起爆器材
一、概述
(一)起爆器材的发展及现状
随着近代工业和我国国民经济的发展，工程爆破的大区化、多样化也不断发展起来，为适应这一发展的需要，起爆器材的品种也必须相应的发展，为适应各种特殊爆破及各种复杂条件下爆破作业的需要，必须研究和生产这些特殊的起爆器材。
我国黑火药的发明，开辟了爆破器材的途径。自1831年毕克佛尔特发明以黑火药为药芯的导火索(毕氏导火索)，到1867年诺贝尔发明了火雷管，开始形成了最早的起爆系统——导火索起爆系统。而后，随着一次爆破量的不断增加，单靠这种简单的起爆系统满足不了生产发展的需要，于是出现了工业电雷管。由于工业电器化水平的不断提高，矿山的电器设备不断增加，电机车的广泛应用，以及炮孔机械化装药的发展和推广应用，由此而产生的杂散电流、静电及各种感应电等电信号对电力起爆系统的干扰，给电力起爆系统的应用带来了危险，使它的进一步推广使用产生了困难。为了克服各种电信号对电力起爆系统的干扰，我国20世纪70年代以来，起爆器材得到了迅速发展，先后出现了各种新型起爆器材，如抗杂电、抗静电雷管、抗电感应、防瓦斯、耐热、耐压电雷管以及各种非电起爆系统。国外20世纪70年代如瑞典发明了非电(NoNel)起爆系统；美国发明了普里马德特(Primadet)低能导爆索起爆系统，赫尔格德特(HeCadet)充气导爆管起爆系统；日本发明了无线起爆系统——超声波，电磁波遥控起爆系统。我国20世纪70年代末至80年代研制成功了导爆管起爆系统、电磁波遥控起爆系统、低能导爆索、无起爆药雷管等。无起爆药雷管的技术指标居世界领先地位，于1983年，该技术转让给瑞典诺贝尔公司，并在世界28个国家和地区申请了专利。
起爆器材的品种不断增加，且各种起爆器材逐步形成系列化、多样化，用户可根据不同爆破条件和爆破对象，灵活选择。自20世纪80年代以来，电和非电雷管向着段数多、延时精度高的方向发展。如瑞典VA毫秒电雷管达45个段别，总延时秒量2000毫秒，其雷管脚线2～20m，雷管的总电阻不变；半秒雷管有12个段别；NoNel起爆系统有30个段别，总延时秒量为2000ms。英国ICI公司毫秒电雷管有30个段别，总延时秒量845ms。日本30个段别，总延时845ms。我国80年代末研制成功了电毫秒雷管30个段别，总延时秒量有1600ms、1000ms和900ms等。这些雷管的技术指标已达到国际先进水平，其独特的优点是结构简单，原材料来源广、成本低，更适合我国国情使用。
早在20世纪80年代初期，我国就研究成功了电子毫秒雷管，每个段延期时间间隔为]0ms，可实现100个段，总延时秒量为1000ms，其技术指标达世界先进水平。
导爆管非电起爆系统发展很快，除有瓦斯和粉尘爆炸的场所外，几乎应用于各种爆破工程。导爆管的年使用量达3亿m，其用量之多居世界首位。在起爆方法上，形式多样。起爆网路的联接方面，灵活多样，在一些特殊的爆破中，可采用孔内、孔外延期相结合，实现多段延时爆破，最高实现了一次爆破达324个段。
从起爆器材的发展趋势看，它将进一步朝着安全性好的导爆管起爆系统发展，并进一步研制适应各种环境条件下的爆破，如导爆管的强度更高，延时更精确的雷管新品种，同时发展抗电干扰能力强、可靠性高、成本较低的电子延期雷管和推广无起爆药雷管系列产品，逐步淘汰导火索和一些安全性能差的起爆器材。
(二)起爆器材的种类和基本要求
起爆器材的品种较多，据其作用可分为起爆材料和传爆材料两大类。各种雷管属于起爆材料。导火索、导爆索、导爆管属于传爆材料，继爆管、导爆索既可起起爆作用又起传爆作用，是两者的综合，这些材料在爆破作业中都不可少。
