Физико-химическая геотехнология

Физико-техническая подводная геотехнология

Физико-техническая открытая геотехнология

Физико-техническая подземная геотехнология

Физико-техническая геотехнология

Физико-техническая геотехнология сформировалась как совокупность знаний о способах и взаимосвязи процессов извлечения полезных ископаемых из недр или техногенных образований без изменения химического состава исходного сырья и его агрегатного состояния. Являясь самостоятельным разделом горных наук, она развивается под влиянием все возрастающих потребностей общества в добыче полезных ископаемых из недр Земли. В настоящее время горнодобывающей промышленностью из недр извлекается уже свыше 200 наименований полезных ископаемых. Горные работы ведутся на глубине до 3,5 тыс. м от поверхности.

Физико-техническая геотехнология – это научный фундамент горно-инженерных знаний, необходимых для создания и эксплуатации горных предприятий, анализа и прогноза их деятельности, а также для оценки последствий горного производства. В физико-технических геотехнологиях и процессах используются взрывное, механическое, гидравлическое, криогенное, химическое, гравитационное и другие воздействия на горные породы.Они осуществляются при разрушении горных пород, укреплении и упрочении горных выработок и массивов, а также при перемещении отбитой горной массы. В результате производства горных работ в земной коре происходят структурные изменения и перераспределение силовых полей, в значительной мере зависящих от видов и параметров технологий и процессов горных работ.

Подземная геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче полезных ископаемых в недрах Земли без нарушения дневной поверхности путем проведения системы подземных горных выработок.

Основные горные выработки подземной разработки месторождений:

Ø шахтные стволы, квершлаги и штольни, открывающие доступ с поверхности ко всему месторождению и обеспечивающие возможность проведения подготовительных выработок и очистной выемки в запланированных объемах;

Ø штреки, уклоны, бремсберги, восстающие орты, которыми вскрытая часть месторождения разделяется на обособленные выемочные участки;

Ø этажи, блоки, панели, камеры, столбы, предусмотренные принятым способом подготовки и системой разработки;

Ø поэтажные и слоевые выработки, выработки буровые, погрузочно-доставочные, вентиляционные, отрезные и другие, обеспечивающие выемку полезных ископаемых.

Роль подземной разработки остается значительной. Этому способствуют достижения в области технологии и механизации горных работ, необходимость восстановления и рекультивации территорий, нарушенных горными работами. В условиях ограниченного прироста запасов минерального сырья вблизи земной поверхности темпы освоения месторождений подземным способом непрерывно растут (табл.13.1).

Таблица 13.1. – Условия разработки на некоторых шахтах в России и за рубежом

Шахта (рудник), страна	Вид полезного компонента	Мощность полезной толщи, м	Угол падения залежи, град.	Глубина разработки, м
«Первомайский», Россия	железо
«Октябрьский», Россия	медь, никель		15-20	1200-1600
«СУБР», Россия	бокситы
«Колар», Индия	золото	1,7
«Ист-Райд», ЮАР	золото	0,1-3	5-30
«Крайтон», Канада	медь, никель	20-30	70-80
«Стар-Морнинг», США	цинк, свинец, серебро		70-80

Подземные разработки месторождений известны еще в глубокой древности (см. тема 3). Исследования хорошо сохранившихся подземных выработок («Айбунар» и «Рудна-Глава» на Балканском полуострове, «Вади-эль-Араба» на Синае, Гумешевский рудник на Урале, Калбинские рудники на Алтае и другие) позволяет составить представление о технологии работ в них. Форма подземных выработок, их трасса и протяженность (достигавшая сотен метров) повторяли конфигурацию рудного тела. Для предохранения выработок от обрушения оставлялись целики, сооружения из камня, применялись деревянные распорки. Для этих же целей кровле горных выработок придавали сводчатую, арочную или остроугольную формы. Проветривание осуществляли посредством специальных дополнительных вертикальных выработок, проходимых на разных уровнях. Для предотвращения затопления шахт ливневыми дождями около ствола строили защитные плотины. Подземные воды собирали в ямы-водосборники, из которых воду вычерпывали кожаными или берестяными ведрами. Освещались горные выработки сжиганием сухого хвороста или лучин, а позднее – с помощью масляных сосудов-ламп. Для спуска и подъема рудокопов в стенке вертикальной выработки оставляли небольшие уступы, применяли бревна с зарубками или сучьями.

