一、 前言
民爆行业作为国家工程建设的基础性行业，产品广泛用于矿产资源开采、水电资源开发、基础设施建设、爆炸加工等领域，是基础工业的基础、能源工业的能源。雷管是爆破工程的重要起爆材料，用于产生起爆并据此引爆各种炸药及导爆索、导爆管等。工业和信息化部《“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划》（2021年）提出，全面推广电子雷管，严格执行工业雷管减量置换为电子雷管政策。相关政策将促进民爆器材产品结构的大调整，也将引导工程爆破技术的新变革。
电子雷管采用电子控制模块取代传统雷管中的延期药和点火装置，延期精度可控制在1%（或1 ms）以内，现场可灵活设置延期时间，为控制爆破振动、优化破碎效果提供了技术条件。早在1988年，国内相关企业采用电子计数器取代化学延期体研制了第一代电子雷管，但不具有在线编程、在线检测、数据交互等功能。2009年，“隆芯1号”电子雷管在多次爆破作业中获得成功应用[1]，标志着国产新一代电子雷管投入工程应用。经过10余年发展，国产电子雷管的芯片设计、抗电磁干扰、发火可靠性、信号传输、大规模组网检测等技术取得突破[2]，支持产品量产，性能指标达到国际先进水平。同时，针对社会治安管控的严格要求，电子雷管产品的管壳码、用户编码、起爆密码“三码合一”，便于“生产 ‒ 运输 ‒ 储存 ‒ 使用”全生命周期安全管控。“十四五”时期，我国电子雷管使用量将超过8×108发/年，直接产值超过170亿元，带动上游原材料、下游爆破施工服务产值超过500亿元。由电子雷管起爆技术带来的社会安全、环保效益、爆破施工降本增效等价值也极为突出。
全面梳理电子雷管起爆技术的发展现状，深刻剖析电子雷管在全面推广过程中的技术应用壁垒，精准布局电子雷管起爆技术未来重点研究方向，是我国民爆行业高质量发展的基本前提。针对于此，本文从发展现状、趋势提炼、问题剖析等角度开展电子雷管起爆技术研究综述，并就行业发展提出应对建议，以期为电子雷管技术攻关、工程应用以及行业管理研究提供基础参考。
二、 电子雷管起爆技术发展现状
（一） 产品结构不断优化
电子雷管具有多种结构类型（见图1），近年来国内产能快速增长，基本替代了进口产品。2021年，全国电子雷管生产企业有28家，许可产能为5.35×108发；实际产能从2016年的1.79×106发增长至2021年1.64×108发[8]，居世界首位。得益于行业主管部门的积极推动，电子雷管的产品结构也在快速调整；“十三五”时期，电子雷管在工业雷管总量中的占比快速增长，由2015年的0.1%增长到2021年的18.43%（见图2）。
图1 不同类型雷管的结构示意图
图2 我国工业雷管品种结构分布（2021年）
（二） 应用场景不断丰富
近年来，随着电子雷管技术成熟度的提高，电子雷管应用场景不断丰富，使用环境由小型露天爆破快速拓展至大型露天爆破、隧道掘进、孔桩爆破、井下非煤矿山、拆除爆破（如危楼、桥梁、水工建筑物）等工程领域。
1. 水利水电工程
图3 三峡工程三期RCC围堰拆除爆破
2. 露天矿山爆破
图4 大型露天矿山电子雷管爆破
3. 地下爆破
4. 拆除爆破
图5 攀枝花市米易县安宁河大桥爆破拆除
（三） 智能化水平不断提升
