Analyse der Auswirkungen von vertikalem Tiefloch-Sprengen am Bohrungsboden auf den darunterliegenden Erzkörper basierend auf LS-dyna-Numeriksimulation

Verborgene Schätze unter Schutz stellen

Moderne Technologie, von Smartphones bis zu Windkraftanlagen, ist auf seltene Metalle angewiesen, die tief unter der Erde liegen. Da Bergwerke immer tiefer graben, um an diese strategischen Ressourcen zu gelangen, müssen sie Gestein sprengen, ohne dabei versehentlich das wertvolle Erz darunter zu zerstören. Diese Studie untersucht, wie in einer oberen Erzschicht kraftvolle Sprengladungen gezündet werden können, während ein tiefer liegender, seltenerer Erzkörper geschützt bleibt — und bestimmt, wie viel schützendes Gestein dazwischen erhalten bleiben muss.

Warum Sprengungen seltene Metalle gefährden

Viele große Bergwerke verlagern sich von Tagebauen zu Untertagebauen, weil flache Lagerstätten erschöpft sind und Umweltauflagen strenger werden. Eine gängige Technik setzt lange, vertikale Bohrlöcher ein, die mit Sprengstoff gefüllt werden, um eisenerzreiches Gestein gestuft aufzubrechen. Das Problem ist, dass sich Druckwellen dieser Explosionen nicht genau dort stoppen, wo die Bergleute es wünschen. Sie können sich durch das Gestein, über verfüllte Hohlräume und in eine tiefere Schicht ausbreiten, die seltene Metalle wie Tantal, Niob oder Indium enthalten kann. Wird dieser tiefere Erzkörper zu stark gerissen oder gelockert, gehen Metalle verloren, werden verdünnt oder sind später schwer bzw. unsicher abzubauen.

Ein virtuelles Bergwerk im Computer aufbauen

Anstatt jeden Sprengplan in einem echten Bergwerk zu testen — was riskant, teuer und schwer messbar wäre — erstellten die Forschenden ein detailliertes dreidimensionales Modell auf der ANSYS/LS-DYNA-Simulationsplattform. In diesem digitalen Bergwerk stellten sie Sprengstoff, Luft, Gestein und Verfüllmaterial dar und ließen diese während einer echten Explosion miteinander interagieren. Das Modell umfasste einen oberen Eisenerz-Körper mit den Sprenglöchern, eine horizontale Schutzschicht aus Gestein und Verfüllung darunter sowie einen unteren Seltenerd-Erzkörper, der intakt bleiben muss. Durch Variieren allein der Dicke der Schutzschicht — von 0,5 Metern bis 3,0 Metern in sechs Stufen — konnten sie beobachten, wie sich Stärke und Ausbreitung der Druckwellen änderten und wie stark sich der untere Erzkörper bewegte oder riss.

Beobachtung, wie sich Druckwellen ausbreiten und abschwächen

Die Simulationen zeigten, wie sich die Explosion in Tausendstelsekunden entfaltet. Innerhalb von 1 bis 3 Millisekunden schießt die Sprengdruckwelle von den Bohrlöchern nach außen; gegen etwa 3 Millisekunden erreicht sie die Grenze zwischen Eisenerz und Seltenerd-Erz. Um 7 Millisekunden staut sich die Welle an dieser Grenze und bildet eine Zone hohen Drucks. Nach etwa 14 Millisekunden hat sich die Energie weiter ausgebreitet und abgeschwächt. Die zentrale Erkenntnis ist, dass je dicker die Schutzschicht, desto stärker verzögert sich die Druckwelle und desto mehr nimmt ihre Stärke ab, bevor sie das seltene Erz erreicht. Bei einer Schutzschicht von nur 0,5 oder 1,0 Meter überschreitet der Spitzendruck im seltenen Erz die bekannte Festigkeit des Gesteins, und die simulierte Bewegung der Gesteinsoberfläche ist groß genug, um als ernsthafter, irreversibler Schaden zu gelten.

Die sichere Pufferzone bestimmen

Wenn die Schutzschicht auf 1,5 Meter oder mehr erhöht wird, ändert sich das Bild. Der ankommende Spitzendruck im seltenen Erz bleibt unter seiner Bruchfestigkeit, und die winzigen Bewegungen der Gesteinsoberfläche liegen in einem Bereich, den Ingenieure als nur leichte Schäden einstufen. Durch Verfolgen der Spannungswerte entlang sorgfältig gewählter Pfade im Modell konnte das Team eine klare Kurve zeichnen, die Schutzschichtdicke mit Sprengintensität verbindet. Diese Analyse zeigte einen starken, konsistenten Trend: Jede zusätzliche Dicke reduziert die Spannung deutlich, und bei 1,5 Metern liegt ein Wendepunkt, an dem der tiefere Erzgang vom Risiko eines Versagens hin zu effektivem Schutz wechselt.

Was das für zukünftigen Bergbau bedeutet

Für das untersuchte Bergwerk — und für ähnliche Betriebe, die eisenerzreiches Gestein über empfindlichen Seltenerd-Lagerstätten sprengen — liefert die Arbeit eine praktische Faustregel: Es sollten mindestens 1,5 Meter festen Schutzmaterials zwischen Sprengzone und dem darunterliegenden seltenen Erz verbleiben. Dieser Puffer reicht aus, um den tieferen Erzgang weitgehend intakt zu halten und gleichzeitig eine effiziente Gewinnung der oberen Schicht zu ermöglichen. Indem die Studie zeigt, wie digitale Simulationen diese schnellen, gewalttätigen Ereignisse erfassen und in einfache Konstruktionszahlen übersetzen können, bietet sie einen Leitfaden für Bergwerke weltweit, essentielle Metalle sicherer und mit weniger Abfall zu gewinnen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Untertagebau, Sprengschutz, Seltenerdmetall-Erz, Numerische Simulation, schutzschicht