Analisi dell’impatto dello scoppio in fori profondi verticali al fondo del foro sul giacimento inferiore basata su simulazione numerica LS-dyna

Proteggere il tesoro nascosto sottoterra

La tecnologia moderna, dagli smartphone alle turbine eoliche, dipende da metalli rari sepolti in profondità. Man mano che le miniere scavano sempre più in profondità per raggiungere queste risorse strategiche, devono far brillare le rocce senza frantumare per errore il prezioso minerale sottostante. Questo studio esplora come innescare potenti esplosivi in uno strato di minerale superiore mantenendo al sicuro un giacimento più profondo e raro — e individua quanta roccia protettiva è necessario lasciare tra i due.

Perché le esplosioni mettono a rischio i metalli rari

Molte grandi miniere stanno passando dalle cave a cielo aperto a gallerie sotterranee man mano che i depositi superficiali si esauriscono e le norme ambientali si inaspriscono. Una tecnica comune utilizza lunghi fori di perforazione verticali riempiti di esplosivo per frantumare la roccia ricca di ferro a tappe. Il problema è che le onde d’urto generate da queste esplosioni non si arrestano ordinatamente dove vorrebbero i minatori. Possono propagarsi attraverso la roccia, attraversare cavità riempite e raggiungere uno strato inferiore che può contenere metalli rari come tantalio, niobio o indio. Se questo giacimento profondo viene incrinato o allentato eccessivamente, il metallo può andare perso, diluirsi o diventare non sicuro da estrarre in seguito.

Costruire una miniera virtuale al computer

Invece di testare ogni piano di brillamento in una miniera reale — operazione rischiosa, costosa e difficile da misurare — i ricercatori hanno costruito un modello tridimensionale dettagliato sulla piattaforma di simulazione ANSYS/LS-DYNA. In questa miniera digitale hanno rappresentato esplosivi, aria, roccia e materiale di riempimento e li hanno lasciati interagire come avverrebbe in un’esplosione reale. Il modello includeva un giacimento superiore di minerale di ferro contenente i fori di esplosione, uno strato orizzontale protettivo di roccia e riempimento al di sotto, e un giacimento inferiore di terre rare che doveva rimanere intatto. Variando soltanto lo spessore dello strato protettivo — da 0,5 metri a 3,0 metri in sei step — hanno potuto osservare come cambiavano l’intensità e la diffusione delle onde d’urto e quanto si muoveva o si incrinava il giacimento inferiore.

Osservare le onde d’urto viaggiare e attenuarsi

Le simulazioni hanno mostrato come si svolge il brillamento in millesimi di secondo. Entro 1–3 millisecondi l’onda d’urto esplosiva si propaga verso l’esterno dai fori di perforazione; intorno ai 3 millisecondi raggiunge il confine tra il minerale di ferro e quello di terre rare. Verso i 7 millisecondi l’onda si accumula in questo punto, formando una zona di alta pressione. Dopo 14 millisecondi l’energia si è propagata più in profondità e si è indebolita. Il risultato chiave è che più è spesso lo strato protettivo, più l’onda d’esplosione viene ritardata e più la sua intensità si riduce prima di raggiungere il minerale raro. Quando lo strato protettivo è spesso solo 0,5 o 1,0 metro, la pressione di picco nel giacimento di terre rare supera la resistenza nota della roccia e il movimento simulato della superficie rocciosa è sufficientemente grande da essere considerato un danno grave e irreversibile.

Trovare la zona buffer sicura

Quando lo strato protettivo viene portato a 1,5 metri o oltre, lo scenario cambia. La pressione di picco che arriva al giacimento di terre rare rimane al di sotto della sua resistenza alla frantumazione e i piccoli movimenti della superficie rocciosa rientrano in un intervallo che gli ingegneri classificano come danno lieve. Tracciando i valori di sforzo lungo percorsi scelti nel modello, il team ha potuto disegnare una curva chiara che collega lo spessore dello strato protettivo all’intensità dell’esplosione. Questa analisi ha mostrato una tendenza forte e coerente: ogni aumento di spessore riduce nettamente lo sforzo, e 1,5 metri rappresentano un punto di svolta in cui il giacimento profondo passa dall’essere a rischio di cedimento a essere efficacemente schermato.

Cosa significa per l’estrazione futura

Per la miniera specifica studiata — e per operazioni simili che fanno brillare rocce ricche di ferro sopra depositi sensibili di terre rare — il lavoro fornisce una regola pratica: lasciare almeno 1,5 metri di materiale protettivo solido tra la zona di detonazione e il minerale raro sottostante. Questo cuscinetto è sufficiente per mantenere il giacimento profondo in gran parte intatto consentendo comunque un’estrazione efficiente dello strato superiore. Mostrando come le simulazioni digitali possano catturare questi eventi rapidi e violenti e tradurli in semplici parametri di progetto, lo studio offre una tabella di marcia per le miniere di tutto il mondo per recuperare metalli essenziali in modo più sicuro e con meno sprechi.

Citazione: 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

Parole chiave: miniera sotterranea, sicurezza degli esplosivi, minerale di terre rare, simulazione numerica, strato roccioso protettivo