Рисунок. 13.1. Средневековая рудная шахта близ г. Хемниц.

Эпоха горных орудий (см. тему 4) знаменует дальнейшее развитие подземной технологии разработки месторождений. Применение простейших горных машин позволило сооружать шахты в виде упорядоченной системы горных выработок, придавая им облик крупного производства.

В России подземная разработка месторождений до Октябрьской революции была развита относительно слабо. Месторождения разрабатывали небольшими шахтами и рудниками, принадлежащими частным владельцам и иностранным акционерным обществам.

После победы Октябрьской революции в развитии подземной разработки выделяются четыре этапа.

Первый этап (1921–1928 гг.) – восстановительный период. Стволы шахт были затоплены, копры разрушены, механизмы изношены, не хватало квалифицированных рабочих. Уже к концу этого периода добыча угля в СССР была выше на 22 %, а железной руды достигла 70 % соответствующего уровня 1913 года.

Второй этап (1929–1941 гг.) – период индустриализации. Коренной реконструкции были подвергнуты рудники Кривого Рога и Урала, введены в эксплуатацию новые месторождения марганцевой руды на Урале и в Западной Сибири, медной руды на Урале и в Казахстане. В эти годы была создана советская никелевая промышленность, построен вольфрам–молибденовый комбинат в Тырныаузе. В годы довоенных пятилеток зарубка и отбойка угля были механизированы на 94,8 %, доставка – на 90,4 %, откатка – на 75,2 %. В горнорудной промышленности было почти полностью ликвидировано ручное бурение, механизированы погрузочные работы, подземная и поверхностная откатка, водоотлив и подъем.

Третий этап (1941–1945 гг. – 50-е годы) – ускоренное развитие подземной разработки. В годы Великой Отечественной войны особенно бурно развивалась горнорудная база Урала и Сибири. Значительные успехи были достигнуты в добыче руд для производства алюминия, никеля, олова, магния и молибдена. В послевоенный период восстановления народного хозяйства продолжалось развитие подземной разработки за счет достижений научно-технического прогресса.

Четвертый этап (современный период). В 60-е годы произошли существенные сдвиги в основном процессе добычи угля, в очистной его выемке на пологих и наклонных пластах. Широкозахватные комбайны стали вытесняться более производительными – узкозахватными комбайнами и стругами, действующими в комплексе с механизированными крепями. На рудных шахтах стало применяться самоходное оборудование, что открыло возможность комплексной механизации подземных горных работ.

В изменениях, которые претерпевали системы подземной разработки месторождений полезных ископаемых, отражалось многообразие месторождений, средств и способов ведения горных работ. К концу 80-х годов насчитывается более 200 основных систем и множество их вариантов с присущими им особенностями. Опубликовано более 60 классификаций систем подземной разработки месторождений.

В мировой практике наиболее распространены следующие системы подземной разработки руды:

Ø системы разработки с открытым очистным пространством, в т. ч. камерно-столбовая система разработки;

Ø система поэтажных штреков;

Ø системы разработки с закладкой;

Ø системы разработки с обрушением руды и вмещающих горных пород, в т. ч. поэтажное обрушение с торцовым выпуском руды, этажное принудительное обрушение и этажное самообрушение.

Совершенствование существующих систем подземной разработки рудных месторождений заключается в их упрощении и увеличении параметров: высоты этажа и подэтажа, сечения выработок, ширины камер. Внедряется высокопроизводительное самоходное оборудование, что дает возможность увеличения параметров блоков и значительного повышения производительности выемочных участков.

На многих рудниках России широко используется вибрационная техника, которая сокращает время подготовки блоков к очистной выемке, увеличивает безопасность работ.

