CN101806562B - 一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法和装置，该装置包括起爆控制盒和用于与多根电雷管连接的多芯电缆，所述的起爆控制盒包括微处理器、电容充电电路、多路继电器开关选择电路、以及触发接口电路；所述的电容充电电路、多路继电器开关选择电路和触发接口电路均与微处理器连接；所述的多路继电器开关选择电路接多芯起爆电缆；所述的触发接口电路与超前地质预报记录仪器连接；电容充电电路通过多路继电器开关选择电路为引爆电雷管提供电源。使用本发明可以一次连接多孔震源后，依次自动激发引爆震源，避免人员在地质预报观测过程中来回多次连接起爆器与震源带来的安全隐患，同时也可以缩短观测时间，提高观测效率。

Description

一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法及装置。

技术背景

铁路、公路等隧道施工过程中经常会遇到不良地质体而导致的塌方、涌水等地质灾害。因此隧道超前地质预报工作尤为重要，隧道超前地质预报用于探测预报隧道开挖掌子面前方一定范围内的地质情况，从而预防、避免灾难的发生，同时也可以为隧道施工的掘进和支护工艺选择提供依据。目前长距离地质超前预报一般采用TSP(Tunnel Seismic Prediction，隧道地震波预报)法。

TSP法利用地震勘探的回波测量原理，采用布置在隧道侧壁的一系列炮孔作为震源点，用小药量的乳化炸药依次激发产生地震波。激发的地震波在岩体中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面时产生反射。反射回的地震波信号被传感器接收，再经过相应的计算处理后便可以预报前方岩体的地质情况。

作为震源的炮孔中填装的电雷管及炸药通过2条细导电线由普通电雷管起爆器引爆。地震波的激发观测方式为连接1孔、激发1孔(同时接收信号)，再连接下1孔、激发下1孔(同时接收信号)，如此循环。由于一次预报一般需要激发观测24孔，所以过程中需要有专门的起爆人员(炮工)连接引爆线、撤至安全距离、等待起爆完后再连接下1个……。观测过程需要多次来来回回进行连线工作，一方面存在安全隐患(虽然炸药量较少，但距离较近时还是会对人体造成较严重的伤害)，另一方面来来回回的连线等待耽误宝贵的施工作业时间，影响工程施工工期。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法及装置，使用本发明可以一次连接多孔震源后，在地质预报记录仪器控制下依次自动激发引爆震源，避免人员在地质预报观测过程中来回多次连接起爆器与震源带来的安全隐患，同时也可以缩短观测时间，提高观测效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，包括起爆控制盒和用于与多根电雷管连接的多芯电缆，所述的起爆控制盒包括微处理器、用于对电容充电获得引爆电雷管所需的瞬间高压的电容充电电路、用于选通任一个电雷管的放电回路以起爆电雷管的多路继电器开关选择电路、以及用于接收地震波观测仪器输出的触发引爆信号和输出引爆时触发观测仪器开始记录的同步触发信号的触发接口电路；

所述的触发接口电路、电容充电电路、多路继电器开关选择电路和触发接口电路均与微处理器连接；所述的多路继电器开关选择电路接多芯起爆电缆；所述的触发接口电路与超前地质预报记录仪器连接；电容充电电路的输出端通过多路继电器开关选择电路为引爆电雷管提供电源。

所述的电容充电电路包括电池、由微处理器控制的第一开关、自激振荡电路、升压变压器、桥式整流器、高压电容和电阻支路；电池的输出端串接由微处理器控制的第一开关后为自激振荡电路提供电源；升压变压器的2组原边线圈接入到自激振荡电路中，升压变压器的副边线圈的输出端接桥式整流器的输入端，桥式整流器的输出端接高压电容，光电隔离采样电路与电容并联，高压电容的正端和负端分别为电容充电电路的高压输出端GVCC和电容充电电路的高压接地端GGND；

所述的多路继电器开关选择电路包括译码器和多个继电器；译码器的输入端与微处理器的输出端连接，由译码器的多个输出端、多个继电器以及多个电雷管的起爆端形成多条起爆支路，每一条起爆支路包括一个译码器输出端口、一个继电器和一个电雷管的起爆端，具体连接方式为：继电器的动触头接电雷管的起爆端，继电器的常开和常闭触点分别接电容充电电路的高压输出端GVCC和电容充电电路的高压接地端GGND，继电器的线圈的一端接电源，另一端通过一个起开关作用的三极管与译码器的一个输出端相接。

电容充电电路还包括一个与高压电容并联的放电支路，放电支路由一个电阻和由微处理器控制的第二开关串接而成，电阻支路由由一个固定电阻(R3)和一个可调电阻(R4)串联而成。

所述的继电器为24个，所述的电雷管为24根。

一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法，其特征在于，将24个电雷管的起爆端通过多芯电缆接入到起爆控制盒，起爆控制盒通过电容充电电路产生起爆电雷管所需的瞬间高压，每一个电雷管的起爆端通过一个继电器与起爆控制盒连接，起爆控制盒通过继电器控制多个电雷管依次起爆，由地震波观测仪器获取每一个电雷管爆炸产生的地震波实现隧道超前地质预报。