电子雷管起爆系统与物联网、大数据等信息技术融合程度不断加深，爆破设计软件、注册机的数据传输壁垒也已解决，实现了雷管延期时间的批量自动设定、非接触注册编码等功能（见图6）；改善了操作快捷性与安全性，联网效率提高50%以上[23]。基于物联网的电子雷管在线监测、实时定点、密码授权等技术，利用互联网跟踪并监控电子雷管“生产 ‒ 运输 ‒ 储存 ‒ 使用”环节的相关数据，实现电子雷管的全生命周期动态管控（见图7）。用于电子雷管现场编程的智能注册机具有延时方案设计、非接触式扫描、信息多方交互等功能，与爆破设计施工信息化服务平台、全国电子雷管密码中心、电子雷管起爆器进行数据对接，实现自动设计、快速采集、实时传输。
图6 电子雷管起爆操作流程
图7 电子雷管的全生命周期动态管控
（四） 爆破设计理论更为完善
现场设置电子雷管延时，虽为爆破优化提供了条件，但对延期参数设计提出了更高要求。然而，针对不同的爆破条件（如地质情况、岩性参数、孔网参数、爆破目的、危害效应控制标准），国内外尚未有统一的雷管延期时间计算公式。在基于改善破碎效果的延期参数设计方面，国内外学者对延期时间间隔进行了较多研究：① 合理的孔间延时间隔时间，应使先爆炮孔引起的应力波从自由面反射成拉伸波后再起爆后续炮孔[24]；② 合理的间隔时间应是先爆炮孔正好形成爆破漏斗，即合理延时间隔时间是应力波传到自由面并返回的时间、产生裂缝的时间、爆落岩石脱离岩体的时间三者之和[25]；③ 基于应力波传播和裂纹拓展理论，结合露天台阶逐孔爆破试验，得出孔间合理延时间隔时间的半经验公式[26]；④ 最小的延期时间应满足反射剪切波在下一个炮孔起爆前到达该炮孔[27]。
现有的延米延期时间（即单位孔距延期时间）推荐值见表1。从爆破破岩机理角度看，孔间最佳延时设计需综合考虑应力波叠加效应、新自由面效应、爆生气体作用、二次碰撞效应。数值仿真、现场试验统计分析表明，从改善破碎效果的角度考虑，优化的延米延期时间为1.2~2.4 ms/m[38]。
表1 现有的延米延期时间推荐值
图8 电子雷管延期时间设计流程
采用单孔爆破振动实测波形和爆破振动全历程预测模型，模拟了不同起爆时差条件下的毫秒爆破振动（10个炮孔，见图9）[45]。随着起爆时差加大，爆破振动峰值逐渐减小；爆破振动峰值减小到一定极值后，再继续增大起爆时差将有所增加，最后稳定在一个固定值。
图9 不同起爆时差条件下的毫秒爆破振动波形
在广东省某石灰石矿山开展的爆破试验[46]表明，当孔间延期间隔很短时（0~23 ms），群孔爆破质点峰值振动速度（PPV）随着电子延期间隔增大而迅速衰减。这是因为，随着电子雷管延期间隔增大，各孔振动波形的错峰效应趋于显著。当电子雷管延期间隔较大时，随着延期间隔的增大，群孔爆破振动强度呈现锯齿形起伏变化。以西侧250 m处的民房振动为控制目标时，合理延期时间是23~42 ms；以南侧210 m处的民房振动为控制目标时，合理延期时间是27~46 ms；综合多目标的振动控制要求，兼顾孔网参数偏差、装药量误差等因素，电子雷管延期间隔设置的推荐值为27~42 ms（见图10）。
图10 基于多目标振动控制的延期时间比选过程
（五） 电子雷管拒爆与失效机理不断揭示
通过冲击波传感器可获得具有正态统计意义的试验数据。在试验中采用高速摄像仪，观察电子雷管在测试瞬间的管体动态变形。通过现场孔内冲击测试，得到电子雷管在给定爆破环境中受到的冲击荷载强度分布。在同一坐标系中绘制现场爆破环境下冲击荷载强度s的概率分布函数f (s)、该批次电子雷管抗冲击强度r的概率分布函数g(r)，两条曲线发生重叠的部分称为干涉（见图11）；干涉区域表示电子雷管在冲击荷载环境下发生失效的范围。基于应力 ‒ 强度干涉理论来评估电子雷管在给定爆破环境下的可靠性，可为电子雷管选型与优化提供判据。
图11 基于应力-强度干涉理论的电子雷管可靠性评估
