Геотехнологический способ добычи полезных ископаемых это
Сущность геотехнологических методов заключается в переводе полезного ископаемого в подвижное состояние. Эти методы имеют следующие особенности:
1. Разработка месторождений ведется через скважины
2. Месторождение – объект добычи полезного ископаемого и место его частичной переработки, так как технология добычи предусматривает избирательное извлечение.
3. Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или его носители, вводимые в рабочую зону; например, химические растворы, электрический ток, вода-теплоноситель).
4. Под воздействием рабочих агентов ПИ изменяет агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают легкой подвижностью и начинают перемещаться.
5. Разработка месторождения зональна и перемещается во времени у добычных скважин, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны в эксплуатируемой части месторождения
6. Управление процессом осуществляется с поверхности путем изменения параметров рабочих агентов (расход, температура, давление, концентрация и т.д.) и места его ввода в залежь и отбора продуктивных флюидов.
Геотехнологические методы можно классифицировать по процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние (таблица 1).
Таблица 1. Классификация геотехнологических методов по процессам добычи
Подвижное состояние полезного ископаемого | Способы перевода полезного ископаемого в подвижное состояние | ||
физические | химические | комбинированные (физико-химические и химико-бактериальные) | |
Газообразное | Воздействие температуры, давления (сублимация, перегонка) | Окисление, разложение (частичное или полное сжигание, обжиг) | Химические реакции с участием физических полей, бактериального воздействия |
Жидкое (раствор, расплав) | Воздействие температуры, давления (плавление и перегонка, нагрев) | Выщелачивание и растворение с образованием молекулярных растворов | Растворение, выщелачивание и гидрогенизация с участием физических полей, бактериального воздействия |
Гидромеханическая смесь | гидропневморазрушение | Растворение связующего вещества | Диспергирование поверхностно-активными веществами, химическими реагентами, физическими полями, бактериями |
Для геотехнологии характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов и средств бесшахтной добычи ПИ и воздействия на их параметры химическими и физическими методами в геотехнологии используются методы физики, химии, геологии и горного дела, что позволяет количественно оценить происходящие процессы и дать возможность их изучить и использовать.
В настоящее время наибольшее применение нашли следующие геотехнологические методы
1. Подземное выщелачивание.
2. Подземное растворение.
3. Подземная выплавка.
4. Подземная газификация.
5. Скважинная гидродобыча.
Также ведутся направления в изучении МГ – добыча тепла Земли, гидрогенизация угля и битумов на месте их залегания, скважинная добыча углей воздействием на них углеводородов. Использование земных недр в качестве реакторов для осуществления технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях.
Геотехнология – это наука о скважинных системах добычи энергетических, минеральных и водных ресурсов недр Земли. Она изучает физико-химические процессы добычи полезных ископаемых, средства для ее осуществления и горно-геологическую среду – геологическое строение, гидрогеологические условия, температуру, давление, физические и химические свойства горного массива и насыщающих его растворов.
Под геотехнологическими способами понимают способы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов на месте его залегания без присутствия людей.
Геотехнологический комплекс по добыче полезных ископаемых – это совокупность технологических процессов, операций и средств их реализации, обеспечивающая циклическую разработку продуктивных пластов методами геотехнологии. Такой комплекс включает в себя наземные и подземные сооружения для выполнения следующих основных технологических процессов: 1) бурение скважин, подготовка и регенерация рабочего флюида (теплоносителя, растворителя), закачиваемого в продуктивный (технологический) пласт (залежь, рудное тело); 2) перевод полезных компонентов с помощью геотехнологических процессов на месте залегания пласта (залежи) в жидкое, газообразное или диспергированное состояние и откачки (выдачи) их на поверхность; 3) переработка продуктивных флюидов (экстракция, электрохимия, сорбция, электрометаллургия, охлаждение, конденсация и др.) с отбором рабочего агента (флюида) для повторного использования в технологическом цикле.
