CN209978744U - 一种无发火电容的电子雷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无发火电容的电子雷管，包括输入保护电路、信号调理电路、控制模块、发火控制电路、点火头、延期药柱；延期药柱符合煤矿许用电雷管的延期序列或延期电雷管的延期序列；电子雷管在接收到起爆信号后，打开发火控制电路，从起爆器获得至少一安培的电流，以点燃延期药柱。本发明的电子雷管发火能量直接来自起爆器而非传统电子雷管中的发火储能电容，本实用新型解决了在井下煤矿爆破中电子雷管的本质安全问题，避免了因延迟起爆而可能造成的瓦斯爆炸。

Description

一种无发火电容的电子雷管

技术领域

本实用新型属于煤矿许用电子雷管及其爆破技术领域，尤其涉及一种无发火电容的电子雷管。

背景技术

现有的电子雷管是通过电子雷管内部的电容发火起爆的，而煤矿许用雷管必须在第一发雷管起爆后130ms内起爆全部雷管，否则可能的瓦斯突出会达到爆炸极限引起瓦斯爆炸。而由于传统的电子雷管在收到起爆信号后，依靠内部电容储能点燃药头并起爆。若雷管没有在规定的时间(＜130ms)内正常起爆时，雷管内部还保存着足够的电能，在雷管受到干扰或者其他不可预知因素影响时，存在延迟起爆的风险。而此时瓦斯突出已经达到了爆炸极限，这种延迟起爆会造成瓦斯爆炸，产生恶劣的生产事故，给国家和人民造成巨大的生命和财产损失。因此，这种延迟起爆不符合本质安全，容易造成瓦斯爆炸，造成重大安全事故。

在普通煤矿许用电雷管使用中，存在雷管丢失的问题，而雷管流失存在严重的社会安全隐患。国家管理机关采取多种手段来杜绝此类事件的发生，最为有效的措施是全面推广电子雷管来替代普通雷管。然而，在井下煤矿中使用普通电子雷管存在巨大的生产安全隐患，不符合本质安全，可能造成恶劣的安全生产事故。因此，全面推广电子雷管势必要首先解决安全问题。

发明内容

本实用新型的目的在于，提出一种无发火电容的电子雷管，用于解决电子雷管在井下煤矿本质安全的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提出的技术方案是，一种无发火电容的电子雷管，包括脚线、发火组件、和基础雷管，其特征是：所述发火组件还包括输入保护电路、信号调理电路、控制模块、发火控制电路、点火头、延期药柱；所述脚线连接所述输入保护电路、所述输入保护电路连接到所述信号调理电路，所述信号调理电路连接到所述控制模块和所述发火控制电路，所述发火控制电路还连接所述控制模块和所述点火头；

所述电子雷管的信号调理电路通过爆破总线与起爆器连接，从而使得电子雷管通过信号调理电路与起爆器双向通信并接收起爆器发送的起爆信号；

电子雷管在接收到起爆信号后，控制模块打开发火控制电路；

点火头在发火控制电路处于打开状态并且在爆破总线切换到高压信号时，从起爆器获得至少一安培的电流，以点燃延期药柱，

其中爆破总线在起爆器发送完起爆信号后切换到高压信号。

所述延期药柱符合煤矿许用电雷管的延期序列或延期电雷管的延期序列。

所述输入保护电路包括高压放电元件、熔断器、过压保护元件；高压放电元件并联在脚线两端，熔断器的一端连接脚线中的一根，熔断器的另一端连接过压保护元件的正极，过压保护元件的负极连接脚线的另一根；过压保护元件包括稳压二极管和开关二极管，稳压二极管和开关二极管并联，稳压二极管的正极和开关二极管的正极相连，稳压二极管的负极和开关二极管的负极相连，稳压二极管耐压范围为24V～48V。

发火控制电路包括高压开关管和反向保护二极管，点火头串联在高压开关管和反向保护二极管之间，高压开关管的耐压高于过压保护元件动作电压，高压开关管耐压范围60V～400V。