Основные этапы подземной разработки месторождения:

Ø подготовка горной породы к выемке (подготовка шахтного поля);

Ø отделение горной породы или полезного ископаемого от массива и выдача их на транспортные выработки (очистные работы);

Ø транспортирование горной массы на поверхность шахты;

Ø размещение пустых пород в выработанном пространстве или отвалах.

Кроме основных технологических процессов, на шахтах выполняются и вспомогательные работы.

В зависимости от добываемых полезных ископаемых и производственной мощности подземных горных предприятий сроки их существования: для шахт черной металлургии – 20–25 лет; предприятий по добыче алюминиевого сырья, медных, свинцово-цинковых и никелевых руд – 30–40 лет, золоторудные предприятия – 15–20 лет. Перспективы подземной разработки месторождений полезных ископаемых связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, переходом на большие глубины, созданием малоотходных и ресурсосберегающих технологий.

Физико-техническая открытая геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче полезных ископаемых с поверхности Земли при разработке месторождений всех видов твердых полезных ископаемых путем сооружения комплекса горных выработок и производства вскрышных и добычных работ, а также развитие массовых земляных работ.

Основные открытые горные выработки – капитальные траншеи, обеспечивающие доступ к полезному ископаемому, и разрезные траншеи, подготавливающие карьерное поле к вскрышным и добычным работам. Отрытый способ добычи природных каменных материалов применялся еще в глубокой древности (см. темы 3, 4). На протяжении нескольких тысячелетий его развитие сдерживалось мускульным характером труда и примитивностью орудий. Только с началом создания мощной карьерной техники стало возможно развитие этого прогрессивного способа добычи полезных ископаемых. Так, например, массовое строительство карьеров (предприятий по добыче полезных ископаемых открытым способом) произошло только в 20-е годы прошедшего столетия, когда стали появляться средства механизированной выемки и транспортирования горной массы.

Первые исследования этого периода были посвящены разработке методов научного обоснования целесообразной высоты уступов и определения эффективных границ карьеров. В 1924 г. известный советский ученый, акад. Л. Д. Шевяков разработал положение по определению высоты уступа при транспортной системе разработки, исходя из условий безопасности и технико-экономической целесообразности. Другой советский ученый М. И. Гоберман в 1927 г. впервые начал проводить исследования по определению границ карьеров, основанные на принципе сравнения граничного и контурного коэффициентов вскрыши. Такой подход не утратил своего значения и сегодня.

В 20-х годах в связи с применением бестранспортных и транспортно-отвальных систем разработки (Челябинские угольные копи, Черемховское месторождение) были предложены методы расчета их основных параметров. В этот же период были заложены основы теории применения массовых взрывов скважинными зарядами и минными камерами. В последующие годы начали формироваться научные школы Н. А. Старикова в СГИ, Е. Ф.Шешко в МГИ и др. Основные исследования проводились по наиболее трудоемкой в то время операции – буровзрывным работам. Значительные по объему исследования проводились в областях гидромеханизации, применения многочерпаковых экскаваторов и транспортно-отвальных мостов. Были созданы первые классификации систем открытой разработки (Е. Н. Барбот-де-Марни, Е. Ф. Шешко, Н. В. Мельников), разработаны и систематизированы различные схемы вскрытия.

Наиболее быстрое развитие открытых горных работ в СССР началось после окончания Великой Отечественной войны. Открытый способ разработки становится основным при добыче большинства видов полезных ископаемых. На базе выполненных в этот период научных разработок создаются проекты строительства крупных карьеров большой глубины, позволяющих обеспечить все возрастающие потребности страны в минеральном сырье путем применения бестранспортной системы разработки с мощными шагающими драглайнами, современных способов взрывания, применения автомобильного и комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта.

Открытый способ разработки месторождений, как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей отечественной промышленности на протяжении последних нескольких десятилетий, сохранит свои позиции и в обозримой перспективе благодаря, в первую очередь, основным преимуществам (по сравнению с подземным способом) экономического, технического, технологического, организационного и социального характера. В России в последние годы открытым способом ежегодно добывают около 90 % железной руды, 90 % горной массы, 62 % руд цветных металлов, 60 % угля, почти 100 % алмазосодержащих руд и сырья для производства строительных материалов.