Геотехнологические свойства полезных ископаемых – это те свойства, которые позволяют переводить полезные ископаемые в легкоподвижное состояние с помощью растворения, выщелачивания, плавления, сжижения, размыва, горения, возгонки и т.д.
Наиболее освоенные геотехнологические способы добычи полезных ископаемых: подземное выщелачивание (способ избирательного извлечения полезных ископаемых на месте их залегания с помощью химических реагентов и выдача обогащенного продукционного раствора на поверхность); подземное растворение (способ извлечения солей растворением через скважины); подземная выплавка (способ добычи твердых легкоплавких полезных ископаемых закачкой теплоносителя по скважинам в пласт и выдачей расплава на поверхность в жидком виде); подземная газификация (способ добычи твердых горючих ископаемых путем высокотемпературного перевода его в газообразное состояние); скважинная гидродобыча (способ, основанный на механическом разрушении пласта полезного ископаемого в забое скважины с помощью гидромониторных струй с последующим подъемом гидросмеси на поверхность).
В основу классификации геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых положены технологические процессы, с помощью которых добывается конечный продукт в жидком, газообразном или диспергированном состоянии. К ним относятся:
§ химические (термохимические, термические, электрометаллургические, гидрометаллургические);
§ физико-химические, относящиеся к комбинированным (гидрометаллургические с наложением на рабочий пласт электрических, электромагнитных и акустических полей);
§ гидромеханические в сочетании с гидрометаллургическими (гидродобыча руд одновременным выщелачиванием, гидрогенизация);
§ бактериально-химические, т.е. безреагентное выщелачивание и растворение металлов, солей; создание искусственных месторождений полезных ископаемых);
§ физические (термические – плавление, перегонка, испарение, конденсация, возгонка; гидромеханические – гидродобыча песка, угля, торфа и др.).
Геотехнологический объект – это сложная система, состоящая из динамически связанных между собой подсистем, каждая из которых характеризуется специфическими процессами, а именно:
§ бурением скважин, проведением горных выработок;
§ фазовым превращением полезных ископаемых в горном массиве;
§ транспортированием продуктивных флюидов из горного массива на поверхность;
§ получением из продуктивных флюидов полезных компонентов.
К основным причинам низкой организационной надежности геотехнологических систем можно отнести следующие: 1) слабая организационно-техническая подготовка производства; 2) неуправляемость отдельных технологических операций, различные отклонения от заданных режимов; 3) изменяющиеся во времени интенсивность отказов оборудования и затраты времени на его восстановление, что обусловлено постепенным износом или случайными отказами техники; 4) разброс индивидуальной производительности отдельных рабочих, различия индивидуальной производительности.
Добыча полезных ископаемыхведется через вертикальные, наклонные и ориентированные (наклонно-горизонтальные) скважины. Подача рабочих агентов (теплоносителей, растворителей, воздушного дутья) к полезному ископаемому и транспортировка продуктивных флюидов на поверхность могут производиться как по одной, так и по нескольким скважинам. При этом полезное ископаемое выдается после перевода его из твердого состояния в подвижное (миграционное): жидкое, газообразное, взвешенное. Однако неоспоримые преимущества геотехнологических способов осложняются тем, что образовавшиеся подземные полости (пустоты) заполняются обрушившимися горными породами, что вызывает в свою очередь сдвижение вышележащего массива горных пород, просадку поверхности с разрывом или без разрыва сплошности и нарушение колонн обсадных труб технологических скважин.
Влияние на сдвижение пород особенно ощутимо при геотехнологической разработке мощных пластов полезных ископаемых).
С другой стороны, агентами воздействия на продуктивные пласты являются выщелачивающие или размывающие растворы, содержащие различные по составу и концентрации химические соединения. Это создает предпосылки для загрязнения водоносных горизонтов и земной поверхности. Отсюда следует необходимость установления гидравлической взаимосвязи пласта полезного ископаемого или водоносного горизонта, к которому он приурочен, со смежными водоносными горизонтами.
