智能无线远距离起爆系统在露天矿山爆破的应用分析

李萍丰 张金链 徐振洋 张兵兵 李 新 杨 飞

(1.宏大爆破工程集团有限责任公司,广东 广州 510623;2.深圳市憨包民爆云领电子发展有限公司,广东 深圳 518000;3.辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051)

无线网络远距离起爆系统进行爆破作业时,能够摆脱传统起爆器的导线物理连接,炮孔之间没有联系,省略了爆破网路连接和检查环节,节省爆破作业时间,提高爆破作业效率,减少人员进入高风险区域的机会,最大程度上保证爆破作业人员的安全,避免因起爆能量不足或爆破网路连接失误造成盲炮的爆破安全事故,实现爆破作业场所少人化和本质安全。宋依青等[1]提出采用无线传感器网路智能起爆系统,使起爆系统组网灵活,有很好的稳健性和可靠性,解决了长距离通信和低成本之间的矛盾。迟洪鹏等[2]基于无线网路系统分析了地下和地表起爆控制单元的软硬件及起爆控制的流程、地下与地表起爆控制端的通讯方式、远程无线起爆网路安全技术及系统安全设计。刘庆等[3]利用PIC单片机与扩频控制技术,设计无线遥控器、电子起爆器及配套电容式击发针的遥控导爆管起爆系统,该系统主要是改变导爆管起爆方式。孙琮琮等[4]基于Keeloq滚动编解码设计多路遥控起爆器,丰富了爆破的信息化、智能化。李泽华等[5]开发露天台阶爆破设计系统,以Visual C++为开发平台,采用MFC框架,结合OpenGL三维引擎,现场应用表明爆破人员通过系统实现了三维环境下布孔和爆破网路设置,取得了良好的爆破效果。LIN Moujin等[6]采用远程控制装置进行装药施工,实现了所有炮孔同时完成下放导爆索、装药、堵塞,以最快的速度完成装填工作并引爆炸药。

为克服现有爆破网路连接和起爆环节中的安全性、便利性、智能化等方面存在的不足,结合数码电子雷管的优势,开发了智能无线远距离起爆系统,编写软件系统和研制配套的器械,智能无线起爆系统经过安全性校验,满足现场爆破要求,并进行了现场试验。

1 系统组成及技术路线

1.1 系统组成

智能无线远距离起爆系统总体架构如图1所示,系统由智能起爆控制器、信号中继器、智能无线起爆模块、数码电子雷管和无线远距离起爆系统平台软件等几大部分组成。

图1 智能无线远距离起爆系统总体架构Fig.1 General architecture of intelligent wireless long-distance initiation system

1.2 技术路线

智能无线远距离起爆系统研究的技术路线如下:

(1)起爆系统保留数码电子雷管的三码绑定规则[7],具有信息可追溯、起爆控制安全的优点。数码电子雷管与智能无线起爆模块连接,智能无线起爆模块直接放置在炮孔旁,每个炮孔由智能无线起爆模块单独控制,每一发数码电子雷管能独立运行。数码电子雷管的信息与通讯[8],通过智能无线起爆模块的无线信号与智能起爆控制器(或信号中继器)进行通讯数据交换。

(2)采用安全、稳定、抗干扰、低功耗、价格便宜的物联网技术[9],确保智能无线起爆模块成本适中。

(3)采用多层安全防护体系:一是授权和位置“合法”;二是无线通信“一对一”、“排他性和封闭性”;三是“密码”;四是“开关”。

(4)无线起爆系统在试验过程中,需考虑周围环境因素的影响,包括射频、地磁干扰,黑客入侵,静电危害,及可能存在的电流信号的干扰,并通过试验用以验证系统具有良好的可靠性。

2 智能无线网络远程起爆控制系统硬件组成

2.1 智能起爆控制器

智能起爆控制器主要包含12 V电池、充电电路、3.3 V降压稳压电路、无线通讯收发模块、GPS模块、蓝牙通讯模块、EEPROM存储、FLASH存储、LCD液晶显示、按键矩阵电路、开关机控制电路、蜂鸣器、指示灯、扫描枪等,整体结构见图2所示。实现与手机端、信号中继器或智能无线起爆模块双向通讯、定位、存储资料、与手机端APP实现双向资料的传输等功能[10]。

图2 智能起爆控制器整体结构Fig.2 Overall structure diagram of intelligent initiation controller

2.2 智能无线起爆模块

智能无线起爆模块功能[11]:与数码电子雷管[12]、智能起爆控制器(或信号中继器)双向通讯、为数码电子雷管提供起爆时间和起爆能量,其整体结构如图3所示。

图3 智能无线起爆模块整体结构Fig.3 Overall structure diagram of wireless initiation module

2.3 信号中继器

信号中继器是工作在物理层上的连接设备,适用于完全相同的2个网络之间的互连,主要是对数据信号的重新发送或者转发,进而扩大数据信号的传输距离。信号中继器是利用局域网络延长传输距离[13],但它属于网络互联的设备,在OSI的物理层进行操作。信号中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能,用于扩展局域网网段的长度,其结构如图4所示。

