权利要求
1.一种用于复杂矿体无切割自由面爆破的爆破装置系统，其特征在于，包括：
至少一个轴向聚能装药单元，被配置成在起爆时产生沿其轴线方向聚焦的能量，用以在无预设自由面的目标介质中强制形成爆生自由面;以及
至少一个边界控制聚能装药单元，被配置成在起爆时产生主要沿径向或特定角度方向传播的能量，用以控制爆破边界或顶板稳定;
其中，所述轴向聚能装药单元和所述边界控制聚能装药单元被设计成在采矿方法中协同使用，以实现无预设自由面条件下的爆破。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边界控制聚能装药单元为环向聚能装药单元或半环向聚能装药单元。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述轴向聚能装药单元和/或所述边界控制聚能装药单元包含药型罩，所述药型罩具有为实现所述能量聚焦或定向传播而设计的特定几何形状。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其至少部分装药单元的结构被配置成允许接入至少两个起爆元件，以实现孔内多点起爆。
5.一种复杂矿体无切割自由面采矿方法，其特征在于，使用权利要求1-4中任一项所述的爆破装置系统，并包括以下步骤：
(1)炮孔布置：采用三维立体炮孔布置方式，布设主炮孔和辅助炮孔;所述主炮孔大致沿矿体走向或特定方向布置，所述辅助炮孔在主炮孔周围呈预定形态分布;
(2)装药与起爆：在炮孔内采用聚能装药结构，并采用孔内多点起爆和孔间微差起爆技术;所述聚能装药结构包括用于产生爆生自由面的轴向聚能装药和用于控制顶板或边界的环向聚能装药;
(3)爆破实施：通过预设的孔间微差起爆顺序起爆各炮孔，所述主炮孔先于或与其他炮孔按特定时序起爆，所述辅助炮孔根据其位置和功能设定延迟时间依次起爆;利用轴向聚能爆破首先破碎部分矿岩形成爆生自由面，后续炮孔的爆破能量向该爆生自由面方向传播和释放，并通过环向聚能爆破控制顶板稳定和爆破边界。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述辅助炮孔在所述主炮孔周围呈放射状分布;所述主炮孔的孔距为1.5-2.0米，孔深为10-15米;所述辅助炮孔的孔距为1.0-2.0米，孔深为4-10米。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，首排炮孔或部分先起爆炮孔采用轴向聚能装药结构以形成初始爆生自由面，部分后起爆炮孔的孔口或孔底采用环向聚能或半环向聚能装药结构，用于控制顶板悬顶或形成清晰的爆破轮廓，孔内多点起爆指在单个炮孔内布设至少两个起爆点，并按预定顺序和时间间隔起爆。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，微差起爆技术采用毫秒级延迟，所述主炮孔的起爆延迟时间与辅助炮孔的起爆延迟时间不同，相邻辅助炮孔之间也设置有延迟时间。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，应用于节理发育、断层多、矿体形态不规则、围岩或矿体稳固性差，无法或不适宜进行切割井或切割巷作业的复杂矿体开采。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在实施爆破前，根据矿体垮落需求和围岩稳定条件，对进路巷道进行扩帮处理，确定合理的扩帮宽度。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及爆破工程技术领域及矿山开采技术领域，特别涉及一种用于在无预设自由面条件下进行爆破的爆破装置以及使用该装置的采矿方法，尤其适用于复杂地质条件下的矿体开采。
背景技术