对起爆器材的要求是：安全可靠，使用简单、方便。具体为：
1．具有足够的起爆能力和传爆能力。
2．对环境有一定的适应能力，如能在一定的湿度、温度、压力等范围内应用。
3．延期起爆器材，要求起爆时间准确，延时精度高。
4．产品的化学安全性好，经得起运输、贮存的考验。
(三)起爆药
在过去的100多年来，人们一直把起爆药看成工业雷管的核心，甚至称之为雷管的主装药，直到20世纪80年代初，我国才首次在工业雷管中取消起爆药，研制成世界上最先进、最安全的无起爆药雷管。它已经并将继续在国内外推广应用。
1．起爆药的特征
(1)感度高，在外界较小的初始能量如火焰、撞击、摩擦等作用下，即被激发并在极短的时间内发展为爆轰。
(2)爆炸开始后，在极短的时间内就可发展为稳定爆轰。
(3)在一定的约束条件下，爆轰后的爆轰能足以引爆大部分猛炸药。起爆能力用起爆药量来衡量。某种起爆药对某种猛炸药的极限药量是指引爆0．5g猛炸药达到爆轰所需的最小药量。极限药量越小，表明起爆能力越强。
(4)大部分起爆药是吸热化合物，生成热为负值。
对于起爆药的要求，考虑到雷管生产、使用、运输和贮存的条件，对工业雷管的起爆药提出如下要求：
1)机械感度小，以利安全。
2)化学安全性好，以利在一定条件下能经得起长期贮存而不变质，不与雷管管材起化学反应。
3)有良好的流散性和防潮性。
2．工业雷管常用的起爆药
常用的起爆药有：雷汞、氮化铅、二硝基重氮酚以及后来发展的“共晶”、“爆粉”和“KD”起爆药等，它们各有自己的特点，目前用得最多的是二硝基重氮酚。这些起爆药的共同特点是敏感度高，容易发生爆炸，因此，在生产、运输、贮存及使用时要特别小心。
二、雷管
雷管是重要的起爆器材之一，一切工程爆破离开了它，就几乎无法实现。
雷管的种类按点火方式可分为：
其中，火雷管是一切雷管的基础。
按管壳材料可分为，金属壳——铜、铁、铝管壳雷管；非金属壳——塑料、纸管壳雷管。
金属管壳强度好，加工容易，制成的雷管封闭性能好，有利于防潮抗水，但也有其特点，铝壳雷管不能用于有瓦斯和矿尘爆破危险的矿山。铜壳管壳的原材料较缺乏，价格较高，且不能装叠氮化铅。铝壳雷管强度好、来源广、但它与硫氰酸铅起反应。
塑料壳雷管用量少，尺寸易变，强度低，起爆威力小。纸管雷管用量大，大部分火雷管和相当一部分延期雷管都是纸壳雷管。材料来源广，但强度低，不抗水，防潮能力差。
(一)火雷管
在工业雷管中，火雷管是最基本、最简单的一个品种，由火焰直接引爆。火焰是通过导火索等来传递的。它具有结构简单，生产效率高，使用方便、灵活，价格便宜，不受各种杂电、静电及感应电的干扰等特点，至今仍然广泛使用。但必须指出，由于导火索难于避免的速燃、缓燃等致命弱点，在使用过程中发生过大量爆破事故，因而，极大地限制了它的用量和使用范围。
1．结构
它由管壳、正副装药、加强帽组成。管壳的一端开口，另一端封闭并带有凹槽，起聚能作用，结构如图3—1。
图3—1 火雷管结构示意图
1—管壳；2—传火孔；3—加强帽；4—DDNP；5—加强药；6—聚能穴
(1)管壳：管壳材料如上所述。管壳有一定的强度，可减小正、副装药爆炸时所受的侧向扩散，保证起爆能力；管壳可以避免起爆药受外能的直接作用，确保安全；又可以避免起爆药直接与外界接触，提高雷管的防潮能力。
(2)正装药(起爆药)：它直接受导火索火焰作用，首先爆轰。其主要特征是感度高。目前国产雷管大多采用二硝基重氮酚(DDNP)。
(3)副装药：它由起爆药爆轰而引爆，用于加强起爆药的威力。一般比起爆药感度低，爆炸威力大。通常由钝化黑索金，特屈儿或黑索金一梯恩梯(TNT)压制而成。
