EP0845652A2 - Sprengkette - Google Patents

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EP0845652A2
EP0845652A2 EP97120954A EP97120954A EP0845652A2 EP 0845652 A2 EP0845652 A2 EP 0845652A2 EP 97120954 A EP97120954 A EP 97120954A EP 97120954 A EP97120954 A EP 97120954A EP 0845652 A2 EP0845652 A2 EP 0845652A2
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EP
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ignition
stage
explosive
thyristor
semiconductor switch
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Heinz Dipl.-Phys. Ritter
Wolf Dipl.-Ing. Steinbichler
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Panasonic Electric Works Europe AG
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Euro Matsushita Electric Works AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42D—BLASTING
    • F42D1/00—Blasting methods or apparatus, e.g. loading or tamping
    • F42D1/04—Arrangements for ignition
    • F42D1/045—Arrangements for electric ignition
    • F42D1/05—Electric circuits for blasting
    • F42D1/055—Electric circuits for blasting specially adapted for firing multiple charges with a time delay
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42D—BLASTING
    • F42D3/00—Particular applications of blasting techniques
    • F42D3/04—Particular applications of blasting techniques for rock blasting

Definitions

  • the invention relates to an explosive chain with a variety from the ignition stages to be controlled, each of which Explosives are assigned.
  • Such explosive chains are used in particular in mining, with the mine for example a hundred or more holes drilled in each used an explosive device with an associated detonator and the drill holes are closed with plugs.
  • the interval between successive firings is typically between 30 and 50 ms.
  • each ignition level one detonator and one in series with it contains lying thyristor switch, its control electrode with the tap of the detonator of the previous one Stage containing voltage divider is connected.
  • the previous igniter activated its resistance changes from an initially low value to practically infinite, whereby the thyristor switch of the following stage turns on and the next current pulse with him in series trigger detonator.
  • each ignition level except the actual igniter has one Oscillator, a frequency divider and two driver stages contains.
  • the one coming from the previous ignition level Trigger pulse actuates the first driver stage, which in turn a switch for driving the oscillator, the Frequency divider and the second driver stage closes.
  • the first driver stage which in turn a switch for driving the oscillator, the Frequency divider and the second driver stage closes.
  • the second Driver stage operated another switch, via which the Igniter is activated.
  • Each ignition stage also contains one Capacitor for storing all the necessary for ignition Energy.
  • DE-B-1 287 495 is an explosive chain with each known in the first part of claim 1 features known in which the transmission of the control signal from an ignition stage to the next only by changing the switching state of the semiconductor switch provided in each stage becomes.
  • This explosive chain therefore remains functional even if individual detonators are missing or not working properly become high impedance. Since each semiconductor switch is only conductive and activate the ignition device assigned to it can if the semiconductor switch of the previous Has switched stage, the intended firing order is inevitable adhered to. Faulty assembly of the explosive chain cannot cause when turning on the power source the explosive chain at about two different places at the same time starts to ignite.
  • This circuit also needs its own, the first ignition stage upstream switching element for initiation the chain so that it is - at least on the side of the first Ignition level - do not lengthen or shorten as you like leaves.
  • An object of the invention is an explosive chain specify which has the advantage of the known circuit, that it works properly even when working on individuals Make an igniter not provided or faulty is, but does not need its own initial circuit element.
  • the individual ignition stages S1 , S2 ,... Lie parallel to one another and in each case between two supply lines A and 0 , which are connected at the right end in the drawing to a DC power source (not shown).
  • the DC power source produces an output voltage of 50 V on line A compared to the earthed line 0 .
  • Each of the identical ignition stages S1 , S2 , ... contains a series circuit between a supply line A , 0 , consisting of a thyristor T and an ignition device ZE , which has two detonators Z1 , Z2 connected in series. Each detonator Z1 , Z2 is used to trigger an explosive charge (not shown). In the circuits described here, detonators with a built-in delay of 0.5 to 1.5 s are used.
  • the control electrode of the thyristor T is connected via a Zener diode ZD (Zener voltage: 35 V) at the connection point P between a resistor R1 (2.2 K ⁇ ), which has its other end connected to the supply line A , and a capacitor belonging to the preceding ignition stage S1 C (22 ⁇ F), whose other electrode is connected to supply line 0 .
  • the connection point P is also connected via a diode D to the connection point between the thyristor T and the ignition device ZE of the previous ignition stage.
  • a resistor R2 (100 ⁇ ) is connected between the control electrode and the cathode of the thyristor T.
  • Another resistor R3 lies between the connection point of the cathodes of the thyristor T and the diode D on the one hand and the ignition device ZE .
