Извлечение полезных ископаемых из шахтных вод
Добыча полезных ископаемых из вод складывается из бурения и оборудования добычных скважин, откачки вод, технологии извлечения изних полезных компонентов, сброса и захоронения или утилизации отработанных вод.
Успех разработки месторождений гидроминерального сырья определяется физико-геологическими условиями залегания вод и концентрацией полезных компонентов.
Добыча минерализованных вод имеет много общего с нефтедобычей.Месторождения вскрываются системой скважин, оборудованных фонтанной арматурой (при самоизливе) или насосами. Добыча может эффективно вестись с поддержанием пластового давления путем подачи в залежь отработанных вод, что обеспечивает одновременное решение задачинтенсификации добычи и сброса отработанной веды.
В переработке добытых вод используются три основных технологических направления:
· галургическая схема переработки рассолов с многостадийной упаркой (подгалургическим методом понимают получение солей при помощи последовательных процессов растворения и кристаллизации);
· схема, использующая осадительные методы, сорбцию, экстракцию и концентрирование упариванием;
· схема селективного извлечения микрокомпонентов без извлечения основных солей.
Выбор схемы переработки зависит от минерального состава вод, потребностей в продукции и экологических требований.
На сегодня мировое производство йода оценивается в 15-20 тыс.т/год, в России же сейчас производят только 200 т/год, при потребностидо 800 т/год. Мировое производство брома около 450 тыс.т/год, а потребность России достигает 20 тыс. т/год. Производство брома организованона АО «Галоген» – 2 тыс. т/год.Разведанное Астраханское газо-конденсатное месторождение подземных вод способно обеспечить Россию бором, йодом. Не менее богатыбромом, стронцием, калием, и литием Оренбургское газоконденсатноеместорождение и подошвенные воды севера Тюменьских газовых месторождений.
В последние годы ООО «НПЦ Подземгидроминерал» выполнил оценку термальных георесурсов с оценкой их гидроминерального состава, которая показала целесообразность их использования не только как источник теплового потенциала.
В настоящее время ведутся разработки новых технологий переработкигидроминеральното сырья, потребность в которых чрезвычайно велика,так как их отсутствие сдерживает освоение гидроминеральных ресурсовстраны и не позволяет ликвидировать дефицит производства многих редких элементов.
ДОБЫЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ЗЕМЛИ
Общие представления о тепле Земли
Тепло Земли, или общее теплосодержание нашей планеты нетруднооценить, учитывая значение ее массы и усредняя температуру, которую вцентре внутреннего ядра можно принять равной 4500°С (Е.А. Любимова).Фактически потенциал геотермальной энергии можно признать практически неисчерпаемым.
Принято считать, что строение Земли – это литосфера до глубины150 км, представленная силикатами и окислами, а ядро – расплав железа.Есть и другое представление-о ядре Земли. Вернадский В.И. и Ларин В.И.считают, что в верхней его части (150-2300 км) присутствуют сплавы исоединения кремния, марганца и железа, ниже располагаются металлы срастворённым в них водородом, а глубже гидриды металлов.
Известно, что металлы способны растворять в одном объёме тысячиобъёмов водорода. Химическая реакция взаимодействия водорода с металлами образует качественно новое соединение – гидрид. При определенных изменениях давления и температуры происходит дегазация сплавов. Удаляясь от центра Земли, водород диффундирует к поверхности. Наэтом процессе основана одна из гипотез образования воды и месторождений нефти и газов. Обсуждается также гипотеза, что отработанные нефтяные месторождения со временем можно будет отрабатывать повторно.
Водород- ценное энергетическое сырьё. Его можно получить электролизом воды, но при этом затраты на его получение не компенсируютсяэффектом от его использования.
Заманчиво уловить движущийся к поверхности из глубин Земли водород. Но как это сделать? Промышленность освоила бурение только до10 км. Если будет разработана технология бурения на большие глубины,можно будет получить водород по одной из технологических схем подземного растворения солей или подземной выплавки серы, нагнетая в оченьглубокую скважину воду, и от ее взаимодействия с металлами (напримерMg) извлекать водород и тепло.