(4)加强帽：加强帽为中心带有一小孔的金属罩，多为铜或铁材冲压而成。它的作用有三个：减少起爆药的暴露面积、提高抗震能力并减少受外界作用的可能性、增加雷管的安全性；防止起爆药受潮，增加雷管的防潮能力；它在雷管中形成一个密闭小室，促使起爆药爆炸时压力的增长，提高雷管起爆的可靠性和起爆能力。
加强帽中心孔的作用是让火焰能直接喷射于起爆药上，中心孔径为1．9～2．1mm。为防止杂物、水分的浸入和起爆药的散失，中心孔及加强帽周围常采取防潮处理。
2．雷管号数和起爆能力
工业雷管按其装药量的多少分为十个等级。号数愈大，起爆药量愈多，则起爆能力愈强。工业爆破较常用的是8号和6号雷管。
雷管的起爆能力可用雷管铅板穿孔试验来检验。把雷管聚能穴端放置于直径为50mm、厚为5±0．1mm的铅板中央，铜板用内径40mm的钢管架空，如图3—2。雷管起爆后，铅板被击穿的孔径应不小于雷管外径方为合格。
图3—2 雷管铅板穿孔试验
1—导火索；2—雷管；3—铅板；4—钢圈；5—防爆箱；6—铅衬
(二)电雷管
如前所述。电雷管的品种较多，但其基础部分与火雷管相同。两者的区别仅在于采用电引火装置，此装置由桥丝、药头、塑料塞和向管外引出的两根绝缘导电线——脚线组成。
1．瞬发电雷管
瞬发电雷管就是通电后，雷管瞬间(数毫秒内)发火爆炸的电雷管。它是由火雷管和一个发火元件组成，有直插式和引火药头两种型式，其结构如图3—3。当接通电源后，电流通过桥丝发热，使起爆药或引火头发火，从而使整个雷管爆轰。
图3—3 瞬发电雷管结构示意图
a—直插式； b—引火头式
1—角线；2—管壳；3—密封塞；4—纸垫；5—线芯；6—桥丝(引火药)；7—加强帽；8—散装DDNP；9—正起爆药；10—副起爆药
到目前为止，直插式雷管已很少生产。因此，金属壳雷管大部分以塑料柱代替过去的熔化的硫磺塞。这种生产工艺简单、安全。
(1)电阻：2m铁脚线成品雷管的全电阻，康铜丝的不大于4Ω；镍铬丝的不大于6．3Ω。
(2)安全电流：通0．05A恒定直流电5min不爆炸。
(3)发火电流：单发雷管的发火电流不大于0．7A，20发串联准爆电流，康铜丝的不大于2．0A，镍铬丝的不大于1．5A(均为恒定直流电)。
(4)铅板穿孔和串联试验：对5mm铅板的穿孔直径不小于雷管外径，20发串联齐爆。
(5)振动试验，在振机上，频率60次／min，振幅150mm，连续振动5min，雷管的各项性能不变。
(6)封口牢固性：荷重1kg lmin，封口塞无肉眼可见的移动。
(7)在规定的贮存条件下，贮存期为2年。
2．普通延期电雷管
延期电雷管是通电后隔一定时间，顺次起爆。按照时间间隔的长短，延期雷管分为秒延期雷管，半秒延期雷管和毫秒延期雷管。
(1)秒或半秒延期电雷管
秒或半秒延期电雷管构造如图3—4a、b，它有两种结构形式：即索式结构和装配式结构。
图3—4 秒和半秒延时电雷管
a—索式结构；b—装配式结构
1—脚线；2—电引火线；3—排气孔；4—精制导火索；5—火雷管；6—延期体壳；7—延期药
秒、半秒延期电雷管，是在电引火元件和起爆药之间加延期装置构成的。延期装置是用精制导火索段或在延期体壳内压入延期药并由其长度、药量和延期药配比来调节延期时间。对于索式结构，在管壳上钻有两个排气孔排出延期装置燃烧时产生的气体。排气孔有防潮措施。起爆过程是：通电后引火头发火，引起延期装置燃烧，延迟一段时间后雷管爆炸。国产秒、半秒延期雷管如表3—1和表3—2。
表3－1 秒延期电雷管的段别与秒量
表3－2 半秒延期电雷管的段别与秒量
秒或半秒延期电雷管，以纸壳铁脚线为主，主要用于隧道掘进、土石方开挖等爆破作业中。在有瓦斯和煤尘等有爆炸危险的工作面，不准使用这种延期雷管。
