智能無線遠距離起爆系統在露天礦山爆破的應用分析

李萍豐 張金鏈 徐振洋 張兵兵 李 新 楊 飛

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623;2.深圳市憨包民爆云領電子發展有限公司,廣東 深圳 518000;3.遼寧科技大學礦業工程學院,遼寧 鞍山 114051)

無線網絡遠距離起爆系統進行爆破作業時,能夠擺脫傳統起爆器的導線物理連接,炮孔之間沒有聯系,省略了爆破網路連接和檢查環節,節省爆破作業時間,提高爆破作業效率,減少人員進入高風險區域的機會,最大程度上保證爆破作業人員的安全,避免因起爆能量不足或爆破網路連接失誤造成盲炮的爆破安全事故,實現爆破作業場所少人化和本質安全。宋依青等[1]提出采用無線傳感器網路智能起爆系統,使起爆系統組網靈活,有很好的穩健性和可靠性,解決了長距離通信和低成本之間的矛盾。遲洪鵬等[2]基于無線網路系統分析了地下和地表起爆控制單元的軟硬件及起爆控制的流程、地下與地表起爆控制端的通訊方式、遠程無線起爆網路安全技術及系統安全設計。劉慶等[3]利用PIC單片機與擴頻控制技術,設計無線遙控器、電子起爆器及配套電容式擊發針的遙控導爆管起爆系統,該系統主要是改變導爆管起爆方式。孫琮琮等[4]基于Keeloq滾動編解碼設計多路遙控起爆器,豐富了爆破的信息化、智能化。李澤華等[5]開發露天臺階爆破設計系統,以Visual C++為開發平臺,采用MFC框架,結合OpenGL三維引擎,現場應用表明爆破人員通過系統實現了三維環境下布孔和爆破網路設置,取得了良好的爆破效果。LIN Moujin等[6]采用遠程控制裝置進行裝藥施工,實現了所有炮孔同時完成下放導爆索、裝藥、堵塞,以最快的速度完成裝填工作并引爆炸藥。

為克服現有爆破網路連接和起爆環節中的安全性、便利性、智能化等方面存在的不足,結合數碼電子雷管的優勢,開發了智能無線遠距離起爆系統,編寫軟件系統和研制配套的器械,智能無線起爆系統經過安全性校驗,滿足現場爆破要求,并進行了現場試驗。

1 系統組成及技術路線

1.1 系統組成

智能無線遠距離起爆系統總體架構如圖1所示,系統由智能起爆控制器、信號中繼器、智能無線起爆模塊、數碼電子雷管和無線遠距離起爆系統平臺軟件等幾大部分組成。

圖1 智能無線遠距離起爆系統總體架構Fig.1 General architecture of intelligent wireless long-distance initiation system

1.2 技術路線

智能無線遠距離起爆系統研究的技術路線如下:

(1)起爆系統保留數碼電子雷管的三碼綁定規則[7],具有信息可追溯、起爆控制安全的優點。數碼電子雷管與智能無線起爆模塊連接,智能無線起爆模塊直接放置在炮孔旁,每個炮孔由智能無線起爆模塊單獨控制,每一發數碼電子雷管能獨立運行。數碼電子雷管的信息與通訊[8],通過智能無線起爆模塊的無線信號與智能起爆控制器(或信號中繼器)進行通訊數據交換。

(2)采用安全、穩定、抗干擾、低功耗、價格便宜的物聯網技術[9],確保智能無線起爆模塊成本適中。

(3)采用多層安全防護體系:一是授權和位置“合法”;二是無線通信“一對一”、“排他性和封閉性”;三是“密碼”;四是“開關”。

(4)無線起爆系統在試驗過程中,需考慮周圍環境因素的影響,包括射頻、地磁干擾,黑客入侵,靜電危害,及可能存在的電流信號的干擾,并通過試驗用以驗證系統具有良好的可靠性。

2 智能無線網絡遠程起爆控制系統硬件組成

2.1 智能起爆控制器

智能起爆控制器主要包含12 V電池、充電電路、3.3 V降壓穩壓電路、無線通訊收發模塊、GPS模塊、藍牙通訊模塊、EEPROM存儲、FLASH存儲、LCD液晶顯示、按鍵矩陣電路、開關機控制電路、蜂鳴器、指示燈、掃描槍等,整體結構見圖2所示。實現與手機端、信號中繼器或智能無線起爆模塊雙向通訊、定位、存儲資料、與手機端APP實現雙向資料的傳輸等功能[10]。

圖2 智能起爆控制器整體結構Fig.2 Overall structure diagram of intelligent initiation controller

2.2 智能無線起爆模塊

智能無線起爆模塊功能[11]:與數碼電子雷管[12]、智能起爆控制器(或信號中繼器)雙向通訊、為數碼電子雷管提供起爆時間和起爆能量,其整體結構如圖3所示。

圖3 智能無線起爆模塊整體結構Fig.3 Overall structure diagram of wireless initiation module

2.3 信號中繼器

信號中繼器是工作在物理層上的連接設備,適用于完全相同的2個網絡之間的互連,主要是對數據信號的重新發送或者轉發,進而擴大數據信號的傳輸距離。信號中繼器是利用局域網絡延長傳輸距離[13],但它屬于網絡互聯的設備,在OSI的物理層進行操作。信號中繼器對在線路上的信號具有放大再生的功能,用于擴展局域網網段的長度,其結構如圖4所示。