  • a fourth resistor R4 (470 ⁇ ) bridges the ignition device ZE .
  • the resistors R1 and R4 are dimensioned such that when the voltage of 50 V is applied to line A, the potential at connection point P is not sufficient to switch through thyristor T of stage S2 . Only when the thyristor T of the preceding stage S1 conducts does the point P reach a potential (50 V minus the voltage drop across the thyristor T and across the diode D ) at which the capacitor C rises to such a high level via the resistor R1 Value can charge that the ignition voltage for the thyristor T of stage S2 is reached. Taking into account the Zener voltage (35 V) of the Zener diode ZD, this value is approximately 15 V, which is sufficient for switching the thyristor T.
  • the delay with which the thyristor T of stage S2 becomes conductive after the thyristor T of stage S1 has been switched on depends on the time constant of the RC element formed by resistor R1 and capacitor C.
  • the required delay of 30 to 50 ms can be achieved by appropriate dimensioning.
  • the transmission of the trigger pulse from stage to stage with the specified delay time is independent of the ignition device ZE . This means that the circuit works properly even if one or several ignition stages has been forgotten to insert an ignition device.

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Abstract

Eine Sprengkette zum Einsatz insbesondere im Bergbau weist eine Vielzahl von Zündstufen S1, S2, ... auf, deren jede eine zwischen zwei Versorgungsleitungen A, 0 liegende Serienschaltung aus einem Thyristor T und einer Zündeinrichtung Z1 enthält. Die Signalspannung für den Thyristor T jeder Stufe wird dabei allein aus dem Schaltzustand des Thyristors T der jeweils vorherigen Stufe abgeleitet. Dadurch wird die Weiterleitung der Aktivierung von Stufe zu Stufe unabhängig von der Zündeinrichtung Z1, insbesondere unabhängig davon, ob überhaupt ein Zünder angeschlossen ist und ob dieser bei Aktivierung ordnungsgemäß hochohmig wird oder nicht. Auf diese Weise werden Fehler bekannter Schaltungen vermieden, die dazu führen können, daß beim Einschalten der Stromversorgung die Sprengung nicht nur an der ersten Zündstufe sondern gleichzeitig an der Stelle eines fehlenden Zünders beginnt oder daß die Sprengfolge an der Stelle eines nicht ordnungsgemäß funktionierenden Zünders endet oder daß es zu unzulässigen Verzögerungen und damit einer zu starken Verkürzung des Abstandes zwischen der elektrischen Sequenz und der Explosionswelle und unerwünschten Änderungen in der durch die Sprengfolge ausgelösten Druckwelle kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sprengkette mit einer Vielzahl von der Reihe nach anzusteuernden Zündstufen, denen jeweils Sprengsätze zugeordnet sind. Derartige Sprengketten finden insbesondere im Bergbau Anwendung, wobei am Abbaustoß beispielsweise hundert oder mehr Bohrlöcher angebracht, in jedes ein Sprengsatz mit einem zugehörigen Zünder eingesetzt und die Bohrlöcher mit Stopfen verschlossen werden. Um einen wirksamen Abbau zu gewährleisten, kommt es darauf an, daß die Sprengsätze in vorgegebener Reihenfolge nacheinander detonieren, wobei der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Zündungen typisch zwischen 30 und 50 ms liegt.
Aus US-A-4 099 467 ist eine Sprengkette bekannt, bei der jede Zündstufe einen Zünder und einen mit diesem in Serie liegenden Thyristorschalter enthält, dessen Steuerelektrode mit dem Abgriff eines den Zünder der jeweils vorhergehenden Stufe enthaltenden Spannungsteilers verbunden ist. Wird der vorhergehende Zünder aktiviert, so ändert sich sein Widerstand von einem zunächst geringen Wert auf praktisch unendlich, wodurch der Thyristorschalter der folgenden Stufe durchschaltet und der nächste Stromimpuls den mit ihm in Serie liegenden Zünder auslöst.
Parallel zu jedem Zünder liegt eine Schmelzsicherung, die dafür sorgen soll, daß die für die Auslösung der nächsten Stufe und damit für die Weiterschaltung der Sprengkette erforderliche Widerstandsänderung auch dann eintritt, wenn an einer Stelle kein Zünder vorhanden ist. Diese Schmelzsicherung bildet jedoch eine Kurzschlußbrücke und erhöht den Strombedarf beträchtlich.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß eine derartige Schmelzsicherung ein zusätzliches, in jede Zündstufe einzufügendes diskretes Bauelement darstellt. Wird die Sicherung in einer gedruckten Schaltung durch einen schwachen Leiterbahnabschnitt verwirklicht, so sind bei Herstellung der gedruckten Schaltung genaue Toleranzen einzuhalten, was zu einer Verteuerung führt.