(2)毫秒电雷管
毫秒延期电雷管，简称为毫秒雷管。它主要用于微差爆破中。近来它的应用范围不断扩大，在控制爆破中，已成为不可缺少的起爆器材。毫秒雷管有等间隔和非等间隔之分，段与段之间的间隔时间相等的称为等间隔，反之为非等间隔，如表3—3中的第一、三、四系列产品，分别以25、100、300毫秒为段间间隔，而第二、五系列为非等间隔毫秒电雷管。
表3—3 国内毫秒雷管段别与秒量
毫秒电雷管的结构有多种形式，以延期药的装配关系分为直填式和装配式，装配式又有管式、索式和多芯结构。
1)直填式：这种结构是把延期药直接装入雷管内。其优点是工艺简单，缺点是压药压力需严格控制，否则压力太大时起爆药将被“压死”而产生半爆。
2)装配式：如图3—5，装配式结构被广泛应用。其优点是结构简单，延期药可承受高压而不受起爆药的限制，生产时延期体与火管分开加工后装配，因此安全性较好。其他结构形式，国内仅有少数厂家生产，不赘述。国内毫秒雷管的段别与秒量见表3—3。
图3—5 毫秒延期电雷管
1—塑料塞；2—延期内管；3—延期药；4—加强帽
毫秒雷管在工程爆破中越来越显示出它的生命力，对于降低爆破地震、保护边坡、控制飞石等爆破有害效应起了很好作用。对于控制爆破和水利水电工程爆破的保护地基基础起了重要作用。它的应用将越来越广泛，发展趋势是：段数多、秒量精度高；发展等间隔毫秒雷管；品种多，形成系列化，有抗杂电、抗静电、耐高温、抗深水等各种毫秒雷管以适应各种特殊爆破的需要。
3．抗杂散电流毫秒电雷管
抗杂散电流毫秒电雷管，简称为抗杂电雷管。按其抗杂电的原理可分为容抗式、无桥丝式、低阻桥丝式三种。我国于20世纪70年代中期研制成功了无桥丝式和低阻桥丝式两种抗杂电雷管。
(1)无桥丝式抗杂电毫秒电雷管，如图3—6。其特点是用导电药代替桥丝。导电药起导电、发热作用，其电阻与电压呈非线性关系，如图3—7。当它通入低电压时，呈高电阻，通高电压时呈低电阻，依靠其电阻和电压呈非线性关系实现了既能抗杂电又能满足工业爆破的群爆要求。
图3—6 无桥丝式抗杂雷管结构示意图
1—脚线；2—封口；3—纸垫；4—管壳；5—引火头；6—延期装置；7—加强帽；8—点火药；9—正起爆药；10—副起爆药(黑索金)；11—纯化黑索金
图3—7 抗杂电药头的R-V特性曲线
导电药由锑粉、氯酸钾、石墨、乙炔黑等组成。
该种雷管的主要技术指标如下：
1)电阻R＝50—400Ω
2)安全电压：5V 5min不发火。
3)准爆电压：20V／发。
4)380V交流电，一次串联起爆20发。
5)抗温性能：－20℃恒温5h、+55℃下恒温2h，发火性能不变。
6)段别和延期时间同表3—3中的第二系列。
使用起爆器起爆串并联网路时，一台QLDF-1000型起爆器，一次起爆总数不大于120发。
一台GM-2000型高能起爆器，单串不超过100发，并联不超过400发。
使用380V交流电起爆时，一次起爆总数不超过400发。在上述条件下，可确保起爆可靠。
这种雷管的结构，除药头外，与普通毫秒电雷管相同，其爆炸性能也同普通工业8号雷管。优点是：具有一定的抗杂电能力，能满足绝大部分矿山抗杂电的要求；群爆性能好；结构简单，使用方便，使用时串并联网路连接各串，只要雷管数平衡，不需电阻平衡，因此免去了复杂的网路计算。缺点是每个雷管电阻范围大，网路连好后，难于用仪表进行检查。
