两种提高工业电子雷管抗冲击波性能缓冲材料的实验研究

岳彩新

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

工业电子雷管(简称“电子雷管”)作为我国未来民爆器材发展趋势中的主导产品，是集电子芯片技术和网络技术于一身的新型起爆器材。 电子雷管与传统雷管相比引入电子控制模块实现其通信控制、延期设置及加密起爆功能，具有高延期精度、高安全、智能化等优势。 经过十几年的发展，我国电子雷管技术水平已取得长足进步，被广泛应用于爆破工程中[1-3]。 但是，电子雷管可靠性研究还不够充分，存在的安全隐患尚无可靠的安全保护措施。 针对此问题，笔者对电子雷管在小断面爆破作业应用过程中发生的拒爆丢炮现象，设计2 种缓冲材料，并分别对其提高电子雷管的抗冲击波性能开展实验验证，并对实验结果进行了理论分析。

目前，国内对于电子雷管受冲击波作用的研究较少，就提高其抗冲击波性能的防护装置更无报道，且研究对象为传统雷管。 例如王尹军等[4]针对发蓝壳延期电雷管的2 段和5 段进行了水下耐冲击波测试。 试验表明:延期雷管在水中受到主发药包冲击波作用后，主要出现两种情况，一是与主发药包距离较近时发生殉爆，二是距离较远时雷管受到损坏导致失效。 但电子雷管的结构与传统雷管存在明显区别，传统雷管抗冲击波性能测试结果不能科学地指导电子雷管的研究。 查找相关文献，仅有南京理工大学近期采用霍普金森杆测试电子雷管各组件的抗冲击波性能以及小断面爆破环境下电子雷管所受压力，针对电子雷管受冲击波作用而发生失效的机理研究并不充分。 因此，进一步开展电子雷管抗冲击波性能的研究，并提供可靠简易的缓冲材料，为提高电子雷管抗冲击波性能、爆破作业的安全性、经济性具有重要意义。

1 实验装置及缓冲材料

爆炸冲击试验在一个直径1.8 m、水深1.8 m、壁厚30 mm 的高强度不锈钢水箱内进行，内衬冲击波吸收层，减少箱壁和箱底反射对水中冲击波峰值压力的影响。 将0.015 kg 工业炸药(二级岩石乳化炸药)和1 发8 号电子雷管组装成主发装药，在水中产生爆炸冲击波。 其外壳由防水牛皮纸手工卷制而成，内径25 mm、长度25 mm(长径比1 ∶1，这里近似球形装药，装药半径R0=12.5 mm)，将纸筒外部包裹防水塑料。 将主发药包上下端用丝线绑牢拉直固定在测试固定架上，采用相同的方法将被测试电子雷管和ICP 电气石水下爆炸压力传感器(简称“水下传感器”)也用丝线固定在测试固定架上，主发装药、被测试电子雷管的芯片和水下传感器的形心处在同一水平位置(组装如图1所示)，将组装好的测试部件采用吊放设施吊装入水箱内。

图1 主发装药、被测试电子雷管和水下爆炸冲击波测试系统组装示意图

1.1 冲击波超压峰值压力计算

主发装药水中爆炸产生的冲击波在传播过程中，随着距离增加而迅速衰减，其压力状态在近场和中远场呈现不同的状态，以比距离R/R0=6 作为波形变化的分界点[5]。

当6≤R/R0≤44 时，通过水下传感器测量不同距离点的压力峰值，拟合得出压力峰值与距离和药量的计算公式(1)。 试验共测试4 组数据，不同距离压力峰值测试结果见表1。

表1 不同距离压力峰值测试结果

将所测的实测数据在对数坐标中进行线性拟合，得到公式(1):

主发装药中的工业炸药药量W=0.015 kg，因此，经过恒等变形可变为公式(2):

当R/R0＜6 时，冲击波波阵面与波后流场并未完全分离，测试会受到干扰，采用电气手段测试近场的冲击波峰值压力比较困难。 因此，通过相关文献数值拟合[6]，结合上述中远场公式，可得近似回归公式来估算近场峰值压力，如公式(3)所示。

