Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Общность отдельных сторон изучаемых горной наукой объектов притягивает к ним самые различные науки, происходит процесс взаимопроникновения и обогащения горных наук, более того, привычные для нас горные науки выходят за пределы сложившихся представлений о них, образуя новый конгломерат знаний. Именно поэтому в горных науках необходимо должное внимание уделить вопросам понятийно-терминологического плана. Некоторую пестроту в терминологии горного дела устранит сама жизнь и дальнейшая работа. Термин «геотехнология» определяет отношение к предмету, может укорениться в "кровеносных сосудах" науки. Чем лучше сформулирован каркас основных понятий, тем легче их усвоить, оценить и удержать в памяти. Вот почему в математике и физике придается важное значение аксиоматической формулировке определений. Вне аксиоматических систем остается мало надежд на установление порядка и в горной науке. В частности, это касается термина "геотехнология". Все знают, что в последние годы под этим понимается новый раздел горной науки, но есть и другое мнение. Еще в 60-е годы И.П. Кириченко, Р.Н. Питкин, И.П. Фарберов, а в конце 80-х годов акад. В.В. Ржевский предлагали этот термин для замены термина "горная наука". В последней работе под руководством акад. РАН К.Н.Трубецкого слову "геотехнология" дается новая трактовка, которая относит его к "группе горных наук, изучающих технологические процессы, технические средства, технологии, способы и горные объекты, позволяющие извлечь георесурсы из недр или использовать их, например, в виде подземных полостей".

Вся научная общественность сейчас признает понятие "горная наука", она достойно представлена в горных вузах и в РАН, РАЕН, АГН. В этой связи, думаю, большинство горняков будут настаивать на этом общепринятом наименовании, а термину "геотехнология" можно оставить его привычное понимание, тем более что оно уже прижилось в России: имеется кафедра в МГРИ, где готовятся горные инженеры-геотехнологи. В принципе, думаю, геотехнологи не будут возражать и против названия "физико-химическая геотехнология", которое не противоречит общепринятому понятию "геотехнология", даже как бы дополнительно раскрывая его сущность, тем более что ранее И.П. Кириченко назвал геотехнологические методы - химическими, а Н.В. Мельников создал в середине 60- х годов в МГИ кафедру физико-химических методов разработки месторождений полезных ископаемых, на которой сформировались основные определения геотехнологии.

В частности практически все геотехнологические процессы как бы вторят природе, но идут в обратном направлении. Сейчас под термином "геотехнология", или "физико-химическая геотехнология" (ФХГ) понимается раздел горной науки, изучающий методы в основном бесшахтной добычи твердых полезных ископаемых, основанные на переводе их в подвижное состояние в недрах земли.

Цель ФХГ - развитие методов активного воздействия на полезное ископаемое, геологическую обстановку горной среды и процессы добычи, расширение области эффективного применения геотехнологических методов добычи на месторождениях со сложными горногеологическими условиями. Изучая процессы и средства бесшахтной добычи полезных ископаемых и воздействуя на их параметры, геотехнология использует данные и методы физики, химии, математики, микробиологии, геологии, горного дела.

Основные области исследований, которыми занимается ФХГ: подземные процессы - растворение солей, выщелачивание металлов, газификации каустобиолитов, выплавка серы, битума, вязких нефтей, скважинной гидродобычи полезных ископаемых; извлечения глубинного тепла Земли.

В ФХГ выделяются три основных направления:

Первое связано с изучением горной среды. Цель его - определение возможности перевода извлекаемого полезного ископаемого или его ингредиентов в подвижное состояние (газ, раствор, расплав, подвижные смеси) непосредственно на месте залегания и изучение влияния на этот процесс физико-геологической обстановки. Перевод полезного ископаемого в подвижное состояние осуществляется следующими способами:

-физическим - плавление, перегонка (воздействие температуры, давления), -гидро-пневморазрушение; -химическим - окисление, разложение (частичное или полное сжигание, обжиг), выщелачивание и растворение с образованием молекулярных растворов, растворение связующего вещества, физикохимическими реакциями с участием физических полей, гидрогенизация, растворение и выщелачивание с участием физических полей, диспергирование поверхностно-активными веществами, химическими реагентами и физическими полями; - микробиологическое - бактериальное воздействие, бактериальное выщелачивание, бактериальное растворение цемента.