Также, как и в подземной разработке месторождений, в развитии открытой разработки месторождений в России выделяются 4 этапа.

Первый этап (1917–1929 гг.) – восстановительный. Отличительной особенностью этого периода является преимущественное применение на карьерах зарубежных экскаваторов (главным образом американских), появились буровые ударно-канатные станки, динамит и порох заменен более безопасным аммоналом.

Второй этап (1930–1941 гг.) – период индустриализации. Начался с создания отечественной технической базы (см. темы 10, 11, 12). Благодаря широкому внедрению техники была решена задача технической реконструкции карьеров и заложены основы современной технологии.

Третий этап (1941–1950 гг.) – период военного времени и восстановления народного хозяйства. В годы войны резко возросли объемы открытой разработки месторождений, главным образом для добычи угля, руд цветных и черных металлов.

В послевоенный период расширились масштабы механизации процессов на карьерах, было унифицировано экскаваторное и транспортное оборудование. Начался серийный выпуск экскаваторов-мехлопат СЭ-3 (УЗТМ), шагающих драглайнов с ковшом 4 м³, был построен первый мощный отечественный шагающий экскаватор ЭШ 14/65 (УЗТМ), освоено серийное производство станков вращательного бурения и электровозов со сцепным весом 80 т, 40- и 50-тонных думпкаров «поднимающий борт», карьерных автосамосвалов 5,10 и 25 т.

Четвертый этап (современный период). В это время развернулись масштабное техническое перевооружение карьеров и совершенствование технологии открытых горных работ.

В зависимости от формы и положения полезного ископаемого выделяются пять основных видов открытой разработки месторождений:

1. Разработки поверхностного вида характеризуются отработкой вскрышных пород и полезного ископаемого сразу на полную мощность, размещением вскрышных пород в выработанное пространство. Внешние отвалы устаивают при строительстве карьеров или при особых горно-геологических условиях.

К этому виду относится разработка россыпей, строительных горных пород, угольных и небольшой части рудных месторождений при горизонтальном или пологом залегании залежей. Карьеры, как правило, неглубокие (до 40–80 м).

2. Разработки глубинного вида отличает выемка пород и полезного ископаемого слоями в нисходящем порядке. Горную массу, как правило, перемещают снизу вверх на более высокие отметки или на поверхность. Глубина карьера достигает 400–700 м и более. Вскрышные породы, как правило, размещают во внешние отвалы.

3. Открытые разработки нагорного вида характерны тем, что перемещение покрывающих и вмещающих вскрышных пород и добытого полезного ископаемого осуществляется средствами транспорта на более низкие отметки к месту расположения отвалов и технологического комплекса.

4. Разработки нагорно-глубинного вида характерны для сложных рельефов карьерного поля. Ведутся на месторождениях руд, химического сырья, строительных полезных ископаемых и угля, где являются самыми распространенными и крупными.

5. Особый вид открытой разработки полезных ископаемых – подводная добыча. Она проводится в поймах рек, на дне морей и озер. В этом случае кровля и почва залежи расположены ниже открытого уровня воды; покрывающие породы обычно небольшой мощности: мягкие, плотные, полускальные или разнородные.

Основные технологические процессы открытой разработки месторождения полезных ископаемых включают:

Ø подготовку горных пород к выемке с одновременным ее механическим или взрывным рыхлением;

Ø погрузку горной массы в средства транспорта;

Ø транспортирование горной массы из забоев;

Ø размещение пустых пород в отвалах.

Перспективы открытых горных работ связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, применением техники непрерывного действия, комплексным использованием добытой горной массы, переходом на большие глубины, широким внедрением автоматизированных систем и методов управления, внедрением малоотходных и ресурсосберегающих технологий.

Физико-техническая подводная геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче твердых полезных ископаемых со дна водоемов и из морской воды. В XXI столетии предстоит широкое освоение морской минерально-сырьевой базы – шельфовой зоны Российской Федерации – для создания горных предприятий по добыче золота, янтаря, олова, меди и других ценных полезных ископаемых.