式中:Pm为主发装药在水下爆炸产生的冲击波峰值压力，MPa；W为主发装药中工业炸药的药量，kg；R为被测试电子雷管或水下传感器距离主发装药的轴线距离，m；R0为主发装药的装药半径，m。

1.2 被测电子雷管及缓冲材料

被测试电子雷管由电子控制模块、引火药头、加强帽、起爆药和主装药等组装在管壳内，结构如图2 所示，管壳材料为发蓝钢质，总长度95.0 mm，电子控制模块及引火元件尺寸长度53.0 mm，管径7.1 mm。

图2 被测试电子雷管结构(单位:mm)

被测试电子雷管在爆破工程应用过程中，要面临极端的作业环境，因此，防护材料的选择除应满足本试验所考察的性能外，还需满足:①适用温度范围-60 ～85 ℃；②耐腐蚀和老化，使用年限5 年以上；③具有一定的柔韧性，便于安装(不改变原有电子雷管结构)；④便于爆破人员取材，价格低廉。 根据上述要求，选择乳胶管和橡塑保温材料作为爆炸冲击波的缓冲材料进行考察试验，组装方式如图3 所示。

图3 被测试电子雷管和乳胶管、橡塑保温材料组装图

乳胶管采用天然橡胶制造，因具有高弹性、耐老化的特点，被广泛应用于医学抽血轧带、实验室玻璃管连接、输送食品饮料等领域。 根据被测试电子雷管的外径(ø7.1 mm)和被保护部位(电子控制模块及引火元件)，截取长度53.0 mm、内径6.0 mm、壁厚1.5 mm 的乳胶管进行组装。

橡塑保温材料是弹性闭孔材料，具有柔软、耐曲绕、耐寒、耐热、阻燃、防水、导热系数低、减震、吸音等优良性能，被广泛应用于建筑、化工、轻纺、冶金、汽车、电器等行业和各类冷热介质管道。 截取长度53.0 mm、内径6.0 mm、壁厚9.0 mm 的橡塑保温材料进行组装。

2 实验过程

由上述可知，测试系统主要由爆炸水箱、水下爆炸冲击波测试系统、吊放设施、主发装药及测试固定架等组成。

2.1 实验方案

组装好测试部件放入爆炸水箱前，固定主发装药的药量(0.015 kg)，放入水箱后的主发装药形心距离水面1.0 m。 改变被测试电子雷管(分别为无防护、乳胶管防护和橡塑保温材料防护3 种情况)与主发装药的距离(垂直固定在被测试固定架上时轴线之间的距离)，分别在0.03、0.05、0.07、0.10、0.13、0.15 m 处进行冲击试验，一次测试2 发，平行测试2 组，试验后用专用仪器检测电子雷管状态。同时，改变水下传感器与主发装药的距离，分别在0.40、0.45、0.50、0.55 m 处实测冲击波峰值压力，将数据拟合得到该型号炸药中远场峰值压力计算公式。 近场冲击波峰值压力计算通过相关文献的计算公式进行修正估算。 通过不同距离处的电子雷管状态和峰值压力，定量评估被测试电子雷管抗冲击波性能。 测试结果见表2。

表2 爆炸冲击波对电子雷管性能影响的测试结果

2.2 冲击波对电子雷管的影响

根据表2 的测试结果，将观察的试验现象划分为2 种情形:

1)情形1，被测试电子雷管如果距离主发装药过近，电子雷管会发生殉爆。 将主发装药中的电子雷管接入起爆器(此时，被测试电子雷管未接入)引爆，当电子雷管与主发装药的间距为0.03 m 时，不管被测试电子雷管加不加防护，均发生殉爆。 被测试电子雷管与主发装药间距大于0.05 m 时，被测试电子雷管就不再发生殉爆。

2)情形2，当距离大于0.05 m 时，冲击波不会造成被测试电子雷管的殉爆，但是未发生殉爆的电子雷管会受到冲击波的影响。 将主发装药中的电子雷管延期时间设置0 ms，被测试电子雷管延期时间设置100 ms，一同接入起爆器起爆。 改变被测试电子雷管与主发装药的距离，试验后用专用仪器检测被测试电子雷管的状况。 实验结果表明:当被测试电子雷管不加防护时，在0.05 ～0.13 m 处被测试电子雷管出现拒爆现象；采用乳胶管进行防护时，在0.05 ～0.07 m 处出现电子雷管拒爆现象；采用橡塑保温材料进行防护时，未出现电子雷管拒爆现象。