统计数据表明，拒爆电子雷管较多分布在中后排，第一排几乎没有；拒爆电子雷管呈现集中分布特征，通常是两个或多个拒爆炮孔同时出现；混装乳化炸药爆破中的电子雷管拒爆概率高于混装铵油炸药爆破，成品包装炸药爆破中的电子雷管拒爆概率最低；含水炮孔中的电子雷管拒爆概率高于干孔，超硬岩中电子雷管的拒爆概率高于软弱裂隙岩体。在隧道掘进、井巷爆破等小断面爆破中，拒爆电子雷管的空间分布以后起爆的周边孔居多，少量拒爆电子雷管出现在掏槽孔附近的辅助孔中，长延期起爆网路中的电子雷管拒爆率高于短延时起爆网路。对拒爆电子雷管进行信号检测、解剖分析发现，普遍存在点火药头不同程度破裂、桥丝断裂、焊点脱落、芯片模组（含电容）故障（见图12）。
图12 拒爆电子雷管的典型失效模式
对电子雷管失效故障进行的统计分析表明，电子雷管在强冲击荷载作用下会引起各种故障，抗冲击性能不足是首要原因，在拒爆故障中的占比达到81.7%。冲击荷载引起的故障，主要导致点火药头无法正常发火以激发基础雷管，在电子雷管拒爆总故障中的占比达到61.2%。冲击荷载作用下芯片模组损坏占总故障的25.3%。芯片模组中的芯片、电容等关键元器件在瞬态强冲击作用下性能发生畸变，短暂无法正常工作；但元器件自身如果没有发生机械损坏，在冲击作用消失后又可以完全或部分恢复正常工作，即重新注册后又可以正常起爆，工程上称为“震晕”现象。当冲击荷载进一步加大或芯片模组质量较差时，芯片模组就会发生完全机械损坏；即使重新注册雷管也无法正常起爆。因此，降低电子雷管拒爆率的主要途径有：提高产品强度设计余量、减小产品强度的个体差异、降低使用环境中的冲击荷载、利用检测环节剔除薄弱产品。
三、 我国电子雷管起爆技术发展趋势
（一） 电子雷管产品转向系列化、标准化发展
《“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划》提出，起爆器材生产线逐步转向自动化、智能化、少人化，年产量万发级的自动化电子雷管装配线是建设重点。受行业“撤销基础雷管生产线、奖励电子雷管产能”政策影响，基础雷管和延期元件协同生产及配送、电子雷管集中装配的生产模式成为趋势。
电子雷管产品质量问题依然是行业关注的重点。开展爆破振动破坏、金属矿磁电干扰等效应对芯片模组的破坏机理研究，针对不同市场应用场景开发差异化的电子雷管产品，依托起爆系统智能化升级来改善电子雷管应用效果。
（二） 电子雷管起爆技术转向智能化发展
智能化的电子雷管编码起爆系统，易于匹配爆破方案设计，可最大限度地将软 / 硬件产品进行集成；起爆系统与智能化爆破设计软件紧密耦合，将实现起爆延时设计自动化、现场注册编码高效化、爆破效果最优化、起爆全过程管理信息化。通过电子标签、云计算等技术，方便快捷地进行相关数据的交换及通信，据此开展起爆网路智能识别和读取以及起爆网路优化，显著改善起爆网路的安全性。
具有国际先进水平的无线电子雷管产品开始投入生产应用，无需物理连接传统起爆器的导线，减少人员进入高风险区域，提升爆破作业人员的安全性。中国葛洲坝集团易普力股份有限公司、广东宏大爆破工程有限公司在远程遥控起爆技术研究方面取得进展（见图13），但距离国际先进水平仍有一定差距。
图13 远程起爆管理系统架构
（三） 电子雷管延期设计理论向短延时爆破发展
（四） 电子雷管起爆网路转向大规模发展
随着爆破对象的环境与结构趋于复杂，起爆网路的规模呈现增大趋势。梳理公开资料可见，目前国内电子雷管单次起爆的最大规模超过7.5×104发（见表2）。电子雷管单次起爆规模增大后，要求精细控制爆破部位破坏顺序、爆破延时时间，因而基于互联网技术的大型数码电子雷管起爆技术成为发展趋势。适应不同爆破对象的网路结构和形式，大型起爆网路的准爆可靠性计算方法、抗干扰设计、施工方法等，成为研究热点。
