Analiza wpływu pionowego głębokiego wiercenia z materiałem wybuchowym na dnie otworu na dolne złoże rudy na podstawie symulacji numerycznej LS-DYNA

Ochrona ukrytego skarbu pod ziemią

Współczesna technologia, od smartfonów po turbiny wiatrowe, zależy od rzadkich metali ukrytych głęboko pod ziemią. W miarę jak kopalnie drążą coraz głębiej, by dotrzeć do tych strategicznych surowców, muszą rozłupywać skały bez przypadkowego rozkruszania cennej rudy leżącej poniżej. Niniejsze badanie analizuje, jak odpalać silne ładunki wybuchowe w górnej warstwie rudy, jednocześnie chroniąc głębiej położone, rzadsze złoże — i określa, ile materiału ochronnego trzeba pozostawić pomiędzy nimi.

Dlaczego strzelanie zagraża rzadkim metalom

Wiele dużych kopalni przechodzi z odkrywkowego wydobycia do tuneli podziemnych, ponieważ płytkie złoża wyczerpują się, a przepisy środowiskowe się zaostrzają. Powszechną techniką jest stosowanie długich, pionowych otworów wiertniczych wypełnionych ładunkami wybuchowymi, które rozdrabniają bogatą w żelazo skałę etapami. Problem polega na tym, że fale uderzeniowe z tych wybuchów nie zatrzymują się dokładnie tam, gdzie by tego chciano. Mogą przenikać przez skałę, przez zasypane komory i docierać do niższej warstwy, która może zawierać rzadkie metale, takie jak tantale, niob czy ind. Jeśli to dolne złoże zostanie popękane lub nadmiernie rozluźnione, metal może zostać utracony, rozcieńczony lub uczyniony niebezpiecznym do dalszego wydobycia.

Budowanie wirtualnej kopalni w komputerze

Zamiast testować każdy plan strzału w rzeczywistej kopalni — co byłoby ryzykowne, kosztowne i trudne do zmierzenia — badacze stworzyli szczegółowy trójwymiarowy model na platformie symulacyjnej ANSYS/LS-DYNA. W tej cyfrowej kopalni odwzorowali ładunki wybuchowe, powietrze, skałę i materiał zasypowy oraz pozwolili, by oddziaływały ze sobą tak jak podczas rzeczywistego wybuchu. Model obejmował górne złoże rudy żelaza z otworami strzałowymi, poziomą warstwę ochronną ze skały i zasypki poniżej oraz dolne złoże metali ziem rzadkich, które musi pozostać nienaruszone. Zmieniając jedynie grubość warstwy ochronnej — od 0,5 metra do 3,0 metrów w sześciu krokach — obserwowano, jak zmieniają się intensywność i rozprzestrzenianie fal uderzeniowych oraz jak bardzo porusza się lub pęka dolne złoże.

Obserwacja przemieszczania i tłumienia fal uderzeniowych

Symulacje pokazały, jak wybuch rozwija się w ciągu tysięcznośnych części sekundy. W ciągu 1–3 milisekundy fala uderzeniowa rozchodzi się od otworów wiertniczych; około 3 milisekundy dociera do granicy między rudą żelaza a rudą ziem rzadkich. Około 7 milisekundy fala gromadzi się przy tej granicy, tworząc strefę wysokiego ciśnienia. Po 14 milisekundach energia rozprzestrzeniła się głębiej i osłabła. Kluczowe odkrycie jest takie: im grubsza warstwa ochronna, tym bardziej opóźniona i stłumiona jest fala uderzeniowa zanim dotrze do rzadkiej rudy. Przy warstwie ochronnej wynoszącej tylko 0,5 lub 1,0 metra maksymalne ciśnienie w rudzie ziem rzadkich przekracza znaną wytrzymałość skały, a symulowane przemieszczenia powierzchni skalnej są na tyle duże, że można je uznać za poważne, nieodwracalne uszkodzenia.

Wyznaczanie bezpiecznej strefy buforowej

Gdy warstwa ochronna zwiększa się do 1,5 metra lub więcej, obraz ulega zmianie. Maksymalne ciśnienie docierające do rzadkiej rudy pozostaje poniżej jej wytrzymałości kruszenia, a niewielkie przemieszczenia powierzchni skalnej mieszczą się w zakresie klasyfikowanym przez inżynierów jako jedynie drobne uszkodzenia. Śledząc wartości naprężeń wzdłuż starannie dobranych ścieżek w modelu, zespół narysował wyraźną krzywą łączącą grubość warstwy ochronnej z intensywnością wybuchu. Analiza wykazała silny, spójny trend: każdy dodatkowy centymetr grubości znacząco obniża naprężenia, a 1,5 metra jest punktem przełomowym, w którym głębsze złoże przestaje być narażone na uszkodzenie, a zaczyna być skutecznie chronione.

Co to oznacza dla przyszłego górnictwa

Dla konkretnej badanej kopalni — i dla podobnych zakładów, które detonują skałę bogatą w żelazo nad wrażliwymi złożami metali ziem rzadkich — praca dostarcza praktycznej reguły: pozostawić co najmniej 1,5 metra zwartego materiału ochronnego między strefą wybuchu a zalegającą niżej rzadką rudą. Taki bufor wystarcza, by głębsze złoże pozostało w dużej mierze nienaruszone, przy jednoczesnym umożliwieniu efektywnego wydobycia warstwy górnej. Pokazując, jak symulacje cyfrowe potrafią uchwycić te szybkie, gwałtowne zjawiska i przekształcić je w proste wartości projektowe, badanie oferuje mapę drogową dla kopalni na całym świecie, pozwalając odzyskiwać kluczowe metale bezpieczniej i z mniejszym odpadem.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: górnictwo podziemne, bezpieczeństwo strzałów, ruda metali ziem rzadkich, symulacja numeryczna, warstwa ochronna skały