Перспективные горные мегатехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 551.24:504

Институт проблем комплексного освоения недр РАН

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ГОРНЫЕ МЕГАТЕХНОЛОГИИ

А.А. Пешков

Н.А. Мацко

Беспрецедентно высокие темпы роста использования невоспроизводимого минерального сырья, сложившиеся за последние 50 лет, поставили под сомнение не только возможность дальнейшего роста уровня жизни, но и само существование жизни на Земле. Впервые такие опасения были высказаны в докладе Римскому клубу «Пределы роста» (1972). По мнению авторов доклада, в недалеком будущем объем промышленного капитала достигнет такого уровня, когда потребуется огромный приток ресурсов. Такой приток быстро истощит запасы доступного сырья. С ростом цен на сырье и истощением месторождений потребуется больше капиталовложений для их поиска и освоения, а, следовательно, все меньше и меньше средств будет вкладываться в будущий рост. Когда капиталовложения перестанут компенсировать истощение ресурсов, произойдет разрушение индустрии. Авторы доклада исходили из предпосылки об ограниченности минерально-сырьевых ресурсов. К сожалению, роль научно-технического прогресса они видели в сокращении темпов их истощения лишь за счет развития ресурсосберегающих производств. Возможности расширения минерально-сырьевой базы за счет вовлечения в разработку месторождений с содержанием полезного компонента в 2-5 раз ниже при сохранении уровня рентабельности разработки они не рассматривали.

Однако именно такую тенденцию отражает опыт разработки месторождений полезных ископаемых. Несмотря на периодическое открытие месторождений с высоким содержанием полезных компонентов в руде, среднее содержание разрабатываемых запасов снижается во времени. С 1925 по 1971 годы среднее содержание металла в рудах снизилось: для меди от 2,1 до 0,6%, свинца -- от 2,7 до 0,6%, цинка -- от 4,6 до 4%, олова -- от 1,2 до 0,4%. Среднее содержание золота во всех видах разрабатываемых запасов Якутии снизилось в 2-2,5 раза в период 1970-1990 гг. Если в 1940 г. в Кривбассе добывали руды с содержанием железа 62-67%, то в 60-е гг. все ГОКи этого бассейна проектировали на руды с содержанием железа всего 32-37%. Бортовое содержание P2O5 снизилось с 18% (30-е гг.) до 4% (80-е гг.).

Поскольку в настоящее время такие запасы повсеместно вовлекаются в разработку, эти данные свидетельствуют о значительных изменениях, произошедших в технологиях добычи и переработки минерального сырья. До настоящего времени темпы научно-технического прогресса в мире превышали темпы ухудшения горно-геологических условий разработки. В результате удельные затраты на добычу и переработку горной массы снижались за последнее столетие со средним темпом 0,8% в год, который в последние десятилетия упал до 0,15% в год. С учетом экспоненциальной формы зависимости темпы снижения затрат в будущем будут продолжать замедляться. Чем ниже будет исходное содержание полезного компонента в руде и хуже условия разработки, тем сложнее и дороже будет создавать новые технологии. Это уже стало причиной серьезных заявлений о кризисе горной науки.

Известно, что разрешение кризисов происходит в результате скачка, который обычно связан не с усовершенствованием отдельных производственных процессов, а со сменой действующей парадигмы (т. е. совокупности неявно задаваемых регулятивных принципов). В области освоения наземных природных ресурсов наиболее значительные системные изменения происходили, например, при переходе от собирательства к подсечному и, далее, к пашенному земледелию. Что касается освоения недр, то здесь масштабные изменения происходили только в области горной и металлургической техники и технологии, в зависимости от общего технического прогресса (от ручных орудий труда к механизмам, от паровых двигателей к электрическим). В результате эти изменения обеспечивали рост масштабов освоения недр, являясь основой экстенсивного недропользования. Что касается принципиального подхода к освоению недр, то он по-прежнему аналогичен собирательству при освоении наземных ресурсов. Предпосылками смены парадигмы, помимо стагнации в области снижения затрат на добычу и переработку минерального сырья, можно считать наметившиеся серьезные противоречия между экстенсивным характером недропользования и ужесточением требований к сохранению окружающей среды.