[0002]在地下矿山开采或岩石工程中，爆破是最常用的破岩手段。传统爆破理论与实践通常依赖于预先开挖的自由面(如切割天井、平巷)，为岩石破碎提供补偿空间和能量释放方向。然而，当遇到地质构造复杂(如节理密集、断层发育)、矿体形态不规则、岩体稳固性差等情况时，开挖自由面不仅成本高、周期长、难度大，甚至可能因诱发安全事故而无法实施。
[0003]在这种无预设自由面的条件下进行爆破，常规的爆破方法和装置往往效果不佳。能量难以有效释放和利用，导致破碎不充分、大块率高、根底残留、爆破边界不规则以及可能对周围无序破坏的岩体造成过度损伤等问题。虽然聚能装药技术(ShapedCharge)能够定向集中能量，但现有的聚能装药多为标准设计，缺乏专门针对无自由面工况下，既能强制开辟初始破裂面、又能精细控制爆破范围需求的特定装置或优化组合。同时，相应的爆破方法学也需要配合特种装置进行创新。
[0004]因此，开发一种能够在无自由面条件下有效工作的爆破装置，并结合形成一套高效、安全的采矿方法，对于解决复杂矿体开采难题具有重要意义。
发明内容
[0005]本发明旨在克服现有技术在复杂地质矿体无预设自由面条件下爆破采矿的困难，提供一种能够有效产生爆生自由面并控制爆破范围的爆破装置(系统或单元)，以及一套利用该装置进行高效、安全采矿的方法。
[0006]为解决上述问题，本发明一方面提供了一种用于复杂矿体无切割自由面爆破的爆破装置系统。该系统的核心是包含至少两种功能侧重不同的聚能装药单元：
轴向聚能装药单元：其结构(特别是药型罩设计)被优化，用于在起爆时产生强大的、沿装置轴线方向聚焦的冲击能量(如高速射流或冲击波)，目的是在致密的目标介质(岩石)内部强制形成初始的破裂区域，即“爆生自由面”。特定几何形状的具体类型可以是锥形、弧形等。
[0007]边界控制聚能装药单元：其结构被设计成使爆炸能量主要沿径向(如环向、半环向、扇形)或特定角度方向传播，用于精确控制爆破的边界、切割轮廓或保护顶板/底板/侧帮的稳定。这些单元可以被设计成模块化，方便组合使用。部分单元还可以集成允许多个起爆元件接入的结构，以支持孔内多点起爆技术。环向聚能装药就属于边界控制聚能装药。起爆元件可以是雷管、导爆索等。
[0008]本发明另一方面提供了一种使用上述爆破装置系统或单元的复杂矿体无切割自由面采矿方法。该方法包括以下关键步骤：
三维炮孔布置：根据矿体和围岩的具体情况，设计并钻凿三维空间的炮孔网络，区分主炮孔(承担主要破碎或首先起爆任务)和辅助炮孔(用于扩大范围、辅助破碎和控制边界)。
[0009]功能化装药布置：将上述不同功能的聚能装药单元有针对性地布置到不同的炮孔或炮孔的不同位置。例如，在主炮孔或首排孔布置轴向聚能单元以形成爆生自由面;在顶板孔、边孔布置环向、半环向等边界控制单元。
[0010]精确起爆控制：综合运用孔内多点起爆(如对单个长孔内的装置单元实施分时起爆)和孔间微差起爆(精确设定不同炮孔之间的毫秒级延迟时间)。通过精心设计的起爆顺序(通常优先起爆形成爆生自由面的炮孔)和延迟时间，控制应力波的叠加和传播方向，引导爆破能量向爆生自由面有效释放，并实现对最终爆破效果(如块度、轮廓)的控制。
[0011]本发明能够产生的有益效果：
(1)装置与方法协同：提供的特定功能爆破装置与专门的采矿方法紧密结合，解决了无自由面爆破的核心难题。
[0012](2)无需预设自由面：通过装置强制产生爆生自由面，避免了困难且危险的自由面开挖工程，降低成本和风险。
[0013](3)爆破效果好：能量定向集中和精确时序控制，提高了能量利用率和矿岩破碎效果，降低大块率，控制爆破边界。
[0014](4)适应性强：特别适用于地质条件复杂、无法常规作业的矿体开采。