图4 信号中继器整体结构Fig.4 Overall structure diagram of signal repeater

2.4 数码电子雷管

电子雷管工作原理[14-15]如图5所示,K选用4098型12V DC继电器,T使用成品脉冲升压变压器,S2首选小型双极按键自锁开关,VD1选择S8050型NPN功率晶体管,VD2选用BU406型高反压硅NPN晶体管,C1和C2均选用耐压值为630V的铝电解电容器。

图5 电子雷管工作原理Fig.5 Electronic detonator working principle diagram

当起爆位置达到规定范围,起爆器发送起爆充电指令(假设为 001),接收到起爆充电信号后,stm32f103接收中断,判断信号指令,若接收信号指令是001,则stm32的引脚PB5输出一个高电平脉冲信号,V1导通,K1吸合,常开触头接通,振荡升压电路通电工作,在T的W3绕组上产生高压脉冲,该电压经过VD2整流后,通过R5对C1和C2快速充电。起爆器发送起爆指令后,stm32单片机进入中断,定时器延迟10 ms后置低PB5,使V1截止,K1释放,常开触头断开,振荡升压电路停止工作,C1和C2迅速向电雷管放电,将电雷管引爆。

3 智能无线网络远程起爆控制系统软件平台

3.1 手机端APP“爆破助手”编制

手机端APP“爆破助手”(图6)是实现智能起爆控制器与政府部门授权的纽带。手机端APP“爆破助手”确认智能起爆控制器的合法性及爆破区域使用;手机端APP“爆破助手”下载数码电子雷管和智能无线起爆模块的工作码,发送至智能起爆控制器,爆破完成后接收起爆控制器发送相关资料,上传到相关政府平台。

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

3.2 智能起爆控制器软件编制

智能起爆控制器为实现与手机端、信号中继器或智能无线起爆模块双向通讯、定位、存储资料、与手机端APP“爆破助手”实现双向资料的传输等功能。设计了单片机等数据处理系统的硬件,编制了相应的软件。图7为智能起爆控制系统的操作界面。

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

3.3 智能无线起爆模块软件编制

为实现智能无线起爆模块与数码电子雷管、智能起爆控制器(或信号中继器)双向通讯[16]、为数码电子雷管提供起爆时间和起爆能量。智能无线起爆模块设计了单片机等数据处理系统的硬件[17],编制了相应的软件。图8为智能无线起爆模块内部电路板。

图8 智能无线起爆模块内部电路板Fig.8 Internal circuit board diagram of intelligent wireless initiation module

4 安全性试验

4.1 试验内容

无线远距离起爆系统应用前需进行安全测试,以保证起爆系统的准确、安全、可靠,测试内容主要分为以下几类:距离测试、地形测试、可靠性测试、单/多发起爆测试、抗干扰测试(分为同频干扰和其他干扰等)。距离测试中,起爆距离为200、500、1 000 m,测试远距离下起爆系统的运行状态[18];地形测试中,地形分别为平地、山峰山谷、梯形地貌、高差为50、100 m;抗干扰测试中,分为同频干扰测试和其他干扰,其他干扰包括:电磁干扰、震动干扰、杂散电流干扰;可靠性测试中,起爆信号激发药包起爆可靠性;单/双发起爆测试中,分别进行单发和多发起爆试验。

4.2 试验步骤

编制试验方案、应急预案、确定实施组织和人员编制、按爆破作业正规程序实施;智能无线远距离起爆系统实施时,进入试验场地前,需将数码电子雷管的注册、验证、授权、检测及智能无线起爆模块的检测全部完成;进入试验场地,将雷管脚线与智能无线起爆模块连接。试验过程如图9所示。

图9 试验过程Fig.9 Test process

(1)双向通讯信号。智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送起爆信号,检验智能无线起爆模块能否接收起爆信号;同时智能无线起爆模块发送反馈信息,验证智能无线起爆模块可以向智能起爆控制器发送反馈信息。

(2)注入延时时间。智能起爆控制器向智能无线起爆模块发射延期时间信号,确保智能起爆控制器收到智能无线起爆模块延期时间成功的信号。

(3)组网。智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送组网信号,确保智能起爆控制器收到智能无线起爆模块组网成功的信号。

(4)起爆。智能起爆控制器向智能无线起爆模块发送起爆命令,雷管准确起爆。

4.3 试验结果分析

智能无线远距离起爆系统试验进行多项功能试验,共计现场测试820次,双向无线信号发射接收、注入延期时间、组网和起爆等科目全部满足试验要求,爆破成功率100%,在不安装炸药的情况下,智能无线起爆模块完好率也是100%。试验结果表明:

