CN101861509B - 电子爆破雷管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子爆破雷管，其包括：包含推进剂的外壳、引信(18)、用于检测雷管输送路径中的外壳的位置的传感器、用于从外部能量源获得能量的能量装备以及响应于传感器和能量装备而用于点火引信(18)以启动推进剂的控制器(66)。

Description

电子爆破雷管

技术领域

本发明涉及一种电子爆破雷管。

背景技术

国际专利申请No.PCT/ZA2006/000037的说明书描述了一种钻机，该钻机使用附接到钻杆上的钻头而在岩石面中钻孔。钻杆和钻头在原处保留于孔中，并使用加压源而沿着钻杆和钻头中的通道引导推进剂弹药筒。在一种情形中，通过使弹药筒撞击孔壁而点燃弹药筒。这可能有些不可靠。

在涉及导弹、炮弹以及其他射弹的技术领域中，已知使用微波或其它合适的电磁能量源而将能量传递至射弹的引信。在US 4495851中，在炮弹和控制位置之间建立了双向通信，从而设定和监测电子引信的运行。US 4237789描述了一种射弹引信，其具有用于接收辐射信号的电子电路。该引信包括可改变控制电路的操作的熔线。射弹没有机载智能，并且熔线被熔断以将射弹解除保险。US 4144815还涉及射弹中的引信，其由远程微波源进行设定。建立了从控制至射弹的单向通讯，并且，与引信相关联的电路被偏置，使得其随后可接收数据。

US 4160416利用电磁感应技术而将信号发送至射弹上的定时电路，除了定时电路之外，射弹没有机载智能。也利用磁感应的US4300452描述了一种合适的感应熔线的几何形状。

US 4632031提到了射弹或导弹的远程解除保险。与射弹建立了光通信，从而对定时机构进行编程或进行操作。US 3760732描述了一种利用RF信号而不是磁耦合来建立与射弹的单向通讯的系统。

在这方面，代表现有技术的其它文献为EP 1559986、EP 134298、US 6760992、WO 2006055953、EP 235478、WO 20060702039、DE4302009、US 6543362以及EP 1126233。

所提到的现有技术文献中的技术不适合于与一种爆破雷管一起使用，该爆破雷管能够以可靠且安全的方式启动且适合于在前述类型的钻机中使用。本发明的目的是提供减少了无意的点燃的可能性的这种类型的雷管。

发明内容

本发明提供了一种电子爆破雷管，包括弹药筒、弹药筒中的推进剂、启动装置、能量存储装备、传感器以及控制器，其中，传感器用于在雷管沿着预定路径移动时产生取决于雷管的位置的信号，控制器响应于该信号而控制来自能量存储装备的能量供给，以点火启动装置，并因而启动推进剂。

雷管可包括电子开关，该电子开关在受控制的条件下被控制器闭合，以点火启动装置。

能量存储装备可包括用于向控制器提供电力并提供能量以点火启动装置的能量存储装置。能量存储装置可包括电容器。

雷管可包括能量输入装置，该能量输入装置用于将能量传递至能量存储装备。能量输入装置可以以任何合适的方式起作用。在一个优选实施例中，能量输入装置感应地耦合到外部能量源上，以获得传递至能量存储装备的能量。优选在外部能量源的每个循环中，传递至能量输入装置的能量的量有限。

启动装置可以为合适的引信，因而只能由从外部能量源传递的能量点火。

传感器可以为任何合适的类型，并且，例如可以为感应式或电容式。传感器可响应于任何外部标志、材料或物体。优选一个或多个标志形成预定路径的一部分且内置于预定路径，并且传感器至少响应于这种标志。

雷管可包括存储器，在雷管沿着路径移动之前，与预定路径相关的数字数据储存在存储器中。这种数据可包括至少指示该路径上的一个或多个特定位置的信息。在存储器中还可储存识别将要使用雷管的位置的数据。

