Анализ влияния вертикального подскважинного взрыва в днище скважины на нижнее рудное тело на основе численного моделирования в LS-DYNA

Защищая скрытые сокровища под землей

Современные технологии — от смартфонов до ветряных турбин — зависят от редких металлов, залегающих глубоко под землей. По мере того как шахты углубляются для добычи этих стратегических ресурсов, необходимо подрывать породу, не разрушая при этом ценные рудные тела внизу. В этом исследовании рассматривается, как инициировать мощные взрывчатые работы в верхнем слое руды, сохранив при этом целостность более глубокого, более редкого рудного тела, и определяется, какой толщины защитный слой нужно оставить между ними.

Почему взрывы ставят под угрозу редкие металлы

Многие крупные шахты переходят от карьеров к подземной разработке по мере истощения мелководных залежей и ужесточения экологических требований. Распространённый метод предполагает использование длинных вертикальных буровых скважин, заполненных взрывчатым веществом для послойного дробления железосодержащей породы. Проблема в том, что ударные волны от таких взрывов не останавливаются аккуратно там, где этого хотят горняки. Они могут распространяться через породу, по заполненным выработкам и достигать нижнего слоя, содержащего редкие металлы — например, тантал, ниобий или индий. Если более глубокая рудная тела будет слишком сильно потрескана или расшатана, металл может быть утраченно, разожжён или станет небезопасным для последующей разработки.

Построение виртуальной шахты в компьютере

Вместо того чтобы испытывать каждый вариант взрывных схем в реальной шахте — что было бы рискованно, дорого и трудно измеримо — исследователи создали детализированную трёхмерную модель на платформе ANSYS/LS-DYNA. В этой цифровой шахте они смоделировали взаимодействие взрывчатки, воздуха, горной породы и обратной засыпки так, как оно происходит при реальном взрыве. Модель включала верхнее железорудное тело с подскважинными зарядами, горизонтальный защитный слой из породы и засыпки под ним, и нижнее рудное тело редкоземельных элементов, которое должно оставаться неповреждённым. Меняя только толщину защитного слоя — от 0,5 до 3,0 метров в шесть шагов — исследователи отслеживали, как меняется мощность и распространение ударных волн и насколько смещается или трескается нижнее рудное тело.

Наблюдение за распространением и затуханием ударных волн

Моделирование показало развитие взрыва в течение тысячных долей секунды. В интервале 1–3 миллисекунды ударная волна расходится от скважин; примерно к 3 миллисекунде она достигает границы между железной и редкоземельной рудами. Около 7 миллисекунды волна накапливается у этой границы, формируя зону высокого давления. После 14 миллисекунд энергия ушла глубже и ослабла. Ключевой вывод: чем толще защитный слой, тем сильнее задерживается волна и тем больше снижается её энергия до достижения редкой руды. При толщине защитного слоя всего 0,5–1,0 м пиковое давление в редкой руде превышает прочность породы, а моделируемые смещения её поверхности достаточны, чтобы считаться серьёзным, необратимым повреждением.

Определение безопасной буферной зоны

При увеличении защитного слоя до 1,5 метра и более картина меняется. Пиковое давление, приходящее к редкой руде, остаётся ниже её прочности на дробление, а незначительные смещения поверхности породы укладываются в диапазон, который инженеры классифицируют как лёгкие повреждения. Прослеживая значения напряжений вдоль специально выбранных путей в модели, команда вывела чёткую зависимость между толщиной защитного слоя и интенсивностью взрыва. Анализ показал устойчивую тенденцию: каждое добавленное значение толщины резко снижает напряжения, и 1,5 метра является переломным моментом, при котором глубокая руда переходит от состояния риска разрушения к эффективной защите.

Что это означает для будущей добычи

Для конкретной рассматриваемой шахты — и для аналогичных объектов, где подрывают железосодержащую породу над чувствительными залежами редкоземельных элементов — работа даёт практическое правило: оставлять как минимум 1,5 метра сплошного защитного материала между зоной взрыва и нижней рудой. Такой буфер достаточен, чтобы сохранить глубокую руду в основном нетронутой, одновременно позволяя эффективно разрабатывать верхний слой. Показав, как цифровые симуляции фиксируют эти быстрые и динамичные процессы и превращают их в простые проектные показатели, исследование предлагает дорожную карту для шахт по всему миру, позволяющую добывать важные металлы более безопасно и с меньшими потерями.

Цитирование: 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

Ключевые слова: подземная разработка, безопасность взрывных работ, редкоземельная руда, численное моделирование, защитный слой горной породы