На наш взгляд, новая парадигма освоения недр, идущая на смену существующей, заключается в преобразовании недр посредством инициирования природных геологических процессов, использующих потенциальную энергию недр как движущую силу преобразования и переноса рудного вещества, с целью последующего эффективного извлечения необходимых минеральных ресурсов. Образно говоря, речь идет о формировании или «выращивании» месторождений с параметрами, позволяющими существенным образом снизить масштабы извлекаемой и перерабатываемой горной массы при их разработке.

Как уже отмечалось, существующий подход основан на «собирательстве»: изъятии минеральных ресурсов в том виде, в каком их создала природа. При этом также происходит преобразование недр, но оно носит характер нарушения недр, что, как правило, приводит к отрицательному воздействию на окружающую среду. В определении новой парадигмы речь также идет о преобразовании недр, однако это преобразование по аналогии с земледелием можно назвать «возделыванием недр». Также в отличие от существующего подхода преобразование недр осуществляется, во-первых, за счет максимального привлечения дополнительных ресурсов недр (гидрогеологического, химического, геоморфологического, термодинамического), которые традиционно не используются в современных геотехнологиях, а во-вторых, осуществляется процессами, аналогичными естественным геологическим процессам.

Следует отметить, что геологические процессы, в том числе и те, которые приводят к формированию месторождений, протекают и в настоящее время с различной интенсивностью.

Преобразование недр к требуемому для дальнейшего использования виду в соответствии с новой парадигмой должно осуществляться на основе высоко интенсивных геологических процессов, которые могут быть реализованы в данном участке земной коры. В отличие от естественных геологических процессов такие процессы требуют техногенного инициирования и управления. Можно сказать, что это направленные геологические процессы. Очевидно, что они являются ограниченно управляемыми, поэтому конечный результат может быть детерминирован не полностью. недра геологический месторождение минеральный

Изменение парадигмы освоения недр связано с изменением способа деятельности человека, то есть с переходом от поверхностных технологий к объемным. Большинство современных технологий так или иначе связано с созданием и использованием новых поверхностей. Например, при разработке месторождений эти поверхности создаются в виде рабочих зон, поверхностей открытых или подземных горных выработок, скважин, отвалов, хвостохранилищ. Те объемы, с которыми человек оперирует при выемке и переработке горной массы с помощью технических средств (слой, уступ, этаж, блок), в сопоставлении с объемами геологических объектов представляют собой стружку, снимаемую с недр и укладываемую в поверхностную среду обитания. Наверное, одним из немногих исключений является процесс масштабного взрывного разрушения. По-видимому, «двумерность», присущая большинству современных технологий, связана со средой обитания человека, которая представляет собой поверхность между атмосферой и литосферой и неспособностью человека работать с толщиной стружки, сопоставимой с размерами месторождений.

Новая парадигма предполагает перейти от поверхностных к объемным технологиям, так как геологические процессы, задействованные в ней, являются в своей основе объемными. В то же время, даже направленные геологические процессы являются ограниченно управляемыми, поэтому использование объемного геологического процесса для удовлетворения потребности общества в минеральном сырье проблематично без дополнительных «двумерных» технологий. Общая схема согласования двумерных и трехмерных технологий показана на рисунке. Очевидно, что использование результатов объемного процесса, например, в виде вновь сформированного месторождения возможно только опосредованно, через традиционные «двумерные» технологии. Кроме того, инициирование направленного трехмерного геологического процесса также требует применения традиционных двумерных способов. Как показано на рисунке, это могут быть геотехнологические скважины, поверхности гидроразрыва и т.п. Таким образом, общая схема освоения участка недр с учетом новой парадигмы сводится к организации трехмерного геологического процесса, инициируемого с помощью «шлюза», согласовывающего двумерные и трехмерные технологии, и «шлюза», служащего для потребления результатов направленного геологического процесса.