可将传感器产生的信号与存储器中的数据进行比较，以验证雷管的使用，并检验和控制控制器的操作。

雷管可包括定时器，该定时器用于在传感器产生特殊性质的信号之后，将启动装置点火预定的时间。

如果雷管位于预定路径上经历了超过预定的持续时间的时期，或者在预定的时间内未到达路径上的特定点，那么，控制器可防止点火启动装置。

本发明还外延至一种爆破装备，其包括钻机、连接到钻机上的钻杆和钻头、加压源以及外部控制单元，加压源用于引导弹药筒穿过钻杆和钻头中的通道，外部控制单元包含外部能量源，并且，外部控制单元用于至少将定时信息传递至雷管以控制其点火。

外部控制单元还可用于将能量传递至雷管，以用于点火雷管。

附图说明

通过示例并参照附图来进一步描述本发明，其中：

图1是根据本发明的雷管的侧视图，显示了雷管的物理构造，

图2显示了进入岩石钻柄的图1的雷管，

图3显示了雷管中所使用的电子电路，该电子电路联接到内部控制单元上，

图4是与本发明的雷管中所使用的控制器相关联的构件的方框图，以及

图5是在控制本发明的爆破雷管的操作时所进行的操作的流程。

具体实施方式

在国际专利申请No.PCT/ZA2006/000037的说明书中的公开的上下文中描述了本发明，因而该国际专利申请的内容在理解本发明所需要的程度上通过引用而结合到本说明书中。虽然在前述国际专利说明书的上下文中描述了本发明，但应该懂得，这只是作为示例而不是限制性的。因而，在其它申请中，可使用本发明的原理。

在该国际申请的说明书中所描述的发明中，岩石钻孔机用于在岩石面中钻孔。然后，沿着弹药筒输送路径供应推进剂弹药筒，该路径沿着钻柄内的通道从弹匣延伸到钻头内的通道中。通过水流而使弹药筒移动。水的流速高，并使弹药筒在钻头内的限制位置撞击启动装置或点火装置。当发生这种情况时，弹药筒被点火。钻孔中的水和钻柄为弹药筒的爆炸时所产生的压力波提供了良好的封泥。

本发明涉及一种可在这种类型的应用中以更可靠的方式使用的雷管。如上所述，本发明的使用并不局限于仅仅出于示范的原因而给出的这种具体应用。

附图的图1是显示了根据本发明的雷管10的物理构造的分解图。

雷管包括管状外壳12，该外壳包含推进剂(未显示)。该外壳在一端14被任何合适的手段密封。盒16包含电子装置，例如引信18的启动装置附接到盒上，并从盒延伸出，该盒适合于插入到管状外壳的开口部20中。一旦已经完成这些，就通过与开口部相接合的端盖22而将盒保持在合适位置。如果必要的话，可密封管状外壳12，以防止水的进入。推进剂是任何合适的炸药、推进剂或其它高能材料。

雷管10适合于通过高压水而被输送到岩石面中的孔内的爆破位置(未显示)，该高压水迫使雷管沿着由岩石钻柄和钻头内的互通的通道形成的预定路径而行进。在图2中示意性地显示了该过程，该图2显示了位于通向岩石钻孔机的钻柄28内的通道26的入口24的雷管10。通道端接在出口30，该出口与形成在岩石钻头34内的第二通道32相通。钻头具有带有中心孔的钻削头36。

钻柄28具有一个或多个位于关键位置的底切结构38。类似地，钻头34具有一个或多个位于关键位置的底切结构40。

钻柄、钻头以及钻削头由不同的材料制成，并因而本质上具有不同的电磁属性或特性。

盒16包含图3和图4中所示的种类的电子电路。参照图3，容易理解本发明的概念基础，图3分别显示了能量源50、引信18(即启动装置)、电容器54、二极管58和60、能量限制电容器62以及电子开关64。开关的运行处于盒内的控制器66的控制下，该控制器具有内部存储器68。能量源50包括与盒16相关联的次级感应线圈70和定位在钻机的弹匣(未显示)中的初级线圈72，该弹匣位于紧接图2中所示的入口24的上游的位置。