Второе направление - изучение физического и химического изменения полезного ископаемого и вмещающих пород (установление природы процесса и последовательности протекания отдельных стадий).

Третье - изыскание и разработка способов и средств осуществления геотехнологических процессов добычи, выявление их зависимости от геологической обстановки. В процессе добычи направленное изменение состояния полезного ископаемого рассматривается в едином комплексе с физико-геологической обстановкой.

Истоки геотехнологических методов на территории России восходят к добыче соли подземным растворением во II-ом в. В Испании в XVI в. для разработки цветных металлов применялось подземное выщелачивание. Большинство современных геотехнологических методов добычи полезных ископаемых разработано в конце XIX в. В 1888 г. Д.И. Менделеев предложил идею подземной газификации угля, в 1891 г. Г. Фраш (США) опробовал метод подземной выплавки серы. В конце XIX - начале XX вв. В.А. Обручев выдвинул идею использования глубинного тепла Земли. Однако практическая реализация идей в области геотехнологии началась с XX в. В середине 70-х годов XX в. сформулированы основные понятия науки геотехнологии (ФХГ), дано определение ее предмета, области исследований, целей и задач.

Исследовательские работы по ФХГ ведутся в США, Германии, Бельгии, Великобритании, Чехии, Польше, Венгрии и других странах. В наибольших объемах (среди зарубежных стран) и практически по всем разделам геотехнологии их осуществляют в США, там же с 1977 г. издается специальный геотехнологический журнал "In situ".

В ФХГ своеобразно переплелись, завязались в тесный узел плодотворного сотрудничества почти все естественные и многие инженерные, технологические и общественные науки. Но надо помнить, что это не синтетическая наука, а творческий сплав наук с новыми свойствами, составом и строением. Соответственно своему содержанию физико-химическая геотехнология охватывает широкий круг вопросов и является на сегодня самым разносторонним предметом, в развитии которого будут участвовать не только технические, геолого-минералогические, экономические науки, но и физико-математические, химические и даже биохимические. Содружество всех этих наук в физико-химической геотехнологии сделает ее фундаментальной.

1.Физико-химическая геотехнология как наука

Сегодня в горном деле создалось положение, когда общественная необходимость отработки бедных и глубокозалегающих месторождении, а также старых отвалов бедных руд и хвостохранилищ, содержащих многие полезные ископаемые, растет, а современный уровень науки и техники не позволяет решить поставленные задачи при одновременном повышении экономической и экологической эффективности производства. Разрешение этой кризисной ситуации связано с научно-технической революцией в горном деле, с поиском принципиально новых решений. Для выработки верных стратегических принципов развития горной науки - определения генерального направления исследований, а следовательно, перераспределения сил и средств - важно определить пути НТР в горнодобывающих отраслях промышленности. В этом плане одно из возможных принципиальных решений можно найти в соединении в недрах операций по добыче полезных ископаемых с их переделом, т.е. с физико-химической геотехнологией (ФХГ).

В настоящее время утвердилось определение ФХГ как науки, изучающей условия, средства и способы разработки твердых полезных ископаемых путем перевода их на месте залегания в подвижное состояние посредством осуществления в недрах тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов, что позволяет производить добычу полезного ископаемого из недр или отвалов через специальные дренажные выработки-скважины (сюда же следует отнести извлечение тепла горных пород и создание в недрах земли инженерных сооружений методами ФХГ). Эта наука наряду с горной средой, геотехнологическими процессами добычи и средствами их осуществления изучает протекающие в недрах земли химические и физические явления. Связь ФХГ как науки с другими дисциплинами представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1Междисциплинарная связь ФХГ как науки

Предметом ФХГ как науки является изучение различных реальных объектов (месторождений, средства добычи, процессов, явлений и т.п.) для использования новых методов в горной промышленности. Основные исследования в ФХГ связаны с решением задач в «познавательном пятиугольнике»: состояние, строение, состав, способность и свойства полезного ископаемого и месторождения.

Целью ФХГ как науки является создание методов добычи и оптимизация параметров технологии, а для этого, от установления возможности фазового превращения того или иного полезного ископаемого до осуществления самого технологического процесса, необходимо решение целого комплекса научных, технических и экономических вопросов. Это и выбор вида рабочих агентов, способов их доставки к рудному телу, управление технологическим процессом, доставка полезного ископаемого на поверхность и его дальнейшая переработка.