а) двумерные технологии освоения недр с послойным извлечением горной массы;

б) трехмерная мегатехнология с использованием направленного геологического процесса

Рисунок - Схема, характеризующая переход от двумерных технологий к трехмерным мегатехнологиям освоения недр:

Совокупность «шлюзовых» технологий и направленных геологических процессов преобразования недр, логично назвать мегатехнологией, так как, во-первых, она представляет собой комплекс различных технологий и способов а, во-вторых, размеры преобразуемого участка недр существенно превышают размеры массивов, вовлекаемых в разработку при традиционных технологиях освоения месторождения.

В качестве одного из примеров мегатехнологий можно рассмотреть направленное гидрохимическое преобразование техногенных объектов, содержащих сульфиды цветных металлов, например, хвостохранилищ обогатительных фабрик. Потенциальным ресурсом для реализации направленного геологического процесса здесь является химический потенциал реакции окисления сульфидов и потенциальная энергия подземных вод, определяемая их гидравлическим градиентом. Устойчивым геологическим процессом в этой среде является процесс окисления сульфидов и переосаждение цветных металлов и окисного железа на геохимическом барьере. Инициирование аналога естественного геологического процесса заключается в корректировке потока подземных вод и направлении его на геохимический барьер, создание условий для свободного доступа кислорода воздуха и, возможно, первоначальное закисление участка массива или внесение необходимых бактериальных культур. Проведенные экспериментальные исследования на Майнском медьсодержащем хвостохранилище (0,2% Cu) и экономические оценки показали, что при использовании такой мегатехнологии возможно освоение этого объекта с эффективностью, в 4 раза превышающей эффективность традиционных способов. Следует отметить, что в мировой и отечественной практике объекты такого рода считаются заведомо непригодными для освоения не только традиционными способами, но и методами физико-химической геотехнологии, так как последняя обычно не предусматривает использование дополнительных ресурсов недр.

Очевидно, что геологические процессы, даже при их техногенном инициировании, являются трудно управляемыми. В то же время, существуют процессы, для которых достаточно надежно можно прогнозировать направление их протекания. Как правило, это процессы, направление которых контролируется гидравлическим градиентом или перепадом высот.

Например, водоотлив при разработке месторождений полезных ископаемых, необходимый для извлечения объемов горной массы и создания производственных условий в рабочей зоне, создает в недрах депрессионную воронку вокруг месторождения, ниже поверхности которой потоки подземных вод не нарушены. Наличие депрессионной воронки может являться одним из условий для запуска и протекания направленного геологического процесса. Следующим условием является наличие в бортах карьера некондиционных руд. Не менее важным условием объемного геологического процесса является также механизм перевода полезного компонента в раствор и последующее осаждение его на геохимическом барьере. При соблюдении выше приведенных условий может быть запущен направленный геологический процесс посредством использования потенциала недр в форме гидравлического градиента склона депрессионной воронки. Для инициирования геологического процесса в зоне размещения забалансовых запасов руд производят взрывное дробление с целью увеличения коэффициента фильтрации массива. Иногда дезинтеграция массива является одной из стадий естественного геологического процесса. В данном случае дезинтеграция, осуществляемая техногенными способами (тот самый «шлюз» в виде двумерных технологий), инициирует геологический процесс, протекающий с использованием того же механизма транспортных реакций, что и в естественных условиях, только реализованного искусственно. Повышение коэффициента фильтрации приводит к перераспределению водных потоков с направлением их основной массы через взорванный участок. В область скопления забалансовых запасов подают реагенты, инициирующие реакции окисления рудных минералов. Направленный поток подземных вод с раствором полезного компонента попадает в выработанное пространство карьера. В карьере раствор проходит через природный или техногенно созданный геохимический барьер, где полезный компонент осаждается. В данном примере трехмерный геологический процесс, приводящий к образованию залежи на геохимическом барьере, имеет аналогом природный инфильтрационный процесс образования месторождения.

