Технологічні особливості геотехнологічних методів видобутку важких металів розсипних родовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ГЕОТЕХНОЛОГІЧНИХ МЕТОДІВ ВИДОБУТКУ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ РОЗСИПНИХ РОДОВИЩ

Перепелиця В.Г., д.т.н., професор

Маланчук Є.З.,

асистент, Боблях С.Р., аспірант

м. Дніпропетровськ

Анотація

У представленій роботі дана характеристика геотехнологічних методів розробки розсипних родовищ корисних копалин.

In the presented work description of geotechnical methods of looses deposits mining is given.

Аналіз закономірностей розвитку технології видобутку розсипних родовищ корисних копалин показав, що для розвитку гірництва необхідні пошуки нових шляхів, які дозволять збільшити видобуток корисних копалин, знизити їх собівартість, запобігти видачі на поверхню пустих порід, виключити присутність під землею людей, підвищити продуктивність праці. Вирішення зазначених задач являє собою важливу комплексну проблему, яка охоплює геологічну, гідрогеологічну, фізичну, хімічну і техніко-експлуатаційну характеристику покладу.

У зв'язку з цим, першість в гірничій справі, а відповідно і перспективу розвитку будуть мати геотехнологічні методи видобутку корисних копалин.

Геотехнологічні методи видобутку основані на переведенні корисної копалини у рухомий стан за допомогою здійснення на місці його залягання теплових, масообмінних, хімічних і гідродинамічних процесів та мають такі особливості [1]:

- видобуток корисних копалин, ведеться через спеціально обладнані і підготовлені свердловини;

- інструментом видобутку є робочі агенти - вода (розчинники, теплоносії та ін.), які у процесі видобутку рухаються по покладу, що розробляється, причому подача робочих агентів до покладу та відведення корисних копалин на поверхню можуть виконуватись як через одну і ту ж свердловину, так і через різні свердловини; корисна копалина починає переміщуватись тільки після зміни агрегатного стану, тобто для вилучення корисної копалини здійснюється переведення її з твердого стану в рухомий;

- технологія, як правило, передбачає вибірковий видобуток, тобто на місці залягання фактично ведеться переробка гірської маси і вилучення корисного компоненту;

- управління процесом видобутку здійснюється з поверхні шляхом зміни параметрів (витрати, температури, тиску, концентрації та ін.) та місць введення робочого агенту і відбору корисної копалини;

- експлуатоване родовище є об'єктом видобутку і місцем, де відбувається технологічний процес, розробка його зональна та переміщується в часі у видобувних свердловинах;

- характер процесу видобутку визначає розміри і форму робочої зони у частині родовища, що розробляється.

Складність і велика кількість можливих технологічних процесів видобутку та специфіка умов експлуатації родовищ вказують на те, що для вивчення та розвитку геотехнологічних методів їх необхідно систематизувати.

Згідно даних З.Р. Маланчука [1], Е.І. Чернея, систематизацію доцільно здійснити за сутністю процесу, що лежить в основі технології видобутку. За цією ознакою виділяють методи, основані на хімічних процесах, методи, основані на фізичних процесах, і комбіновані методи.

До перших відносяться методи, основані на:

розчиненні водою (кам'яної, калійних, магнезійних і уранових солей, сульфатів та сульфат-карбонатів, сода, бура та ін.);

вилуговуванні розчинами кислот - сірчаної (целістин, азурит, куприт, деякі уранові мінерали та ін.), соляної (цинкова обманка, молібденіт, ураніт, стонционіт та ін.) та азотної (срібний блиск, вісмутовий блиск, цинкова обманка та ін.), лугів (боксити, цинкіт), розчинами солей - сірчаного натрію, хлористого заліза, ціаністого калію (золото) і інших реагентів;

термохімічній переробці корисних копалин спалюванням (наприклад, підземна газифікація вугілля, сланцю, нафти) і випаленням (пірит, халькопіріт, антимоніт та ін.).

До других відносяться методи, основані на:

виплавці (сірка, озокерит) і здатності переганятись (реальгар, кіновар та ін.);

руйнуванні рихлих порід струменем води (свердловинний гідровидобуток) і перетворенні їх у пливучий стан вібрацією чи іншими методами.

До комбінованих відносяться методи, основані на використанні як хімічних, так і фізичних процесів (наприклад, вилуговування металів у електричних полях). До них слід віднести і методи, основані на бактеріальному вилуговуванні.