初级线圈由外部控制单元76控制，该外部控制单元优选仅与岩石钻柄28相关联。控制单元76例如可物理地固定到岩石钻柄上，或者能够以例如电子方式的任何其它方式，通过使用代码、电子钥匙等等而联接到岩石钻柄上。控制单元76具有可编程的处理器和存储器，并连接到例如键盘78的输入装置上，从而可由操作员控制控制单元的运行。例如，取决于弹药筒的性质、将要爆破的岩石的类型等的定时信息可进入并储存在控制单元中。控制单元中的其它数据包括与岩石钻孔机和岩石钻孔机的操作员或拥有者相关的识别数据，该其它数据优选在工厂条件下被预编程到控制单元中。该数据可用于调整岩石钻孔机的运行，以保持弹药筒的踪迹和岩石钻孔机的使用，并用于其它的安全和保险的目的。

如果雷管定位成使得线圈70和72电磁联接，并用合适的高频信号激励初级线圈72，那么，在次级线圈70中将感应出相应的信号。在每个激励信号的循环中，电容器62只容许有限量的能量流过。二极管58对交变信号进行整流，且电容器54被充电。

如以下更详细地所述，电容器54中的能量最初用于向控制器66提供电力，该控制器在合适的软件的作用下执行许多验证例程和安全程序，并在形成于岩石钻柄中的雷管输送路径中监测雷管的通过。如果所有的预备过程都被正确进行且如果弹药筒按计划到达其操作位置，那么，就在预定的时间使用电容器54中的剩余能量，以点火引信18-这是由开关64的闭合而引起的，其容许电容器54放出其负荷通过引信而并点燃推进剂。

将电容器54充电至工作电压所需的时间短，为大约0.6秒的级别。一旦电容器被完全充电，那么，控制单元66就在进行许多自检和校准程序的期间执行自校准例程。这在几个毫秒内完成。如果成功地执行了自校准例程，那么，控制单元66产生合适的信息，使用线圈70作为天线并使用线圈72作为接收天线而将该信息发送至外部控制电路76。同时，发送从存储器68取出的所述雷管的识别号。

如果外部控制单元验证了该信息，那么，就将解除保险的指示发布至控制器66。因此，将“未授权的”雷管解除保险是不可能的，因为不能验证其识别号或序列号。

图4以方框图的形式显示了用于实施前述步骤所要求的控制器66的各种构件。控制器包括处理器80，其如所述地由电容器54中所包含的能量提供电力。处理器控制定时模块82，并连接到可选的通信接口84上。处理器还连接到发送/接收模块86上，该模块继而连接到次级线圈70上。该线圈也用作感应传感器88。存储器68包括雷管的操作所必需的数据。在没有限制的情况下，该数据包括用于所述雷管的序列号90、识别获得了雷管的客户或用户的识别号92以及自检和校准例程所要求的数据94。与岩石钻柄中的限定位置相关的位置数据也被包含在存储的数据中。该位置数据事先针对具体的岩石钻孔机并通过使用合适的传感器和探针而被提取和确定，并尤其取决于材料或制成钻柄的材料和钻柄的尺寸方面。参见图5，在雷管输送到所述用户之前，即在初始步骤96中，相关数据在工厂条件下被加载到存储器中。

次级线圈70能够在至少三种模式下起作用。首先，其形成了能量源50的一部分，并提供了可向电子电路提供电力的手段。其次，该线圈在外部控制单元76和雷管上的电子装置之间的即将实现的通信中用作发送/接收天线。第三，如下所述，线圈70用作传感器以控制雷管的点火操作。

图5是在雷管的使用期间所进行的操作顺序的流程图。当雷管处于入口24处时(图5中的步骤98)，次级线圈70与连接到外部控制单元76上的初级线圈72进行电磁耦合。初级线圈被高频载波信号激励，这在次级线圈70中感应出次级信号。在每个激发电压的循环中，电容器62仅容许有限量的能量流向二极管58。该二极管对交变电流进行整流，然后在后续步骤中对电容器54进行有效的充电，各个步骤均起因于每个循环中穿过电容器62的能量的量。电容器54的充电花费大约600毫秒(步骤100)。

控制器66感测何时电容器54被完全地充电，并且当其发生时，在进行许多自检和校准过程的期间启动自校准例程(步骤102)。这在几毫秒内完成。

处理器80然后存取客户数据92，并将该数据与指示校准例程已经被成功地进行的信息一起发送(步骤104)。响应于此，外部控制单元发布解除保险的信号(步骤106)。然而，如果自检例程不成功，那么，控制单元就发布将雷管10的点火或点火企图终止的合适信号。