В современном представлении физико-техническая подводная геотехнология – это совокупность способов и технологических процессов по добыче полезных ископаемых из воды, а также при разработке месторождений, залегающих в обводненных породах и непосредственно под водой – по руслам и в поймах рек, на дне озер, на морском шельфе или в глубинной зоне акваторий морей, в том числе россыпных месторождений золота, платины, алмазов, олова, титана, редких металлов, песков, песчано-гравийных материалов, других месторождений полезных ископаемых, сложенных преимущественно рыхлыми осадочными породами (см. гидромеханизация). Разработка таких месторождений обычными, «сухими» способами невозможна или затруднена по техническим, экономическим или экологическим причинам. Преимуществами подводных способов добычи полезных ископаемых при их использовании в соответствующих условиях применения являются непрерывность, поточность производства, высокая производительность труда и относительно низкая себестоимость работ.

Физико-техническая подводная геотехнология развивается в следующих направлениях: создание способов разрушения массива и извлечения полезных ископаемых под искусственно образуемыми водоемами (способы извлечения полезных ископаемых со дна морей и океанов под мощной толщей вод). Промышленные технологии, относящиеся к первому направлению, начали применяться на практике во второй половине XIX в. и осуществляются до настоящего времени двумя типами оборудования – землесосными снарядами и драгами.

Землесосный снаряд – это плавучая землесосная установка, предназначенная для выемки полезных ископаемых и пород из-под воды и транспортирования пульпы на обогатительную фабрику, в отвал или на места возведения намывных насыпей (дамб, плотин, планировки территорий и т. д.). Землесосный снаряд имеет грунтозаборное устройство, всасывающее грунт непосредственно при работе землесоса или после его предварительного рыхления механическим или гидравлическим (напорной струей воды) способом.

Разработка рыхлых отложений землесосными снарядами в конце XIX и начале XX веков использовалась, в основном, для дноуглубительных работ в портах, на реках, при строительстве каналов (во Франции – с 1859 г., в России – с 1874 г.). С 1930-х годов, по мере развития научных исследований и создания мощных и производительных земснарядов в СССР, эта технология находит широкое применение в горной промышленности и строительстве. В 80-х годах ежегодный объем землесосных работ (не считая дноуглубительных) в стране достиг 1 млрд. м³.

Драга, в отличие от землесосного снаряда, является не только плавучим выемочно-транспортным, но и обогатительным комплексом, оснащенным рабочим органом для добычи полезных ископаемых из-под воды, промывочно-обогатительными агрегатами для их первичного обогащения и транспортно-отвальным оборудованием для укладки отходов обогащения в отвал.

Впервые дражная разработка золотоносных россыпей была осуществлена в Новой Зеландии в 1863 г. В России первая драга была построена и введена в эксплуатацию в 1893 г. на золотом прииске в Сибири. В 1906 г. на Урале и в Сибири работали уже 32 драги, а перед первой мировой войной – почти 70 драг, изготовленных преимущественно на уральских драгостроительных заводах. Дальнейшее развитие дражная разработка получила в СССР в 30-е годы и в послевоенный период. Ее удельный вес при разработке россыпей к 1975 г. достиг 75%, а затем несколько снизился (до 60%). В эксплуатацию вошли крупные драги с черпаками вместимостью 600 л. В настоящее время дражные разработки россыпей ведут в различных климатических условиях России: на Урале, Алтае, в Восточной и Западной Сибири, в Забайкалье, Саха-Якутии и на Дальнем Востоке, включая северо-восточную его часть.

Морская физико-техническая геотехнология – это совокупность способов и взаимосвязанных процессов извлечения полезных ископаемых со дна и недр Мирового океана. Особенности морской геотехнологии определяются, в первую очередь, переносом работы горных машин и механизмов в водную среду, которая более чем в 800 раз плотнее обычной воздушной и обладает более высокой инерционностью (волновое воздействие и т. п.), что из-за сравнительно высокой способности к переносу морских масс существенно затрудняет проведение горных работ. Водная среда одновременно является средой обитания морской фауны и флоры, что предъявляет особые требования к экологии производства. Трудности обусловлены также необходимостью создания плавучих устройств для пребывания человека над месторождением, складирования необходимых материальных ресурсов и размещения оборудования, энергоисточников и т. д.