Ist ein Zünder zwar angeschlossen, jedoch in der Weise fehlerhaft, daß er trotz Auslösung nicht sofort, sondern erst beim Detonieren der zugeordneten Sprengladung (üblicherweise zwischen 0,5 und 1,5 s später) hochohmig wird, so resultiert dies in einer übermäßig langen Verzögerung innerhalb der Sprengkette, so daß sich die Druckwelle am Abbaustoß nicht in der programmierten Weise ausbreiten kann. In einem solchen Fall verringert sich auch die Zuverlässigkeit der Sprengkette erheblich, da der Abstand zwischen der elektrischen Sequenz und der Explosionswelle stark verkürzt wird.
Ähnliche Probleme bestehen bei der aus US-A-4 760 791 bekannten Sprengkette. Hier ist zu jedem Zünder ein Transistor parallel geschaltet, der bei fehlendem Zünder an dessen Stelle Strom führt und verhindert, daß die Zündfolge an der Stelle eines fehlenden Zünders unterbrochen wird. Zu der Parallelschaltung aus Zünder und Transistor liegt ferner eine Schmelzsicherung in Serie, die verhindern soll, daß ein nicht ordnungsgemäß sofort hochohmig werdender Zünder die Impulsweitergabe bis zur eigentlichen Detonation verzögert. Die oben beschriebenen Schwierigkeiten sind auch bei dieser bekannten Sprengkette gegeben.
Ein noch gravierenderes Problem besteht darin, daß ein weiterer Transistor so benutzt wird, daß er beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltung durchlegiert, um eine Kurzschlußverbindung für den Zündstromimpuls herzustellen. Da hierbei der Transistor zerstört wird, läßt sich an der bekannten Sprengkette keine Funktionsprüfung vor dem eigentlichen Einsatz durchführen. Ebensowenig ist eine Wiederverwendung des elektronischen Schaltungsteils der Sprengkette möglich. Schließlich besteht die Gefahr, daß die nur wenig belastbaren Basisanbondungen dieses Transistors durch die erheblichen Ströme durchgebrannt werden, noch bevor der Zünder aktiviert ist.
Außerdem ist es erforderlich, am Anfang der Kette ein eigenes Aktivierungsglied einzufügen, so daß es nicht möglich ist, Sprengketten gewünschter Länge einfach durch Abschneiden von einer größeren Länge oder Aneinanderfügen kürzerer Stücke herzustellen.
In DE-B-2 356 875 ist eine weitere Sprengkette beschrieben, bei der jede Zündstufe außer dem eigentlichen Zünder einen Oszillator, einen Frequenzteiler und zwei Treiberstufen enthält. Der von der jeweils vorhergehenden Zündstufe kommende Auslöseimpuls betätigt die erste Treiberstufe, die ihrerseits einen Schalter für die Ansteuerung des Oszillators, des Frequenzteilers und der zweiten Treiberstufe schließt. Der Ausgang des Frequenzteilers liefert das Auslösesignal für die in der Sprengkette nachfolgende Zündstufe, während die zweite Treiberstufe einen weiteren Schalter betätigt, über den der Zünder aktiviert wird. Ferner enthält jede Zündstufe einen Kondensator zur Speicherung der gesamten für die Zündung erforderlichen Energie.
Die Impulsweitergabe erfolgt zwar hier unabhängig vom Vorhandensein und von der Funktionsfähigkeit des Zünders; die Schaltung erfordert aber einen für praktische Sprengketten nicht vertretbaren Schaltungsaufwand.
Aus DE-B-1 287 495 ist eine Sprengkette mit den jeweils im ersten Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen bekannt, bei der die Weitergabe des Steuersignals von einer Zündstufe zur nächsten allein durch die Änderung des Schaltzustandes des in jeder Stufe vorgesehenen Halbleiterschalters bewirkt wird. Diese Sprengkette bleibt daher auch dann funktionsfähig, wenn einzelne Zünder fehlen oder nicht ordnungsgemäß hochohmig werden. Da jeder Halbleiterschalter nur dann leitend werden und die ihm zugeordnete Zündeinrichtung aktivieren kann, wenn der Halbleiterschalter der vorhergehenden Stufe geschaltet hat, wird die vorgesehene Zündfolge zwangsläufig eingehalten. Fehlerhafte Bestückung der Sprengkette kann nicht dazu führen, daß beim Einschalten der Stromquelle die Sprengkette etwa an zwei verschiedenen Stellen gleichzeitig zu zünden beginnt.