(2)低阻桥丝式抗杂电毫秒电雷管。此类结构特点是采用低阻紫铜丝作为桥丝。据发热公式：Q＝0．24I2Rt，采取降低桥丝电阻R来控制药头发热量，使杂散电流的能量大部分消耗在脚线上，以达到抗杂电之目的。其优点是：结构简单，除桥丝与普通电雷管桥丝有区别外，其他方面均与普通毫秒电雷管同；具有较高的抗杂电能力，以满足国内大部分有杂电的矿山爆破要求。缺点是：桥丝电阻很小，当两极短路时，很难用仪表查出；因桥丝电阻太小，所用起爆器能量大，对网路绝缘要求很高，否则易产生拒爆；起爆能量大部分消耗在网路线路上。
4．无起爆药毫秒电雷管
无起爆药雷管是目前世界上最先进和最安全的雷管。其结构特点是取消雷管中最敏感的起爆药，实现整个雷管只装单一猛炸药或混合猛炸药，并解决了无起爆药电雷管的群爆问题。
(1)无起爆药雷管的优点是：由于雷管中取消了起爆药，因此雷管厂就可取消生产起爆药的车间，避免了生产起爆药时的危险性及对空气和环境的污染；生产、运输、使用、贮存安全性好；结构简单，完全与普通毫秒电雷管一样使用。
(2)性能
1)一切电性能和爆炸威力及段别秒量同普通毫秒电雷管；
2)冲击感度低于普通雷管，见表3—4。
表3—4 无起爆药雷管与普通雷管的冲击感度
3)耐火试验如下：
A．瞬发雷管：将25发瞬发雷管(敞口)，口部朝上略倾斜装入纸盒中(雷管约占纸盒容积的1／3)，将盒放入木料堆(约1kg)，在木材上洒柴油，用明火将木材点燃；约烧5min时，有一爆炸声，等到木材烧完后检查，将未爆雷管收集起来，发现有3／5的雷管外壳烧黑，里面起爆元件完好；1／5的起爆元件被冲出来，底部炸药有的燃烧完，有的还留下痕迹，1／5起爆元件内的炸药有1／3被燃烧。
B．延期雷管25发(敞口)，燃烧条件同上。当木材烧到3min后，25发雷管一次爆轰完。
C．延期雷管25发，用带有2m长脚线的药头卡管，装入250×250×250(mm)的纸盒中，燃烧同上，当燃到7min时发生一爆炸声，紧接着又有4声，燃烧后检查，在燃烧区周围捡到20发未爆炸的雷管，外壳被熏黑，整个雷管还完好。
(3)发展趋势：由于这种雷管具有上述独特优点，因此它将显示出其强大的生命力，预计在不久的将来将取代所有的有起爆药雷管，并将制成各种电、非电、耐高温等系列产品，应用于各个领域的工程爆破中。
毫秒延期电雷管在有瓦斯或煤尘爆炸危险的煤层中使用时，最后一段的延期时间不得超过130ms且不得跳段使用。这是因为130ms时瓦斯涌出的浓度比瓦斯爆炸下限4％少83％～86％，能保证安全。若为全断面一次爆破时，因为毫秒雷管总延期时间很短，最早爆开部分的瓦斯涌出的浓度还达不到爆炸浓度，煤尘也来不及扬起，最后一组炮就已爆炸完毕。
5．安全电雷管
安全瞬发电雷管和安全毫秒电雷管适用于瓦斯突出的矿井，配合安全炸药，在瓦斯矿井进行爆破。它的特点是：在雷管的猛炸药黑索金中加入消焰剂；改变雷管的底部结构凹形聚能穴为平底结构，避免雷管爆炸时在轴线上形成一股高速的金属流；减小延期药的直径，由单芯改为多芯延期体。从而避免因延期体残渣的喷出造成瓦斯爆炸。但还须控制毫秒雷管的总延期时间在130ms以内。
三、导爆管起爆系统
导爆管起爆系统是20世纪70年代瑞典诺贝尔公司发明的新型起爆系统。我国于1978年自行研究成功，并很快在全国推广使用。
(一)导爆管起爆系统
导爆管起爆系统主要部件为塑料导爆管。它与引爆雷管传爆装置相连接，组成导爆管起爆系统。
1．塑料导爆管
它是由一种热塑性塑料经挤出成型的同时内壁涂有薄层炸药的塑料管。如沙林塑料、高压聚乙烯、EVA等均可作为导爆管的材料。一般要求导爆管管材要有较好的透明度(以利质量检查)，内壁药层分布均匀，且附着牢固，传爆过程中，无破壁现象发生；内外径波动小，有较好的强度和刚度，耐老化性能好(以利较长时间的贮存)；且低温性能亦好(以利北方高寒地区使用)。