Изменяющиеся по сезонам года интенсивность солнечной радиации итемпература земной поверхности вызывают годовые колебания температуры верхних слоев земной коры. На глубине 20-25 м залегает нейтральный слой, а его температура, как правило, на 1-1,5 °C превышает среднегодовую температуру воздуха в конкретном районе.
Теплопроводность пород зависит в основном от их состава, плотности и типа тектонической структуры.Вследствие разнообразия геологического строения различных районов геотемпературное поле изменяется весьма неоднородно. Например, вмощной толще молодых кайнозойско-мезозойских отложений СеверногоКавказа глубина залегания изотермы 100°С (температура, удовлетворяющая требованиям теплоснабжения) в Грозном, Махачкале и других районах составляет около 2 км, даже нефть из глубоких скважин добываетсяс температурой более 100 °С. В условиях Санкт-Петербурга температура100 °С в гранито-гнейсах гарантируется лишь на глубине 3,5 км. B вулканических районах Японии граниты с температурой более 200°С залегают на глубине 2 км (район Огачи), а на некоторых участках даже на меньшихглубинах температура достигает 250°С. Еще более высокие температурыожидаются вблизи очагов вулканов. На склоне вулкана Авача, недалеко отПетропавловска-Камчатского на глубине 4 км температура будет не менее400°С.
Геотермальные ресурсы
При освоении тепла Земли добывается энергия, полученная от извлеченных на земную поверхность природных или техногенных теплоносителей. Это добытый из скважины природный пар (до 250-350 °С), термальные воды (45-150 °С), горячие рассолы (до 200-300 °С), нефтегазовыесмеси. Техногенные теплоносители – это нагнетаемые с поверхности водаили жидкости с низкой температурой кипения (углекислота, фреоны идр.), нагретые при фильтрационном теплообмене твердыми горячимипородами.
Под геотермальными ресурсами понимается часть теплосодержаниятвердой, жидкой и газообразной фаз земной коры, которую экономическицелесообразно извлечь из недр для использования.
Сотрудниками СПГГИ (ТУ) и ФГУП «Недра» предложено геотермальные ресурсы подразделить на две группы.
A. Геотермальные ресурсы естественных коллекторов – гидрогеотермальные. Они промышленно эксплуатируются фонтанными (Исландия,Венгрия, Россия, Китай и др.) и циркуляционными системами (Франция,США, Германия, Дания, Украина, Польша, Швейцария и др.).
Б. Геотермальные ресурсы слабопроницаемых горных пород.Технология их извлечения находится на экспериментальном уровне, созданы только опытные циркуляционные системы с искусственными коллекторами (Фэнтон Хилл – США, Корнуэлл – Англия, Тырныауз – Россия, Хиджиори – Япония, Баден-Вюртемберг – Германия, Солтс – Франция).
Их общий потенциал определяется как теплосодержание толщи литосферы на предельную глубину бурения.Геотермальные ресурсы мира оцениваются в 137 трлн. тонн условноготоплива (т у.т.), что в 10 раз превышает суммарные топливные ресурсыЗемли.
На территории России они на доступных глубинах (до 6 км) в 4-6раз превышают ресурсы углеводородов и по оценке СПГГИ (ТУ) составляют для нужд теплоснабжения – 57 трлн. т у.т., в том числе для отопления – 31 трлн. т у.т. Геотермальными ресурсами теплоснабжения охваченапочти вся территория России, прогнозные технически доступные ресурсыобеспечивают нужды горячего водоснабжения на 95 % территории, отопления – на 69 %, а экономически целесообразные – соответственно на88 и 55%
К сожалению, добыча геотермальной энергии эффективна только натерритории ее использования, но зато добытые геотермальные ресурсымогут обеспечить потребителя теплом и электроэнергией в трудно доступных, удаленных и неосвоенных районах.
Строительство станций геотермального теплоснабжения (СГТ) стимулирует освоение геотермальных ресурсов и обеспечивает полную автоматизацию и безопасность добычи геотермальной энергии.
Опыт показал, что добыча и использование теплоты недр на действующих зарубежных и отечественных предприятиях в благоприятных геотермических условиях экономически высоко эффективны.
Использование СГТ обеспечивает возможность отопления, индивидуального теплоснабжения жилых, производственных зданий и сооружений.
Циркуляционная технология обеспечивает замкнутый цикл оборота геотермального теплоносителя и не допускает сбросов в окружающуюсреду.