Die bekannte Sprengkette erfordert aber in jeder Zündstufe mindestens einen Kondensator für die Impulsweitergabe von einer Zündstufe zu nächsten erfordert. Wegen dieser Kondensatoren läßt die bekannte Schaltung nicht vollständig integrieren.
Außerdem benötigt auch diese Schaltung ein eigenes, der ersten Zündstufe vorgeschaltetes Schaltglied zur Initiierung der Kette, so daß sie sich - jedenfalls an der Seite der ersten Zündstufe - nicht beliebig verlängern oder verkürzen läßt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sprengkette anzugeben, die den Vorteil der bekannten Schaltung aufweist, daß sie auch dann ordnungsgemäß arbeitet, wenn an einzelnen Stellen ein Zünder nicht vorgesehen oder fehlerhaft ist, die aber ohne eigenes Anfangs-Schaltungsglied auskommt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Bei dieser Lösung können alle Zündstufen oder Zündstufenpaare identisch aufgebaut sein; trotzdem beginnt die Zündung beim Einschalten der Stromquelle an der ersten Zündstufe der Kette, ohne daß besondere Maßnahmen für die Initialzündung erforderlich wären.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Teil einer Sprengkette zeigt.
Bei der dargestellten Sprengkettenschaltung liegen die einzelnen Zündstufen S1, S2, ... parallel zueinander und jeweils zwischen zwei Versorgungsleitungen A und 0, die an dem in der Zeichnung rechten Ende an eine (nicht gezeigte) Gleichstromquelle angeschlossen sind. Die Gleichstromquelle erzeugt eine Ausgangsspannung von 50 V auf der Leitung A gegenüber der geerdeten Leitung 0.
Jede der identisch aufgebauten Zündstufen S1, S2, ... enthält eine zwischen den Versorgungsleitungen A, 0 liegende Serienschaltung aus einem Thyristor T und einer Zündeinrichtung ZE, die zwei in Serie geschaltete Zünder Z1, Z2 aufweist. Jeder Zünder Z1, Z2 dient zur Auslösung einer (nicht gezeigten) Sprengladung. In den hier beschriebenen Schaltungen werden Zünder mit einer eingebauten Verzögerung von 0,5 bis 1,5 s verwendet.
Die Steuerelektrode des Thyristors T liegt über eine Zenerdiode ZD (Zenerspannung: 35 V) am Verbindungspunkt P zwischen einem Widerstand R1 (2,2 KΩ), der mit seinem anderen Ende an die Versorgungsleitung A angeschlossen ist, und einem zur vorhergehenden Zündstufe S1 gehörigen Kondensator C (22 µF), der mit seiner anderen Elektrode an die Versorgungsleitung 0 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt P ist ferner über eine Diode D mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Thyristor T und der Zündeinrichtung ZE der jeweils vorherigen Zündstufe verbunden. Zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors T ist ein Widerstand R2 (100 Ω) eingeschaltet. Ein weiterer Widerstand R3 (5 Ω) liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Kathoden des Thyristors T und der Diode D einerseits und der Zündeinrichtung ZE. Ein vierter Widerstand R4 (470 Ω) überbrückt die Zündeinrichtung ZE.
Die Widerstände R1 und R4 sind so bemessen, daß bei Anlegen der Spannung von 50 V an die Leitung A das Potential am Verbindungspunkt P nicht ausreicht, um den Thyristor T der Stufe S2 durchzuschalten. Erst dann, wenn der Thyristor T der vorhergehenden Stufe S1 leitet, gelangt der Punkt P auf ein Potential (50 V minus dem Spannungsabfall am Thyristor T und an der Diode D), bei dem sich der Kondensator C über den Widerstand R1 auf einen so hohen Wert aufladen kann, daß die Zündspannung für den Thyristor T der Stufe S2 erreicht wird. Dieser Wert beträgt unter Berücksichtigung der Zenerspannung (35 V) der Zenerdiode ZD etwa 15 V, was zum Durchschalten des Thyristors T ausreicht.
Die Verzögerung, mit der der Thyristor T der Stufe S2 nach dem Durchschalten des Thyristors T der Stufe S1 leitend wird, richtet sich nach der Zeitkonstante des aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C gebildeten RC-Glied. Durch entsprechende Dimensionierung läßt sich die üblicherweise gewünschte Verzögerung von 30 bis 50 ms erreichen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die Weitergabe des Auslöseimpulses von Stufe zu Stufe mit der angegebenen Verzögerungszeit von der Zündeinrichtung ZE unabhängig. Das bedeutet, daß die Schaltung auch dann ordnungsgemäß arbeitet, wenn bei einer oder einigen Zündstufen vergessen wurde, eine Zündeinrichtung einzufügen.