Вместе с тем, перенос горных работ в Мировой океан позволяет сократить изъятие земельных участков под горные предприятия и создаваемые для них инфраструктуры, как правило, в необжитых регионах, уменьшить негативное воздействие горных работ на природные ландшафты, земные и поверхностные водные массивы, т. е. на источники водоснабжения человеческого общества, воздушный бассейн. При добыче полезных ископаемых в морских условиях энергетические источники находятся на борту сооружения или судна, где располагается не только весь производственный комплекс, но и административные, жилищно-бытовые и социальные помещения. Такие устройства должны создаваться в условиях высокотехнологических судостроительных производств, размещаемых, как правило, в освоенных регионах, где трудо-, материало- и энергозатраты в несколько раз ниже, чем в тех регионах суши, где находятся альтернативные перспективные к освоению месторождения. Особенности освоения морских месторождений позволяют при этом создавать жилсоцбыткомплекс для семей работников предприятий в наиболее благоприятных условиях крупных портовых городов или других мегаполисов.

Главным преимуществом морских геотехнологий является то, что во многих случаях присутствие водных потоков и состояние массивов позволяют произвести в процессе выемки первичное обогащение полезных минералов или их агрегатов. Такая технология выемочных работ получила название придонного обогащения. К примеру, известные металлоносные конкреции имеют размеры от 5 до 50 м, поверхностную плотность до 30 кг/м² и залегают на поверхности илоносных отложений на глубинах 3000–6000 м. Применение обычных средств выемки, не учитывающих особенности океанических месторождений, привело бы к необходимости породозабора с каждого квадратного метра поверхности практически 2 т отложений, подъема их с большой глубины, а затем к возврату практически тех же объемов породы на те же глубины. Разрабатываемые в ряде стран выемочные машины для таких условий используют классификационные принципы выемки, т. е. грохочение гранул при выемке. Перенос процессов горного производства на борт морского судна, подвергающегося качке от волнений и ветровых воздействий, возможен только при создании оборудования, способного осуществлять выемку, подъем и выделение полезных компонентов в необычных для известных образцов оборудования условиях.

Человечество обратило внимание на дно и недра морей и океанов как на источник получения минерального сырья еще в давние времена. Так, свыше 30 веков назад финикийцы на дне Средиземного моря разрабатывали отложения морских раковин, из которых изготовляли пурпурную краску. Добыча медной руды ныряльщиками проводилась в III в. до н. э. с глубины 4 м вблизи о. Халка в проливе Босфор. Легенда гласит, что из этой руды была отлита Гераклом статуя Артемиды для ее храма. Известны разработки коралловых построек у берегов островов Полинезии в VI в. до н. э. В эпоху средневековья на территории современной Великобритании производили добычу оловоносных песков на месторождении Левант.

В конце XIX–начале XX веков строительство портов в устьях рек и необходимость поддержания глубин на их фарватерах определили появление морских землечерпательных снарядов. На их базе была создана первая морская паровая многочерпаковая драга (вместимость ковша 205 л), позволяющая производить добычу полезных ископаемых на глубинах до 12 м. Она была применена в 1907 г. для разработки оловоносных россыпей у берегов о. Пхукет (Таиланд). С середины XX в. из россыпей шельфа добывают руды золота, олова, титана, циркония, платины, железа, алмазы, строительные материалы. Более 70 предприятий в различных странах перерабатывают свыше 130 млн. м³ горных масс на шельфе. Валовая стоимость готовой продукции этих предприятий составляет около 2% стоимости полезных ископаемых, добываемых на суше. В 1985 г. за рубежом на шельфе работало более 2500 плавучих установок, производящих, в основном, добычу песка и гравия и дноуглубительные работы.