Таблица 1.2Составные части ФХГ и их содержание

Для достижения указанной цели необходимо развитие теории ФХГ - комплекса взглядов, представлений и идей, направленных на объяснение механизмов основных процессов и явлений, а также установление закономерностей и связей при осуществлении методов ФХГ.

Теория ФХГ - это внутренне дифференцированная и вместе с тем целостная система знаний. Теория ФХГ должна дать программу практической деятельности по расширению и перенесению ее положений на новые объекты и ситуации, открывая тем самым новые практические перспективы, предлагая обширную программу исследований.

Рассмотрение исследовательских задач в ФХГ основывается на общем методологическом принципе «трехаспектного единства», который основан на постулате, что ни одно явление, процесс, технологическая схема добычи полезных ископаемых физико-химическими методами геотехнологии не могут быть адекватно описаны и объяснены вне системы трех координат, отражающих геолого-гидрогеологические, физикохимические и технолого-экономические условия их протекания. Для реализации данного принципа необходимо рассматривать эти «координаты» в качестве активно взаимодействующих факторов.

2.Современное состояние ФХГ

Физико-химические методы геотехнологии (ФХМГ) для добычи ряда полезных ископаемых (соль, золото, сера, уран, железо, медь) уже широко используются, а для других только разрабатываются (табл. 1.3). Уровень их развития определяется уровнем развития ФХГ как науки. В области ФХГ многое сделано целой плеядой российских исследователей начиная с Д.И. Менделеева, предложившего подземную газификацию угля, академиков В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана, давших теоретические основы геохимических, а во многом физико-химических процессов геотехнологии.

Нужно особо отметить роль в становлении геотехнологии академика Н.В. Мельникова, впервые создавшего в Московском горном институте специальную кафедру и постоянно оказывавшего внимание всем вопросам геотехнологии от определения ее как науки до практической реализации ее методов. Профессора Д.П.Лобанов, Н.Д.Веригин, Ю.Д. Дядькин, А.С.Черняк, П.А. Кулле, Л.И. Лунев, П.Х. Хчеян, Е.А. Котенко, Н.И. Бабичев, В.П. Небера, В.А. Мазуров, П.А. обко, А.Р. Гарушев, М.И. Фазлуллин, В.А.Резников, М.П. Бельды, Б.Э. Чекалюк, Г.Г. Минеев, Ю.В. Нестеров, А.И. Перельман, Е.В. Крейнин, И.Г. Абдульманов, Л.И.Курицына, Д.Н.Шпак, Б.В. Исмагилов, И.Л. Демьянова, В.С. Подхалюзин, М.И. Бирчик, А.М. Гайдин, А.Е.Воробьев и многие другие исследователи внесли значительный вклад в развитие ФХГ.

Можно констатировать, что в 60-80-х годах она резко продвинулась вперед. Оценивая положительно достигнутое, необходимо признать, что сегодня в целом по стране качество и масштабы новых разработок не отвечают требованиям времени. Необходимы незамедлительные меры по ускорению развития ФХГ, фокусирование усилий на самых главных ее направлениях. Жизнь требует, чтобы в ближайшие годы произошли существенные сдвиги в фундаментальных разделах ФХГ, связанных с физикой, химией технологических процессов добычи и переработки.

Таблица 1.3

Изучая месторождения полезных ископаемых с геотехнологической точки зрения, следует выявить, какие механизмы физических, химических или физико-химических процессов могут обеспечить изменение агрегатного состояния полезного ископаемого и в каких условиях эти устойчивые минеральные ассоциации можно привести в подвижное состояние для извлечения полезного компонента.

Важно резко расширить исследования по избирательному растворению полезных компонентов, обусловливающих устойчивость технологического процесса растворения в недрах, а главное - по разработке эффективной технологии переработки добытых флюидов. Изыскание способов разупрочнения горного массива, разработка алгоритмов многомерных, нестационарных задач теплообмена, химических превращений, подвижных границ фаз, поиск методов контроля и управления состоянием массива в процессе его разработки - именно эти работы в будущем определят научно-технический прогресс в ФХГ.

