Analyse de l’impact du tir en cunette verticale au fond du trou sur le gisement inférieur basée sur une simulation numérique LS-DYNA

Protéger les trésors cachés sous terre

La technologie moderne, des smartphones aux éoliennes, dépend de métaux rares enfouis profondément sous la surface. À mesure que les mines creusent de plus en plus pour atteindre ces ressources stratégiques, il faut faire sauter la roche sans endommager par inadvertance le minerai précieux situé en dessous. Cette étude examine comment déclencher des explosifs puissants dans une couche de minerai supérieure tout en préservant un gisement plus profond et plus rare — et détermine quelle épaisseur de roche protectrice doit être laissée entre les deux.

Pourquoi le tir met les métaux rares en danger

De nombreuses grandes mines passent de carrières à ciel ouvert à des galeries souterraines, les dépôts peu profonds s’épuisant et les règles environnementales se durcissant. Une technique courante utilise des forages verticaux longs, remplis d’explosifs, pour fragmenter la roche ferrifère par étapes. Le problème est que les ondes de choc issues de ces explosions ne s’arrêtent pas proprement là où les mineurs le souhaitent. Elles peuvent traverser la roche, franchir des cavités remblayées et atteindre une couche inférieure qui peut contenir des métaux rares tels que le tantale, le niobium ou l’indium. Si ce gisement profond est fissuré ou fragilisé de façon excessive, le métal peut être perdu, dilué ou rendu dangereux à exploiter ultérieurement.

Construire une mine virtuelle dans l’ordinateur

Plutôt que de tester chaque plan de tir dans une mine réelle — ce qui serait risqué, coûteux et difficile à mesurer — les chercheurs ont construit un modèle tridimensionnel détaillé sur la plateforme de simulation ANSYS/LS-DYNA. Dans cette mine numérique, ils ont représenté les explosifs, l’air, la roche et le remblai et ont laissé ces éléments interagir comme lors d’un véritable tir. Le modèle comprenait un gisement de minerai de fer supérieur contenant les trous de tir, une couche horizontale protectrice de roche et de remblai en dessous, et un gisement inférieur de terres rares devant rester intact. En ne faisant varier que l’épaisseur de la couche protectrice — de 0,5 mètre à 3,0 mètres en six paliers — ils ont pu observer comment variaient l’intensité et la propagation des ondes de choc et quelle était l’ampleur des déplacements ou des fissures dans le gisement inférieur.

Observer la propagation et l’atténuation des ondes de choc

Les simulations ont montré comment le tir se déroule en quelques millièmes de seconde. En 1 à 3 millisecondes, l’onde de choc explosive se propage depuis les trous de forage ; vers 3 millisecondes elle atteint la frontière entre le minerai de fer et les terres rares. Vers 7 millisecondes, l’onde s’accumule à cette interface, formant une zone de haute pression. Après 14 millisecondes, l’énergie s’est diffusée en profondeur et s’est affaiblie. La conclusion principale est que plus la couche protectrice est épaisse, plus l’arrivée de l’onde est retardée et plus son intensité diminue avant d’atteindre le minerai profond. Lorsque la couche protectrice n’a que 0,5 ou 1,0 mètre d’épaisseur, la pression de pointe dans les terres rares dépasse la résistance connue de la roche, et le déplacement simulé de la surface rocheuse est suffisamment important pour être considéré comme un dommage sérieux et irréversible.

Déterminer la zone tampon sûre

Lorsque l’épaisseur de la couche protectrice est portée à 1,5 mètre ou plus, la situation change. La pression de pointe atteignant le gisement de terres rares reste en dessous de sa résistance à l’écrasement, et les très faibles déplacements de la surface rocheuse se situent dans une plage que les ingénieurs classent comme des dommages mineurs. En retraçant les valeurs de contrainte le long de trajectoires soigneusement choisies dans le modèle, l’équipe a pu établir une courbe claire reliant l’épaisseur protectrice à l’intensité du tir. Cette analyse montre une tendance forte et constante : chaque augmentation d’épaisseur réduit fortement la contrainte, et 1,5 mètre constitue un point charnière où le gisement profond passe du risque de rupture à une protection effective.

Ce que cela signifie pour l’exploitation minière future

Pour la mine étudiée — et pour des opérations similaires qui font sauter de la roche ferrifère au-dessus de dépôts sensibles de terres rares — ce travail fournit une règle empirique pratique : laisser au moins 1,5 mètre de matériau protecteur solide entre la zone de tir et le minerai rare sous-jacent. Cette zone tampon suffit à maintenir le gisement profond en grande partie intact tout en permettant une extraction efficace de la couche supérieure. En montrant comment des simulations numériques peuvent capturer ces événements rapides et violents et les traduire en paramètres de conception simples, l’étude offre une feuille de route permettant aux mines du monde entier de récupérer des métaux essentiels de façon plus sûre et avec moins de pertes.

Citation: 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

Mots-clés: exploitation minière souterraine, sécurité des tirs, minerai de terres rares, simulation numérique, couche rocheuse protectrice