Освоение геотехнологических способов добычи полезных ископаемых сводится к созданию соответствующей технологической схемы процесса. Она заключается в следующем. В продуктивном пласте бурят ряд скважин предназначенных для нагнетания рабочего агента (инъектирование теплоносителей при подземной выплавке серы или при использовании вторичных и третичных методов повышения нефтеотдачи пластов, нагнетание выщелачивающих растворов и т.д.) и для извлечения полезного компонента (угольного газа при подземной газификации, подземных термальных вод, растворенной соли и т.д.).
Способы воздействия на продуктивную залежь делят на шесть групп: импульсные (ультразвуковая, электроразрядная обработка горных пород); взрывное воздействие одиночными и групповыми зарядами, применение пороховых генераторов давления; гидроразрыв пластов; кислотная обработка; термическое воздействие на пласт; применение поверхностно-активных веществ. Возможно использование комбинированных способов воздействия на продуктивную зону: кислотный или импульсный гидроразрыв и т.п.
Из всех указанных способов воздействия на пласт широкое распространение получили наиболее простые, динамические способы. Особое место среди таких способов занимает энергия взрыва, которая позволяет не только сократить подготовительный период на выполнение тех или иных технологических операций, но и резко повысить эффективность воздействия за счет направленного изменения физического состояния горных пород.
Строительство геотехнологических комплексов начинается с бурения скважин, которые являются основными вскрывающими выработками. В продуктивный пласт по скважинам подаются специальные реагенты (техническая вода, пар, теплоноситель, кислоты, щелочи, воздух, кислород и др.) и опускается технологическое оборудование для эффективного воздействия на залежь (механическим, химическим, гидравлическим, микробиологическим, термическим и другими способами), которое обеспечивает перевод полезного ископаемого в подвижное (миграционное) состояние и извлечение на поверхность продуктивных флюидов.
Вскрытие месторождений осуществляется вертикальными, наклонными, ориентированными (наклонно-направленными) скважинами и их комбинацией, а также с использованием подземных горных выработок.
Скважины глубиной до 45-50 м относятся к мелким, 50-100 м – к неглубоким, 100-200 – средней глубины, 200-400 м – к глубоким, 400-600 м –к очень глубоким, 600-2000 м – к весьма глубоким и свыше 2000 м – к сверхглубоким. Обычно их располагают на небольшом расстоянии одна от другой: 17,5х17,5 м; 20х20 м; 40х40 м и более. Срок службы геотехнологических скважин различен – от нескольких суток (СГД) до 10-30 лет (ПРС).
Скважины бурят с начальным диаметром 490 мм (не более), 393,7; 295,3 мм и конечным 320; 215,9 (190,5) мм. Для бурения применяют буровые установки роторного типа УРБ2А-2, УРБ-3АМ, 1БА-3АМ, 1БА-15В, УБВ-600 (ПВС, СГД, ПВ), шпиндельного типа ЗИФ 1200А, УИТ-40М (ПГУ), а также тяжелые буровые установки БУ-50, БУ-75 БР, БУ-125.
Подготовка месторождения к эксплуатации – комплекс работ, включающий бурение скважин по полезному ископаемому и их обустройство, создание каналов проницаемости, увеличение приемистости скважин и доразведку геотехнологического поля.
Бурение геотехнологических скважин по пласту полезного ископаемого производят после обустройства скважины (установки обсадной колонны, тампонажа кольцевого затрубного пространства и проверки ее герметичности).
После окончания бурения по пласту полезного ископаемого скважину очищают и опускают в нее эксплуатационные колонны труб. Трубы монтируют на муфтовых, сварных и ниппельных соединениях с нанесением на резьбовые соединения специальной высококачественной смазки, которая обладает хорошими уплотнительными и противозадирочными свойствами. На поверхности монтируются технологические трубопроводы, присоединяемые к оголовкам скважин через устьевую арматуру.