Необходимо особо отметить важность работ по геотехнологической оценке месторождений полезных ископаемых, ибо благодаря ФХГ становятся доступны для горной промышленности многие забалансовые месторождения полезных ископаемых, отвалы бедных руд и старые хвостохранилища, содержащие много полезных компонентов. В настоящее время бурно развивается микробиологическая наука, однако ее исследовательские разработки пока не готовы для промышленного использования в горнодобывающих отраслях из-за специфичности физико-геологических условий залегания руд отечественных месторождений. Одна из ключевых проблем рудничной микробиологии - получение культур, устойчивых к неблагоприятным факторам среды и работающих в экстремальных условиях. Главные перспективы ФХГ связываются с решением ее химических аспектов. По-видимому, именно химик-геотехнолог будет заниматься поиском рабочих агентов для перевода полезного ископаемого в подвижное состояние. По существу сегодня химики в лаборатории могут извлечь из руды любой полезный компонент, но дело в его промышленном извлечении, а это значит, необходим поиск не только реагентов, катализаторов и технологий, но и решение проблемы всех сопутствующих реакций, следовательно, и сопутствующих продуктов, которые в большинстве случаев тормозят как основной процесс, так и процесс переработки.

Здесь без кропотливой, фундаментальной работы геохимиков и химиков-технологов не обойтись. То же следует сказать о работе физиков в ФХГ. Следует отметить необходимость усиления работ по разработке техники и технологии бурения геотехнологических скважин, их подготовке к эксплуатации. Ведь эти работы являются основными, а затраты на них составляют в среднем треть затрат на добычу.

Актуальна проблема эффективного сооружения наклонно направленных скважин, причем в условиях сложного залегания продуктивных пластов управление движением забоя скважин в заданном направлении с учетом гипсометрии пласта - непростое дело. Основная проблема при бурении геотехнологических скважин - это проблема качества вскрытия продуктивного горизонта, т.е. фактически подготовки месторождения для его эффективной разработки через скважины.

ФХГ должна внести значительный вклад в осуществление энергетической программы. Однако технологии подземной газификации, гидрогенизации и перегонки угля, сланца, битума, нефти в настоящее время разрабатываются у нас медленно. В свое время в связи с открытием в СССР крупных запасов нефти и газа эти исследования были практически прекращены, но сейчас, при должной постановке исследований, можно с уверенностью сказать, что уже в ближайшем будущем может быть обеспечено рентабельное производство как химических, так и энергетических ресурсов. Главное для громадного фронта поиска в сфере ФХГ -- поддержание высокого методического уровня исследований. Необходима эскалация уровня исследований на основе лучших отечественных и зарубежных разработок и перестройка тематики, подходов и направленности работ, причем критерием должны быть решения ученых с привлечением специалистов из разных областей знаний.

В этом плане кажется совершенно неверным столь малое участие академических институтов в решении проблем ФХГ, а ведь их роль - определять темпы и направленность научно-технического прогресса в данной области. Нуждается в улучшении система подготовки и повышения квалификации горных инженеров.

Во многих вузах горного и геологического профиля вообще не преподается ФХГ. Практически неоспоримо, что каждый молодой геолог и горный инженер должен знать основы ФХГ, тогда он поновому взглянет на предмет своего труда - полезное ископаемое - и сможет предложить, разработать, внедрить новые геотехнологические методы.

За физико-химической геотехнологией будущее горного дела, а ее изучение - насущная потребность горного образования. Геотехнологи ищут путь сокращения операций во всем цикле от разведки и добычи до получения готовой продукции. Для этого необходимо найти способ, путь, материалы, оборудование и аппаратуру для ведения в недрах технологического процесса (добычи-переработки). Геотехнологи придают функцию концептуальной целостности подхода к исследованиям проблем ФХГ. Необходимость такого подхода определяется: тесной взаимосвязью физико-геологических условий разработки с технологией добычи, непосредственной связью средств и способов разработки, необходимостью ведения исследований на всех уровнях от молекулы до добычного агрегата и месторождения.

Основные научные направления ФХГ связаны с решением ряда проблем.

Проблема сырья. Сводится к разработке критериев оценки и анализа месторождений с точки зрения ФХГ.

Проблема новых технологий добычи определяется решением задач по установлению связи физико-геологической обстановки залежи, полезного ископаемого и вмещающих пород с рабочими веществами и средствами добычи на уровне молекул, ионов, атомов.