Созданная СПГГИ (ТУ) карта прогнозных, технически доступных ресурсовгеотермального теплоснабжения, отражает геолого-геотермические условия экономических районов территории позволяет оценивать реальнуюсырьевую базу геотермального источника энергии.
- 2018
“Ил-2 Штурмовик” нового поколения – “Битва за Сталинград” и “Битва за Москву” #13
- Где происходит дренаж кислотной шахты?
- Какие экологические эффекты оказывает дренаж кислотных шахт?
- Какие есть решения?
- источники
Короче говоря, дренаж кислых шахт – это форма загрязнения воды, которое происходит, когда дождь, сток или потоки воды вступают в контакт со скалой, богатой серой. В результате вода становится очень кислой и наносит ущерб водным экосистемам вниз по течению. В некоторых регионах это наиболее распространенная форма загрязнения рек и рек. Серосодержащая порода, особенно один тип минерала, называемый пиритом, обычно разрушается или дробится во время добычи угля или металла и накапливается в кучах шахтных отходов.
Пирит содержит сульфид железа, который при контакте с водой диссоциирует на серную кислоту и железо. Серная кислота резко снижает pH, и железо может выпадать в осадок и образовывать оранжевый или красный осадок оксида железа, который душит дно потока. Другие вредные элементы, такие как свинец, медь, мышьяк или ртуть, также могут удаляться из горных пород кислой водой, дополнительно загрязняя поток.
Где происходит дренаж кислотной шахты?
В основном это происходит там, где ведется добыча угля и металлов из серосодержащих пород. Серебро, золото, медь, цинк и свинец обычно встречаются в связи с сульфатами металлов, поэтому их извлечение может вызвать дренаж кислых шахт. Дождевая вода или ручьи подкисляются после того, как они проходят через хвостохранилище. В холмистой местности старые угольные шахты иногда строились так, что гравитация вытекла бы изнутри шахты. Еще долго после того, как эти шахты закрыты, дренажная шахта продолжает выходить и загрязнять воды ниже по течению.
В угледобывающих регионах восточной части Соединенных Штатов более 4 000 миль ручья подверглись воздействию кислотного дренажа. Эти потоки в основном расположены в Пенсильвании, Западной Вирджинии и Огайо. В западной части США, на одной только земле Лесной службы, протекает более 5000 миль.
При некоторых обстоятельствах серосодержащие породы могут подвергаться воздействию воды при проведении работ, не связанных с добычей полезных ископаемых.
Например, когда строительная техника прорезает путь через скалу, чтобы построить дорогу, пирит может быть разбит и подвергнут воздействию воздуха и воды. Таким образом, многие геологи предпочитают термин «дренаж кислых пород», так как добыча полезных ископаемых не всегда происходит.
Какие экологические эффекты оказывает дренаж кислотных шахт?
- Питьевая вода становится загрязненной. Подземные воды могут быть затронуты, воздействуя на местные водные скважины.
- Воды с очень низким pH могут поддерживать только сильно уменьшенное разнообразие животных и растений. Некоторые виды рыб исчезают первыми. В самых кислых потоках выживают только некоторые специализированные бактерии.
- Из-за своей коррозионной активности вода из кислой воды наносит ущерб инфраструктуре, такой как водопропускные трубы, мосты и водосточные трубы.
- Любой рекреационный потенциал (например, рыбалка, плавание) и живописная ценность для ручьев или рек, пострадавших от дренажа кислых шахт, значительно снижаются.
Какие есть решения?
- Пассивная обработка кислых потоков может быть проведена путем направления воды в специально построенное водно-болотное угодье, предназначенное для предотвращения низкого pH. Тем не менее, эти системы требуют сложного проектирования, регулярного технического обслуживания и применимы только при наличии определенных условий.
- Варианты активной обработки включают в себя изоляцию или обработку пустой породы, чтобы избежать контакта воды с сульфатами.После того, как вода загрязнена, варианты включают проталкивание ее через проницаемый реактивный барьер, который нейтрализует кислоту, или прохождение через специализированную установку очистки сточных вод.
источники
Исследовательская группа мелиорации. 2008. Дренаж кислотных шахт и влияние на здоровье и экологию рыб: обзор.