雷管一旦接收到解除保险的信号，就保持在入口24处，并等待着移动到机构中(步骤108)。在这个阶段，根据所引用的国际专利申请的说明书中所描述的过程来处理雷管。因而，当即将启动点火过程时，由未显示的柱塞移动雷管远离初级线圈或发射环72。接下来的初级线圈和次级线圈的电磁去耦导致了被用作传感器的次级线圈70所检测到的信号中的变化(步骤110)。然后，雷管移动到图2所示的钻柄或圆筒28中，并且，这立即被响应于电磁材料的增加的次级线圈70检测到，其中，绕组暴露于该电磁材料(步骤112)。

然后，通过来自外部加压水源(未显示)的水流使雷管沿着通道26而移动。在该移动的期间，次级线圈70响应于周围的电磁材料。周围电磁材料的成分或厚度的任何显著变化导致次级线圈70输出的信号的相应变化，次级线圈70在这方面用作传感器。线圈70的输出信号还取决于雷管穿过通道的移动速度，但在相当程度上，速度恒定在这样的一种程度，即，与由于速度变化而引起的信号变化相比，由于电磁材料中的变化而引起的信号变化占主要地位。处理器80因而能够在雷管沿着通道26移动时检测钻柄28中的特征(步骤114)。

所有检测的特征立即与被预编程于控制器66中的相应数据进行比较，以检验正确地进行操作顺序。在导致雷管的点火的步骤中，任何不成功的测试或操作导致测试相关定时(步骤A、B、C以及D)的持续时间，如果超过，将导致供给电容器54被完全地放电(步骤116)，从而终止操作顺序。

当雷管到达通道26的出口30时，产生了另一不同的信号以指示这个事件(步骤118)。该信号可以是由于不同的材料和由于改变了制成钻柄和钻头的材料的厚度而引起的。还可以在钻柄中设计结构以加强不同的预定位置。例如，形成于钻柄的关键位置的底切结构38，将在雷管穿过这些底切结构时引起不同的信号。类似地，当雷管处于钻头34中时，底切结构40将在次级线圈70穿过这些结构时引起不同的信号。通过改变弹药筒所穿过的材料，可获得类似的效果。

当处理器80检测到雷管已经进入钻头时，处理器80使用定时器82启动定时间隔(步骤120)。能够被设定或进行预编程的定时间隔的持续时间例如可从0秒变化至120秒。在该间隔的末端，处理器使电子开关64闭合，然后放出电容器54中的剩余能量通过已启动的引信18(步骤122)。从而点火弹药筒中的推进剂。

如上所述，如果雷管在入口24处进入通道26和在出口30处离开通道之间的时间间隔超过预定的持续时间，例如45秒，那么，处理器80将此理解为错误条件，并使得电容器54放电(步骤116)，但没有能量到达引信18。然后，使弹药筒变成无活性的或停止的。

在一个方面，本发明基于雷管可感测到雷管所在区域中的金属的量的能力。这使得能够对处理器进行编程，从而当其在钻机内沿着钻柄和钻头移动时寻找许多不同的物理特征。雷管因而能够独立地探知其在钻机中的物理位置，并据此而启动雷管中的推进剂。

雷管通常完全没有电力，只有在即将使用之前按照已描述的方式被提供电力。这方面用于提供许多安全功能。例如，在可启动引信18之前，雷管必须经过许多步骤或阶段。如果错过一个阶段，那么，处理器80复位，且不能点火元件18。由次级线圈70所感测的值与预先在测试条件下收集的数据进行比较，并储存在存储器68中。如果比较过程指出在信号和存储数据之间存在着不正确的顺序或差异，那么，雷管再次复位。

处理器80通过专用输出而连接到电子开关64上。这种输出不用于任何其它功能。这减少了处理错误在专用输出上引起点火信号的可能性。

一个重要的因素是电容器62限制了由次级线圈70传递至该电路的剩余部分的能量的量。这意味着，即使电子开关64发生故障且保持永久闭合，穿过引信并被电容器62在每个循环中所传递的能量的量的限制的低电流也不足以点火引信18。其它安全因素包括如下：