Решение этих задач позволит предсказать свойства, функцию и назначение рабочих агентов в конкретных условиях. Быть может, это даже задачи не горного инженера, а инженера-химика, инженера-физика, которые в содружестве с горным инженером должны решать их для конкретных условий. В настоящее время можно надежно прогнозировать основные реакции и реакционную способность различных рабочих агентов, но для конкретных условия должны быть выполнены конкретные эмпирические работы. Проблема новых технологий связана с решением задач по управлению процессом добычи и переработки, физико-химический геотехнологический процесс добычи - это процесс перегруппирования вещества, в результате чего мы получаем подвижные "продукты реакции" и далее "конечные" вещества.

Химическая реакция или физическое воздействие для своего свершения требуют преодоления энергетического барьера. Потребности в энергии в зависимости от условий различны. Надо научиться управлять химической реакцией или физическим полем, т.е. изменять их скорость и направление, и это в изменяющихся условиях.

Надо знать, прогнозировать, управлять механизмом воздействия (последовательность и взаимозависимость элементарных процессов).

Знание механизма необходимо для определения лимитируемых процессов и побочных явлений.

Конечная цель - повышение производительности и селективности процесса. В этом плане необходим поиск катализаторов, стимуляторов для регулирования технологических процессов.

Надо больше заниматься физическими способами стимулирования химических процессов и регулирования ими. Физическое воздействие должно быть направлено на внутренние степени свободы реагирующих частиц для преодоления энергетического барьера.

Необходима селективность, "организованность" реакций, а для этого нужен поиск реагентов и материалов, работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах и давлении.

Проблема оборудования. Горная технология будущего должна отвечать ряду таких определяющих моментов, как малооперационность, поточность, простота в обслуживании и надежность, безотходность, малая энергоемкость, высокая производительность труда и низкая себестоимость, т.е. надо стремиться создавать прямые технологии превращения руды в целевые компоненты, а для их обеспечения разрабатывать новое горное оборудование, способное работать в сложных условиях. Особо стоит проблема переработки, утилизации добытых продуктивных флюидов. Значительный интерес представляют технологии на основе органических веществ - комплексонов, экстрагентов, обеспечивающих селективное извлечение ионов полезных компонентов.

Подводя итог сказанному, можно констатировать, что ФХГ должна: воспринять современный уровень знаний по всем аспектам науки; занять особое место в системе наук о Земле; пропагандировать и популяризировать свои знания и возможности. План развития ФХГ - это системы целей и средств, предусматривающих направление получения знаний для конкретных обстоятельств. Для того чтобы предвидеть будущее, хочется туда заглянуть, а это пока возможно только с помощью экспертной оценки. Так, например, специалисты фирмы "Маркгроу-Хилл" при составлении прогноза развития техники и технологии указали на близкую перспективу промышленного использования таких ФХ методов геотехнологии, как подземная газификация угля, сжижение угля в пласте, его гидродобыча, переработка нефтяных сланцев на месте залегания и др. Следует отметить особую роль ФХГ в социальном и экологическом плане, ибо с этой точки зрения ее методы наиболее приемлемы и именно они обеспечивают безлюдную, безмашинную и поточную технологию добычи, позволяют вывести из забоя рабочих, создать им комфортные условия труда, отвечающие требованиям времени, когда человек перестает выполнять функцию помощника машины, становится контролером и регулировщиком.

Горнодобывающая отрасль промышленности очень инерционна - большая фондо- и материалоемкость ее, а также длительность разработки новых, экономически приемлемых технических решений требуют уже сегодня выделить определенные силы и ресурсы для создания новых технологий добычи полезных ископаемых. Основные направления НИР на ближайшие годы представлены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

3.Физико-химические методы геотехнологии (ФХМГ) и их классификация

Физико-химические методы геотехнологии (ФХМГ) - методы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством химических, тепловых, массообменных и гидродинамических процессов, осуществляемых на месте его залегания. Сущность методов ФХГ заключается в переводе полезного ископаемого в подвижное состояние. Эти методы имеют следующие особенности.

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

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

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

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

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

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

7. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения параметров рабочих агентов (расход, температура, давление, концентрация и т.д.) и места их ввода в залежь и отбора продуктивных флюидов.

Таблица 1.5Методы ФХГ можно классифицировать по процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние

Приведем примеры химических, физических и комбинированных методов добычи.

К первым относятся методы, основанные: на подземном растворении водой каменной, калийных, магнезиальных и урановых солей, сульфатов и сульфаткарбонатов, соды, буры и др;

на 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;

- на 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.);

-на разрушении рыхлых город 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.