В качестве еще одного примера можно привести процесс гидротермального преобразования сульфидной залежи (гидротермальный котел). Массив взрывается для создания трещиноватости, затем заполняется подземными водами. В область инициирования гидротермального процесса по скважинам подается сжатый воздух. Очевидно, что технология инициирования является традиционным двумерным процессом. При давлениях в десятки атмосфер начинаются экзотермические реакции окисления сульфидов меди, железа или молибдена. По нашим оценкам температура может достигать 200-300оС, что соответствует условиям эпитермальной стадии гидротермального процесса. Из горячей зоны насыщенные металлами растворы поднимаются в верхние слои массива, отдавая им тепло. В условиях дефицита кислорода металлы из растворов цементируются на сульфидах или выпадают в твердую фазу в виде оксидов. По мере истощения сульфидов нижняя часть массива остывает. Процесс повторяется в верхней части. Таким образом, в массиве формируется горячий слой, который с некоторой скоростью поднимается вверх, перерабатывая и обогащая рудное вещество. В этом примере усматривается аналогия с метасоматозом по Коржинскому, т.е. типичного объемного геологического процесса. По окончании процесса подготовки опять реализуется традиционный двумерный технологический процесс отработки новообразованного рудного тела, которое расположено уже на меньшей глубине, может быть отработано открытым способом или геотехнологическими методами.

Экономические и экологические положительные эффекты использования мегатехнологий предопределяются, в основном, использованием объемных геологических процессов и дополнительных ресурсов недр, не задействованных в традиционных технологических процессах. Экономическая оценка показывает, что эффект от реализации мегатехнологий достигается за счет уменьшения объемов извлекаемой и перерабатываемой горной массы, сокращения потребления необходимых экономических ресурсов за счет замещения их потенциальными ресурсами недр, снижения глубины разработки и повышения качества добываемого сырья. Эффект от снижения объемов извлекаемой и перерабатываемой горной массы (10-20 раз) и сокращения потребления необходимых экономических ресурсов за счет замещения их потенциальными ресурсами недр (в 2-3 раза) даже по предварительным оценкам оказывается настолько значительным, что позволяет существенно увеличить масштабы освоения недр. Даже при неизбежном снижении содержания полезных компонентов в запасах обеспечивает рост количества доступных минеральных ресурсов не только за счет вовлечения в разработку бедных запасов, но и рудопроявлений, которые не пока не рассматриваются как месторождения.

Возможность такого значительного увеличения масштабов вмешательства в недра закономерно ставит вопрос об экологических последствиях направленных геологических процессов. Существуют два основных фактора, которые не только ограничивают возможные отрицательные экологические последствия увеличения масштабов вмешательства, но и сокращают их по сравнению с традиционными технологиями. Первый фактор - объемный характер геологических процессов. Традиционные геотехнологии, как было показано ранее, преобразуют участок недр в стружку, размещаемую в среде обитания человека, что и предопределяет экологическую опасность традиционного освоения недр. Другими словами, источник экологической опасности заключается в несоответствии двумерных геотехнологий трехмерности недр. Объемные аналоги геологических процессов оперируют с недрами in situ, практически без воздействия на экос. Вторым фактором является то, что направленные геологические процессы, по определению, идут с интенсивностью, не выходящей за пределы возможностей гомеостатических механизмов недр, в результате чего воздействие нарушенных недр на экос должно быть минимальным.

Таким образом, новая парадигма освоения недр, основанная на организации и использовании направленных геологических процессов для преобразования недр к состоянию, максимально приближенному для эффективного извлечения минеральных ресурсов, снимает ограничения на пределы роста и в перспективе может разрешить экологические проблемы, связанные с освоением недр.

Аннотация

Рассмотрена новая парадигма освоения недр, основанная на организации и использовании направленных геологических процессов для преобразования недр к состоянию, максимально приближенному к эффективному извлечению минеральных ресурсов. Новая парадигма снимает ограничения на пределы роста и в перспективе может разрешить экологические проблемы, связанные с освоением недр.

Розглянуто нову парадигму освоєння надр, яка заснована на організації та використанні спрямованих геологічних процесів для перетворення надр до стану, максимально наближеному для організації ефективного вилучення мінеральних ресурсів. Нова парадигма знімає обмеження на межі росту та у перспективі може розв'язати екологічні проблеми, пов'язані з освоєнням надр.

New paradigm of bowels of the earth development, based on organization and use of the directed geological processes for transformation of bowels of the earth to a status as much as possible approached to effective extraction of mineral resources, is considered. New paradigm removes restrictions on limits of growth and in the future can solve ecological problems of bowels of the earth development.

Размещено на Allbest.ru