所述信号调理电路包括限压电阻、防回流二极管、通信开关管、数字储能电容；限压电阻的一端连接防回流二极管的正极，防回流二极管的负极连接数字储能电容的正极，数字储能电容的正极连接控制模块的电源端，防回流二极管的负极连接通信开关管的栅极，防回流二极管的正极连接到通信开关管的漏极，通信开关管的源极连接到控制模块的输入端。

控制模块在接收起爆器发送的信号时，使输入端保持为高阻态；

控制模块向起爆器发送应答信号时，应答信号为高电平时使输入端为输出状态，且输出低电平，从爆破总线吸收电流；应答信号为低电平时使输入端为高阻态，不从爆破总线吸收电流。

控制模块在接收到起爆信号之后，使输入端保持输出状态，且输出低电平。

本实用新型中的电子雷管不是通过发火储能电容点燃点火头，点火头点燃的能量来自于起爆器，一旦起爆器切断与起爆总线的电气连接，网络中电子雷管完全不具备再次起爆的可能，从而实现了电子雷管的本质安全，彻底杜绝了传统电子雷管的存在延迟起爆的风险，尤其杜绝了在瓦斯突出的应用场景中恶性安全生产事故的隐患。

另外，在基坑爆破等应用场景中，由于电子雷管在临空面不好的情况下，会产生巨大振动，会导致发火电容动态失效，从而导致电子雷管产生较高的拒爆率。如本实用新型提及的电子雷管，所有雷管的点火头的发火是在巨大振动产生之前已经全部完成，因此，可以大大降低拒爆率，从而大大降低爆破成本。在没有煤矿许用要求时，可以适当延长安全放电时间，从而降低点火头发火时间、发火电流等要求，可以采用普通的点火头。

附图说明

图1是本实用新型提供的电子雷管内部结构图；

图2是传统的电子雷管发火组件结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

实施例1

本实施例以本实用新型提供的无发火电容的电子雷管内部结构与传统电子雷管内部结构的不同为例进行说明。图1是本实用新型提供的电子雷管内部结构图，图2是传统的电子雷管发火组件结构图。如图1所示，无发火电容的电子雷管包括脚线1、发火组件12和基础雷管3。其中，发火组件12进一步包括：输入保护电路121、信号调理电路122、控制模块123、发火控制电路124、点火头125和延期药柱126。

如图2所示，传统电子雷管包括脚线1、电子延期体22和基础雷管3。其中，电子延期体22进一步包括：专用控制芯片221、限流电阻222、发火储能电容223、数字储能电容224、开关管225、点火头226。电子延期体22的工作原理是，起爆器通过雷管脚线1向传统的电子雷管发送控制信号、充电信号和起爆信号，专用控制芯片221解析控制信号和起爆信号，专用控制芯片221在收到起爆信号后进行电子计数，当计数值达到延期设定时，打开开关管225，从而将储存在发火储能电容223中的电能瞬间释放到点火头226上，点火头中的点火药被点燃。由于化学延期体延时误差非常大，在传统的电子雷管中用电子计数替代了化学延期体，因此，传统的电子雷管的点火头直接作用给基础雷管。其中，限流电阻222是为了在脚线1输入非法的高压信号，如220VAC时在点火头226上产生大于400mA的安全电流，从而点燃点火头，一般地限流电阻222 至少选择为10千欧，这样，即使在脚线1输入380VAC时，在包含点火头的回路中电流不会超过40mA，远远低于点火头的安全电流。其中，数字储能电容 224是维持电子计数功能，即便雷管脚线在计数过程中被切断，也不影响专用控制芯片221的计数功能和起爆功能。

