電子雷管及其起爆系統安全性分析

張柏林 高寧 劉海波

摘要：本文以JM-2 電子雷管及其起爆系統為例，介紹了電子雷管的發展過程及國內推廣應用情況，分析了電子雷管的工作原理和結構，電子雷管及其起爆系統的精確延時、在線檢測、抗干擾性能、降低爆破振動，提高爆破效率及社會安全性等性能，并通過實驗數據對電子雷管的各項性能進行了對比分析。JM-2電子雷管及其起爆系統不僅提高了爆破器材的本質安全，而且電子雷管的密碼控制、專用起爆器起爆區域控制以及北斗定位等技術對于爆破器材安全監管和爆破作業的安全管理都是強有力的技術支撐，所以加快電子雷管技術的推廣應用，對于創新爆破器材安全管理模式，提升爆破器材安全監管能力，減少和消除流失社會的爆破器材被不法分子利用的可能性具有重要意義。

關鍵詞：電子雷管;起爆系統;安全性能;爆破振動;社會安全性

一、電子雷管發展簡介

電子雷管是指在雷管內植入電子智能芯片，采用集成芯片控制技術、加密技術以及電子延期技術，實現了抗靜電、射頻、雜散電流及網絡編程、檢測、校準等功能，并由專用起爆器實現控制起爆的新型雷管。電子雷管是新型高智能、高安全的雷管起爆技術，是先進的爆破控制技術、電子延時技術與傳統火工技術相結合的產物，是工程爆破行業的一項技術革命，它使爆破器材產業和工程爆破行業一舉邁入數字化新時代。

國外電子雷管技術的研究始于20世紀80年代初，20世紀80年代末，電子雷管產品開始進入起爆器材市場，但總體上仍處于技術與產品研究開發和應用試驗階段。20世紀90年代，電子雷管及其起爆系統取得了快速發展，電子雷管技術逐步趨于成熟，并處于爆破工程實用化階段[1]。直到21世紀初才得以規模化的應用。2006年6月6日，舉世矚目的三峽工程三期混凝土圍堰進行爆破拆除，采用的是澳大利亞Orica公司生產的i-Kon牌電子雷管起爆，是國內較有規模的應用電子雷管的工程實例之一[2]。

國內電子雷管的研究起步較早，冶金部安全環保研究院于1985年開始研制電子延時超高精度雷管，通過與上海元件五廠及云南燃料一廠合作，于198年完成我國第 1 代電子雷管的研發[3]。

目前，國外的數碼電子雷管主要有波蘭eDET公司生產的eDET電子雷管、奧瑞凱公司的i-Kon型電子雷管、奧斯丁公司的E*Star型電子雷管以及諾貝爾公司的Smartshot型電子雷管和Digishot型電子雷管[1].其中，在三峽三期碾壓混凝土圍堰拆除爆破工程中，為了滿足對爆破器材抗水、抗壓、延期時間及精度的控制要求，就應用了i-kon數碼雷管進行起爆，收到了較好的爆破效果[2]。

由于電子雷管在技術指標、安全指標方面的突出優勢，公安部和工信部于2018年開始大力推廣電子雷管，2020年全國電子雷管使用量已經達到1.2億發，民爆行業各單位對電子雷管紛紛進行了技術引進和聯合開發工作，到2020年6月，國內共有二十多家家企業投入研制和推廣使用，通過市場情況反饋，上述企業中以無錫盛景、融硅思創、太原新欣三家企業的產品技術比較成熟。本文就以天津宏泰華凱科技有限公司生產的的JM-2電子雷管為例，對電子雷管及其起爆系統進行簡單介紹，并對其安全性能進行分析。

二、JM-2電子雷管工作原理

1、JM-2電子雷管構造

JM-2電子雷管與普通電雷管的外形、尺寸差別不大，其本質區別在于采用了集成電子芯片替代了普通電雷管的延時藥和電點火元件，其延時范圍為在0～16000ms，可以在此范圍內任意設定，絕對誤差小于1ms。JM-2電子雷管的外形和內部結構如圖1所示