[0015](5)安全性高：减少了与自由面开挖相关的风险，并通过控制爆破提高了作业安全性。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是扇形炮孔布置方式的应用场景示意图。
[0018]图2是炮孔布置的侧视图示意图。
[0019]图3是炮孔布置的俯视图示意图。
[0020]图4是炮孔内装药结构和起爆顺序的示意图。
[0021]图5a是孔底环向聚能的聚能管结构示意图。
[0022]图5b是孔底半环向聚能的聚能管结构示意图。
[0023]图5c是轴向聚能-半环向聚能的聚能管结构示意图。
[0024]图5d是1/4轴向聚能-1/4环向聚能的聚能管示意图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：无切割自由面爆破采矿方法
[0026]本实施例以某地下金属矿山开采复杂矿体为例，该矿体节理裂隙发育，形态不规则，稳固性较差，不适宜开挖传统的切割井或切割巷。采用本发明所述的无切割自由面爆破采矿方法。
[0027]炮孔布置(参见图1、图2、图3)：
采用扇形三维立体炮孔布置。在工作面中心区域布置主炮孔，沿矿体预计垮落方向布置，孔深设定为12米，孔距根据中心区域矿岩情况设定为2.0米。在主炮孔两侧及上方，呈扇形或放射状布置辅助炮孔。辅助炮孔的孔距根据其位置和作用调整，为1.5米，孔深根据矿体边界和控制要求设定在10米。例如，靠近自由面方向的辅助孔可以较浅，用于辅助破碎;边帮孔和顶板孔则根据需要控制轮廓和稳定。
[0028]装药结构与起爆(参见图4、图5a、图5b、图5c、图5d)：
装药：
首排或中心区域的主炮孔(如图4中标识为1d-4d的炮孔)：采用轴向聚能装药结构，例如使用轴向聚能管，以强制形成初始爆生自由面。同时，在这些炮孔的孔口段(靠近顶部)可采用半环向聚能装药，用于预裂或控制顶部矿岩。
[0029]边孔(如图4中标识为5d的炮孔)：可采用特定角度的组合聚能装药，如90°轴向聚能(能量指向侧向自由面)和顶部环向/半环向聚能(控制顶板和边界)。
[0030]第二排及后续炮孔(如图4中第二排、第三排)：根据需要，可采用普通铵油药包，但在孔底或孔口位置采用环向聚能(如第二排)或半环向聚能(如第三排)装药，以解决可能的根底残留或顶部悬顶问题。边孔同样可采用组合聚能装药。
[0031]起爆：
孔内起爆：对部分深孔或预计破碎难度大的孔，采用两点起爆。例如，在炮孔长度约1/2处和孔底各放置一个雷管。起爆时，先引爆中部雷管(如使用200ms延迟)，再引爆孔底雷管(如使用400ms延迟)，使得矿岩从中下部开始破碎，然后整体垮落。
[0032]孔间起爆：采用毫秒微差起爆技术。设定首排(或主炮孔)的起爆雷管为较低的毫秒段(如MS5段，约100ms延迟，假设基准为25ms每段，则为第4段或按实际雷管标号)。周围的辅助炮孔根据距离和破碎顺序，依次选用更高的毫秒段(如MS6段、MS7段...，即约125ms、150ms...)，确保逐级、定向破碎。例如，主炮孔延迟时间设为25毫秒(作为相对基准或第一批)，紧邻的辅助炮孔延迟时间设为35毫秒或更高，外围的再递增，确保能量有效叠加和传播。
[0033]能量控制与效果：通过精确调整各炮孔的装药量、聚能类型、起爆点位置和微差起爆时间，有效控制了爆破能量在矿体内的分布和释放路径，实现了在无预设自由面条件下的定向、高效破碎。
[0034]实施例2：爆破装置系统配置
本实施例提供一种用于实施本发明采矿方法的爆破装置系统。该系统是为满足在无预设自由面条件下，既要强制产生爆生自由面、又要有效控制爆破范围的需求而配置的。
[0035]参照图5a、图5b、图5c、图5d，该爆破装置系统通常包括以下类型的聚能装药单元：
轴向聚能装药单元：例如图5c中所示的包含“轴向聚能”部分的单元(如“轴向聚能-半环向聚能”结构)。此类单元具有能够将爆炸能量主要沿装置轴线方向聚焦的结构(如锥形或特定弧度的药型罩)，其主要功能是在致密岩体中产生深度侵彻或强冲击，强制形成初始的爆生自由面。