Процесс добычи ФХМГ полезного ископаемого в горном массиве, который характеризуется совокупностью целого ряда параметров, отражающих геологическое строение, гидрогеологические условия, физические и химические свойства пород и насыщающих их флюидов, давление, температура и т.д.

Всю эту совокупность условий и определяющих их параметров целесообразно характеризовать термином физико-геологическая обстановка.

4.Некоторые понятия и определения

Физико-геологическая обстановка 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 - это 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 их реализации следует трактовать как геотехнологическую систему. Т.е. геотехнологическая система - это совокупность горной среды, физических и химических процессов добычи и средств для их реализации. 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 и 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. Основной элемент - 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, охваченная 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 внутренние, 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., называют геотехнологическими свойствами полезных ископаемых.

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 передача тепла теплоносителем. Массообменные (диффузионные) процессы характеризуются переносом полезного 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 ФХГ 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 ФХГ следует выделить три основных направления. Во-первых, изучение влияния физикогеологической 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. Методы ФХГ. Для ФХГ характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов и средств добычи полезных ископаемых и воздействия на их параметры физическими и химическими методами в ФХГ используются методы физики, химии, геологии, горного дела это позволяет комплексно оценивать происходящие процессы, 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 полезного ископаемого 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. Современное состояние использования ФХМГ отражено в табл.1.8

Главным условием применения ФХГ 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.

Инструментом воздействия на горную среду при ФХМГ служат рабочие агенты, под которыми понимается энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону. Примерами рабочих агентов могут служить химические растворы, электрический ток, вода-теплоноситель и т.д. Под влиянием рабочих агентов полезное ископаемое образует продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, жидкость и др.), обладающие свойством подвижности и содержащие в своем составе полезное ископаемое.

5.Физико-геологические факторы, определяющие эффективность отработки месторождения ФХМГ

Под физико-геологическими факторами понимаются движущие силы какого-либо процесса или же условия, в которых этот процесс протекает.

Успех разработки месторождении методами ФХГ зависит прежде всего от физико-геологических факторов. Внутренние факторы определяют способность химических элементов и их соединений давать подвижные состояния. Выше мы их назвали геотехнологическими свойствами. К внешним факторам мы относим параметры физикогеологической среды (например. Т, Р, рН, Eh). Для каждого месторождения выявляется свой перечень факторов, в различной степени влияющих на экономику процесса добычи. В первую очередь к ним относятся геотехнологические свойства полезного ископаемого, которые обеспечивают возможность перевода его в подвижное состояние, поэтому изучение любого месторождения должно начинаться с исследования этого фактора, а также тех факторов, которые обеспечивают распространение в недрах рабочих агентов и движение полезного ископаемого к добычным скважинам. В ряде случаев для обеспечения успеха применения геотехнологических методов необходимо осуществить технические мероприятия, которые позволят управлять теми или другими свойствами полезных ископаемых и вмещающих пород.

Изучение физико-геологических факторов, влияющих на эффективность применения методов ФХГ, представляет собой сложную, комплексную проблему, так как происходящие в недрах Земли процессы зависят от многих факторов. Некоторые из них имеют то же значение, что и при обычных методах разработки. Это прежде всего запасы полезного ископаемого, географо-экономические условия и глубина залегания, но масштаб месторождения и глубина залегания полезного ископаемого имеют меньшее значение, чем при обычных методах разработки. Более того, ряд методов можно осуществить только на значительных глубинах. На параметры процесса добычи существенное влияние оказывают следующие физико-геологические факторы. Химико-минералогический состав залежей и вмещающих пород определяет характер их взаимодействия с рабочими агентами (растворителем, теплоносителем, окислителем и др.). Наиболее благоприятным является тот состав залежей, который обеспечивает выборочное взаимодействие рабочего агента с минералами, содержащими полезное ископаемое. Породообразующие минералы, взаимодействующие с рабочим агентом с образованием продуктов реакции, вызывают большой его расход. Наличие минералов, взаимодействующих с рабочим агентом, может привести к серьезным осложнениям (например, кольматация норового пространства).

Содержание полезного компонента в залежи при прочих равных условиях определяет эффективность метода добычи.

Механические свойства залежи и вмещающих пород в ряде случаев определяют возможность перевода полезного ископаемого в подвижное состояние (гидравлический размыв) и осуществление гидро-разрыва. Кроме этого, они определяют ход процесса сдвижения налегающей толщи пород, т.е. управление горным давлением при ведении процесса добычи.