Das gleiche gilt, wenn eine Zündeinrichtung zwar vorhanden ist, aber nicht ordnungsgemäß arbeitet und nicht sofort bei Beaufschlagung hochohmig wird. In diesem Fall würde der Zünder seinen sehr niedrigen ursprünglichen Widerstand so lange beibehalten, bis die eigentliche Sprengladung explodiert (und damit den Zünder zerstört). In der Praxis hat sich gezeigt, daß einige Prozent sämtlicher Zünder ein derartiges Verhalten zeigen.
Legt man zwei Zünder Z1, Z2 in Serie, wie dies in Der Zeichnung angenommen ist, so ist die Wahrscheinlichkeit, daß beide Zünder dieses Fehlverhalten zeigen, außerordentlich gering. Dadurch läßt sich praktisch mit Sicherheit vermeiden, daß während der gesamten Zeitspanne vom Durchschalten des Thyristors T bis zur Detonation der Sprengladung (also etwa 0,5 bis 1,5 s lang) Kurzschlußstrom aus der Stromquelle entnommen wird. Der Widerstand R3 ist dabei für den sehr seltenen Fall vorgesehen, daß die beiden in Serie liegenden Zünder Z1, Z2 gleichzeitig hochohmig werden.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Sprengkette nach sind sämtliche Zündstufen S1, S2, ... identisch aufgebaut. Es ist daher möglich, Sprengketten mit einer gewünschten Anzahl von Zündstufen durch einfaches Abschneiden von einer größeren Länge herzustellen. In diesem Fall fehlt bei der in der Zündfolge ersten Stufe (S1) der sonst in der vorherigen Stufe gelegene Kondensator C zur Erzeugung der Zündspannung. Die Zündung der ersten Stufe S1 erfolgt ohne Verzögerung mit dem Anlegen der Versorgungsspannung an die Leitung A über die Zenerdiode ZD und den Widerstand R3, da die Schaltungselemente D, R3 und R4 einer vorherigen Stufe nicht vorhanden sind.
Die in der vorstehenden Figurenbeschreibung jeweils in Klammern angegebenen Dimensionierungen der verschiedenen Schaltungselemente stellen nur typische Werte eines Ausführungsbeispiels dar.

Claims (4)

1. Sprengkette mit nacheinander anzusteuernden Zündstufen (S1, S2, S3, ...), wobei
jede Zündstufe (S1, S2) eine Zündeinrichtung (ZE) aufweist, die zum Zünden mindestens eines Sprengsatzes mit dem Ausgangskreis eines Halbleiterschalters (T) in Serie liegt, und zu der Zündeinrichtung (ZE) ein erster Widerstand (R4) parallel geschaltet ist,
die jeweils aus einer Zündeinrichtung (ZE) und einem Halbleiterschalter (T) gebildeten Serienschaltungen zwischen an eine Stromquelle angeschlossenen Versorgungsleitungen (A, B, 0) parallel geschaltet sind, und
das Steuersignal für den Halbleiterschalter (T) jeder Zündstufe (S2, S3, ...) die Spannung eines Kondensators (C) ist, der sich im leitenden Zustand des Halbleiterschalters (T) der jeweils vorherigen Zündstufe (S1, S2, ...) auflädt,
   dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (C) in Serie mit einem zweiten Widerstand (R1) zwischen den Versorgungsleitungen (A, 0) liegt,
daß der Verbindungspunkt (P) zwischen dem Kondensator (C) und dem zweiten Widerstand (R1) jeder Zündstufe (S2, S3, ...) über eine Diode (D) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiterschalter (T) und dem ersten Widerstand (R4) der jeweils vorherigen Zündstufe (S1, S2, ...) verbunden ist, und
daß der erste und der zweite Widerstand (R4, R1) so bemessen sind, daß sich der Kondensator (C) auf eine zum Schalten des Halbleiterschalters (T) der betreffenden Zündstufe (S2, S3, ...) erforderliche Spannung nur dann auflädt, wenn der Halbleiterschalter (T) der vorhergehenden Zündstufe (S1, S2, ...) leitet.
2. Sprengkette nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle zwischen den Versorgungsleitungen (A, 0) eine Gleichspannung erzeugt und sämtliche Zündstufen (S1, S2, S3, ...) parallel geschaltet sind.
3. Sprengkette nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Zündeinrichtung (ZE) zwei Zünder (Z1, Z2) in Serie enthält.
9. Sprengkette nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Zündeinrichtung (ZE) zwei parallel geschaltete Zünder (Z1, Z3) enthält.
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