋坠躣eji本原li

磏uo缋坠躼i指觭hang囟╠e交liu信号起爆de电雷管。将yi个普通电雷管de两gen脚线fen别与环状磁xin(磁环)上deyi个线圈de两端xianglian,便构cheng了yi个磏uo缋坠堋M3是磏uo缋坠躣eji本结筭u疽馔[15]

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适用于油、气井射孔用deCL-CW-180-1xing耐温、耐ya磏uo缋坠躣e结构如图4suo示[16]。该雷管由yi个磁xin、統ou掌骱偷鉮uo回路zucheng,是利用法拉第电磁感ying原li设计而chengde,即将电磁感yingbianya器安放zai电雷管de电极塞内bu, 该线圈是yi个小xing环状锰锌软磁铁氧ti,电雷管de脚线构chengbianya器de次糳uan呷Γ跫duan呷υ蛴shan鸨芈fen腥蝭i段起爆线zai铁氧ti环上rao数圈而cheng。因bianya器次级引出线和电雷管脚线xiangjie,使电雷管发huo桥丝与脚线xingcheng闭合回路,使工频电、漏电、za散电等不nengjinru发huo桥丝而提高了产品dui电de安全性。zaibianya器初级设置了静电泄放通道decuo施,提高了防静电deneng力。该产品选用了耐温起爆yao、耐温炸yao及满足180℃高温de环xing锰锌软磁铁氧ti材liao,解决了产品de耐温要求。

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3.2 磏uo缋坠躣ete点[15,16]

(1)bianchuan统de直liu电起爆为交liu电起爆。

(2)雷管脚线处于常闭譪iⅲ换醩hou礿iaoて档鏻iude危hai,dui泄漏电liu、za散电liu和静电ciji反ying迟钝。

(3)需觤iㄓ闷鸨髌鸨琧heng本xiangdui较高。

3.3油、气井常用磏uo缋坠躼ing号[16]

(1)CL-CW -180耐温磏uo缋坠埽貌穔e耐温180℃,ke作为89枪、102枪、127枪等枪身射孔弹de起爆雷管。

(2)CYxilie耐温耐ya磏uo缋坠埽脁ilie产品有CY- 50(耐ya80MPa)和CY -100 (耐ya100MPa)等xing号,ke作为无枪身射孔弹de起爆雷管yi及爆炸松扣等de起爆雷管。

4数码电子雷管起爆xi统

数码电子雷管是yizhongkeyi随意设定并准确实现延期发huo时间de新xing电雷管,它是起爆器材领域里最为引人注目dejinzhan。其本质zai于yi个weixing电子xinpian控制, qu代了普通电雷管中de延期yao与电点huo元件,不仅大大地 提高了褃ou本龋铱刂屏送ㄍ齢uo头de电源,从而最大限度地减少了因引huo头nengliang需求suo引起de

误差。每只雷管de褃ou眐ezai0~100ms范围内按毫秒羕ao侗喑躺瓒ǎ溲you本萲e控制zai0.2msyi内。

澳大利亚Orica、南feiAEL和Sasol、瑞dianNobel和日本旭化cheng等公司都xiang继推出了数码电子雷管产品。Nobel公司和Orica 公司lian合开发了PBS电子雷管(如图5),此zhong雷管de褃ou笔奔涫莦aibet98现changgen据矿工或bet98员de愿wang设定,并dui整个bet98xi统jin行编程。其褃ou笔奔涫莥ilms为单位,kezai0~8000ms范围内为每发雷管任意设定延期时间[17]。PBS电子雷管起爆xi统ji本上是由雷管、编码器和起爆器三bufenzucheng,如图6suo示。

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编码器kedui每发雷管de延期时间jin行设定。首先将雷管脚线连jie到编码器上,编码器会立即du出该发雷管deID码,然后cao作人员按设计要求,通过编码器dui该雷管发送并设定suo需de延期时间。目qian,PBS电子xi统deyi只编码器最多keyibet98首页200发雷管。

起爆器keyi控制整个bet98网路编程与触发起爆,起爆器neng够触发编码器,dan编码器que不neng触发起爆器,起爆网路编程与触发起爆suo必须de程xu命令设置zai起爆器内。目qian,PBS电子起爆xi统最多zucheng1600发雷管de起爆网路(图7),每个编码器回路de最大长度为2000m,起爆器与编码器之间de起爆线长l000m。只觴ie北嗦肫饔肫鸨鱶uchengdexi统没有任簑ei砦螅⑶矣蒪et98员按xiaxiangying按钮dui其确认后,起爆器caineng触发整个起爆网路[17]

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zai工程bet98作ye中使用,日本已将该产品编ru“bet98手册”中,日本国内xiao售de电子雷管dezhong类和te点lie于表1。数码电子雷管起爆xi统de高精度与高ke靠性,每只电子雷管装ru炮孔后其发huo时刻设定de灵huo性,dui静电、射频电和za散电liude固有安全性,dui起爆xi统之qianke测控性等等,秊i瞧胀ǖ缋坠芷鸨瑇i统suo无法bi拟de。bet98时要觤iㄓ胐e起爆器来引爆。世界几家zhu要生产shangde电子雷管牌号[16]如xia: Orica公司(澳大利亚、美国)deI- Kon; AEI(南fei)deElectrodet; Sasol (南fei)deEZ-TronicTM:旭化cheng(日本)deEDD。图8是日本旭化chengxiao售de数码电子雷管de外xing图[16],dianxingde数码电子雷管结构蚸i居谕9[16]

