تحليل تأثير التفجير العمودي في الثقوب العميقة في قاع البئر على جسم الخامة السفلي بناءً على محاكاة رقمية باستخدام LS-dyna

حماية الكنوز المخبأة تحت الأرض

تعتمد التكنولوجيا الحديثة، من الهواتف الذكية إلى توربينات الرياح، على معادن نادرة مدفونة عميقًا تحت السطح. ومع توغّل المناجم أعمق للوصول إلى هذه الموارد الاستراتيجية، تصبح الحاجة إلى تفجير الصخور بدون تحطيم الخامة الثمينة الواقعة أدناه أمرًا حاسمًا. تستكشف هذه الدراسة كيفية إشعال متفجرات قوية في طبقة خام علوية مع الحفاظ على سلامة جسم خام أدنى ونادر — وتحدد مقدار الصخور الواقية الواجب تركها بينهما.

لماذا يعرّض التفجير المعادن النادرة للخطر

تنتقل العديد من المناجم الكبيرة من المحاجر المفتوحة إلى أنفاق تحت الأرض مع نفاد الرواسب الضحلة وتشديد القواعد البيئية. تستخدم تقنية شائعة حفريات عمودية طويلة تُملأ بالمتفجرات لتفتيت الصخور الغنية بالحديد على مراحل. المشكلة أن موجات الصدمة الناتجة عن هذه التفجيرات لا تتوقف بدقة عند النقاط التي يحددها العمال. يمكنها أن تنتقل عبر الصخور، وعبر تجاويف معبأة، وتصل إلى طبقة أدنى قد تحتوي على معادن نادرة مثل التانتالوم أو النيوبِيوم أو الإنديوم. إذا تشقق هذا الجسم الخام الأعمق أو ترخّى بشكل مفرط، قد تُفقد المعادن أو تُخفّف أو تصبح غير صالحة للاستخراج لاحقًا.

بناء منجم افتراضي في الحاسوب

بدلًا من اختبار كل خطة تفجير داخل منجم حقيقي — وهو أمر خطير ومكلف ويصعب قياسه — بنى الباحثون نموذجًا ثلاثي الأبعاد مفصلًا على منصة المحاكاة ANSYS/LS-DYNA. مثل هذا المنجم الرقمي المتفجرات والهواء والصخور ومواد الردم وسمح بتفاعلها كما يحدث أثناء انفجار حقيقي. تضمن النموذج جسم خام علوي غني بالحديد يحتوي على ثقوب التفجير، وطبقة أفقية واقية من الصخور والردم أدناه، وجسم خام عناصر نادرة أدنى يجب الحفاظ على سلامته. عبر تغيير سمك الطبقة الواقية فقط — من 0.5 متر إلى 3.0 أمتار على ست خطوات — راقبوا كيف تتغير شدة وانتشار موجات التفجير ومدى حركة أو تشقق الجسم الخامي السفلي.

مراقبة انتشار وتلاشي موجات الصدمة

أظهرت المحاكاة كيف يتطور التفجير على مدى أجزاء من الألف من الثانية. خلال 1 إلى 3 ملّي ثانية، تنتشر موجة الصدمة من ثقوب الحفر؛ وبحلول نحو 3 ملّي ثانية تصل إلى الحدود بين خام الحديد وخام العناصر النادرة. حول 7 ملّي ثانية، تتراكم الموجة عند هذا الحدّ، مكونة منطقة ذات ضغط مرتفع. بعد 14 ملّي ثانية، تكون الطاقة قد انتشرت أعمق وبدأت تضعف. النتيجة الأساسية أن كلما ازدادت سماكة الطبقة الواقية، ازدادت مؤقتًا تأخر وصول موجة التفجير وانخفضت شدة موجتها قبل أن تصل إلى الخامة النادرة. عندما تكون الطبقة الواقية بسماكة 0.5 أو 1.0 متر فقط، يتجاوز الضغط الأقصى في الخامة النادرة مقاومة الصخر المعروفة، وتكون حركة سطح الصخور في المحاكاة كبيرة بما يكفي لتُعدّ ضررًا خطيرًا ولا رجعة فيه.

تحديد منطقة العزل الآمنة

عندما تزداد سماكة الطبقة الواقية إلى 1.5 متر أو أكثر، يتغير المشهد. يبقى الضغط الأقصى الوافد إلى الخامة النادرة دون قوة السحق لها، وتقع الحركات الطفيفة لسطح الصخر في نطاق يصنّفه المهندسون كضرر طفيف فقط. من خلال تتبُّع قيم الإجهاد على مسارات مختارة بعناية عبر النموذج، تمكن الفريق من رسم منحنى واضح يربط بين سمك الطبقة الواقية وشدة التفجير. أظهرت هذه التحليلات اتجاهًا قويًا ومتسقًا: كل زيادة في السماكة تقلل الإجهاد بشكل حاد، وتشكل 1.5 متر نقطة تحول حيث تنتقل الخامة الأعمق من حالة الخطر إلى حالة محمية بفعالية.

ما يعنيه ذلك للتعدين في المستقبل

بالنسبة للمنجم المحدد المدروس — ولعمليات مشابهة تقوم بتفجير صخور غنية بالحديد فوق رواسب حساسة من العناصر النادرة — تقدم الدراسة قاعدة عملية بسيطة: اترك ما لا يقل عن 1.5 متر من المادة الصلبة الواقية بين منطقة التفجير والخامة النادرة الكامنة أدناه. هذا العزل كافٍ للحفاظ على سلامة الخامة الأدنى إلى حد كبير مع السماح باسترداد فعّال للطبقة العلوية. عبر إظهار كيف تلتقط المحاكاة الرقمية هذه الأحداث السريعة والعنيفة وتحولها إلى أرقام تصميم بسيطة، تقدم الدراسة خارطة طريق تساعد المناجم في جميع أنحاء العالم على استخراج المعادن الأساسية بأمان أكبر وبتبذير أقل.

الاستشهاد: Wang, S., Yang, J., Lu, R. et al. Analysis of the impact of vertical deep hole blasting at the bottom of the hole on the lower ore body based on LS-dyna numerical simulation. Sci Rep 16, 6395 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35872-0

الكلمات المفتاحية: التعدين تحت الأرض, سلامة التفجير, خامات العناصر النادرة, المحاكاة العددية, طبقة صخرية واقية