[0036]边界控制聚能装药单元：此类单元用于控制爆破的最终轮廓、保护顶板或边界。根据控制需求的不同，可包括：
环向聚能单元(如图5a“孔底环向聚能”)：产生沿整个径向圆周均匀或基本均匀分布的能量，用于在炮孔底部或顶部形成环状切缝，控制根底或悬顶。
[0037]半环向聚能单元(如图5b“孔底半环向聚能”、图5c“轴向聚能-半环向聚能”的半环向部分)：产生主要集中于约180°径向范围的能量，用于单侧边界控制或顶板预裂。
[0038]特定角度聚能单元(如图5d“1/4轴向聚能-1/4环向聚能”的环向部分，或文字描述中的90°轴向聚能)：产生更小角度范围(如90°、45°)或特定方向(如侧向)的能量聚焦，用于精细的轮廓控制或边角切割。
[0039]这些不同功能的单元可以根据具体的爆破设计，选用成品或进行模块化组合，装填入相应的炮孔位置。
[0040]此外，本系统中的部分(特别是较长的)装药单元，可以设计或配备有支持孔内多点起爆的结构，例如，在单元壳体上设置多个相互独立的起爆雷管安装接口(如图4示意)，允许在同一炮孔内实现分段、分时起爆。
[0041]实施例3：爆破效果比较
在鞍钢集团弓长岭井下铁矿的应用中，采用如实施例2所述的爆破装置系统，仅有爆破方法不同的情况下，对比了传统孔底单点起爆方案与采用本发明方法(包含两点起爆、聚能装药、优化微差)的爆破效果：
原方案 ：孔底单点起爆，大块率约为4.7%，单次爆破放矿量约为2112吨，爆破后存在较明显的悬顶，测量高度约3.6米。
[0042]本发明方案：采用孔内两点起爆(中部先爆、孔底后爆)，结合轴向和环向聚能装药，单次爆破放矿量提高至3456吨。
[0043]爆破后，大块率降低至3.8%，相比原方案降低了约19%((4.7-3.8)/4.7≈19%)。单次爆破放矿量相比原方案提高了约63.6%((3456-2112)/2112≈63.6%)，接近1.6倍。爆破后悬顶高度显著减小，仅为0.16米，表明顶板控制效果良好，矿石垮落充分。
[0044]这些数据直观地证明了本发明方法在无切割自由面条件下，能够有效提高矿石破碎效果(降低大块率)、大幅增加单次爆破出矿量、并有效控制顶板悬顶，从而提高了采矿效率和安全性。
实施例4：复杂矿体无切割自由面采矿方法的应用流程
[0045]本实施例描述了在某具有复杂地质条件(如节理发育、形态不规则)且无法开挖切割自由面的地下矿体中，应用实施例2所述的爆破装置系统进行采矿的具体方法步骤。
[0046]炮孔布置：
参照图1(扇形炮孔布置图)、图2(侧视图)和图3(俯视图)。采用三维立体炮孔布置方式。
[0047]主炮孔：沿矿体主要走向或预定推进方向布置，承担产生初始爆生自由面的核心作用。根据矿岩稳固性和爆破要求，孔距设定为1.5米，孔深设定为10-15米。
[0048]辅助炮孔：在主炮孔周围(两侧、上方、下方)按扇形或放射状布置，用于扩大破碎范围、辅助形成自由面及控制最终轮廓。孔距根据位置调整为1.0-2.0米，孔深根据矿体边界和控制需求设定为4-10米。
[0049]装药布置：
根据炮孔承担的功能，选用实施例1中描述的不同聚能装药单元进行装填，具体策略可参照图4(装药结构示意图)：
首排炮孔(例如图4中标识为1d-4d)：这些炮孔承担形成初始爆生自由面的关键任务。主要装填轴向聚能装药单元。为了同时控制孔口顶板，可在炮孔顶部(孔口段)加装半环向聚能单元。
[0050]边孔(例如图4中标识为5d)：用于控制爆破边界。可装填特定组合的单元，如90°轴向聚能单元(能量指向侧向)与顶部环向/半环向聚能单元组合。
[0051]后续炮孔(例如图4中第二排、第三排)：
第二排：可使用普通炸药或威力适中的单元，但在孔底装填环向聚能单元，以防止根底残留，提高矿石回收率。其边孔可采用轴向聚能单元，辅助侧向破岩。