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数码电子雷管糺i鮠e不duan发zhan与完shan,得到了全球bet98界de广fan认识,该糺i鮶ai世界yi些国家de矿山或cai石changjin行了yixilie生产ying用实验。如:加na大nuo兰达公司利用数码电子雷管jin衳ie豿ia矿山de大xing卸yabet98,cai用了Orica公司deI-Kon电子雷管。gen据Oricazai地xia矿山jin行de高精度电子雷管dejian验性实验和测振试验,zai大bet98之qianfen别 jin行了4磜en笛椋10发到50发,再到200发及300发,逐步dui电子雷管de使用、孔内jian测、发爆方式等jin行了全面de了解。bet98之后de振动fen析表明,电子雷管de起爆时间十fen准确,zai延期较长de6syi上,误差仅为5ms左you。与常规defei电礿i躣e长延期雷管xiangbi,精度由baifen之五左觵i旧en之yi。这次地xia矿山大xing卸yabet98decheng功,为解决开caishen度较大de矿山地yawenti开创了yi个先li。从糺i跎辖玻骲et98decheng功zhu要得yi于电子雷管de使用。否则,如此大规模de起爆,是常规雷管de精度suo无法达到de[18]

综上suo述,数码电子雷管与chuan统电和fei电雷管bi较有几个方面de糺i跤旁叫[19~22]: ①岩石bet98块度尺寸更均匀,块度尺寸范围yi于预测;②bet98振动大幅度降低,keyi控制bet98地震频率;③有zhu于减少边坡破坏,减少露天矿bet98gen底;④zai保证良好bet98xiao果de同时,keyi减少炸yao用liang;⑤neng详细ji录bet98bu孔瞱en胝▂ao、雷管消haoliang;⑥neng提高生产率。

dan是数码电子雷管要全面qu代电和fei电起爆xi统,huai需yi秝en奔洌蛭氲缱永坠躣e电子延期起爆xi统dezu网neng力huai较小,不neng满足大规模bet98作yede起爆网路要求;ling外,电子雷管decheng本tai高。

尚ying指出,由于数码电子雷管是yizhong新产品,第yi磜en褂酶美坠苁保you苤苲ao厂shang糺i跞嗽眃e培xun。zai使用中,当出现不引爆de情况时,由于电容器中keneng有can存电he,需要等dailOminyi上caineng处li。

5结语

bet98发zhande需求是bet98器材发zhande动力,科学糺i跹xin縞heng果则是bet98器材jin步degen本保证。固tihuo焰li论促jin了wei气ti产物de毫秒褃ou眣ao剂dedan生uai艿纗iaoying导致fei电礿i躣e发明;爆ranzhuan为爆轰de褁in縞heng果引发了无起爆yao雷管de构思。电和fei电褃ou逼鸨瑇i统de先后发明,使大规模群yao包依xubet98cheng为现实,同时又neng减qingbet98地震、冲ji波等有haixiaoying;无起爆yao雷管dewen世,则gen本改shan了雷管生产、储存、yun输、使用de安全性,并从gen本上解决了起爆yaode生产污水wenti。zai石油kan探射孔作ye中,yi往cai用普通电雷管,dan是此zhong电雷管zai具ti使用中有着极大de危险性。如:测井仪器漏电、汽车车ti带电、井chang漏电、人ti静电等情况都有kenengzaocheng地面爆炸事gude发生。CL-CW-180 xing磏uo缋坠躣edan生则大大提高了射孔作yede安全性。冲jipian雷管是目qian最安全ke靠de雷管,它dui静电、射频、高空电磁mai冲、闪电、瞬态电mai冲及za散电liu等恶劣环境有较强de抵kangneng力、因此,neng够适yingwei来战争中复zade电磁环綾hangan由于其cheng本hen高,目qian只是用于军事方面。数码电子雷管cai用电子褃ou奔痗hengxinpian,因而发huo褃ou本雀撸bei蟠筇岣吡死坠躾ao、存、yun、用de糺i醢踩浴an是它有两大wenti尚需解决:yi是电子延期起爆xi统dezu网neng力较小;二是cheng本tai高。综上suo述,目qian糺i踅衔猚heng熟而且价格与普通电雷管竞争de磏uo缋坠芎臀奁鸨瑈ao雷管会zai生产实践中使用越来詊iao鉬an。keyi预见,zai21世纪,随着科学糺i鮠e不duanjin步,数码电子雷管、磏uo缋坠芙岣悠占埃蔽蘩坠芷鸨bu蒼eng实现。ling外[23],随譶uo豤engshenbucai矿和海底cai矿de发zhan,耐热耐shen水起爆器材将会发zhan。shuangceng管zhen壳de水ya自bu偿式雷管和fei雷管起爆ying当有着广阔deying用qian景。

参kao文xian

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摘自2009年《wang旭光院士论文选集》