За даними В.Ж. Аренса класифікацію способів переводу корисної копалини в рухомий стан представлено у вигляді табл.1.

Дана класифікація побудована за принципом виділення видів рухомого стану корисної копалини (газ, розплав, розчин, рухомі суміші), з одного боку, і способів їх переводу в цей стан, з іншого боку.

Вибір методу розробки визначається геотехнологічними властивостями корисних копалин (здатність корисних копалин під впливом робочих агентів приймати рухомий стан) і фізико-геологічним оточенням, яке разом з геологічними та гідрогеологічними умовами відображає характеристику властивостей гірських порід та насичуючих їх флюїдів (пористість, проникність, тріщинуватість, вміст корисного компоненту, мінералізація вод) [2]. родовище метал руда гідровидобуток

Головною умовою застосування геотехнологічних методів є реальна можливість та економічна доцільність переведення корисної копалини під впливом робочих агентів у рухомий стан. Крім цього, необхідно забезпечити можливість подачі робочих агентів до поверхні взаємодії і відведення корисної копалини через свердловини на поверхню.

Найбільш розвинутими геотехнологічними методами являються підземне розчинення солей і вилуговування руд, підземна виплавка сірки, підземна газифікація вугілля та свердловинний гідровидобуток. Ці методи дозволяють вести процес видобутку корисної копалини безпосередньо на місці залягання, звівши до мінімуму витрати на розкриття та підготовку покладу.

Таблиця 1. Способи переводу корисної копалини в рухомий стан

Метод підземного розчинення солей за допомогою видобувних свердловин відомий давно і оснований на розчиненні пластів соляного покладу водою з подальшим підйомом утвореного розчину на поверхню під дією тиску. При підземному розчиненні солей здійснюється буріння і обсадка ствола свердловини до продуктивного пласта.

У подальшому свердловина обладнується колонами труб для подачі розчинника (води), нерозчинника (дизельне паливо, солярне масло, газойль) і підйому розсолів. З метою отримання розсолів промислової концентрації (305...310 г/л) відпрацювання продуктивного пласта ведеться в камерах ступінчато знизу вверх.

Для того, щоб зберегти покрівлю камери від розчинення і підтримання потрібних параметрів, у свердловину по трубах подається нерозчинник. За рахунок меншої густини, нерозчинник завжди знаходиться у верхній частині камери.

Піднятий із свердловини розсіл по трубах поступає у резервуари кондиційного розсолу. Управління процесом видобутку здійснюється з поверхні.

Суть методу підземного вилуговування корисних копалин полягає у вибірковому переводі корисного компоненту в рідку фазу шляхом керованого руху розчинника по руді чи підготовленого до розчинення і підйому насиченого металом розчину на поверхню. З цією метою через свердловини, пробурені з поверхні у пласт корисної копалини нагнітається хімічний реагент, здатний переводити мінерали корисної копалини в розчинну форму. Розчин, пройшовши частину рудного пласта, через інші свердловини піднімається на поверхню і далі по трубопроводу транспортується до установок для переробки.

Важливими посиланнями застосування підземного вилуговування є здатність корисного компоненту і його сполук переходити в розчин при впливі на рудний пласт водного розчину вилуговуючого реагенту, а також здатність фільтрації вилуговуючих розчинів в породах продуктивного покладу.

Вибір розчинника для підземного вилуговування залежить від складу руд. Найбільш широке застосування знаходять водні розчини кислот (сірчаної, соляної, азотної) з рН=0,1...1,5 чи соди (2,5...10% NaCO₃+1.0...2.5% NaHCO₃).

Підземне вилуговування застосовується при видобутку уранових руд, кольорових металів (мідь, нікель, свинець, цинк, золото).

Важливим фактором ефективності видобутку методом підземного вилуговування є правильний вибір схеми розміщення технологічних свердловин і відстаней між ними. В практиці експлуатації родовищ в основному застосовується лінійна схема розміщення свердловин, що являє собою зміну рядів нагнітальних і підкачувальних свердловин. Відстані між рядами і свердловинами в ряду коливаються в широких межах (15...50 м і більше). Найбільш широке розповсюдження отримала схема 25х 50 м.

Суть методу підземної виплавки сірки полягає в розігріванні рудного тіла гарячою водою до температури вище точки плавлення сірки і відкачуванні розплавленої сірки на поверхню через свердловини.

У процесі видобутку в обсадну свердловину опускають три колони труб для води, сірки і повітря (ерліфтна), призначення яких відповідно для подачі розчинника і підйому сірки за допомогою ерліфта.