表2 国内典型工程的电子雷管单次起爆规模
| 项目类型 | 时间 | 电子雷管数量/发 | 炸药消耗量/t |
|---|---|---|---|
| 三峡工程三期RCC围堰拆除爆破 | 2006年6月 | 2506 | 192.0 |
| 向家坝水电站二期纵向围堰拆除爆破 | 2012年5月 | ≥3000 | 12.3 |
| 浙江省舟山市某船坞拆除爆破 | 2018年8月 | 1052 | 21.0 |
| 河南省郑州市群楼拆除爆破 | 2021年8月 | ≥75 000 | 2.5 |
| 山西省平朔东露天煤矿爆破 | 2022年5月 | ≥2000 | 427.5 |
| 四川省白塔钙芒硝矿地下矿山爆破 | 2022年6月 | 9740 | — |
四、 我国电子雷管起爆技术与应用存在的问题
（一） 电子雷管在复杂环境下的拒爆现象频发
电子雷管技术已进入快速发展阶段，但国内企业的产品质量参差不齐，产品可靠性问题成为制约电子雷管推广应用的最大障碍。例如，电子雷管露天爆破拒爆率一般可控制在在0.3‰以内，而在隧洞、孔桩、大孔径深孔金属矿混装爆破等复杂环境中的拒爆率超过1‰；某些企业的产品在隧道爆破中的拒爆率超过3‰，在桩井爆破中的拒爆率甚至超过5%，严重影响了施工作业安全和工程进度。
（二） 电子雷管爆破应用研究与工程实践脱节
国内部分企业的电子雷管产品联网操作过程不便捷，参数设定效率低。究其原因，研发电子雷管起爆系统以芯片厂家为主，对爆破应用的理解和认知不够深入，缺乏针对电子雷管联网的有效方案。电子雷管现场使用改变了既有的操作方式，现场作业人员未能适应；既有的操作习惯使得电子雷管被当成普通雷管使用，相应的爆破优势难以发挥。目前，国内企业的电子雷管起爆系统操作方式、使用流程各不相同，操作系统通用性差；在进行产品更新或替换时，用户需重新学习起爆系统功能。在操作便捷性、施工效率方面，部分企业的注册机智能化水平不高，使得隧道爆破施工仍套用导爆管雷管分段别起爆的作业模式，这就导致隧道爆破中的电子雷管施工效率反而比导爆管雷管降低约30%。此外，套用的导爆管雷管设计施工方法并不科学，采用电子雷管起爆技术后，由于电子雷管的延期精度极高，导致同一分组内的同段别电子雷管几乎是同时起爆，反而引发了更强的爆破振动危害效应。
（三） 电子雷管产品类型单一、系列化程度不足
我国工程爆破的应用场景极为丰富：温度超过80 ℃的煤矿高温火区爆破作业，温度低于-40 ℃的高海拔极寒地区金属矿爆破作业；70 m超长脚线的深水爆破作业，不足1 m长脚线的高楼拆除爆破作业；强电磁环境下的磁铁矿爆破作业，高瓦斯含量的井下煤矿爆破作业。不同特性的应用环境对雷管性能及品质要求存在鲜明的差异性。
国产普通雷管产品已经系列化，如高强度导爆管雷管、抗水导爆管雷管、煤矿许用电雷管、耐高温电雷管、抗静电电雷管、地震勘探电雷管等。相比之下，工业电子雷管品种单一，产品系列化程度不足，无法满足各类爆破作业环境需要；尤其对于井下爆破、含瓦斯煤矿，现有电子雷管品种难以满足工程应用需求。因此，需要加强电子雷管产品的差异化研制力度，提升电子雷管产品的系列化发展水平。
（四） 电子雷管技术标准体系不健全
现行的《工业数码电子雷管》（WJ9085—2015）标准为通用性要求，对产品可靠性、环境适应性等技术指标的要求较低，没有区分隧道、现场混装爆破、高原等不同应用环境的性能要求。随着电子雷管应用领域的拓宽，现行标准对煤矿许用型电子雷管、地震勘探电子雷管等产品缺少产品技术标准方面的支撑。在电子控制模块的安全性、可靠性方面，没有可执行的标准；电子雷管可靠性检测与优化设计方法的缺失，成为制约电子雷管产品质量提升的主要障碍。
