基于LS-DYNA数值模拟的孔底竖向深孔爆破对下部矿体影响分析

保护地下的隐蔽财富

从智能手机到风力发电机，现代技术都依赖埋藏于地下深处的稀有金属。随着矿山为获取这些战略资源而不断加深开采，必须在爆破岩体时避免无意中破坏下方的贵重矿体。本研究探讨如何在上部矿层进行强力炸裂的同时保护下方更稀有的矿体，并确定两者之间需要保留多少保护岩层。

为什么爆破会威胁稀有金属

随着浅部矿床枯竭和环境规范收紧，许多大型矿山正从地表露天开采转向地下巷道。常用的一种技术是在长而竖直的钻孔内装填炸药分段爆破以破碎富铁岩体。问题在于，爆炸产生的冲击波并不会在期望的位置恰好停止。它们可以穿过岩体、越过回填的空腔并传入可能含有钽、铌或铟等稀有金属的下部层位。如果该深部矿体被开裂或松动过度，金属可能丢失、被稀释或在以后开采时变得不安全。

在计算机中构建虚拟矿山

研究者没有在真实矿山中逐一试验每种爆破方案——那样既危险又昂贵且难以测量——而是在ANSYS/LS-DYNA仿真平台上建立了一个详细的三维模型。在这个数字化矿山中，他们用模型表示炸药、空气、岩石和回填材料，并允许这些介质在爆破过程中相互作用。模型包含装有爆孔的上部铁矿体、其下方的水平保护层（岩石与回填）以及必须保持完整的下部稀土矿体。通过仅改变保护层厚度——在0.5米到3.0米间分六个步骤——他们能够观察爆波强度和传播范围的变化，以及下部矿体的位移或破裂程度。

观察冲击波的传播与衰减

模拟显示爆破过程在毫秒以及更短时间尺度上的演化。在1到3毫秒内，炸药的冲击从钻孔向外扩散；到约3毫秒时，它到达铁矿与稀土矿的边界。大约在7毫秒时，波在该边界处累积，形成高压区。到14毫秒后，能量已向更深处扩散并被削弱。关键发现是，保护层越厚，冲击波到达下部矿体的时间越滞后、强度在到达前衰减越多。当保护层仅为0.5或1.0米时，传入稀土矿的峰值压力超过了岩石已知的强度，模拟得到的岩面位移足以被视为严重且不可逆的损伤。

确定安全缓冲带

当保护层增至1.5米或更厚时，情况发生了变化。到达稀土矿的峰值压力保持在其抗压强度以下，且岩面产生的微小位移属于工程上判定的轻微损伤范围。通过沿模型中精心选定的路径追踪应力值，研究团队绘制出保护层厚度与爆破强度之间的清晰曲线。该分析显示出一个强烈且一致的趋势：每增加一段厚度，应力显著下降，而1.5米是一个临界点，标志着深部矿体从有破坏风险转向被有效屏蔽。

对未来采矿的意义

对于本研究中所考察的具体矿山——以及类似在敏感稀土层上方爆破富铁岩体的作业——该工作给出了一个实用经验法则：在爆破区与下伏稀土矿之间至少保留1.5米的完整保护材料。该缓冲足以在允许高效开采上层矿体的同时，保持下部矿体基本完整。通过展示数值模拟如何捕捉这些快速且剧烈的事件并将其转化为简单的设计参数，研究为全球矿山更安全、减少浪费地回收关键金属提供了一条可行路径。

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

关键词: 地下采矿, 爆破安全, 稀土矿, 数值模拟, 保护岩层