Análisis del impacto de la voladura vertical en fondo de pozo sobre el cuerpo de mena inferior mediante simulación numérica con LS-DYNA

Protegiendo el tesoro oculto bajo tierra

La tecnología moderna, desde los teléfonos inteligentes hasta las turbinas eólicas, depende de metales raros enterrados en profundidad. A medida que las minas excavan cada vez más para alcanzar estos recursos estratégicos, deben volar la roca sin fracturar accidentalmente la valiosa mena que yace por debajo. Este estudio explora cómo detonar explosivos potentes en una capa superior de mena mientras se mantiene a salvo un cuerpo de mena más profundo y raro, y determina cuánta roca protectora debe dejarse entre ambos.

Por qué la voladura pone en riesgo los metales raros

Muchas grandes minas están pasando de canteras a cielo abierto a túneles subterráneos a medida que se agotan los depósitos someros y se endurecen las normas ambientales. Una técnica común usa perforaciones verticales largas que se rellenan con explosivos para fragmentar la roca rica en hierro por etapas. El problema es que las ondas de choque de estas explosiones no se detienen exactamente donde los mineros quieren. Pueden propagarse a través de la roca, cruzar huecos rellenos y alcanzar una capa inferior que puede contener metales raros como tántalo, niobio o indio. Si ese cuerpo de mena más profundo se fisura o se afloja en exceso, el metal puede perderse, diluirse o volverse inseguro de explotar en el futuro.

Construyendo una mina virtual en el ordenador

En lugar de probar cada plan de voladura dentro de una mina real —lo cual sería arriesgado, costoso y difícil de medir— los investigadores construyeron un modelo tridimensional detallado en la plataforma de simulación ANSYS/LS-DYNA. En esta mina digital representaron explosivos, aire, roca y material de relleno y permitieron que interactuaran como lo harían durante una voladura real. El modelo incluía un cuerpo superior de mena de hierro con los agujeros de voladura, una capa horizontal protectora de roca y relleno debajo, y un cuerpo inferior de tierras raras que debe permanecer intacto. Al cambiar únicamente el espesor de la capa protectora —de 0,5 metros a 3,0 metros en seis pasos— pudieron observar cómo variaban la intensidad y la propagación de las ondas de choque y cuánto se desplazaba o agrietaba la mena inferior.

Observando cómo viajan y se atenúan las ondas de choque

Las simulaciones mostraron cómo se desarrolla la voladura en milésimas de segundo. En 1 a 3 milisegundos, la onda explosiva se propaga desde los agujeros de perforación; hacia los 3 milisegundos alcanza la frontera entre la mena de hierro y la de tierras raras. Alrededor de los 7 milisegundos, la onda se acumula en esta frontera, formando una zona de alta presión. Tras 14 milisegundos, la energía se ha dispersado hacia mayor profundidad y se ha debilitado. La conclusión clave es que cuanto más gruesa es la capa protectora, más se retrasa la onda y más disminuye su intensidad antes de llegar a la mena rara. Cuando la capa protectora tiene solo 0,5 o 1,0 metro de espesor, la presión pico en la mena de tierras raras supera la resistencia conocida de la roca, y el movimiento simulado de la superficie rocosa es lo bastante grande como para considerarse un daño serio e irreversible.

Encontrando la zona amortiguadora segura

Al aumentar la capa protectora a 1,5 metros o más, el panorama cambia. La presión máxima que llega a la mena rara se mantiene por debajo de su resistencia a la compresión, y los pequeños movimientos de la superficie rocosa se sitúan en un rango que los ingenieros clasifican como daño leve. Trazando valores de esfuerzo a lo largo de trayectorias seleccionadas en el modelo, el equipo pudo dibujar una curva clara que relaciona el espesor de la capa protectora con la intensidad de la voladura. Este análisis mostró una tendencia fuerte y consistente: cada incremento de espesor reduce bruscamente el estrés, y 1,5 metros marca un punto de inflexión en el que la mena profunda pasa de estar en riesgo de fallo a quedar efectivamente protegida.

Qué significa esto para la minería futura

Para la mina estudiada —y para operaciones similares que detonan roca rica en hierro sobre depósitos sensibles de tierras raras— el trabajo aporta una regla práctica: dejar al menos 1,5 metros de material protector sólido entre la zona de voladura y la mena rara subyacente. Ese colchón es suficiente para mantener la mena profunda en gran medida intacta, permitiendo al mismo tiempo una extracción eficiente de la capa superior. Al mostrar cómo las simulaciones digitales pueden capturar estos eventos rápidos y violentos y traducirlos en cifras de diseño simples, el estudio ofrece una hoja de ruta para que las minas de todo el mundo recuperen metales esenciales con más seguridad y menos residuos.

Cita: 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

Palabras clave: minería subterránea, seguridad en voladuras, menas de tierras raras, simulación numérica, capa rocosa protectora