Под системой разработки при геотехнологической добыче полезных ископаемых понимается схема расположения технологических скважин и определенный порядок введения их в эксплуатацию, увязанный в пространстве и во времени. Обычно полезные компоненты извлекаются из продуктивного пласта и процесс добычи управляется через технологические скважины, пробуренные с поверхности. В отдельных случаях (при подземном выщелачивании металлов) системы разработки могут быть подземными, когда вскрытие осуществляется подземными горными выработками, или комбинированными, когда продуктивный пласт вскрывают подземными горными выработками в комбинации со скважинами, пробуренными с земной поверхности.
Введение
В последнее время для добычи многих твердых полезных ископаемых (ПИ) применяют геотехнологические методы добычи с использованием буровых скважин. Они позволяют упростить и удешевить добычу, производить отработку бедных месторождений, а также месторождений, характеризующихся сложными условиями залегания. Вскрытие рудной залежи осуществляют буровыми скважинами, которые предлагается называть геотехнологическими.
Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых позволяют снизить в некоторых случаях в 2 – 4 раза капитальные затраты на строительство предприятий, повысить производительность труда по конечной продукции, сократить численность работающих. Кроме того, их применение способствует значительному улучшению условий труда и уменьшению отрицательного воздействия на окружающую среду.
Одним из геотехнологических методов является метод подземного выщелачивания (ПВ). Подземное выщелачивание ПИ, метод добычи полезного ископаемого избирательным растворением его химическими реагентами в рудном теле на месте залегания с извлечением на поверхность. ПВ применяется для добычи цветных металлов и редких элементов и др. ПВ относится к фильтрационным процессам и основано на химических реакциях «твёрдое тело – жидкость».
При ПВ проницаемых рудных тел месторождение вскрывается системой скважин, располагаемых (в плане) рядами, многоугольниками, кольцами. В скважины подают растворитель, который, фильтруясь по пласту, выщелачивает полезные компоненты. Продуктивный раствор откачивается через другие скважины (рис 1). В случае монолитных непроницаемых рудных тел залежь вскрывают подземными горными выработками, отдельные рудные блоки дробят с помощью буровзрывных работ (рис 2). Затем на верхнем горизонте массив орошают растворителем, который, стекая вниз, растворяет полезное ископаемое. На нижнем горизонте растворы собирают и перекачивают на поверхность для переработки.
Основные сведения о методе подземного выщелачивания
Подземное выщелачивание цветных металлов известно с 16 в. (Испания), в крупных промышленных масштабах метод впервые освоен на медном руднике Кананеа в Мексике (1924г) и на медноколчеданных месторождениях Урала (1939—42гг). Урановые руды разрабатываются ПВ с 1957г. ПВ применяется в ряде стран (США, СССР, Франция, Япония, ГДР и др.); в 1974г этим способом было получено 20% мировой добычи меди.
Сущность подземного выщелачивания ПИ заключается в избирательном переводе полезного компонента в жидкую фазу путем управляемого движения растворителя по руде в естественном залегании или подготовленного к растворению и подъему насыщенного металлом раствора на поверхность. С этой целью через скважины, пробуренные с поверхности в пласт полезного ископаемого нагнетается химический реагент, способный переводить минералы полезного ископаемого в растворимую форму. Раствор, пройдя часть рудного пласта, через другие скважины поднимается на поверхность и далее по трубопроводу транспортируется к установкам для переработки.
Рис. 1. Схема отработки пластовых месторождений выщелачиванием через скважины: 1 — узел приготовления растворов; 2 — нагнетательные скважины; 3 — дренажные скважины; 4 — компрессор; 5 — воздухопровод для эрлифта продуктивных растворов; 6 — коллектор для продуктивных растворов; 7 — отстойник; 8 — установка для переработки раствора.
Рис. 2. Схема подземного выщелачивания скальных руд: 1 — ёмкость для растворителя; 2 — насос; 3 — трубопровод рабочих растворов; 4 — отрабатываемый блок руды; 5 — ёмкость для сбора продуктивных растворов; 6 — насос; 7 — ёмкость для продуктивных растворов на поверхности; 8 — сорбционная установка; 9 — отстойник отработанного раствора; 10 — ёмкость для доукрепления растворов; 11 — пресс-фильтр.