Нагнітання теплоносія в пласт ведуть безперервно. Розплавлена сірка під дією сили ваги стікає до вибою свердловини, а звідти підіймається на поверхню і далі по трубопроводах поступає на комплекс переробки. Для успішного застосування методу необхідні наступні умови: достатня потужність продуктивного покладу, високий вміст сірки (15...20%), проникливість порід продуктивного покладу повинна забезпечувати фільтрацію води і розплавленої сірки.

Покриваючі та підстилаючі породи повинні бути водонепроникними. Глибина родовища, що розробляється і фізико-механічні властивості порід покрівлі повинні виключати можливість прориву гарячої води на поверхню. На виробництво 1 тонни сірки залежно від фізико-геологічних умов витрачається від 6 до 40 м³ гарячої води.

Управління процесом видобутку здійснюється з поверхні.

Видобуток сірки методом підземного виплавляння забезпечує високу продуктивність праці, незначні капітальні вкладення, низьку собівартість.

Підземна виплавка може також застосовуватись на родовищах бітуму і озокериту.

Підземна газифікація - технологічний метод, оснований на температурному руйнуванні корисної копалини в пласті. Застосовується при розробці кам'яного та бурого вугілля, а також сланців. Основними продуктами газифікації вугілля і сланців є горючі гази (енергетичні, технологічні).

Підземна газифікація здійснюється за допомогою свердловин, розміщених на відстані 25...30 м одна від одної. В одних свердловинах відбувається загорання корисної копалини за допомогою запальних патронів, а по другим свердловинам здійснюється подача окислювача під тиском 0,3...0,4 МПа. Окислювач по тріщинах і порах пласта корисної копалини поступає до запалюючих свердловин і підтримує горіння.

Продукти горіння через основний ствол свердловини піднімаються на поверхню і далі по трубопроводах - до споживача.

При розробці міцних покладів необхідно створювати штучне проникнення пластів за допомогою гідророзриву, висадження зарядів вибухових речовин. В деяких випадках розробка міцних покладів може здійснюватися через одну свердловину, обладнану колонами труб для подачі окислювача і підйому продуктів газифікації.

Можливі і комбіновані схеми з періодичним реверсом процесу дуття. У якості окислювача можуть використовуватись повітря, кисень, паро- і водоповітряні суміші.

Управління процесом розробки здійснюється з поверхні.

Суть методу свердловинного гідровидобутку (СГВ) полягає в приведенні корисної копалини на місці залягання в рухомий стан шляхом гідромеханічного впливу і видачі її у вигляді гідросуміші на поверхню [1,3]. Узагальнена схема СГВ представлена на рис.1.

Рис.1. Гідравлічна схема свердловинного гідровидобутку: 1 - карта намиву; 2 - відстійник; 3 - центробіжний насос; 4 - водопровід; 5 - скидаюча засувка; 6 - засувка; 7 - гнучкий шланг; 8 - верхнє поворотне коліно; 9 - вертикальний став гідромонітора; 10 - гідроелеватор; 11 - нижнє поворотне коліно; 12 - телескопічний ствол; 13 - головка; 14 - центральна насадка; 15 - бокові насадки

Методи руйнування масиву залежать від його міцності. Відрив частинок рихлих і слабозцементованих порід здійснюється створенням фільтраційного потоку з необхідною величиною гідравлічного градієнту в пласті. Зв'язні породи раціонально руйнувати гідромоніторною струминою води. Інтенсифікація процесу руйнування породи можлива впливом вібрації, вибуху, хімічного чи мікробіологічного розпаду цементуючої речовини. Зруйнована порода подається до всмоктувального патрубка видачного пристрою або самопливними потоками (при достатньому похилі підошви камери), або напірними потоками води. Підйом гідросуміші на поверхню здійснюється за допомогою ерліфта, гідроелеватора, зануреного землесосу чи створенням протитиску води або повітря, що нагнітається в поклад. Управління процесом видобутку здійснюється з поверхні шляхом зміни тиску води, а також місць впливу робочого агента і місць відбору корисного компонента [1].

Аналіз виконаних досліджень свідчить про те, що вивченням питання розробки технологій гідровидобутку займалося широке коло дослідників, але розходження умов залягання і складу корисної копалини не дозволило при дослідженнях зробити універсальні кількісні висновки. У зв'язку із цим узагальнюючі кількісні залежності, що визначають параметри технології видобутку корисної копалини, обмежуються широким інтервалом можливих рішень.