(1)智能起爆控制器、智能无线起爆模块、信号中继器和数码电子雷管组成的起爆系统研发成功。

(2)无线远距离起爆系统实现了智能起爆控制器直接起爆每一发数码电子雷管的目标,实现了每发数码电子雷管之间没有任何连接目标。

(3)无线远距离起爆系统具有强抗干扰、高稳定、远距离、安全可靠等技术优势。

5 应用实例

5.1 试验露天矿山概况

试验露天矿山以生产砂石骨料为主,矿区海拔高程为1 622～1 744 m,相对高差一般在122 m左右。开采方式为山坡型露天开采,岩石类型为花岗岩,主要采用台阶式中深孔爆破开采,生产规模为530万m3/a。

5.2 爆破实施

矿山爆破采用深孔爆破方式,爆破效果要求为:块度适合挖运,大块(＞800 mm)率小于3%;爆堆松散,保证挖装工序的安全和效率;杜绝飞石,保证底面平整,片帮整齐。爆破区域为+1 665 m平台,现处于矿山开拓阶段,暂未形成较为规整的平台。采用φ115 mm的潜孔钻机进行垂直凿孔,台阶高度为6.4～11.9 m,共计18个炮孔,平均孔深8.7 m,超深为1 m。最小抵抗线为3.0～3.5 m,设计间排距为4.0 m×5.0 m,堵塞长度为3.5～4.0 m,设计单耗为0.35 kg/m3,最大单孔装药量为72 kg,最大段起爆药量为228 kg,总药量为548 kg,主炸药为粉状乳化炸药,共计500 kg,药包为2号岩石乳化炸药共计48 kg。布孔方式采用单排孔与三角形布孔相结合;装药结构为连续耦合装药;共计使用30发数码电子雷管,采用无线网络远距离起爆控制系统进行起爆。

爆破指挥部和起爆点设置在爆破区域的上方,安全距离为320 m,由于地势开阔,起爆信号源较好,故未采用信号中继器,直接采用智能起爆控制器起爆数码电子雷管的方式进行。

5.3 爆破效果分析

智能无线远程起爆系统的工业性试验,验证了无线远程起爆系统的关键技术、实施流程在工程爆破实践中安全、高效、稳定等特性,验证了智能起爆控制器、智能无线起爆模块等研制的爆破器材的工业应用。

(1)智能起爆控制器采用盲炮智能检测系统检测和人工盲炮检查,证实了18发数码电子雷管(深孔13发、浅孔5发)全部准确起爆,验证了智能无线远程起爆系统及配套器材在矿山实际应用中的准确性、可靠性。

(2)现场2名持证员工装药548 kg(2号岩石乳化炸药48 kg、粉状乳化炸药500 kg),使用18枚智能无线爆破模块,采用无线远距离起爆系统起爆,用时54 min完成爆破作业。

(3)爆堆形状:爆堆松散,整体大块率较小,较好地达到了爆破设计的要求。

5.4 爆破成本和效率分析

采用无线远距离起爆系统,使得爆破作业更为简单、便捷、高效,爆破效率大幅提高。从表1可以看出无线远距离起爆系统与其他系统比较效率提高20%～80%。

表1 无线远距离起爆系统与其他系统效率对比Table 1 Comparison of efficiency of wireless long-distance detonation system with other systems

爆破作业中连接线、母线和智能无线起爆模块是易耗材料,从表2可以看出无线远距离起爆系统与其他系统成本相比仅增加2.12%～13.82%,每孔成本基本处于持平状态。

表2 无线远距离起爆系统与其他系统易耗材料对比Table 2 Comparison of consumable materials between wireless long-distance initiation system and other systems

6 结 论

智能无线远程起爆系统在爆破现场减少了长导线的使用,省略了联网和网路检查的工序,节省人力,显著提高了工作效率;无线远距离起爆系统与传统的起爆系统比较具有以下特点:

(1)在现场试验中,孔距、排距、起爆距离等爆破参数相同的条件下,无线远距离起爆系统对比现阶段工程中常用的其他系统在工作效率上提高了20%～80%,大幅简化了操作流程、提高了工作效率。

(2)无线远距离起爆系统的成本与现阶段爆破作业中连接线、母线等易耗材料成本相比仅增加2.12%～13.82%,成本适中、可应用性较强。

(3)无线远距离起爆系统的智能化水平较高,可自动判断起爆对象和无线通信的“合法性”,实时获取起爆对象的连接状态,为智能爆破研究提供了技术支撑。

(4)无线远距离起爆系统不受起爆能量的限制,起爆规模不受限制;避免了因起爆能量不足或爆破网路连接失误造成盲炮的爆破安全事故,实现了爆破作业场所少人化和本质安全。