Важнейшими природными предпосылками применения ПВ являются способность ПИ и его соединений переходить в раствор при воздействии на рудный пласт водного раствора выщелачивающего реагента, а также возможность фильтрации выщелачивающих растворов в породах продуктивного горизонта.
Выбор растворителя для ПВ зависит от состава руд. Наиболее широкое применение находят водные растворы кислот (серной, соляной, азотной) или соды.
ПВ применяется при добыче урановых руд, цветных и редких металлов (медь, никель, свинец, цинк, золото и др.). Имеются предпосылки использования его для добычи фосфоритов, боратов и др.
Важным фактором повышения эффективности добычи методом ПВ является правильный выбор схемы размещения технологических скважин и расстояний между ними. В практике эксплуатации месторождений в основном применяется линейная схема расположения скважин, представляющая собой чередование рядов нагнетательных и откачных скважин. Расстояния между рядами и скважинами в ряду колеблются в широких пределах (15 – 50 м и более). Наиболее широкое распространение получила схема 25х50 м.
Бактериальное выщелачивание
Бактериальное выщелачивание, избирательное извлечение химических элементов из многокомпонентных соединений посредством их растворения микроорганизмами в водной среде. Благодаря бактериальному выщелачиванию появляется возможность извлекать из руд, отходов производства и т. д. ценные компоненты (медь, уран и др.) или вредные примеси (например, мышьяк в рудах чёрных и цветных металлов). Впервые запатентовано в США (1958) применительно к извлечению меди и цинка.
Бактериальным выщелачиванием можно пользоваться при всех способах выщелачивания, не связанных с повышенными давлениями и температурой. Наиболее широко для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии: Thiobacillus ferrooxidans, способные окислять сульфидные минералы и закисное железо до окисного (так называемые железобактерии), и Th. thiooxidans (так называемые серобактерии). Тионовые бактерии являются хемоавтотрофами, т. е. единственный источник энергии для их жизнедеятельности — процессы окисления закисного железа, сульфидов различных металлов и элементарной серы. Эта энергия расходуется на усвоение углекислоты, выделяемой из атмосферы или из руды. Получаемый углерод идёт на построение клеточной ткани бактерий. Th. ferrooxidans окисляют сульфидные минералы до сульфатов прямым и косвенным путём (когда микроорганизмы окисляют сернокислое закисное железо до окисного, являющегося сильным окислителем и растворителем сульфидов):
Важнейший фактор бактериального выщелачивания — быстрая регенерация сернокислого окисного железа тионовыми бактериями (Th. ferrooxidans), что в некоторых случаях ускоряет процессы окисления и выщелачивания. Оптимальная температура для развития тионовых бактерий 25—35°C, а pH от 2 до 4. Тионовые бактерии ускоряют растворение халькопирита в 12 раз, арсенонирита и сфалерита в 7 раз, ковелина и борнита в 18 раз по сравнению с обычными химическими методами.
В значительных промышленных масштабах бактериальное выщелачивание применяется для кучного извлечения полезных ископаемых (меди и урана) из руд на месте их залегания. Например, экономически целесообразно извлекать бактериальное выщелачивание медь из забалансовых сульфидных руд. Это осуществляется водными растворами Fe2 (SO4)3 в присутствии Al2(SO4)3, FeSO4 и тионовых бактерий Th. ferrooxidans. Раствор подаётся по шлангам в скважины, пробурённые в рудном теле (рис.3); бактерии и сульфат окиси железа окисляют сульфиды меди по схеме:
В различных странах ведутся исследования по выщелачиванию с участием тионовых бактерий для извлечения мн. металлов (Zn, Со, As, Мп и др.). Ведутся работы по выявлению бактерий иных видов для извлечения др. полезных ископаемых. Например, для растворения и извлечения золота предложено использовать гетеротрофные бактерии Aeromonas, выделенные из рудничных вод золотоносных приисков.