目前，工业电子雷管相关的标准集中在产品生产、流向信息监管方面，没有设计施工相关的行业技术标准；不同生产企业的工业电子雷管系统，起爆作业的流程要求一致性不佳，导致用户现场使用的极大不便。需要尽快形成统一的电子雷管设计施工行业技术标准，同步提高电子雷管起爆系统的智能化水平，以终端用户操作使用的便捷化来充分发挥电子雷管的技术优势。
五、 我国电子雷管起爆技术发展建议
（一） 加强电子雷管控制爆破破岩理论研究
精确延时技术为改善爆破破碎效果、降低爆破有害效应提供了坚实技术支撑，而电子雷管起爆技术理论研究已经明显滞后于工程实践需求。未来重点研究包括：短延时条件下逐孔起爆岩石破碎机理，大区爆破的起爆顺序与排间、孔间精确延时设计理论、起爆网路优化技术，精确延时起爆条件下岩石块度分布、爆堆形态、爆破振动预测与控制理论，大型起爆网路准爆可靠性、延时精确性相关计算理论。
（二） 推动信息技术与电子雷管起爆技术融合发展
积极布局电子雷管配套起爆系统研究，发展操作使用便捷化、智能化的起爆系统，据此简化设计施工流程并提升作业效率。针对多种应用场景进行爆破优化设计，形成爆破施工方法、操作流程等方面的行业技术规范。发展新型电子雷管无线起爆技术，摆脱传统起爆器导线物理连接的制约，实现爆破作业场所的少人化与本质安全。创新应用场景，提高射频识别、无线传感、全球定位系统、激光扫描等信息技术在爆破网路起爆中的应用水平。发展基于现代加密技术的爆破网路以及配套的专用仪器与仪表。
（三） 发展系列化、差异化的电子雷管产品
各类爆破场景下的使用环境、应用需求不同，电子雷管性能及品质要求存在差异性。从工程实践需求出发，研发适应典型作业环境的系列化电子雷管产品，丰富产品谱系。井下煤矿开采是电子雷管的主要应用市场，重点关注井下煤矿对电子雷管产品的特殊安全需求，及时研究并制定煤矿许用电子雷管安全认证标准。
（四） 建立和完善电子雷管标准体系
针对电子雷管施工操作标准缺失的现状，建议组织行业优势力量编制电子雷管爆破作业规范标准。可靠性设计贯穿电子雷管产品的开发、设计、生产、试验、使用等环节，探索并建立科学合理的可靠性分析理论方法，指导电子雷管产品的可靠性设计。研究电子雷管产品使用规律并制定相应标准，建立对应的检测标准体系。对电子雷管关键原材料实行准入门槛制度，实质性提升产品质量并保障应用成效。
利益冲突声明
本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。
Received date:June 21, 2022;Revised date:September 5, 2022
Corresponding author:Fan Yong is a professor from the College of Hydraulic & Environmental Engineering of China Three GorgesUniversity. His major research fields include Engineering blasting and petrodynamics. E-mail: yfan@ctgu.edu.cn
Funding project: National Natural Science Fund project (51979152); Chongqing Talent Program project (cstc2022ycjh-bgzxm0079)