Разработка поверхностных месторождений шельфа производится открытым способом через водную толщу. В зависимости от горно-геологических, гидрометеорологических условий разработки месторождений применяют различные технические средства и методы добычи. Россыпи разрабатывают преимущественно многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами. Добыча полезных ископаемых осуществляется, в основном, однослойной или многослойной (при необходимости удаления вскрышных пород) системами выемок вскрышных пород и продуктивного пласта преимущественно с отвалами и хвостохранилищами в выработанном пространстве. Подводную выемку ведут валовым способом или с придонным обогащением с целью получения черновых концентратов. Подъем породы в зависимости от конструкции морских земснарядов осуществляют гидравлическим или механическим способами. Первичное обогащение руд – на борту судна или на берегу. Доставка породы в отвал – морскими судами, самоотвозными снарядами, по плавучим пульпопроводам и другими способами.

Широкие перспективы намечены по освоению месторождений строительных горных пород, на которых в настоящее время добывают свыше 40 млн. м³ песка.

Физико-химическая геотехнология (ФХГ) – это совокупность физических, химических и технологических процессов, происходящих в недрах земли при добыче через специальные скважины (дренажные выработки) полезных ископаемых, с изменением их физического, агрегатного или химического состояния (см. схемы).

Это одна из самых молодых геотехнологий, наиболее быстро развивающаяся в настоящее время. Огромный вклад в развитие теории и практики ФХГ внесли Д. И. Менделеев, предложивший подземную газификацию угля; В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман, создавшие теоретические основы геохимических, а во многом и физико-химических процессов геотехнологии. В становлении геотехнологии как науки особые заслуги принадлежат акад. Н. В.Мельникову, основавшему в МГГУ специальную кафедру и постоянно оказывавшему внимание всем вопросам ФХГ – от определения ее понятий до практической реализации ее методов.

В современных условиях в связи с ростом потребления ресурсов недр возникает необходимость в отработке бедных и глубокозалегающих месторождений, в переработке старых отвалов бедных руд и хвостохранилищ, содержащих многие полезные ископаемые. Однако достигнутый уровень физико-технической геотехнологии не позволяет решать такие задачи при одновременном повышении экономической и экологической эффективности производства. Выход из этой ситуации требует поиска принципиально новых решений, одно из которых – соединение непосредственно в недрах операций по добыче полезных ископаемых с их переделом, что является задачей физико-химической геотехнологии, включающей в себя три составные части определенного содержания (табл. 13.2).

Таблица 13.2. Составные части физико-химической технологии

Составная часть ФХГ	Содержание составной части
Учение о горной среде	Свойства горной среды, породы, полезного ископаемого, геологические условия залегания
Физико-химические основы воздействия на горную среду	Основы учения о химических и физических превращениях полезных ископаемых и горных пород при взаимодействии их с рабочими агентами, теория процессов движения рабочих и продуктивных флюидов в недрах, технологические основы процессов добычи и переработки продуктивных флюидов
Учение о физико-химических методах геотехнологии	Теория проектирования геотехнологических комплексов, вскрытие и подготовка месторождений, системы разработки, средства добычи и управления, экономические, экологические и социальные аспекты геотехнологии

Основной принцип ФХГ формулируется как: исследование процесса добычи и изменений горной среды под влиянием рабочих агентов с целью перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и извлечения его на поверхность. Исходя из этого принципа, в ФХГ выделяют три основных направления: изучение влияния физико-геологической обстановки и горной среды на процесс перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, изучение собственно превращений: химического и физического характера (установление природы процесса и последовательности протекания отдельных стадий), изыскание средств осуществления процессов добычи. Конечная цель ФХГ – развитие геотехнологических способов добычи, прогнозирование протекания процессов и оптимизация параметров технологии.

Для ФХГ характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов и средств бесшахтной добычи, полезных ископаемых и воздействия на них химическими и физическими методами в геотехнологии используются методы физики, химии, геологии и горных наук, что позволяет количественно оценить происходящие процессы, обеспечить возможность их изучения и использования.

Физико-химические методы геотехнологии добычи таких полезных ископаемых, как соль, золото, сера, уран, железо, медь уже, широко используются, а для ряда других еще только разрабатываются (табл. 13.3).