在实践中，电子延期体22存在两个重要缺陷，第一，在隧道、井下、基坑爆破中，由于临空面条件不好，孔间距较小等多种因素下，在一些特定位置的电子雷管会受到爆炸冲击波的叠加作用，可以瞬间使电容动态失效，尤其发火储能电容是铝电解电容的情况下，这种失效更为经常。这是因为铝电解电容的两个电极靠得更近，巨大的冲击波作用电荷突破绝缘层，从而使得电容自放电。而这种电子延期体22完全依靠发火储能电容的能量才能点燃点火头，当电容中的电能被冲击波释放后，就不能再点燃点火头，从而造成较高的拒爆率；第二，电子延期体22是一个以数字逻辑为核心的复杂集合体，在实践中存在一定的拒爆率，而引起拒爆的原因不仅仅是发火储能电容失效导致的，在发火储能电容中保持足量的电能时，在电子延期体22自身逻辑变化或总线波动等多种因素作用下，存在电子延期体22延迟起爆的情况。即，电子延期体没有在设定的延期发火时，过了一段时间电子延期体又发火了，这个延迟时间通常在1分钟到5 分钟之间。在露天矿中，由于爆破规程规定在起爆后15分钟之后才能进入炮区，可以尽量的减少了人员伤亡。而在井下煤矿中使用时，却不能通过爆破规程来保证生产的安全。这种延迟起爆一旦发生一定会产生恶性的瓦斯爆炸生产事故。因此，在井下煤矿应用电子雷管需要保证本质安全性。

如图1所示，脚线1连接输入保护电路121、输入保护电路121连接到信号调理电路122，信号调理电路122连接到控制模块123和所述发火控制电路124，发火控制电路124还连接控制模块123和点火头125；点火头125在被点燃时会点燃延期药柱126。

延期药柱126符合煤矿许用电雷管的延期序列或延期电雷管的延期序列。本实用新型的电子雷管发火的电能是来自起爆器，而不像传统的电子雷管的发火能量来自发火储能电容。在爆炸过程中，岩石的运动会导致起爆总线或者雷管脚线断开，这就需要在爆炸产生岩石位移之前所有的点火头都应该已经点燃，否则，极有可能存在后爆的雷管因为不能从起爆获得电能而拒爆。本实用新型的技术方案是，所有的雷管在4ms只能完成点火头的点燃，然后由点火头点燃延期药柱，依靠延期药柱实现不同段延期雷管的起爆。即使第一发雷管瞬间起爆时，在4ms内所有雷管点火头点燃之前，岩石的位移可以忽略。

在传统的煤矿许用电雷管中，一般采用串联起爆，起爆器输出几千伏特的高压，产生几个安培的电流，但持续时间仅有4ms，即在4ms内完成所有电雷管点火头的发火。从作用效果上和使用习惯上，本实用新型的电子雷管与传统的煤矿许用电雷管用法相同，当然，延期序列等相关技术要求也是相同的。

输入保护电路121包括高压放电元件S1、熔断器F1、过压保护元件ZD1；高压放电元件S1并联在脚线1两端L+和L-，熔断器F1的一端连接脚线1中的一根L+，熔断器F1的另一端连接过压保护元件ZD1的正极，过压保护元件ZD1 的负极连接脚线1的L-；过压保护元件ZD1包括稳压二极管Z1和开关二极管 D1，稳压二极管Z1和开关二极管D1并联，稳压二极管Z1的正极和开关二极管D1的正极相连，稳压二极管Z1的负极和开关二极管D1的负极相连，稳压二极管Z1耐压范围为24V～48V。

高压放电元件S1优选的方案是靠近焊接脚线用的焊盘(PAD)设置两个用于尖端放电且没有阻焊层的锯齿形PAD，这两个PAD分别连接到脚线的两个 PAD。其目的是应对超过500V以上的静电，当静电输入时，在两个PAD针对的尖端产生电离，形成高压放电回路，将静电泄放。

发火控制电路124包括高压开关管Q2和反向保护二极管D3，点火头125 串联在高压开关管Q2和反向保护二极管D3之间，高压开关管Q2的耐压高于过压保护元件ZD1动作电压，高压开关管Q2耐压范围60V～400V。

本实用新型中，Q2的耐压高于ZD1的耐压，当脚线输入电压VL+＞VL-时，且VL+＞ZD1的耐压(如24V)时，ZD1动作，使得D3正极的电压不高于24V，那么，Q2肯定不会导通，点火头125就不会有电流流过，不会造成电子雷管在此种情况下非法起爆。当脚线输入电压VL+＜VL-，且VL-＞＞VL+时，电流从D1 流过，反向保护二极管D3的反向耐压远高于D1的正向压降，因此，也没有电流流过点火头125。若长时间有大电流流过熔断器F1时，F1烧断或者过流保护，从而保护雷管内部电路。特别地，当输入220VAC以上的交流电时，在F1熔断瞬间会产生电弧，这个电弧位置距离点火头较近时，存在点燃点火头的风险。将F1和点火头远离，将发火组件整体注塑包封，且在F1和点火头之间对管壳增加一个收口，以减少电弧漫过的风险。