圖4 信號中繼器整體結構Fig.4 Overall structure diagram of signal repeater

2.4 數碼電子雷管

電子雷管工作原理[14-15]如圖5所示,K選用4098型12V DC繼電器,T使用成品脈沖升壓變壓器,S2首選小型雙極按鍵自鎖開關,VD1選擇S8050型NPN功率晶體管,VD2選用BU406型高反壓硅NPN晶體管,C1和C2均選用耐壓值為630V的鋁電解電容器。

圖5 電子雷管工作原理Fig.5 Electronic detonator working principle diagram

當起爆位置達到規定范圍,起爆器發送起爆充電指令(假設為 001),接收到起爆充電信號后,stm32f103接收中斷,判斷信號指令,若接收信號指令是001,則stm32的引腳PB5輸出一個高電平脈沖信號,V1導通,K1吸合,常開觸頭接通,振蕩升壓電路通電工作,在T的W3繞組上產生高壓脈沖,該電壓經過VD2整流后,通過R5對C1和C2快速充電。起爆器發送起爆指令后,stm32單片機進入中斷,定時器延遲10 ms后置低PB5,使V1截止,K1釋放,常開觸頭斷開,振蕩升壓電路停止工作,C1和C2迅速向電雷管放電,將電雷管引爆。

3 智能無線網絡遠程起爆控制系統軟件平臺

3.1 手機端APP“爆破助手”編制

手機端APP“爆破助手”(圖6)是實現智能起爆控制器與政府部門授權的紐帶。手機端APP“爆破助手”確認智能起爆控制器的合法性及爆破區域使用;手機端APP“爆破助手”下載數碼電子雷管和智能無線起爆模塊的工作碼,發送至智能起爆控制器,爆破完成后接收起爆控制器發送相關資料,上傳到相關政府平臺。

圖6 手機APP“爆破助手”界面Fig.6 Interface diagram of"blasting assistant"of mobile phone APP

3.2 智能起爆控制器軟件編制

智能起爆控制器為實現與手機端、信號中繼器或智能無線起爆模塊雙向通訊、定位、存儲資料、與手機端APP“爆破助手”實現雙向資料的傳輸等功能。設計了單片機等數據處理系統的硬件,編制了相應的軟件。圖7為智能起爆控制系統的操作界面。

圖7 起爆器操作界面示意Fig.7 Schematic diagram of operation interface of blaster

3.3 智能無線起爆模塊軟件編制

為實現智能無線起爆模塊與數碼電子雷管、智能起爆控制器(或信號中繼器)雙向通訊[16]、為數碼電子雷管提供起爆時間和起爆能量。智能無線起爆模塊設計了單片機等數據處理系統的硬件[17],編制了相應的軟件。圖8為智能無線起爆模塊內部電路板。

圖8 智能無線起爆模塊內部電路板Fig.8 Internal circuit board diagram of intelligent wireless initiation module

4 安全性試驗

4.1 試驗內容

無線遠距離起爆系統應用前需進行安全測試,以保證起爆系統的準確、安全、可靠,測試內容主要分為以下幾類:距離測試、地形測試、可靠性測試、單/多發起爆測試、抗干擾測試(分為同頻干擾和其他干擾等)。距離測試中,起爆距離為200、500、1 000 m,測試遠距離下起爆系統的運行狀態[18];地形測試中,地形分別為平地、山峰山谷、梯形地貌、高差為50、100 m;抗干擾測試中,分為同頻干擾測試和其他干擾,其他干擾包括:電磁干擾、震動干擾、雜散電流干擾;可靠性測試中,起爆信號激發藥包起爆可靠性;單/雙發起爆測試中,分別進行單發和多發起爆試驗。

4.2 試驗步驟

編制試驗方案、應急預案、確定實施組織和人員編制、按爆破作業正規程序實施;智能無線遠距離起爆系統實施時,進入試驗場地前,需將數碼電子雷管的注冊、驗證、授權、檢測及智能無線起爆模塊的檢測全部完成;進入試驗場地,將雷管腳線與智能無線起爆模塊連接。試驗過程如圖9所示。

圖9 試驗過程Fig.9 Test process

(1)雙向通訊信號。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發送起爆信號,檢驗智能無線起爆模塊能否接收起爆信號;同時智能無線起爆模塊發送反饋信息,驗證智能無線起爆模塊可以向智能起爆控制器發送反饋信息。

(2)注入延時時間。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發射延期時間信號,確保智能起爆控制器收到智能無線起爆模塊延期時間成功的信號。

(3)組網。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發送組網信號,確保智能起爆控制器收到智能無線起爆模塊組網成功的信號。

(4)起爆。智能起爆控制器向智能無線起爆模塊發送起爆命令,雷管準確起爆。

4.3 試驗結果分析

智能無線遠距離起爆系統試驗進行多項功能試驗,共計現場測試820次,雙向無線信號發射接收、注入延期時間、組網和起爆等科目全部滿足試驗要求,爆破成功率100%,在不安裝炸藥的情況下,智能無線起爆模塊完好率也是100%。試驗結果表明:

(1)智能起爆控制器、智能無線起爆模塊、信號中繼器和數碼電子雷管組成的起爆系統研發成功。

(2)無線遠距離起爆系統實現了智能起爆控制器直接起爆每一發數碼電子雷管的目標,實現了每發數碼電子雷管之間沒有任何連接目標。

(3)無線遠距離起爆系統具有強抗干擾、高穩定、遠距離、安全可靠等技術優勢。

5 應用實例

5.1 試驗露天礦山概況

試驗露天礦山以生產砂石骨料為主,礦區海拔高程為1 622～1 744 m,相對高差一般在122 m左右。開采方式為山坡型露天開采,巖石類型為花崗巖,主要采用臺階式中深孔爆破開采,生產規模為530萬m3/a。

5.2 爆破實施

礦山爆破采用深孔爆破方式,爆破效果要求為:塊度適合挖運,大塊(＞800 mm)率小于3%;爆堆松散,保證挖裝工序的安全和效率;杜絕飛石,保證底面平整,片幫整齊。爆破區域為+1 665 m平臺,現處于礦山開拓階段,暫未形成較為規整的平臺。采用φ115 mm的潛孔鉆機進行垂直鑿孔,臺階高度為6.4～11.9 m,共計18個炮孔,平均孔深8.7 m,超深為1 m。最小抵抗線為3.0～3.5 m,設計間排距為4.0 m×5.0 m,堵塞長度為3.5～4.0 m,設計單耗為0.35 kg/m3,最大單孔裝藥量為72 kg,最大段起爆藥量為228 kg,總藥量為548 kg,主炸藥為粉狀乳化炸藥,共計500 kg,藥包為2號巖石乳化炸藥共計48 kg。布孔方式采用單排孔與三角形布孔相結合;裝藥結構為連續耦合裝藥;共計使用30發數碼電子雷管,采用無線網絡遠距離起爆控制系統進行起爆。

爆破指揮部和起爆點設置在爆破區域的上方,安全距離為320 m,由于地勢開闊,起爆信號源較好,故未采用信號中繼器,直接采用智能起爆控制器起爆數碼電子雷管的方式進行。

5.3 爆破效果分析

智能無線遠程起爆系統的工業性試驗,驗證了無線遠程起爆系統的關鍵技術、實施流程在工程爆破實踐中安全、高效、穩定等特性,驗證了智能起爆控制器、智能無線起爆模塊等研制的爆破器材的工業應用。

(1)智能起爆控制器采用盲炮智能檢測系統檢測和人工盲炮檢查,證實了18發數碼電子雷管(深孔13發、淺孔5發)全部準確起爆,驗證了智能無線遠程起爆系統及配套器材在礦山實際應用中的準確性、可靠性。

(2)現場2名持證員工裝藥548 kg(2號巖石乳化炸藥48 kg、粉狀乳化炸藥500 kg),使用18枚智能無線爆破模塊,采用無線遠距離起爆系統起爆,用時54 min完成爆破作業。

(3)爆堆形狀:爆堆松散,整體大塊率較小,較好地達到了爆破設計的要求。

5.4 爆破成本和效率分析

采用無線遠距離起爆系統,使得爆破作業更為簡單、便捷、高效,爆破效率大幅提高。從表1可以看出無線遠距離起爆系統與其他系統比較效率提高20%～80%。

表1 無線遠距離起爆系統與其他系統效率對比Table 1 Comparison of efficiency of wireless long-distance detonation system with other systems

爆破作業中連接線、母線和智能無線起爆模塊是易耗材料,從表2可以看出無線遠距離起爆系統與其他系統成本相比僅增加2.12%～13.82%,每孔成本基本處于持平狀態。

表2 無線遠距離起爆系統與其他系統易耗材料對比Table 2 Comparison of consumable materials between wireless long-distance initiation system and other systems

6 結 論

智能無線遠程起爆系統在爆破現場減少了長導線的使用,省略了聯網和網路檢查的工序,節省人力,顯著提高了工作效率;無線遠距離起爆系統與傳統的起爆系統比較具有以下特點:

(1)在現場試驗中,孔距、排距、起爆距離等爆破參數相同的條件下,無線遠距離起爆系統對比現階段工程中常用的其他系統在工作效率上提高了20%～80%,大幅簡化了操作流程、提高了工作效率。

(2)無線遠距離起爆系統的成本與現階段爆破作業中連接線、母線等易耗材料成本相比僅增加2.12%～13.82%,成本適中、可應用性較強。

(3)無線遠距離起爆系統的智能化水平較高,可自動判斷起爆對象和無線通信的“合法性”,實時獲取起爆對象的連接狀態,為智能爆破研究提供了技術支撐。

(4)無線遠距離起爆系統不受起爆能量的限制,起爆規模不受限制;避免了因起爆能量不足或爆破網路連接失誤造成盲炮的爆破安全事故,實現了爆破作業場所少人化和本質安全。