(1)如果能量源50发生故障，那么，系统中将没有足够的能量以点火引信18；

(2)如果电容器54发生故障，或者如果二极管58或60断开，那么，将没有足够的能量以点火引信18；

(3)如果电容器54短路，那么，将没有能量以点火引信18；

(4)如果电容器54开路，那么，没有能量以操作控制单元66；以及

(5)如果在充电例程的期间开关64闭合，那么，电容器54将在不足以点火引信18的速率下连续地放电。控制电路66检查电容器54的操作电压输出，并且，如果该操作电压过低，那么，自检例程(步骤102)将指示故障。那么，将不产生解除保险的指示。

如果出于任何原因，引信18未能启动，那么，电容器54被控制器66放电。来自电容器的能量以脉冲的形式被控制器66快速地引导至绕组70中。这耗散了能量，并使电容器在例如一秒的短周期内放电。

因而，本发明的雷管被电子地控制，以在通向点火位置的途中到达预定的位置之后点火预定的时间间隔。预定的位置可变化，因而预定的时间间隔的持续时间也可变化。点火不取决于雷管和外部点火装置之间的机械撞击。在雷管中可结合大量的安全特征。

Claims (13)

1.一种在由钻杆和钻头所形成的钻孔中使用的电子爆破雷管，包括弹药筒，并在所述弹药筒内包括推进剂、启动装置、能量存储装备、传感器以及控制器，其中，所述传感器用于在所述弹药筒沿着所述钻杆和所述钻头内的预定路径移动时产生取决于所述弹药筒的位置的信号，所述控制器响应于所述信号而控制来自所述能量存储装备的能量供给，以点火所述启动装置，并因而启动所述推进剂。

2.根据权利要求1所述的雷管，其特征在于，包括电子开关，该电子开关在受控制的条件下被所述控制器闭合，以点火所述启动装置。

3.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述能量存储装备包括用于向所述控制器提供电力并提供能量以点火所述启动装置的能量存储装置。

4.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述传感器还用作能量输入装置，感应地耦合到外部能量源上，以获得传递至所述能量存储装备的能量，其中，在所述外部能量源的每个循环中，传递至所述能量输入装置的能量的量有限。

5.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述传感器还用作发送/接收通信天线。

6.根据权利要求4所述的雷管，其特征在于，所述启动装置仅由从所述外部能量源传递的能量点火。

7.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述传感器响应于所述预定路径中的至少一个标志。

8.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，包括存储器，其中，与所述预定路径相关的数字数据储存在所述存储器中，所述数据至少选自：

指示所述路径上的一个或多个特定位置的信息，和

识别将要使用所述弹药筒的位置的数据。

9.根据权利要求8所述的雷管，其特征在于，包括定时器，并且，将来自所述传感器的信号与所述存储器中的数据进行比较，以控制所述控制器的操作，并在所述传感器产生特殊性质的信号之后，将所述启动装置点火预定的时间。

10.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述控制器包括软件，从而如果所述弹药筒位于所述预定路径上经历了超过预定的持续时间的时期，或者在预定的时间内未到达所述路径上的特定点，那么，防止点火所述启动装置。

11.根据权利要求1或2所述的雷管，其特征在于，所述传感器产生的信号响应于所述钻杆和所述钻头中的电磁材料。

12.一种爆破装备，包括钻机、连接到所述钻机上的钻杆和钻头、根据权利要求1至11中任一项所述的雷管、加压源以及外部控制单元，其中，所述加压源用于引导所述弹药筒穿过所述钻杆和所述钻头中的通道，所述弹药筒中的传感器产生取决于所述弹药筒在这些通道中的位置的信号，所述外部控制单元包含外部能量源，并且，所述外部控制单元用于至少将定时信息传递至所述控制器以控制所述推进剂的点火。

13.根据权利要求12所述的爆破装备，其特征在于，所述外部控制单元从所述外部能量源传递能量，以用于点火所述推进剂。

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