[0052]第三排：类似第二排，但孔底可采用半环向聚能单元进行控制。其边孔同样可采用与第一排边孔类似的组合单元。装药量根据炮孔直径、长度和矿岩性质计算确定。
[0053]起爆实施：
采用精确的起爆控制技术：
孔内多点起爆：对于主炮孔或深度较大的辅助炮孔，可采用此技术。例如，在炮孔中部(约1/2深度)和孔底各放置一个起爆雷管。起爆时，设定中部雷管先爆(例如，使用相对延迟为T1的雷管)，使炮孔中下部岩石先破碎松动;经过一个短暂延迟后(例如，使用相对延迟为T2>T1的雷管)，再引爆孔底雷管，破碎孔底和上部岩石。这有助于改善破碎效果和块度均匀性。
[0054]孔间微差起爆：采用毫秒级(ms)微差起爆网络。原则是：承担形成爆生自由面的主炮孔或首排炮孔应优先起爆，或设定为较低的毫秒延迟段(例如，基准时间或25ms段)。周围的辅助炮孔则根据其与主炮孔的距离、预期破碎顺序，依次设置递增的延迟时间(例如，每排或每圈增加10ms-50ms的延迟，或选用连续的更高毫秒段位的雷管)。通过合理的微差时间设计，可以利用后续爆炸产生的应力波在前序爆炸形成的破裂区或爆生自由面上进行有效叠加和反射拉伸，实现能量的优化利用和矿岩的定向、高效破碎。
[0055]扩帮处理(一般属于可选操作)：
根据需要，为确保爆落矿石能顺畅垮落至下部出矿通道，可在爆破前对相关的进路巷道进行适当宽度的扩帮作业，同时需评估并确保扩帮后巷道围岩的稳定性。
[0056]通过以上步骤，利用特定功能的爆破装置单元和精确的布置、起爆方法，即可在无预设切割自由面的复杂矿体中实现有效的爆破采矿。
[0057]实施例5：应用效果验证
将实施例2和实施例4所述的爆破装置及采矿方法应用于鞍钢集团弓长岭井下铁矿的某复杂矿体开采作业中。与该矿区采用传统孔底单点起爆、无特殊聚能装药的爆破方案进行对比，效果如下：
大块率：应用本发明后，爆破矿石的大块率从原方案的4.7%降低至3.8%，降低了约19%。
[0058]单次爆破出矿量：应用本发明后，单次爆破可回收的矿石量从原方案的2112吨提高至3456吨，提高了约63.6%(接近1.6倍)。
[0059]悬顶控制：应用本发明后，爆破形成的采空区顶板悬露高度从原方案的平均3.6米显著减小至0.16米，表明顶板得到了有效控制，矿石垮落更充分，减少了后续处理悬顶的安全风险和额外成本。
[0060]该实施例的对比数据有力证明了本发明提供的爆破装置及采矿方法，在解决无切割自由面复杂矿体爆破难题方面，具有显著的技术优势和实用效果，能够有效提高爆破效率、增加矿石回收率并改善作业安全性。
[0061]本领域的技术人员应理解，本发明不限于上述实施例的细节，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，还能以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。
[0062]本发明提供的一种复杂矿体无切割自由面爆破采矿方法，通过创新的三维炮孔布置、聚能装药技术的针对性应用、孔内多点起爆以及孔间微差起爆的精确协同控制，成功解决了在复杂地质条件下无法或难以设置预切割自由面的技术瓶颈，实现了安全、高效、低成本的爆破采矿作业。该方法在实际应用中已取得显著的技术经济效益，适用于各类金属矿山、非金属矿山以及其他面临类似地质挑战的工程爆破场景。
[0063]需要指出的是，上述具体实施方式仅为本发明的示例性说明，并非限制。对于本领域技术人员而言，在理解本发明核心思想的基础上，可以进行各种形式的修改、组合或等同替换，例如调整具体的炮孔参数、聚能装药类型、起爆延迟时间等，这些未脱离本发明精神和范围的改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(8)