2、JM-2電子雷管起爆系統

JM-2電子雷管起爆系統，主要由JM-2電子雷管、專用起爆器等設備組成。起爆系統采用雙線并聯結構，一個起爆器可以并聯連接500發JM-2電子雷管，構成一個爆破網路，一臺起爆器可以聯動組網連接多臺起爆器，形成具有多條爆破支網路的電子雷管起爆系統，通過操作一臺起爆器同時控制多個起爆器同時聯動起爆全部電子雷管。

首先，起爆器通過掃碼或者在線注冊，把雷管注冊到起爆器并從全國電子雷管密碼中心下載密碼進行授權，然后技術人員按照爆破設計要求，通過起爆器來設定雷管的延期時間，起爆器讀取爆破網絡中的雷管數據，經檢查無誤后，即可觸發整個爆破網絡。通過起爆器可以實現對數碼電子雷管進行起爆控制，也可以檢測網絡內的雷管數量、延期時間，可以檢測電子雷管的連接狀態、連接可靠性等，實現安全可靠起爆。

三、安全可靠性分析

電子雷管除了通過精確的控制起爆時間，達到優化爆破網絡參數，節約爆破成本，提高工作效率之外，在安全可靠性方面，它更可以通過精確延時，利用地震波疊加減震的原理，大大降低爆破振動效應，減少爆破對周圍構筑物的影響。此外，它的在線檢測、在線編程技術也在很大程度提高了爆破網路檢測、故障排除的準確性。

1、精確延時

普通的電延期雷管或者導爆管雷管主要靠內部的化學延期體來控制延期時間，因此存在較大的誤差，在名義延時1000ms時間段的誤差約為±100ms，因此普通延期雷管在延期時間上需做段別劃分，但即使做了段別劃分，但是化學延期體自身特點（延期藥由氧化劑和還原劑組成，兩者混合后會有緩慢的化學反應存在，隨著儲存時間的增長，化學延期體的延期時間會變長）以及制造工藝的差異，仍然會發生竄段現象（所謂竄段是指標稱延期時間長的延期雷管先于標稱延期時間短的雷管先起爆），因此在實際使用時受到了很大的限制;而電子雷管的延期范圍較大，在同時間段的誤差較普通延期雷管大大降低。JM-2電子雷管的延期范圍為0～16000ms，最小延期設定間隔為1ms，可在此范圍內任意設定延期時間，無需分段，可輕易實現逐孔微差精確控制爆破。

此外，JM-2電子雷管可以實現延期時間的任意設定，可以在出廠前根據用戶的要求進行延期時間設定，也可以在爆破現場單發進行延期時間設定，也可以在爆破網絡連接完成后進行現場編程。JM-2電子雷管延期時間設定后掉電不會消失。

2、在線檢測

在工程爆破中，目前一般采用電雷管或者導爆管雷管引爆炸藥，產生雷管拒爆現象的概率很大，這主要是因為傳統雷管的起爆網絡容易發生漏接、斷路或連接錯誤等，雷管拒爆會影響工程爆破的質量，甚至會導致整個爆破的失敗，甚至引發安全事故。因此在起爆之前，對爆破網路進行連接檢查是預防盲炮的有效措施，但由于普通非電延期雷管在連網完成后只能人工檢查，會浪費大量的時間，且難免會發生遺漏。普通電延期雷管也只能用儀器做簡單的通斷檢測，在大規模網絡連接中，也無法逐一進行通斷檢測來判斷連接是否可靠。為了提高起爆系統的可靠性，JM-2電子雷管具備在線檢測技術。首先在雷管連接起爆器進行注冊時，如果起爆器順利讀取數據，進行正常在線識別和注冊登記，則表明該雷管可以實現組網通信和可靠起爆，反之，則說明雷管性能存在問題，無法正常使用，只需檢查該發雷管的連接情況或者替換該雷管。其次，起爆器通過起爆網絡也可以實現在線檢測，在爆破網絡連接完成后，由起爆器通過與每發雷管進行通訊，檢測每發雷管的工作性能及爆破網絡的連接狀態，避免網絡連接環節出現問題，大大提高起爆系統的可靠性。