有益效果：

使用本发明可以一次连接多孔震源后，在地质预报记录仪器控制下(或预报记录人员操作下)依次自动激发引爆震源。可以使人员远离爆炸震源进行预报工作，避免人员在地质预报观测过程中来回多次连接起爆器与震源带来的安全隐患(比如有人在连接雷管时记录人员误操作引爆雷管，后果将是灾难性的)。同时，采用本发明的起爆控制方法也可以缩短观测时间，由准备工作就位后传统的一次预报耗时1～2小时缩短为30～40分钟，大大提高观测效率，避免预报时影响、耽搁太多宝贵的隧道施工时间。

附图说明

图1本发明结构原理方框图；

图2多芯起爆电缆与震源电雷管连接示意图；

图3起爆控制器在预报观测过程中与观测仪器连接示意图；

图4起爆控制器工作流程图；

图5为电容充电电路的原理图；

图6为多路继电器开关选择电路的示意图。

标号说明：1-电雷管，2-地震波传感器，3-震源炮孔，4-起爆控制器 5-地震波记录仪器。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-3，5-6，一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，包括起爆控制盒和用于与多根电雷管连接的多芯电缆，所述的起爆控制盒包括微处理器、用于对电容充电获得引爆电雷管所需的瞬间高压的电容充电电路、用于选通任一个电雷管的放电回路以起爆电雷管的多路继电器开关选择电路、以及用于接收地震波观测仪器输出的触发引爆信号和输出引爆时触发观测仪器开始记录的同步触发信号的触发接口电路；

所述的触发接口电路、电容充电电路、多路继电器开关选择电路和触发接口电路均与微处理器连接；所述的多路继电器开关选择电路接多芯起爆电缆；所述的触发接口电路与超前地质预报记录仪器连接；电容充电电路的电压通过多路继电器开关选择电路为引爆电雷管提供电源。

所述的电容充电电路包括电池、由微处理器控制的第一开关S1、自激振荡电路、升压变压器、桥式整流器、高压电容C6和C7；电池的输出端串接第一开关S1后为自激振荡电路提供电源；升压变压器的2组原边线圈W1和W2接入到自激振荡电路中，升压变压器的副边线圈W3的输出端接桥式整流器的输入端，桥式整流器的输出端接高压电容(由C6和C7串接而成)，电阻支路(由R3和R4串接而成)与高压电容并联，高压电容的正端和负端分别为电容充电电路的高压输出端GVCC和电容充电电路的高压接地端GGND；

所述的多路继电器开关选择电路包括2个4-16译码器和24继电器；译码器的输入端与微处理器的输出端连接，由译码器的24个输出端、24个继电器以及24个电雷管的起爆端形成24条起爆支路，每一条起爆支路包括一个译码器输出端口、一个继电器和一个电雷管的起爆端，具体连接方式为：继电器的动触头接电雷管的起爆端，继电器的常开和常闭触电分别接电容充电电路的高压输出端GVCC和电容充电电路的高压接地端GGND，继电器的线圈的一端接电源，另一端通过一个起开关作用的三极管(TS1，…，TS24)与译码器的一个输出端相接。

电容充电电路还包括一个与高压电容并联的放电支路，放电支路由一个电阻R6和由微处理器控制的第二开关S2串接而成。

电容充电电路还包括一个与高压电容并联的放电支路，放电支路由一个电阻和由微处理器控制的第二开关串接而成，电阻支路由由一个固定电阻(R3)和一个可调电阻R4串联而成，与可调电阻R4并联的光耦器的通断与否提供微处理器检测判断电容的充电电压是否达到预期电压。

利用普通干电池对大电容充电获得引爆电雷管所需的瞬间高压；多路继电器开关电路用于选择连接需要引爆的电雷管和高压电容形成放电回路；触发接口电路用于接收地震波观测仪器准备好时输出的触发引爆信号和输出引爆时触发观测仪器开始记录的同步触发信号；微处理器采用单片机，控制启动电容充电电路的充放电过程，控制多路继电器开关选择电路来选通具体放电回路(即选择引爆对应的电雷管)，检测和输出触发信号。

多芯起爆电缆2包含25根带绝缘皮的导电线(其中1根为公共地线)，一端为25针接插头用于与起爆控制盒的连接，另一端与电雷管相连，具体见附图2。在隧道超前地质预报观测中，本发明的起爆控制器与地震波记录仪器连接如图3所示。所有预报观测准备工作完成后，将隧道侧壁上所有震源的电雷管引线全部连接到多芯起爆电缆上(具体方式见图2)。预报观测过程如下(流程图见图4)：

开始，起爆控制器检测到记录仪器准备好的信号后，对电容充电；充电完毕，闭合多路继电器开关中的第1个开关(选通与之相连接的多芯起爆电缆及电雷管构成的一个放电回路)；电容放电引爆对应震源，同时输出同步触发信号到记录仪器(记录仪器便开始记录本次激发的地震波信号)。然后，起爆控制器又开始检测记录仪器是否准备好的信号，对电容充电，闭合多路继电器开关中的第2个开关，电容放电。如此循环至全部震源被激发，观测完毕。

