Analys av påverkan från vertikal djuphålssprängning i botten av hålet på det underliggande malmlagret baserat på LS-DYNA numerisk simulering

Skydda den dolda skatten under marken

Modern teknik, från smartphones till vindturbiner, är beroende av sällsynta metaller som ligger djupt under markytan. När gruvor borrar sig allt djupare för att nå dessa strategiskt viktiga resurser måste de spränga berg utan att oavsiktligt förstöra det värdefulla malmet under. Denna studie undersöker hur man kan initiera kraftiga sprängladdningar i ett överliggande malmlager samtidigt som ett djupare, mer värdefullt malmförekomst bevaras — och fastställer hur mycket skyddande berg som behöver lämnas emellan.

Varför sprängning hotar sällsynta metaller

Många större gruvor övergår från dagbrott till underjordiska tunnlar i takt med att grunda fyndigheter tar slut och miljöreglerna skärps. En vanlig teknik använder långa, vertikala borrhål som fylls med sprängladdningar för att bryta järnrik bergstöt i etapper. Problemet är att stötvågorna från dessa explosioner inte stannar exakt där man vill. De kan färdas genom berget, över igenfyllda håligheter och in i ett lägre skikt som kan innehålla sällsynta metaller som tantal, niob eller indium. Om detta djupare malmlager spricks eller förlorar sin sammanhållning för mycket kan metallen gå förlorad, späda ut fyndigheten eller bli svår och osäker att bryta senare.

Bygga en virtuell gruva i datorn

I stället för att testa varje sprängplan i en verklig gruva—vilket vore riskfyllt, dyrt och svårt att mäta—byggde forskarna en detaljerad tredimensionell modell i ANSYS/LS-DYNA-simuleringsplattformen. I denna digitala gruva representerade de sprängämnen, luft, berg och återfyllnadsmaterial och lät dem interagera som de skulle under en verklig sprängning. Modellen inkluderade ett övre järnmalmslager med spränghålen, ett horisontellt skyddande lager av berg och återfyllnad under det, samt ett underliggande sällsynt jordartsmalmskikt som måste förbli intakt. Genom att enbart variera tjockleken på det skyddande lagret—från 0,5 meter till 3,0 meter i sex steg—kunde de observera hur styrkan och utbredningen av stötvågorna förändrades och hur mycket det underliggande malmlagret förflyttades eller sprack.

Observera hur stötvågor färdas och avtar

Simulationerna visade hur sprängningen utvecklar sig under tusendelar av en sekund. Inom 1 till 3 millisekunder skjuter den explosiva stötvågen ut från borrhålen; vid omkring 3 millisekunder når den gränsytan mellan järnmalmen och den sällsynta malmen. Runt 7 millisekunder byggs vågen upp vid denna gräns och bildar en zon med högt tryck. Efter 14 millisekunder har energin spridits djupare och försvagats. Huvudresultatet är att ju tjockare det skyddande lagret är, desto mer fördröjs stötvågen och desto mer minskar dess styrka innan den når den sällsynta malmen. När det skyddande lagret bara är 0,5 eller 1,0 meter tjockt överskrider peaktrycket i den sällsynta malmen bergets kända hållfasthet, och den simulerade rörelsen i bergytan är tillräckligt stor för att räknas som allvarlig, oåterkallelig skada.

Hitta den säkra buffertzonen

När det skyddande lagret ökades till 1,5 meter eller mer förändrades bilden. Peaktrycket som når den sällsynta malmen höll sig under dess krossstyrka och de små rörelserna i bergytan hamnade i ett intervall som ingenjörer klassar som endast lindrig skada. Genom att följa spänningsvärden längs noga utvalda banor i modellen kunde teamet dra en tydlig kurva som kopplade tjockleken på det skyddande lagret till sprängintensiteten. Denna analys visade en stark, konsekvent trend: varje extra tjockleksenhet minskar spänningen kraftigt, och 1,5 meter markerar en vändpunkt där det djupare malmet skiftar från att vara i riskzonen för brott till att vara effektivt skyddat.

Vad detta betyder för framtidens gruvdrift

För den specifika gruvan som studerades—och för liknande verksamheter som spränger järnrik bergmassa ovan känsliga fyndigheter av sällsynta jordartsmetaller—ger arbetet en praktisk tumregel: lämna minst 1,5 meter fast skyddsmaterial mellan sprängzonen och den underliggande sällsynta malmen. Denna buffert räcker för att hålla det djupare malmet i stort sett intakt samtidigt som man ändå möjliggör effektiv utvinning av det överliggande lagret. Genom att visa hur digitala simuleringar kan fånga dessa snabba, våldsamma skeenden och omvandla dem till enkla konstruktionsvärden erbjuder studien en färdplan för gruvor världen över att utvinna viktiga metaller säkrare och med mindre avfall.

Citering: 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

Nyckelord: underjordisk gruvdrift, sprängsäkert arbete, sällsynta jordartsmetaller, numerisk simulering, skyddande berglager