Простота аппаратуры для бактериального выщелачивания, возможность быстрого размножения бактерий, особенно при возвращении в процесс отработанных растворов, содержащих живые организмы, открывает возможность не только резко снизить себестоимость получения ценных полезных ископаемых, но и значительно увеличить сырьевые ресурсы за счёт использования бедных, забалансовых и потерянных (например, в целиках) руд в месторождениях, отвалов из отходов обогащения, пыли, шлаков и др. В перспективе бактериальное выщелачивание открывает возможности создания полностью автоматизированных предприятий по получению металлов из забалансовых и потерянных руд непосредственно из недр Земли, минуя сложные горнообогатительные комплексы.
Рис.3. Схема подземного бактериального выщелачивания медной руды: 1 — прудок для выращивания и регенерации бактерий; 2 — насосная для перекачки бактериального раствора к руде; 3 — трубопровод; 4 — задвижка; 5 — коллектор; 6 — полиэтиленовый шланг; 7 — скважина для орошения рудного тела бактериальным раствором; 8 — орошаемый участок рудной залежи; 9 — горизонтальные горные выработки для сбора бактериального раствора, обогащенного медью; 10 — насос; 11 — отстойник для насыщенных медью растворов; 12 — цементационная ванна для получения порошкообразной меди; 13 — сушка цементной меди; 14 — транспортировка меди потребителям; 15 — компрессорная для обогащения бактериального раствора кислородом.
Добыча урана методом подземного выщелачивания
В современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд (исключения составляют канадские месторождения несогласия, где концентрация урана доходит до 30% и австралийских с содержанием урана до 3%) используется способ подземного выщелачивания руд. Это – один из самых рентабельных и экологически чистых способов добычи не требует ни карьеров, ни шахт. Предварительная подготовка идёт непосредственно под землёй. Способ применим в тяжелых климатических условиях и вечной мерзлоты. Технология абсолютно закрытая, герметичная. Недра практически не разрушаются и даже полностью восстанавливаются в течение нескольких лет.
Вся площадь месторождения «прокалывается» скважинами (колоннами). В одну скважину закачивается серная кислота (1-2% раствор), иногда с добавлением солей трёхвалентного железа (для окисления урана U(IV) до U(VI)), хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление). Идёт процесс выщелачивания урана. Через другую скважину продуктивный раствор с помощью насоса извлекается наверх. Далее он непосредственно поступает на сорбционное, гидрометаллургическое извлечение и одновременное концентрирование урана.
Метод подземного скважинного выщелачивания является наиболее привлекательным способом добычи урана с точки зрения упрощенности технологических операций. При данном методе не происходит изменения геологического состояния недр, так как не производится выемка горнорудной массы. Общая поверхность земли, занимаемая полигоном подземного выщелачивания и перерабатывающим цехом для получения 500 метрических тонн U/год U3O8, в 3-4 раза меньше площади, занимаемой типичным гидрометаллургическим заводом на эту же производительность. В процессе скважинного выщелачивания в подвижное состояние в недрах переходит и выводится на поверхность менее 5% радиоактивных элементов по сравнению со 100% при традиционных способах добычи урана. Серная кислота при контакте с породой превращается в гипс, поэтому при данной технологии не остаётся в земле элементов, которых там нет. И если и бывают какие-то размывы, то они быстро устраняются, т.к. при утечках технология не работает. Здесь отпадает необходимость строительства хвостохранилищ для хранения отходов с высоким уровнем радиации. Есть маленькие пескоотстойники, которые после завершения добычи легко рекультивировать.
Отметим, что часто природная гидрогеохимическая среда на урановых месторождениях обладает способностью к самовосстановлению от техногенного воздействия. За счет постепенного восстановления естественных окислительно-восстановительных условий происходит хоть и медленный, но необратимый процесс рекультивации подземных вод рудовмещающих водоносных горизонтов. Возможна интенсификация этого процесса, ускоряющий рекультивацию в десятки раз. Примером естественной деминерализации остаточных растворов может служить результат 13-летних наблюдений, проведенных на месторождении Ирколь (Южный Казахстан).