Агентство по охране окружающей среды США. 1994. Прогноз кислотных шахт.
Подземными способами разрабатывают природные ресурсы, добыча которых невозможна, или экономически нецелесообразна открытыми разработками. Обычно подземные способы используются для извлечения ископаемых, залезающих на более значительных глубинах, с меньшей мощностью пластов и другими худшими горно-геологическими условиями, когда себестоимость одной тонны равна или меньше, чем при открытой добыче. Основные виды подземной добычи – шахтная, подземное выщелачивание, подземная газификация, добыча нефти и газа.
Наиболее широкое распространение получила шахтная разработка недр. Этим способом возможно добывать сырье с глубин до 2 тыс. м. Шахта представляет собой совокупность горных выработок, через которые полезные ископаемые извлекаются из недр на поверхность. Перед разработкой месторождение разбивается на шахтные поля – участки, которые разрабатываются одним предприятием – шахтой. Строительство шахты начинается с проходки вертикальных стволов, которыми вскрывается полезный пласт (рис.3.). Каждая шахта имеет не менее двух стволов, что улучшает ее вентиляцию. По стволам проводят подъем, спуск ископаемых, вспомогательных материалов, техники, людей, подачу энергии, вентиляцию и др. Для этих целей ствол разделяют на секции для подъема и спуска работающих, грузов. В специальном отделении расположены трубы для откачки воды, воздуха, электрические и телефонные линии. Имеется отделение с лестницами и площадками для самостоятельного подъема рабочих из шахты при аварии подъемного механизма.
В шахтах могут быть вертикальные горные выработки, которые служат для тех же целей, что и ствол, но не имеют непосредственного выхода на поверхность. Эти выработки называют слепыми стволами.
1. Ствол шахты.
2. Квершлаг.
3. Бремсберг.
4. Штрек.
5. Уклон.
6. Простирание пласта угля.
7. Падение пласта угля.
Рис. 3. РАЗМЕЩЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ШАХТЕ
В горных районах для вскрытия ископаемых создают горизонтальные или близкие до такого положения выработки – штольни. Они выполняют те же функции, что и стволы. В нижней части ствола создается рудничный двор, где перегружают руду с транспортных средств, в подъемный механизм. Здесь размещаются ремонтные мастерские, электрические подстанции, депо, гаражи для транспорта и др.
От нижней части ствола с теми же функциями прокладывают горизонтальные капитальные горные выработки. Они могут проведены по простиранию пласта ископаемого и в пустой породе. В первом случае такая выработка называется штреком, а во втором – квершлагом. Последняя выработка прокладывается от ствола до полезного пласта и создается для его вскрытия. Квершлаг от ствола строят в тех случаях, когда ископаемое залегает в неблагоприятных условиях под природными или искусственными преградами и экономически нецелесообразно прокладывать ствол непосредственно над месторождением.
Все названные горные выработки являются капитальными строениями, создаются в подготовительный период и эксплуатируются столько же, как и шахта. Капитальные выработки укрепляются железобетонными, чугунными тюбингами и в них размещают различию оборудование. После прокладки капитальных выработок приступают к промышленной разработке месторождения, что достигается проведением очистных работ. Сущность их сводится к отделению ископаемого от пласта и транспортировке породы на поверхность. Процесс отделения руды от пласта породы называется отбойкой, а место где проводится он – забоем или лавой. Отбойку проводят ручным, взрывным и машинным способами. Выбор вида отбойки зависит от научно-технического прогресса, физических и химических свойств ископаемых. Еще в начале двадцатого столетия основным приспособлением шахтеров были обушок, сани-волокуши, которые тянули рабочие. Откатку руды проводили в вагонетках, которые возила лошадь. В современных шахтах твердые породы взрывают, менее прочные (соль, уголь) отделяют машинным методом. При этом широко используются специальные комбайны, которые проводят отбойку породы, погрузку ее на транспортное средство. Ручная отбойка с применением пневматических молотков используется ограничено, из-за большой трудоемкости, низкой производительности труда. По мере изъятия породы забой и техника передвигаются по простиранию пласта. Это обусловливает непостоянство рабочего места, а постепенное его движение усложняет автоматизацию работ.
Отделение руды от пласта требует крепления вышележащих пород от обрушения. Для этого в выработках используют древесину или металлическую крепь, а работы называются креплением кровли.