3、抗干擾性能

傳統電雷管容易受到雜散電流、靜電、雷電、射頻輻射的作用而發生意外早爆。對于爆破現場的操作和檢查也相當繁雜，裝藥包之前必須切斷一定范圍內的所有電源等等。JM-2電子雷管的控制原理如圖 2 所示. 雷管采用供電線與通信線復合使用的方式，采用儲能電容 C1 和 C2 分別儲存控制芯片工作、點火藥頭所需能量，保證在爆破過程中，即使供電線路由于某些原因出現故障，仍可以按照設定的延期時間完成爆破。此外，采用電子開關 SW1 控制對起爆電容的充電，使其只有在起爆準備工作（連接、檢測、延期時間設定等）完成后，才處于待起爆狀態，這就是電子雷管的電路隔離作用，它使得一般的靜電干擾、系統雜散電流，甚至采用一般直流電源或工頻為220V/50Hz交流電，均不能直接作用于電子雷管的點火元件。SW2在緊急情況下可放掉C2上的電能，以確保安全，SW3控制點火頭的點火。

4、降低爆破振動，提高爆破效率

工程爆破中以爆破振動為主要的危害因素，而微差爆破技術是當前降低爆破振動的主要手段。所謂微差爆破，也叫微差控制爆破，國際上慣稱為毫秒延期爆破，是指在爆破施工中采用一種特制的毫秒延期雷管，以毫秒級時差順序起爆各個（組）藥包的爆破技術，形成分段震波，由于震波在傳播過程中存在一定的相位差，可以實現波的干擾和疊加，使干擾后震波的振動幅值減小，振動效應也就大為減弱。因此，如何確保雷管按照已設定的延期時間進行起爆就成了降低爆破振動的重要研究內容。普通延時雷管存在較大的誤差，會嚴重影響微差控制爆破的降振效果。根據上述對 JM-2 電子雷管精確延期功能的描述可以得知，它的延期范圍及精確度較傳統延期雷管有質的提高，對于利用微差控制爆破時的延期時間也有很好的保障作用。

天津市薊州區天璽佳苑小區爆破項目在前期一直使用導爆管雷管進行爆破作業，因離最近的小區只有200米，爆破產生的振動給周邊的房屋造成了一定的損害，同時爆破中產生的飛石給附近居民帶來了安全風險。為了解決爆破振動過大和飛石的問題，于2020年年初開始陸續在該項目上使用電子雷管進行爆破。根據現場實際情況盡量減少爆破振動和飛石，并確保爆破效果的前提下確定了電子雷管爆破網絡的延期時間，并與導爆管雷管爆破網絡進行了對比，達到了預期目的，取得了許多有價值的數據。圖3和圖4為現場爆破效果照片。

圖3為2020年5月在天津市薊州區天璽佳苑小區爆破項目進行電子雷管爆破（97孔97發），爆堆松散。

圖4紅線左側為導爆管雷管爆破區，爆堆低，松散性差;紅線右側 為電子雷管爆破區，爆堆高，松散性好，大塊率低。

2020年5月在天津市薊州區天璽佳苑小區爆破項目進行了電子雷管爆破，并進行了振動測試。爆破方案為：炮孔直徑：100mm， 孔數：20個，孔網參數：6m×4.5m;孔深12.5m;逐孔起爆，單段最大起爆藥量45kg;總裝藥量900公斤，測振結果見圖5。

從圖5可以看出，電子雷管逐孔微差爆破網絡在設計合理的情況下，在同等情況下，振動明顯小于采用普通延期雷管爆破網絡。另外根據唐躍[5]等人在高精度數碼雷管在爆破施工降振中的應用的研究，對普通導爆管雷管和電子雷管在爆破施工中的實測數據進行對比和分析，結果表明采用電子雷管時的爆破振動強度明顯小于采用普通雷管;根據方桂富[6]等人對城鎮爆破電子雷管延時優選工程實踐的研究，電子雷管的使用有效降低了爆破振動，僅為采用導爆管雷管起爆的 40%。這些研究成果表明電子雷管在微差控制爆破方面具有很大的推廣價值與應用前景。