Таблица 13.3. Физико-химические методы геотехнологии

Метод	Объекты промышленного освоения	Объекты полупромышленных и опытных исследований
Подземное растворение	Месторождения каменной и калийных солей	Месторождения бишофита, соды, глауберовой соли
Подземное выщелачивание	Месторождения меди, урана, золота	Месторождения марганца; сульфидные месторождения меди, свинца, цинка и никеля, фосфоритов, титана, известняка, осадочные бурожелезняковые месторождения
Подземная газификация	Месторождения каменного и бурого угля	Осушенные месторождения серы, месторождения битумов, горячих сланцев, руд, содержащих мышьяк и ртуть
Скважинная гидродобыча	Месторождения фосфоритов, строительные пески, железо, золото	Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий, титан, золото, алмазы, касситерит в погребенных россыпях, желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, алмазоносные породы и т. д.
Добыча полезных ископаемых из подземных вод	Месторождения йодобромистых вод, а также вод, содержащих бор, уран, стронций	Сточные воды шахт, рудников и нефтепромыслов
Извлечение и использование тепла Земли	Природные парогидротермы	Тепло «сухих» горных пород

Особую важность имеют работы по геотехнологической оценке месторождений полезных ископаемых, ибо только благодаря ФХГ становятся доступными 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 результаты ее исследовательских разработок пока не готовы для промышленного использования из-за специфичности горно-геологических условий залегания руд отечественных месторождений. Главные перспективы ФХГ связываются с решением ее химических аспектов, причем не только с поиском рабочих агентов для перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, но и с их промышленным применением, с решением проблемы всех сопутствующих реакций, а следовательно, с получением попутных продуктов, которые, в большинстве случаев, могут влиять как на основной процесс добычи, так и на переработку.

Необходимо интенсифицировать работы по созданию эффективных техники и технологии бурения геотехнологических скважин, способов их подготовки к эксплуатации. Актуальна проблема эффективного сооружения наклонно направленных скважин, особенно для условий сложного залегания продуктивных пластов. Основная проблема при бурении технологических скважин – качество вскрытия продуктивного горизонта, т. е. подготовки месторождения для его эффективной разработки.

ФХГ должна внести значительный вклад в осуществление энергетической программы. Однако технологии подземной газификации, гидрогенизации и перегонки угля, сланца, битума, нефти в настоящее время разрабатываются медленно. Особую роль ФХГ будет играть в социальном и экологическом плане, ибо с точки зрения охраны окружающей среды 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.

Методы ФХГ характеризуются следующими особенностями:

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

2. Месторождение рассматривается как 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 (рудного тела, где протекает процесс), блока переработки продуктивных флюидов. Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону, например, химические растворы, электрический ток, вода или другой теплоноситель).

4. Под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет агрегатное или химическое состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают высокой подвижностью и могут перемещаться.

5. Разработка месторождения зональна, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны и ее перемещения в эксплуатируемой части месторождения.

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

Методы ФХГ можно классифицировать по процессам добычи, в основе которых – вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние. Различают химические, физические и комбинированные методы добычи.

К химическим методам относятся:

Ø подземное растворение водой каменной, а также калийных, магнезиальных и урановых солей, сульфатов и сульфаткарбонатов, буры и др.;

Ø подземное выщелачивание 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); солей – сернистого натрия, хлористого железа, цианистого калия (золото), других реагентов;

Ø подземная термохимическая переработка полезного ископаемого сжиганием (например, подземная газификация, угля, сланца, нефти) и обжигом (пирит, халькопирит, антимонит и др.).

К физическим относятся методы, в основе которых следующие способы: подземная выплавка (серы, азокерита и др.) и возгонка (реальгара, киновари и др.); разрушение рыхлых пород струей воды (например, скважинная гидродобыча) и превращение их в плывунное состояние вибрацией или другими способами.

К комбинированным относятся методы, основанные на совместном использовании химических и физических процессов (например, выщелачивание металлов в электрических полях). К ним следует отнести также методы бактериального выщелачивания.

Возможность применения того или иного геотехнологического метода обусловлена геотехнологическими свойствами и физико-геологическими условиями залегания полезного ископаемого. Главным условием применения ФХГ являются 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.

Дата добавления: 2014-12-27