Простейший метод удаления руды из лавы – спуск ее под воздействием собственного веса. Такой способ применяют, когда забой расположен выше транспортной горной выработки. Преимущественно руду из лавы удаляют специальными вагонами, скребковыми механизмами, транспортерами и другими транспортными средствами. По откаточным горным выработкам руду перемещают до стволов ленточными конвейерами, локомотивами с вагонетками грузоподъемностью до I т в зависимости от мощности шахты. В качестве локомотивов используют аккумуляторные и контактные электровозы с шириной рельсового пути 600-900 мм. Для сравнения отметим, что этот показатель на железнодорожном транспорте составляет 1420 мм. Современные конвейеры перемещают за час до 3000 т породы.
Подъем руды на поверхность осуществляется клетьевым и скиповым способами. В первом случае руду поднимают по стволу совместно с вагонеткой, и после разгрузки на поверхности она вновь спускается в шахту. Более эффективный подъем – скиповый – в специальных емкостях грузоподъемностью 10-50 т, которые расположены в стволе. При этом внизу ствола порода с транспортного средства перегружается в скип, который поднимается на поверхность. Такой подъем оборудован, как правило, двумя скипами. Когда один находится под разгрузкой, то второй в этот период загружают, а затем наоборот.
При шахтной разработке недр меньше нарушается поверхность земли по сравнению с открытым способом. Однако извлечение руды из-под покрывающих пород образует в недрах пустоты. Под воздействием пластичности пород происходит механическое нарушение недр, проседание поверхности, увеличивается заболоченность территорий, образуются искусственные озера, трещины на поверхности земли, разрушение зданий. С расширением масштабов разработок эти экологические явления значительно возрастаю, что требует больших капитальных вложений на крепление
кровли. Уменьшить отрицательное экологическое влияние позволяет совершенствование методов разработки природных ресурсов, закладка выработанных пустот отходами производства.
Подземное выщелачивание применяется для разработки урановых руд, солей, руд цветных металлов. В Беларуси таким способом разрабатывают Мозырское месторождение каменной соли. Подземное выщелачивание основано на свойствах руд растворяться в воде, кислотах. При этом способе месторождение вскрывают скважинами, обустроенными концентрическим расположением труб по схеме труба в трубе (рис.4). Через одну из труб в недра подают растворитель. Он легче рассола и располагается вверху камеры выщелачивания. Растворитель постепенно насыщается компонентами руды, становится тяжелее, спускается вниз камеры и выдавливается через одну из труб на поверхность. Для прекращения выщелачивания руды в камеру подаются инертные вещества (сжатый воздух, нефтепродукты и др.), которые защищают верх камеры от растворения.
РИС. 4. СХЕМА РАССОЛОДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ.
Таким образом, процесс значительно проще по сравнению с шахтным. Добыча сырья сводится к подаче растворителя в недра и транспортировка рассолов по трубопроводам до мест переработки. При этом исключается присутствие людей под землей, что улучшает условия труда, безопасность и повышает производительность. Снижаются сроки подготовки месторождения для эксплуатации, капитальные вложения на добычу единицы сырья. По расчетам специалистов, только за счет затрат на проходку шахтных стволов возможно пробурить и обустроить скважины для добычи ископаемых. Поэтому таким способом получают наиболее дешевое сырье.
Подземное выщелачивание позволяет более рационально использовать ресурсы недр, расширить сырьевую базу промышленности. Добыча руды шахтным способом ограничена глубиной и условиями залегания пород. Разработка глубокозалегающих пластов, находящихся в сложных горно-геологических условиях, шахтным способом не всегда целесообразна. Добыча солей из-за их пластичности возможна на глубину до 1000 м. Хозяйственное использование руд, не отвечающих требованиям кондиции, возможно только подземным выщелачиванием. Этим способом расширяется сырьевая база за счет более полного изъятия ископаемых из недр уже отработанных участков шахтных полей, где потери ресурсов могут достигать 3/4 общих запасов.
Подземное выщелачивание – более экономичный и экологичный процесс. Применение специальных растворителей позволяет извлекать только полезный компонент, а все остальные вещества, которые могут составлять более 9/10 массы породы, оставлять в недрах. В результате на поверхности образуется меньше отходов.