Основне обладнання, необхідне для геотехнологічного методу видобутку за призначенням і розміщенням у технологічній схемі поділяється на три групи:

1. Обладнання для спорудження свердловин, включає бурові установки, агрегати цементації, обладнання для підготовки свердловин, засоби для вивчення корисних копалин і порід. Тип бурової установки вибирається залежно від глибини і діаметру свердловини, а також міцності порід. При бурінні неглибоких свердловин в м'яких породах і породах середньої міцності використовуються роторні бурові установки. Діаметр свердловини визначає тип спеціального видобувного обладнання.

2. Обладнання, що використовує робочі агенти, представлене різними насосними агрегатами для виробництва високонапірної води, нагрівальними установками для виробництва гарячої води і пари, компресорними агрегатами для виробництва стиснутого повітря, змішувачами для виробництва розчинів лугів і кислот необхідної концентрації, генераторними установками для створення змінного електромагнітного поля.

3. Видобувне обладнання, включає наступні два типи обладнання: для відділення від масиву та доставки корисних копалин до вибою свердловини, і для підйому корисних копалин на поверхню. До першого типу відносяться колони перфорованих труб, свердловинні гідромонітори, свердловинні нагрівачі (електронагрівачі), вібратори. До другого типу обладнання відносяться ежектори (ерліфти, гідроелеватори), колони експлуатаційних труб і занурені насоси.

Для успішного розвитку свердловинної гідротехнології (СГТ) необхідне дослідження багатьох технологічних параметрів, а також визначення критеріїв якісної і кількісної оцінки родовищ корисних копалин для їхньої розробки геотехнологічними методами.

Основними завданнями свердловинної гідротехнології є:

- вивчення впливу гірського середовища на процеси переведення корисної копалини в рухомий стан і зміни рівноваги в геотехнологічній системі;

- вивчення перетворень фізичного характеру;;

- пошук засобів здійснення процесів видобутку.

Застосування геотехнологічних методів видобутку корисних копалин визначило вибір робочого агента - води, що забезпечує: потоковість і малоопераційність процесів, дистанційність видобутку при високій механізації й автоматизації, широке використання малопрацемісткого і малоенергоємного самопливного гідротранспорту, інтенсифікацію процесів, комбінацію в сприятливих умовах фаз робочого агента для підвищення інтенсивності й економічності систем.

Крім робочого агента до основних елементів систем опробування і розробки відносяться розмив основної і підстилаючих порід та гідротранспортування мінеральної сировини. Розмив - процес, що сполучає в собі відбивання породи у вибої струминою гідромонітора і направлення її до автоматизованого свердловинного гідромонітора чи випускної виробки. Ефективність розмивання визначається продуктивністю гідромонітора і питомою витратою води. Аналіз досліджень по руйнуванню порід показав, що є різні гіпотези механізму протікання процесу, але загальна теорія руйнування під впливом гідромоніторної струмини на теперішній час розроблена недостатньо [1].

Значний внесок у вирішення проблеми взаємодії струмини і гірського масиву внесли своїми роботами М.А. Лаврентьєв, Б.В. Войцеховський, Й.А. Кузьміч, Р.А. Атанов, Б.А. Теодорович, А.М. Журавський, Р.Н. Ніконов, В.С. Мучник, Н.Ф. Цяпко, В.Н. Потураєв, А.Ф. Булат, Б.О. Блюсс, В.Ф. Хникін, Э.І. Чернєй, З.Р. Маланчук, Н.Р. Малухін, Н.І. Бабічев.

На інтенсивність процесу гідравлічного руйнування гірських порід при свердловинному гідровидобутку впливають фізико-геологічні, гідравлічні і технологічні фактори. До фізико-геологічних факторів відносяться міцність, твердість, склад, структура, текстура, пористість і тріщинуватість, зрошуваність, водопроникність, в'язкість. В цілому вони характеризують розмивання породи. До гідравлічних факторів відноситься напір і витрата, тобто характеристика струмини гідромонітора. До технологічних факторів відносяться умови впливу струмини на вибій: швидкість переміщення струмини відносно вибою, кут зустрічі струмини з вибоєм, порядок виймання - все це характеризує умови праці. Важкість та недостатня вивченість явища розмиву заставляють в теперішній час визначати величини потрібного напору струмини і питомої витрати води орієнтовно і тільки в виробничих умовах уточнювати їх дослідним шляхом.

