LS-DYNA数値シミュレーションに基づく、孔底での垂直深孔爆破が下位鉱体に与える影響の解析

地下の秘宝を守る

スマートフォンから風力タービンまで、現代技術は地下深くに眠る希少金属に依存しています。鉱山がこうした戦略的資源を得るためにより深く掘り進めるにつれ、上層の岩石を爆破しても下位にある貴重な鉱石を誤って破壊しないようにする必要があります。本研究は、上位の鉱床で強力な爆破を行いながら、より深い希少鉱体を安全に保つ方法を探り、両者の間にどれだけの保護岩を残す必要があるかを明らかにします。

なぜ爆破が希少金属を脅かすのか

浅い鉱床が枯渇し、環境規制が厳しくなる中で、多くの大規模鉱山は露天掘りから地下トンネルへ移行しています。一般的な手法の一つに、長い垂直穿孔に起爆薬を詰めて段階的に鉄分を含む岩石を破砕する方法があります。しかし問題は、爆発で生じる衝撃波が鉱夫の意図する範囲で止まらないことです。それらは岩盤や埋め戻された空洞を通って下位層に伝播し、タンタル、ニオブ、インジウムなどの希少金属を含む鉱体に到達することがあります。深い鉱体が亀裂や緩みを生じると、金属が失われる、希釈される、あるいは後の採掘で安全に取り出せなくなるおそれがあります。

コンピュータ内に作る仮想鉱山

実際の鉱山であらゆる爆破計画を試すことは危険で高価、かつ計測が難しいため、研究者たちはANSYS/LS-DYNAシミュレーションプラットフォーム上に詳細な三次元モデルを構築しました。このデジタル鉱山では、爆薬、空気、岩石、埋戻し材を表現し、実際の爆破時に互いに作用する様子を再現しています。モデルは、爆孔を含む上位の鉄鉱床、その下の水平な保護層（岩盤と埋戻し材）、そして損傷を受けてはならない下位の希土類鉱体で構成されます。保護層の厚さだけを0.5メートルから3.0メートルまで6段階で変化させることで、衝撃波の強さと広がり、下位鉱体の変位や亀裂の発生を観察しました。

衝撃波の伝播と減衰の観察

シミュレーションは爆発が千分の一秒単位で展開する様子を示しました。爆薬からの衝撃は1～3ミリ秒以内に外向きに急速に広がり、約3ミリ秒で鉄鉱床と希土類鉱床の境界に到達します。約7ミリ秒では、境界で波が蓄積して高圧の領域を形成します。14ミリ秒後にはエネルギーがさらに深部に拡散して弱まります。重要な発見は、保護層が厚いほど衝撃波の到達が遅れ、その強度が下位鉱体に届く前に大きく低下するという点です。保護層が0.5メートルまたは1.0メートルしかない場合、希土類鉱体での最大圧力が岩石の既知の強度を超え、地表のシミュレートされた変位は重大で不可逆的な損傷と見なせるほど大きくなります。

安全な緩衝帯の見つけ方

保護層の厚さを1.5メートル以上にすると状況は変わります。希土類鉱体に到達するピーク圧力は破砕強度を下回り、岩盤表面の微小な変位はエンジニアが「軽度の損傷」と分類する範囲に収まります。モデル内の適切に選んだ経路に沿って応力値を追跡することで、保護層厚と爆破強度を結ぶ明確な曲線を描くことができました。この解析は一貫した強い傾向を示しており、厚さが1段階増すごとに応力が急激に低下し、1.5メートルが下位鉱体が破壊の危険から効果的に保護される転換点であることを示しています。

今後の採鉱への示唆

本研究で扱った特定の鉱山、及び上位の鉄を多く含む岩を下位の敏感な希土類鉱床の上で爆破する類似の作業に対して、本研究は実用的な経験則を提供します：爆破域と下位希土類鉱石の間に少なくとも1.5メートルの堅固な保護材を残すこと。これだけの緩衝があれば、下位鉱体を大部分無傷のままに保ちながら上位層の効率的な採掘が可能です。デジタルシミュレーションがこうした急速で激しい事象を捉え、単純な設計数値へと落とし込めることを示すことで、本研究は世界中の鉱山が重要金属をより安全かつ廃棄物を減らして回収するための道筋を示しています。

引用: 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

キーワード: 地下採鉱, 爆破の安全性, 希土類鉱石, 数値シミュレーション, 保護岩層