5、社會安全性

JM-2電子雷管嚴格按照公安部《工業電子雷管信息管理通則》（GA1531-2018）的總體控制原則設計，每發在生產時都有自己唯一的UID 碼、WID碼，雷管一旦發生流失，公安機關可通過管殼碼或者 UID 碼追溯雷管來源。

傳統的電雷管只要兩節電池便可以輕易引爆，而JM-2電子雷管則有抗非法起爆的功能。有相關資質的企業購買電子雷管后，需要按照《工業電子雷管信息管理通則》（GA1531-2018）的相關要求，只有當起爆器下載正確的密碼后與電子雷管內的密碼進行比對成功后，爆破員才能通過起爆器引爆網絡。

JM-2電子雷管的芯片以及配套使用的起爆系統具有嚴密的安全管控機制。在起爆密碼不正確、電子雷管與專用起爆器不匹配等情況下，通過安全管控機制技術，可以確保電子雷管無法被起爆。在起爆器上內置北斗定位系統，起爆器所處的位置、引爆時間、操作人員等數據，通過三碼綁定系統可以完成正常的數據記錄和授權，尤其是在禁爆區，即使下載了正確的起爆密碼，起爆器將自動鎖死，無法起爆電子雷管。

JM-2電子雷管及其起爆系統是通過技術革新提高爆破器材的本質安全，其使用的安全性得到大幅度提高，即使不法分子獲取到電子雷管，也會因技術所限無法起爆，從而使流失社會的爆破器材被不法分子成功利用的可能性大大降低。電子雷管的高安全性、高可靠性，給電子雷管的安全監管工作提供了強有力的技術支撐。

四、結論

經過上述論述對 JM-2 電子雷管及其起爆系統的精確延時、在線檢測、抗干擾性能、降低爆破振動，提高爆破效率及社會安全性等功能進行 分析，得出如下結論：

（1）延時精度高，延時時間可調，便于根據現場鉆孔和地質條件優化起爆時差。利用逐孔起爆和精確延時降低爆破振動;

（2）起爆網路爆破前可測，可以查出具體每發雷管的狀態，增大了起爆的可靠性;

（3）可以提高炸藥能量利用率，降低大塊率，爆堆集中且更松散，便于挖運;

（4）相比普通雷管，可以通過逐孔毫秒微差爆破，大幅降低爆破振動，從而增加同次爆破規模，提高爆破效率，降低爆破成本。

（5）JM-2電子雷管及其起爆系統及不僅提高了爆破器材的本質安全，而且電子雷管的密碼控制、專用起爆器起爆區域控制以及北斗定位等技術對于爆破器材安全監管和爆破作業的安全管理都是強有力的 技術支撐，所以加快電子雷管技術的推廣應用，對于創新爆破器材安全管理模式，提升爆破器材安全監管能力，減少和消除流失社會的爆 破器材被不法分子利用的可能性具有重要意義。

參考文獻：

[1]劉星，徐棟，顏景龍.幾種典型電子雷管簡介[J].火工品，2003（4）：35-38.

[2]吳新霞，趙根，王文輝等.數碼雷管起爆系統及雷管性能測試[J].爆破，2006（4）：93-96.

[3]張樂，顏景龍，李風國等.隆芯 1 號數碼電子雷管在露天采礦中的 應用[J].工程爆破，2010（4）：73-76.

[4]卿偉，李由.新型爆破器材在關子嶺大斷面隧道施工中的應用[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2010（5）：700-704.

[5]唐躍，曹躍，羅明榮等.高精度數碼雷管在爆破施工降振中的應用 [J].爆破，2011（1）：107-109.

[6]方桂富，方春，劉先魁等.城鎮爆破電子雷管延時優選工程實踐[J].工程爆破，2011（3）：81-84.