Також необхідно врахувати, що усі наявні методи розрахунку гідравлічного руйнування основані на емпіричних залежностях, отриманих для порід конкретного родовища. При цьому узагальнюючим параметром для скельних, напівскельних і зв'язних порід приймається коефіцієнт міцності, а для рихлих ґрунтів - коефіцієнт зчеплення. На сьогоднішній день теорія гідравлічного руйнування недостатньо розроблена, однак за результатами багатьох експериментальних досліджень встановлено, що механізм руйнування обумовлений одночасним проявленням різних сил і залежить від властивостей гірських порід і умов текучості струмини [1].

Загальновизнаної теорії руху твердого компоненту в турбулентному потоці поки немає. Це пояснюється перш за все крайньою складністю процесів, що відбуваються в транспортуючому потоці.

Вивченню перенесень твердих тіл відкритим потоком присвячено велику кількість досліджень - роботи В.М. Маккавєєва, М.У. Веліканова, В.Н. Гончарова, М.А. Дементьева і ін. В основному вони розглядають рух дрібних фракцій твердого матеріалу. Деякі положення теорії безнапірного гідротранспорту одержали загальне визнання. Транспортування твердого матеріалу відбувається тільки в турбулентному потоці, який виникає завдяки гідродинамічній дії потоку на тверді частинки і перетворенню потенціальної енергії положення потоку в кінетичну.

Самопливний гідротранспорт можливий тільки за наявності певного похилу. Самопливне транспортування руди по руслу круглої виймальної камери є найбільш типовим при СГВ і застосовується для подачі зруйнованої породи від вибою до всмоктувального патрубка пульпопідйомного механізму.

Вивченню закономірностей руху рідини, що відкачується на поверхню, присвячено багато робіт. Протягом багатьох років вітчизняними і закордонними вченими розробляється теорія й удосконалюються конструкції підіймальних агрегатів. Найбільш повні результати досліджень приведені в роботах Б.О. Блюсса, О.М. Сокіла, Є.В. Семененка, В.Д. Шуригіна [2]. Існуючі методи розрахунку гідроелеваторів засновані на теоріях змішування двох потоків, розтікання турбулентної затопленої струмини, розтікання вільної затопленої струмини в рідині. При розрахунку гідроелеваторів з урахуванням змішування потоків автори вважають, що між масами робочого й усмоктуваного потоків відбувається обмін імпульсами, що призводить до зменшення швидкості робочої рідини і збільшення швидкості всмоктуваного потоку.

Параметри процесу відкачування з допомогою ерліфта залежать від багатьох специфічних чинників, серед яких найбільш важливими є величина пластового тиску, приток повітря до вибою свердловини, фізичні властивості гідросуміші та ін. В даний час немає однозначного погляду на фізичну суть процесу відкачування рідини ерліфтом та загальної методики його розрахунку. Це пояснюється значними теоретичними труднощами, так як залежності, справедливі для руху одного типу рідин, виявляються непридатними для інших рідин через неможливість збереження структури потоку при відкачуванні навіть у невеликих по висоті трубопроводах. Специфічні особливості процесу відкачування різних порід обумовлюють необхідність проведення спеціальних досліджень [2].

Таким чином, геотехнологічні методи видобутку корисних копалин слід розглядати не як конкуруючі з традиційними, а як доповнюючі їх. Ці методи доцільно застосовувати на нерентабельних для підземного і і відкритого способів об'єктах: на великих родовищах порівняно бідних руд, де значний економічний ефект може бути отриманий за рахунок масштабності виробництва; на малопотужних покладах і рудопроявах багатих руд на родовищах, відпрацьованих традиційними методами, для вилучення корисних компонентів із залишених ціликів і забалансових руд; на відвалах забалансових руд і хвостів збагачення закритих і діючих підприємств.

Одним із переважаючих геотехнологічних методів є метод СГВ, основними перевагами якого є можливість повної автоматизації процесу, виключення важкої небезпечної праці людини під землею, зменшення об'ємів і термінів вводу освоєння промислових потужностей та зменшення негативного впливу на навколишнє середовище.

Література

1. Маланчук З.Р. Научные основы скважинной гидротехнологии. - Ровно. -2002.- 372 с.

2. Обоснование параметров и режимов работы систем гидротранспорта горных предприятий // Ю.Д. Баранов, Б.А. Блюсс, Е.В. Семененко, В.Д. Шурыгин - Днепропетровск: "Новая идеология", 2006. - 416 с.

3. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых. - М.: Недра, 1980. - 229 с.

Размещено на Allbest.ru