ניתוח השפעת פיצוץ חורים עמוקים אנכיים בתחתית החור על גוף העפרה התחתון על בסיס סימולציה מספרית ב-LS-DYNA

להגן על האוצר הנסתר מתחת לפני הקרקע

הטכנולוגיה המודרנית, מטלפונים חכמים ועד טורבינות רוח, תלויה במתכות נדירות הטמונות לעומק מתחת לפני הקרקע. ככל שמכרות חופרים לעומק רב יותר כדי להגיע למשאבים אסטרטגיים אלה, עליהם לפוצץ סלע מבלי להשבית בטעות את העפרה היקרה השוכנת מתחת. המחקר חוקר כיצד להפעיל חומרי נפץ רבי עוצמה בשכבת עפרה עליונה תוך שמירה על גוף עפרה נדיר ועמוק, ומזהה כמה חומר סלע מגן יש להשאיר ביניהם.

מדוע פיצוצים מסכנים מתכות נדירות

מכרות רבים עוברים ממחצבות פתוחות אל מנהרות תת-קרקעיות ככל שמאגרי השכבה הרדודה אזלו וכללי הסביבה מתהדקים. טכניקה נפוצה משתמשת בחורי קידוח אנכיים ארוכים הממולאים בחומר נפץ כדי לפרק סלע עשיר בברזל בשלבים. הבעיה היא שגלי הזעזוע מהפיצוצים אינם נעצרים בדיוק במקום שהפועלים מבקשים. הם יכולים לעבור דרך הסלע, לחצות חללים ממולאים ולהגיע לשכבה תחתונה שעשויה להכיל מתכות נדירות כגון טנטלום, ניוביום או אינדיום. אם גוף העפרה העמוק הזה יסדק או ישוחרר יתר על המידה, המתכת עלולה להיגרע, לדלל או להפוך למסוכנת לכרייה מאוחרת יותר.

בניית מכרה וירטואלי במחשב

במקום לבדוק כל תוכנית פיצוצים במכרה אמיתי — מה שהיה מסוכן, יקר וקשה למדידה — החוקרים בנו מודל תלת־ממדי מפורט בפלטפורמת הסימולציה ANSYS/LS-DYNA. במכרה הדיגיטלי הזה הם ייצגו חומרי נפץ, אוויר, סלע וחומר מילוי ואפשרו להם להתנהג כפי שיעשו בפיצוץ אמיתי. במודל כללה שכבת עפרה עליונה עשירה בברזל שמכילה את חורי הפיצוץ, שכבת הגנה אופקית של סלע ומילוי מתחתיה, וגוף עפרה נדיר ותחתון שחייב להישאר שלם. על ידי שינוי עובי שכבת ההגנה בלבד — מ‑0.5 מטר עד 3.0 מטר בשש דרגות — יכלו לעקוב כיצד עוצמת וטווח גל ההלם משתנים וכיצד הגוף התחתון נע או נסדק.

צפייה בגלי הלם נוסעים ומתעמעמים

הסימולציות הראו כיצד הפיצוץ מתפתח על פני אלפיות השנייה. בתוך 1 עד 3 מילישניות, גל ההלם מהמטליות מתפשט החוצה מחורי הקידוח; בסביבות 3 מילישניות הוא מגיע לגבול בין עפרת הברזל לעפרת המתכות הנדירות. סביב 7 מילישניות, הגל מצטבר בגבול זה ויוצר אזור של לחץ גבוה. לאחר 14 מילישניות האנרגיה התפשטה לעומק והיחלשה. הממצא המרכזי הוא שככל שעובי שכבת ההגנה גדול יותר, כך גל ההלם מתעכב יותר ועוצמתו נחלשת לפני שהוא מגיע לעפרה הנדירה. כאשר שכבת ההגנה מגיעה לעובי של 0.5 או 1.0 מטר, לחץ השיא בעפרה התחתונה חורג ממחוזק הסלע הידוע ותנועת פני הסלע המדומה גדולה מספיק כדי להיחשב לנזק חמור ובלתי הפיך.

איתור אזור חיץ בטוח

כאשר עובי שכבת ההגנה גדל ל‑1.5 מטר או יותר, התמונה משתנה. לחץ השיא המגיע לעפרה הנדירה נשאר מתחת לחוזק הכתישה שלה, והתזוזות הזעירות של פני הסלע נופלות לטווח שהמהנדסים מסווגים כנזק קל בלבד. על ידי מעקב אחר ערכי מתח לאורך מסלולים שנבחרו בקפידה במודל, הצוות הצליח לשרטט עקומה ברורה שקושרת בין עובי שכבת ההגנה לעוצמת הפיצוץ. הניתוח הראה מגמה חזקה ועקבית: כל תוספת עובי מקטינה בצורה חדה את המתח, ו‑1.5 מטר מסמן נקודת מפנה שבה העפרה העמוקה עוברת ממצב בסיכון לכישלון למצב שמוגן ביעילות.

מה משמעות הדבר לעתיד הכרייה

למכרה הספציפי שנחקר — ולפעולות דומות שפוצצות סלע עשיר בברזל מעל מאגרי מתכות נדירות רגישים — העבודה מציעה כלל אצבע פרקטי: השאירו לפחות 1.5 מטר של חומר מגן מוצק בין אזור הפיצוץ לבין העפרה העמוקה. המרווח הזה מספיק כדי לשמור על שלמות העפרה התחתונה ולשמור על יעילות בחילוץ השכבה העליונה. על ידי הצגה כיצד סימולציות דיגיטליות מסוגלות ללכוד אירועים מהירים ואלימים אלה ולהפוך אותם למספרי תכנון פשוטים, המחקר מציע מפת דרך למכרות ברחבי העולם להפיק מתכות חיוניות בבטחה רבה יותר ולפחות בזבוז.

ציטוט: 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

מילות מפתח: כרייה תת-קרקעית, בטיחות בפיצוצים, מחצבי נדירים, סימולציה מספרית, שכבת סלע מגן