在起爆时，VL+＞VL-，若起爆器输出的电压高于24V时，由于爆破总线和雷管脚线存在电阻，D3正极的电压被钳位在24V，且熔断器F1(或可恢复保险丝)在20ms内来不及动作，其电阻不变化，对于点燃点火头没有影响。

信号调理电路122包括限压电阻R1、防回流二极管D2、通信开关管Q1、数字储能电容C1；限压电阻R1的一端连接防回流二极管D2的正极，防回流二极管D2的负极连接数字储能电容C1的正极，数字储能电容C1的正极连接控制模块123的电源端1231，防回流二极管D1的负极连接通信开关管Q1的栅极，防回流二极管D1的正极连接到通信开关管Q1的漏极，通信开关管Q1的源极连接到控制模块123的输入端1232。

数字储能电容C1给控制模块123供电，由于D2的防回流功能，使得C1 的电荷不会因为D3正极的电压降低而马上被释放，而是维持控制模块123的正常工作。

为了实现雷管的身份验证和授权起爆，起爆器需要与电子雷管双向通信。在通信过程中，起爆器一般采用低压通信，通常的为5V左右。为了降低成本，本实用新型没有采用线性稳压器。

控制模块123在接收起爆器发送的信号时，使输入端1232保持为高阻态。

此时，起爆器发出的信号电平应不超过5V，数字储能电容C1存储的电压也不超过5V，不会对逻辑电压工作范围的控制模块123造成损伤。由于通信开关管Q1的栅极连接数字储能电容C1的正极，那么，当输入端1232和C1电压相同时，Q1截止，即，即使脚线电压受外界影响波动超过C1时，输入端1232 的电压也不会超过C1的电压，即不会超过控制模块123的工作电压。

控制模块123向起爆器发送应答信号时，应答信号为高电平时使输入端1232 为输出状态，且输出低电平，从爆破总线吸收电流；应答信号为低电平时使输入端1232为高阻态，不从爆破总线吸收电流。

通常地，起爆器解析电子雷管应答信号是通过分辨是否存在总线电流变化，并从中解析出电子雷管的应答信号。本实用新型中控制模块123具有输入输出状态控制寄存器，一般地，单片机都具有此种功能，当处于输入状态时，输入为高阻态。在本实用新型中，输入端1232连接到通信开关管Q1的源极，而Q1 的栅极连接到控制模块123的电源端，因此，当输入端1232为输出状态，且输出为高电平时，Q1截止；输出为低电平时，Q1打开，从总线吸收电流；若输入端1232为输入状态时，输入端1232的电平由D3正极电压决定。这种简单的电路可以实现可靠的双向通信信号调理。

电子雷管的信号调理电路122通过爆破总线与起爆器连接，从而使得电子雷管通过信号调理电路122与起爆器双向通信并接收起爆器发送的起爆信号。

电子雷管在接收到起爆信号后，控制模块123的输出端1233输出高电平，以打开发火控制电路124。

点火头125在发火控制电路124处于打开状态并且在爆破总线切换到高压信号时，从起爆器获得至少一安培的电流，以点燃延期药柱126。

其中爆破总线在起爆器发送完起爆信号后切换到高压信号。

如前所述，起爆器通过爆破总线与电子雷管连接，在双向通信时，起爆器保持5V低电压给电子雷管供电。而在起爆器发送完毕起爆信号后，起爆器将爆破总线切换到高压信号，高压信号经过线路等效电阻会产生衰减。因为，起爆一个本实用新型的电子雷管需要的电流一般要高达几个安培，所以，这个高压信号甚至高达近百伏特。