Химический состав, плотность и вязкость подземных вод определяют скорость и характер распространения по залежи рабочих агентов, а также возможность использования пластовых вод для приготовления рабочих агентов и условия промышленного сброса вод. Условия питания и разгрузки подземных вод, их связь с выше- и нижележащими горизонтами определяют размер утечек рабочих и продуктивных агентов.

Большинство месторождений обводнено. С гидравлической точки зрения они могут характеризоваться закрытой структурой, частично закрытой (зона питания и разгрузки водоносного горизонта находится в удалении от месторождения) и гидрогеологически раскрытой (месторождение имеет непосредственную гидравлическую связь с поверхностью). Близость участков питания и разгрузки подземных вод, как правило, затрудняет ведение процесса добычи. Пористость, текстура и структура залежи определяют степень доступности полезного ископаемого для рабочего агента. Проницаемость залежей для многих геотехнологических методов является необходимым условием осуществления процесса добычи. Неоднородность проницаемости рудной залежи, как правило, затрудняет ведение процесса добычи, поскольку проницаемые участки служат каналами движения рабочих агентов, а непроницаемые остаются вне сферы их действия.

Из вышеизложенного следует, что круг основных факторов, влияющих на условия добычи полезных ископаемых методами ФХГ, охватывает многие свойства залежей. В этой связи одной из важнейших задач становится выявление степени влияния каждого фактора на конкретный метод и нахождение их качественной и количественной оценки. А это, в свою очередь, обеспечит возможность установления связей между факторами и экономическими показателями отработки месторождения. Так как комплекс природных факторов, которые бы только благоприятствовали ведению добычи, практически не встречается, для осуществления метода необходимо провести предварительные технические мероприятия, устраняющие влияние неблагоприятных природных факторов, т.е. осуществить подготовку месторождения к отработке путем улучшения геотехнологических свойств полезного ископаемого, повышения или снижения проницаемости залежи, изоляции залежи и т.д.

6.Требования методов ФХГ к физикогеологической обстановке

В основе каждого метода ФХГ лежит тот или иной физический или химический процесс. Для осуществления метода в промышленном масштабе необходимо знать влияние горной среды на параметры и показатели технологии. Естественно, что сформулировать общие для всех методов требования практически невозможно, поскольку иногда они для различных методов противоположны. Тем не менее ряд требований можно сформулировать.

Используемый метод должен обеспечивать заданное извлечение полезного ископаемого из недр и быть экономичным; химический и минералогический состав полезного ископаемого должен обеспечивать возможность перевода его в подвижное состояние, вмещающие породы должны обеспечивать возможность проведения технологического процесса по извлечению полезного ископаемого (поддержание необходимой температуры, давления, устойчивости); морфология залежи, текстура и структура руд должны обеспечивать доступ рабочих агентов к полезному ископаемому. Перечисленные требования конкретизируются применительно к каждому методу.

К требованиям, предъявляемым к качеству полезного ископаемого, относятся: минимальное промышленное содержание полезного компонента в блоке, необходимое для экономичной разработки месторождения; бортовое содержание полезного компонента в пробе для включения в промышленный контур запасов; минимальная величина промышленного извлечения полезного компонента, обеспечивающая экономичную разработку месторождения; технологичность полезного ископаемого.

К требованиям, предъявляемым к горно-геологическим условиям залегания полезного ископаемого, относятся: максимальная, а в ряде случаев минимальная глубина залегания; физические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород; минимальная промышленная мощность залежи; максимальная мощность прослоев проницаемых и непроницаемых пород, а также некондиционных прослоев, включаемых в контур подсчета запасов; минимальная мощность непроницаемых или слабопроницаемых подстилающих и покрывающих пород; максимальная мощность проницаемых пород и некондиционных прослоев, залегающих под верхним водоупором в кровле залежи и не включаемых в контур подсчета запасов; гидрогеологические параметры залежи - фильтрационные свойства полезного ископаемого и вмещающих пород (проницаемость, водопроводимость), степень раскрытости, расстояние до контуров питания и разгрузки и др.

Важным требованием является также минимальная производительность пласта, отражающая связь содержания полезного компонента с мощностью залежи. Здесь перечислены лишь самые основные требования, определяющие условия разработки месторождений, общие для большинства методов.