Методов и их классификация

Сущность геотехнологических методов (ГМ) заключается в переводе полезного ископаемого в подвижное состояние. Эти методы имеют следующие особенности.

1.1.1 Разработка месторождений ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого.

1.1.2 Месторождение — объект добычи полезного ископаемого и место его частичной переработки, так как технология добычи предусматривает избирательное извлечение.

1.1.3 Рудник состоит из трех основных элементов: блока приготовления рабочих агентов, добычного поля (рудное тело, где протекает процесс) и блока переработки продуктивных флюидов.

3.1.4 Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону; например, химические растворы, электрический ток, вода-теплоноситель).

1.1.5 Под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают легкой подвижностью и начинают перемещаться.

1.1.6 Разработка месторождения зональна и перемещается во времени у добычных скважин, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны в эксплуатируемой части месторождения.

1.1.7 Управление процессом добычи 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 – Способы перевода полезного ископаемого в подвижное состояние

Приведем примеры химических, физических и комбинированных геотехнологических методов добычи.

К первым относятся методы, основанные на:

- подземном растворении водой каменной, калийных, магнезиальных и урановых солей, сульфатов и сульфаткарбонатов, соды, буры и др.;

- подземном выщелачивании растворами кислот — серной (целестин, азурит, куприт, некоторые урановые минералы и др.), соляной (сфалерит, молибденит, уранит и др.) и азотной (аргентит, висмутин, сфалерит и др.); щелочей (бокситы, антимонит); растворами солей — сернистого натрия, хлористого железа, цианистого калия (золото) и других реагентов;

- подземной термохимической переработке полезного ископаемого сжиганием (например, подземная газификация, угля, сланца, нефти) и обжигом (пирит, халькопирит, антимонит и др.).

Ко вторым относятся методы, основанные на:

- подземной выплавке (серы, озокерита и др.) и возгонке (реальгара, киновари и др.);

- разрушении рыхлых пород струей воды (например, скважинная гидродобыча) и превращении их в плывунное состояние вибрацией или другими методами.

К комбинированным относятся методы, основанные на использовании как химических, так и физических процессов (например, выщелачивание металлов в электрических полях). К ним следует отнести методы, основанные на бактериальном выщелачивании.

Главным условием применения геотехнологических методов является реальная возможность и экономическая целесообразность перевода полезного ископаемого под воздействием тех или иных рабочих агентов в подвижное состояние. Не менее важно обеспечить возможность подачи рабочих агентов к поверхности взаимодействия и отвод полезного ископаемого через скважины на поверхность.

Основные понятия и определения

1.2.1 Геотехнологические методы (ГМ) — методы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуществления на месте его залегания в недрах тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов. ГМ позволяют осуществлять процесс выемки и выдачи полезного ископаемого из недр через скважины.

1.2.2 Геотехнология — наука о ГМ добычи полезных ископаемых и средствах их осуществления без присутствия людей под землей. Эта дисциплина наряду с горной средой, геотехнологическими процессами добычи и средствами их осуществления изучает химию и физику протекающих при этом в недрах земли явлений. Таким образом, предметом геотехнологии как науки является изучение различных реальных объектов (месторождение, методы, средства добычи, процессы, явления и т.д.) горной промышленности, рассматривать которые надо во взаимосвязи с физико-геологическими условиями.

Наиболее полно характеризовать условия залегания месторождения полезных ископаемых при его разработке можно, используя понятие «физико-геологическая обстановка», которое включает в себя характеристику геологических, гидрогеологических и геотермических условий залегания месторождения, а также физических и химических свойств полезного ископаемого и вмещающих его пород, рассматриваемых во взаимосвязи с возможными методами разработки.

Часть месторождения в зоне целенаправленного изменения состояния полезного ископаемого, представленная горной породой и насыщающими ее флюидами, которым свойственны определенные термодинамические условия, правомерно характеризовать понятием горная среда. В отличие от горной породы, представляющей собой различные минеральные ассоциации, горная среда— эта одна или несколько гетерогенных систем с различными компонентами, присутствующими в твердой, жидкой и газообразной фазах.

Совокупность горной среды, физических или химических процессов добычи и средств для их реализации следует трактовать как геотехнологическую систему. Это понятие в полной мере отвечает представлению о системах вообще как состоящих из взаимосвязанных частей и представляющих собой замкнутое целое. Выделенные элементы геотехнологической системы обладают внешними и внутренними связями, которые в процессе разработки месторождения обмениваются между собой веществом и энергией.

