Analyse van de invloed van verticaal diepe gatontploffen op de onderliggende ertslager gebaseerd op LS-DYNA numerieke simulatie

Bescherm het verborgen goud onder de grond

Moderne technologie, van smartphones tot windturbines, is afhankelijk van zeldzame metalen die diep onder de grond liggen. Naarmate mijnen dieper graven om deze strategische bronnen te bereiken, moeten ze gesteente opblazen zonder per ongeluk het waardevolle ertslagen eronder te verpulveren. Deze studie onderzoekt hoe krachtige explosieven in een bovenste ertslagen kunnen worden ontstoken terwijl een dieper, zeldzamer ertslagen intact blijft — en bepaalt hoeveel beschermend gesteente tussen beide moet worden achtergelaten.

Waarom sprengen zeldzame metalen in gevaar brengt

Veel grote mijnen schakelen over van dagbouw naar ondergrondse tunnels nu ondiepe afzettingen opraken en milieuregels strenger worden. Een veelgebruikte techniek gebruikt lange, verticale boorgaten die gevuld zijn met explosieven om ijzerhoudend gesteente in fasen te breken. Het probleem is dat de schokgolven van deze explosies zich niet netjes beperken tot de gewenste plek. Ze kunnen door het gesteente, over opgevulde holtes en in een lager gelegen laag met zeldzame metalen zoals tantaal, niobium of indium reizen. Als dit diepere ertslagen te veel barst of loskomt, kan het metaal verloren gaan, verdund raken of later onveilig of onrendabel worden om te winnen.

Een virtuele mijn bouwen in de computer

In plaats van elk sprengplan in een echte mijn te testen — wat riskant, duur en moeilijk meetbaar zou zijn — bouwden de onderzoekers een gedetailleerd driedimensionaal model op het ANSYS/LS-DYNA simulatieplatform. In deze digitale mijn werden explosieven, lucht, gesteente en opvulmateriaal weergegeven en konden ze met elkaar interacteren zoals bij een echte ontploffing. Het model omvatte een bovenste ijzerertslichaam met de blastholes, een horizontale beschermlaag van gesteente en opvulling eronder, en een lager gelegen zeldzame-aardlagen die intact moest blijven. Door alleen de dikte van de beschermlaag te variëren — van 0,5 meter tot 3,0 meter in zes stappen — konden zij observeren hoe de sterkte en verspreiding van de schokgolven veranderden en hoeveel het onderste ertslagen bewoog of barstte.

Schokgolven zien reizen en afnemen

De simulaties toonden hoe de explosie zich in duizendsten van een seconde ontvouwt. Binnen 1 tot 3 milliseconden schiet de explosieschok vanuit de boorgaten naar buiten; rond 3 milliseconden bereikt hij de grens tussen het ijzererts en het zeldzame-aardesysteem. Rond 7 milliseconden stapelt de golf zich op bij deze grens en vormt een zone met hoge druk. Na 14 milliseconden heeft de energie zich verder verspreid en verzwakt. De belangrijkste bevinding is dat hoe dikker de beschermlaag, hoe meer de schokgolf vertraagt en hoe meer de kracht afneemt voordat deze het zeldzame ertslagen bereikt. Wanneer de beschermlaag slechts 0,5 of 1,0 meter dik is, overschrijdt de piekdruk in het zeldzame ertslagen de bekende sterkte van het gesteente, en is de gesimuleerde beweging van het rotsoppervlak groot genoeg om als ernstige, onomkeerbare schade te gelden.

Het veilige buffergebied bepalen

Wanneer de beschermlaag wordt vergroot tot 1,5 meter of meer, verandert het beeld. De piekdruk die het zeldzame ertslagen bereikt blijft onder zijn vergruizingssterkte en de kleine bewegingen van het rotsoppervlak vallen binnen een bereik dat ingenieurs als slechts lichte schade classificeren. Door spanningswaarden langs zorgvuldig gekozen paden door het model te volgen, kon het team een duidelijke curve tekenen die de dikte van de beschermlaag koppelt aan de intensiteit van de explosie. Deze analyse liet een sterke, consistente trend zien: elke extra laagdikte vermindert de spanning sterk, en 1,5 meter markeert een kantelpunt waarbij het diepere ertslagen verschuift van risico op falen naar effectief afgeschermd zijn.

Wat dit betekent voor toekomstige mijnbouw

Voor de specifieke mijn die bestudeerd is — en voor vergelijkbare operaties die ijzerhoudend gesteente boven gevoelige zeldzame-aardlagen opblazen — levert het onderzoek een praktische vuistregel: laat minstens 1,5 meter solide beschermend materiaal tussen de sprengzone en het onderliggende zeldzame ertslagen. Die buffer is voldoende om het diepere ertslagen grotendeels intact te houden, terwijl nog steeds efficiënte winning van de bovenste laag mogelijk blijft. Door te laten zien hoe digitale simulaties deze snelle, gewelddadige gebeurtenissen kunnen vastleggen en omzetten in eenvoudige ontwerpcijfers, biedt de studie een routekaart voor mijnen wereldwijd om essentiële metalen veiliger en met minder verspilling terug te winnen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: ondergrondse mijnbouw, sprengveiligheid, zeldzame aarde ertsen, numerieke simulatie, beschermende rotslaag