3 实验结果分析

当电子雷管无防护时，冲击波超压(83.71 ～522.68 MPa)会造成电子雷管损伤而无法正常起爆，分析原因有3 个:①冲击波直接穿过雷管管壳和橡胶层，使得电子元器件发生不可逆转的物理损伤、桥丝被振断或桥丝与药头分离；②冲击波压强过大，将管壳压扁(气室部位更容易被压扁)挤压电子元器件部位，将芯片或电容压坏，气室部位管壳将点火药头挤掉或桥丝挤断；③电子雷管内的电解质电容受冲击波作用失电无法达到药头的发火电压。 经受冲击波作用后电子雷管外观如图4 所示，通过观察，管壳变形程度随着距离的减小而加剧。

图4 受冲击波作用后电子雷管外观

当采用乳胶管和橡塑保温材料作为冲击波缓冲材料时，因为冲击波作用于无防护的电子雷管时冲击波也会衰减，所以以无防护电子雷管对冲击波的超压值的影响效果为基准，利用公式(4)定量了解乳胶管和橡塑保温材料对冲击波的衰减效果。

式中:λP为冲击波超压影响比率，无量纲；φPunprotect为电子雷管无防护的冲击波超压峰压，MPa，φprotect为电子雷管采用乳胶管或橡塑保温材料作为缓冲材料的冲击波超压峰压，MPa。

由表2 可知，电子雷管经冲击波作用仍能正常起爆的位置分别是:①当电子雷管无防护，在R=0.15 m、Pm=71.32 MPa 处；②当采用乳胶管作为缓冲材料时，在R=0.10 m、Pm=112.27 MPa 处；③当采用橡塑保温材料作为缓冲材料时，在R=0.07 m、Pm=522.68 MPa 处。 根据公式(4)可得，乳胶管、橡塑保温材料对冲击波的衰减效果分别是无防护电子雷管的1.57 倍和7.33 倍。

由上述计算结果可知，相较于乳胶管，橡塑保温材料对炸药的爆炸冲击波能量衰减更加有效。其原因是衰减效果取决于缓冲材料的材质、密度和壁厚。 本试验所研究的2 种缓冲材料物理特征为:①乳胶管的主要成分为顺-聚异戊二烯，密度约为1 300 kg/m3，壁厚1.5 mm；②橡塑保温材料是高发泡聚乙烯闭孔弹性材料，密度约为40 kg/m3，壁厚9.0 mm。 由此可知，橡塑保温材料因其低密度的多孔显微结构和9.0 mm 壁厚，会对冲击波产生反射、绕射的相互作用，产生的内耗会对冲击波产生更明显的衰减。 而乳胶管与冲击波作用会引起材料的共振，材料发生形变及材料表面的反射虽能一定程度衰减冲击波，但因其只有1.5 mm 的壁厚，衰减特性不如橡塑保温材料。

4 结论

综上所述，可得到如下结论:

1)该型号电子雷管在无防护状态下，冲击波超压峰压在83.71 ～522.68 MPa 范围内，会造成电子雷管芯片、电容、桥丝、药头的物理损伤或电容失电的“暂时”损伤；

2)采用乳胶管或橡塑保温材料作为该型电子雷管的缓冲材料时，可衰减爆炸冲击波能量对电子雷管的影响，其冲击波超压影响比率λP分别是1.57 和7.33；

3)橡塑保温材料的低密度多孔显微结构和9.0 mm 壁厚，对炸药的爆炸冲击波能量衰减更加有效。

实际工程爆破中，在进行孔网参数设计时，不应使电子雷管发生殉爆、物理损伤或电容失电的情况发生。 如果在实际作业过程中，为了达到特定的爆破效果而要求炮孔间距必须保持较小且可能对电子雷管产生影响时，可采取适当的保护措施，在电子雷管芯片和气室部位套一层乳胶套或低密度闭孔弹性材料。