В геотехнологической системе следует выделить ряд основных элементов. Например, отдельным элементом являются узлы приготовления рабочих агентов и переработки продуктивных растворов. Основным элементом является транспортная магистраль. Как правило, это скважина, пробуренная на месте залегания полезного ископаемого и открывающая доступ рабочих агентов к залежи, а полезного ископаемого — на поверхность. Особо важен горный элемент — часть горной среды, охваченной воздействием рабочих агентов, которую можно назвать рабочей зоной. Рабочую зону, т.е. некоторую ограниченную часть горной среды, можно описать, пользуясь представлением о фазах, из которых она образована. Как известно, фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами. Так, если призабойная часть разрабатываемого месторождения заполнена рабочим агентом — водой, разрушенным полезным ископаемым — рудой и воздухом, то рабочая зона состоит из трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Составные части рабочей зоны — это различные фазы, образующие данную систему.

Компоненты системы — вещества, из которых можно образовать все фазы данной системы. Свойства компонентов системы веществ — это их характерные качества. Физические свойства — это свойства внутренне присущие данному веществу (к таким свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность и т.д.). Свойства веществ, характеризующие их способность участвовать в химических реакциях (процессах превращения одних веществ в другие) называют химическими.

Свойства полезных ископаемых, определяющие их способность переходить в подвижное состояние с помощью размыва, растворения, выщелачивания, горения, плавления, возгонки и т.д., мы называем геотехнологическими свойствами полезных ископаемых.

1.2.3 Геотехнологические процессы, перевода полезных ископаемых в подвижное состояние можно подразделить на: тепловые, массообменные, химические и гидромеханические. Тепловые процессы определяются законами теплопередачи. Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется дача тепла теплоносителем. Массообменные (диффузионные) процессы характеризуются переносом полезного компонента из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной (лимитирующей) стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия извлекаемого компонента. Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамикой процесса и теплообменом. Химические (реакционные) процессы определяются законами химической кинетики, однако в подземных условиях этот процесс зависит от гидро- и термодинамических условий протекания реакций. Гидромеханические процессы определяются законами гидродинамики — науки о движении жидкостей и газов.

Основной принцип геотехнологии можно сформулировать как исследование процесса добычи и изменений горной среды под влиянием рабочих агентов с целью перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и извлечение его на поверхность, причем одно из возможных превращений для данной геотехнологической системы является доминирующим и определяет ее изменение.

Исходя из названного принципа, в геотехнологии следует выделить три основных направления. Во-первых, изучение влияния физико-геологической обстановки и горной среды на процесс перевода полезного ископаемого в подвижное состояние. Во-вторых, изучение собственно превращений химического и физического характера (установление природы процесса и последовательность протекания отдельных стадий). В-третьих, изыскание средств осуществления процессов добычи. Конечной целью геотехнологии как прикладной науки является развитие ГМ добычи, их прогнозирование и оптимизация параметров технологии.

Между установлением возможности фазового превращения того или иного полезного ископаемого и осуществлением технологического режима стоит решение целого комплекса научных, технических и экономических вопросов. Это—проблемы выбора рабочих агентов и способа их доставки к рудному телу, управления технологическим процессом добычи (движением рабочих агентов в массиве, транспортирования полезного ископаемого из горного массива на поверхность), переработки продуктивных флюидов, здания систем разработки, которые характеризовались бы высокой технологической эффективностью и экономической рентабельностью.

1.2.4 Методы, геотехнологии. Для геотехнологии характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов и средств бесшахтной добычи полезных ископаемых 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:

- подземное выщелачивание—метод добычи полезных ископаемых избирательным растворением их химическими реагентами на месте залегания с извлечением на поверхность продукционных растворов. Подземное выщелачивание относится к фильтрационным процессам и основано на химических реакциях «твердое тело — жидкость». В основном оно применяется для добычи цветных, редких и радиоактивных металлов. Бактериальное выщелачивание—метод интенсификации выщелачивания с помощью микроорганизмов;

- подземное растворение — метод добычи полезных ископаемых растворением его на месте залегания (применяется для разработки соляных месторождений и создания подземных емкостей);

- подземная выплавка — метод добычи легкоплавких минералов посредством подачи теплоносителя по скважинам в залежь и извлечение полезного ископаемого на поверхность в виде расплава (применяется для добычи серы (метод Фраша), вязких углеводородов);

- подземная газификация — метод добычи полезных ископаемых путем перевода их в газообразное состояние (например, подземный термохимический процесс перевода угля в газ, пригодный для энергетических и химико-технологических целей, идея которого принадлежит Д.И. Менделееву (1888 г.);

- скважинная гидродобыча — метод добычи, основанный на приведении полезного ископаемого в подвижное состояние путем гидромеханического воздействия и выдачи в виде гидросмеси на поверхность.

Такое полезное ископаемое, как тепло Земли входит в сферу геотехнологии. Использовать тепло Земли, можно утилизируя природные парогидротермы, а также (идея академика В.А. Обручева) тепло глубинных «сухих» горных пород.

Заслуживают изучения такие перспективные методы, как 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.