控制模块123在接收到起爆信号之后，使输入端1232保持输出状态，且输出低电平。

爆破总线在起爆器发送完起爆信号后切换到高压信号，本实用新型中，在控制模块123接收到起爆信号之后，使输入端1232保持输出状态，且输出低电平，这样可以阻止高压给数字储能电容C1充电，防止数字储能电容C1出现高压时损坏控制模块123。其工作原理是，不妨假定限压电阻R1电阻为5千欧，保持输入端1232为输出低电平时，输入端1232至少可以吸收的10mA电流，如前所述，D3的电压在起爆器输出高压时，被钳位在24V，那么，经过限压电阻R1压降后，可以使得D2的正极电压不会超过C1的电压，在技术实现上非常普遍。

本实用新型提供的无发火电容的电子雷管技术方案不仅解决了电子雷管发火本质安全性问题，还为抗非法起爆、抗静电、抗杂散电流等多个方面提供优选的解决方案。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无发火电容的电子雷管，包括脚线、发火组件、和基础雷管，其特征是：所述发火组件还包括输入保护电路、信号调理电路、控制模块、发火控制电路、点火头、延期药柱；所述脚线连接所述输入保护电路、所述输入保护电路连接到所述信号调理电路，所述信号调理电路连接到所述控制模块和所述发火控制电路，所述发火控制电路还连接所述控制模块和所述点火头；

所述电子雷管的所述信号调理电路通过爆破总线与起爆器连接，从而使得所述电子雷管通过所述信号调理电路与所述起爆器双向通信并接收所述起爆器发送的起爆信号；

所述电子雷管在接收到所述起爆信号后，所述控制模块打开所述发火控制电路；

所述点火头在所述发火控制电路处于打开状态并且在所述爆破总线切换到高压信号时，从所述起爆器获得至少一安培的电流，以点燃所述延期药柱，其中所述爆破总线在所述起爆器发送完所述起爆信号后切换到高压信号。

2.根据权利要求1所述的无发火电容的电子雷管，其特征是：

所述延期药柱符合煤矿许用电雷管的延期序列或延期电雷管的延期序列。

3.根据权利要求1所述的无发火电容的电子雷管，其特征是：

所述输入保护电路包括高压放电元件、熔断器、过压保护元件；所述高压放电元件并联在所述脚线两端，所述熔断器的一端连接所述脚线中的一根，所述熔断器的另一端连接所述过压保护元件的正极，所述过压保护元件的负极连接所述脚线的另一根；所述过压保护元件包括稳压二极管和开关二极管，所述稳压二极管和所述开关二极管并联，所述稳压二极管的正极和所述开关二极管的正极相连，所述稳压二极管的负极和所述开关二极管的负极相连，所述稳压二极管耐压范围为24V～48V。

4.根据权利要求3所述的所述的无发火电容的电子雷管，其特征是：

所述发火控制电路包括高压开关管和反向保护二极管，所述点火头串联在所述高压开关管和所述反向保护二极管之间，所述高压开关管的耐压高于所述过压保护元件动作电压，所述高压开关管耐压范围60V～400V。

5.根据权利要求1所述的无发火电容的电子雷管，其特征是：

所述信号调理电路包括限压电阻、防回流二极管、通信开关管、数字储能电容；所述限压电阻的一端连接所述防回流二极管的正极，所述防回流二极管的负极连接所述数字储能电容的正极，所述数字储能电容的正极连接所述控制模块的电源端，所述防回流二极管的负极连接所述通信开关管的栅极，所述防回流二极管的正极连接到所述通信开关管的漏极，所述通信开关管的源极连接到所述控制模块的输入端。

6.根据权利要求5所述的无发火电容的电子雷管，其特征是：

所述控制模块在接收所述起爆器发送的信号时，使所述输入端保持为高阻态；

所述控制模块向所述起爆器发送应答信号时，所述应答信号为高电平时使所述输入端为输出状态，且输出低电平，从所述爆破总线吸收电流；所述应答信号为低电平时使所述输入端为高阻态，不从所述爆破总线吸收电流；

所述控制模块在接收到所述起爆信号之后，使所述输入端保持输出状态，且输出低电平。

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