电容充电电路的原理图如图5所示：

电阻R1、R2，电容C1、C2、C3，晶体管V1、V2和升压变压器的W1、W2绕组组成自激振荡电路；

变压器的W3绕组，二极管全波整流桥，耐压值为330V的高压电解电容器C6、C7(电容容量47μF～200μF)组成高压产生电路提供引爆电雷管的瞬间高压。

光耦OP1以及采样电阻R3、R4组成电容电压采样电路，单片机通过读取采样测试点GTEST的电平状态判断电容充电状态；

模拟开关S1、S2均由单片机控制，S1闭合启动产生高压，S2闭合泄放电容残余电压。

系统电池采用普通6V干电池供电，输出瞬间高压150～250V。变压器可使用CB22型罐形磁心和高强度漆包线制作：W1绕组用φ0.38mm的漆包线绕35匝；W2绕组用φ0.38mm漆包线绕15匝；W3绕组用φ0.12mm的漆包线绕1000匝。

如图6，多路继电器开关选择电路由24个继电器JK组成，JK动触头分别与多芯起爆电缆中的1芯相连，所有与JK动触头常闭合在一起的静触头与高压回路的地GGND相连(电雷管的2个引脚均接地保证安全)，继电器另一个静触头全部与高压回路的高压端GVCC相连。继电器动作控制由电源通过三极管的导通与否来实现，三极管基极高电平时三极管导通，继电器开始动作，动触头与常闭触头(GGND)分离而闭合另一触头(GVCC)连接，高压被加载到相应电雷管上，从而引爆。24个继电器的动作分别由与之相连的24个三极管控制，24个三极管基极分别与译码器输出相连。单片机输出相应的地址到P1.0-P1.7端口，由2片4-16线译码器D1、D2译码后输出1位高电平(其它输出均为低)，保证同一时刻只有1个继电器动作。

Claims (5)

1.一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，包括起爆控制盒和用于与多根电雷管连接的多芯起爆电缆，所述的起爆控制盒包括微处理器、用于对电容充电获得引爆电雷管所需的瞬间高压的电容充电电路、用于选通任一个电雷管的放电回路以起爆电雷管的多路继电器开关选择电路、以及用于接收超前地质预报记录仪器输出的触发引爆信号和输出引爆时触发超前地质预报记录仪器开始记录的同步触发信号的触发接口电路；

所述的触发接口电路、电容充电电路、多路继电器开关选择电路均与微处理器连接；所述的多路继电器开关选择电路接多芯起爆电缆；所述的触发接口电路与超前地质预报记录仪器连接；电容充电电路的输出端通过多路继电器开关选择电路为引爆电雷管提供电源。

2.根据权利要求1所述的用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，所述的电容充电电路包括电池、由微处理器控制的第一开关、自激振荡电路、升压变压器、桥式整流器、高压电容和电阻支路；电池的输出端串接由微处理器控制的第一开关后为自激振荡电路提供电源；升压变压器的2组原边线圈接入到自激振荡电路中，升压变压器的副边线圈的输出端接桥式整流器的输入端，桥式整流器的输出端接高压电容，电阻支路与高压电容并联，高压电容的正端和负端分别为电容充电电路的高压输出端（GVCC）和电容充电电路的高压接地端（GGND）；

所述的多路继电器开关选择电路包括译码器和多个继电器；译码器的输入端与微处理器的输出端连接，由译码器的多个输出端、多个继电器以及多个电雷管的起爆端形成多条起爆支路，每一条起爆支路包括一个译码器输出端口、一个继电器和一个电雷管的起爆端，具体连接方式为：继电器的动触头接电雷管的起爆端，继电器的常开和常闭触点分别接电容充电电路的高压输出端（GVCC）和电容充电电路的高压接地端（GGND），继电器的线圈的一端接电源，另一端通过一个起开关作用的三极管与译码器的一个输出端相接。

3.根据权利要求2所述的用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，电容充电电路还包括一个与高压电容并联的放电支路，放电支路由一个电阻和由微处理器控制的第二开关串接而成，电阻支路由一个固定电阻 （R3）和一个可调电阻（R4）串联而成。

4.根据权利要求2或3所述的用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制装置，其特征在于，所述的继电器为24个，所述的电雷管为24根。

5.一种用于隧道超前地质预报的电雷管起爆控制方法，其特征在于，将24个电雷管的起爆端通过多芯起爆电缆接入到起爆控制盒，起爆控制盒通过电容充电电路产生起爆电雷管所需的瞬间高压，每一个电雷管的起爆端通过一个继电器与起爆控制盒连接，起爆控制盒通过继电器控制多个电雷管依次起爆，由超前地质预报记录仪器获取每一个电雷管爆炸产生的地震波实现隧道超前地质预报，所述的起爆控制盒采用权利要求1中所述的起爆控制盒。 

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