книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела

степени влияния различных факторов на равновесие системы и выбор способов, позволяющих «сдвинуть» это равновесие в сторону целевых продуктов под действием температуры, давления или концентрации рабочего агента.

В промышленных условиях, как правило, процесс рассматривается на макроуровне, поэтому следует изучать взаимодействие агрегатов молекул, которые сопровождаются диффузией, конвекцией рабочих и продуктивных флюидов в зоне реакции, выделением и распределением тепла.

Практически все геотехнологические процессы относятся к гетерогенным. Примером может служить подземная газификация угля, где сам процесс подразделяется на пять стадий:

1)внешняя диффузия кислорода через пограничный газовый слой;

2)внутренняя диффузия кислорода через слой выгоревшего угля;

3)химическая реакция;

4)внутренняя и 5) внешняя диффузия продуктов реакции через слой золы

ипограничный слой газа.

В химических процессах геотехнологии можно выделить три одновременно происходящих процесса: диффузию рабочих агентов к границе раздела фаз, саму химическую реакцию и диффузию продуктивных флюидов из зоны реакции. Скорость реакции зависит от температуры и концентрации реагирующих компонентов.

С помощью различных растворителей эффективно переводить в подвижное состояние многие полезные ископаемые. Такой перевод происходит в результате процессов растворения и выщелачивания, которые различаются по механизму взаимодействия растворителя и растворяемого вещества. Собственно растворение протекает без нарушения химического состава полезного ископаемого (в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия). Этот процесс лежит в основе технологии скважинной добычи растворимых в воде солей – галита, сильвинита, бишофита и др.

Растворение, сопровождающееся изменением данного вещества как химического соединения с переводом его в раствор, называется выщелачиванием. Методом подземного выщелачивания извлекают из руд металлы, их соли и окислы. В качестве выщелачивающих агентов используют кислородные кислоты (серную, азотную, фосфорную, сернистую) и бескислородные (соляную, сероводородную), а также водные растворы солей (соды, сернистого натрия, сернистокислых солей щелочных металлов). При выщелачивании процесс массопередачи протекает по крайней мере в двух кинетических областях, характеризующихся коэффициентами внешней и внутренней диффузии.

Природа растворяемого вещества и растворителя определяет энергию и характер их взаимодействия, а также растворимость, т.е. способность вещества равномерно распределяться в том или ином растворителе. Понятие растворимости как концентрации насыщенного раствора применимо лишь в случае физического растворения. Химическое же растворение (выщелачива-

231

ELIB.PSTU.RU

ние), как правило, осуществляется в условиях практической необратимости процесса.

Термическое воздействие на горные породы изменяет агрегатное состояние вещества таким образом, что приобретает форму, удобную для доставки полезного ископаемого к скважине и на поверхность (жидкость, газ), а также физические свойства (например, уменьшение вязкости), улучшая условия фильтрации полезного ископаемого к добычным скважинам. Указанные фазовые превращения обычно являются эндотермическими процессами и требуют подвода тепловой энергии. Нагрев горного массива может быть осуществлен передачей тепла с помощью различных видов теплоносителя, воздействием на залежь электромагнитным полем, экзотермическими реакциями (путем окисления химически активных компонентов полезных ископаемых), а также за счет тепла, выделяющегося при ядерной реакции.

Впроцессе гидравлического разрушения происходит нарушение связей

вгорной породе и образование взвеси – дисперсной системы, в которой дисперсная фаза представлена рудой грубого гранулометрического состава, а дисперсная среда – рабочим агентом (жидкостью). Для диспергирования наиболее перспективны породы без жестких связей, которые делятся на две группы: относительно связные (глинистые, лессовидные) и рыхлые. Необходимым условием перехода породы в плывунное состояние является или полное отсутствие у нее структурных связей, или настолько резкое их ослабление (например, под динамическим воздействием), что они не могут противостоять тем напряжениям, которыми обусловлено движение плывуна. Способность к проявлению плывунности зависит от условий естественного залегания, влажности породы, гранулометрического и минералогического составов, наличия глинистых фракций, засоленности и др. Плывунные породы делятся на истинные плывуны и псевдоплывуны. К первым относятся породы, содержащие коллоидные фракции. Разжижение плывунов такого рода обусловлено обратимыми переходами насыщающей их связанной воды в подвижное состояние (свойство тиксотропности).

Практически гидромониторной струей можно разрушить породы любой крепости, однако такое разрушение применяется в основном при разработке песков, супесей, глинистых песчаников, алевролитов и реже при разработке углей, аргиллитов, мергелей, сланцев, известняковистых песчаников и др. Механизм разрушения зависит от физико-механических свойств горных пород, условий течения струи и обусловлен одновременным проявлением различных сил (удар, динамическое давление, фильтрационные силы и др.).

Разрушение естественной структуры связных горных пород возможно следующими способами: механическим (породоразрушающий механизм, струя воды, вибрация, взрыв), микробиологическим (разложение цементирующего вещества), разупрочнением связности с помощью ПАВ. Разрушение же естественной структуры рыхлых горных пород (песчаные, крупноблочные) возможно механическим и микробиологическим способами. Способы воздействия на по-

232

ELIB.PSTU.RU

роды с целью разрушения структуры пород и перевода их в подвижное состояние зависят от прочности, текстурно-структурных характеристик, а также от гранулометрического состава пород.

Воздействие электромагнитных полей, промышленной высокой и сверхвысокой частот на горную среду преследует цели получения теплового и термомеханического эффекта, интенсификации химических реакций, процессов диффузии и фильтрации. Сущность электрического нагрева горной среды заключается

впревращении части электрической энергии в тепловую непосредственно на месте залегания полезного ископаемого за счет диэлектрических потерь. Обладая большой проникающей способностью, электромагнитные поля способствуют ускорению химических процессов, протекающих внутри значительного объема среды, и являются более эффективными, чем химические катализаторы, действие которых возможно лишь при поверхностном контакте с горной средой. Разрушение массива может быть достигнуто за счет термоупругих напряжений, возникающих в локально разогретых областях. Кроме того, за счет возникновения высоких температур вокруг проводящих включений происходит интенсификация химических реакций. Все это приводит к значительному увеличению фильтрационной способности горной породы.

Движение рабочих агентов и продуктивных флюидов осуществляется под действием гидродинамического градиента давления, гидростатического напора, конвективных, гравитационных и диффузионных сил. Режим движения флюидов в залежи определяется преобладающим действием одной из указанных сил. Основные режимы движения флюидов – напорное в свободном пространстве (например, при подземном растворении солей) и гравитационное – в поровом, когда рабочие растворы стекают под действием силы тяжести в виде тонких пленок. Капиллярные силы способствуют впитыванию рабочего раствора в узкие каналы и мелкие поры, а диффузионные обеспечивают перемещение выщелачивающего раствора и продуктов реакции.

Все геотехнологические процессы происходят на поверхности контакта полезного ископаемого, вмещающей породы и рабочего агента. Всякая поверхность, отделяющая одну фазу от другой, сильно отличается по своим физикохимическим свойствам от внутренних объемов граничащих фаз. Граничные поверхности обладают запасом свободной поверхностной энергии, обусловленной особым положением молекул в пограничном слое. Поэтому особое значение приобретает установление влияния этих процессов на свойства среды и эффективность технологии добычи.

Разработка месторождений полезных ископаемых геотехнологическими методами связана с подъемом извлекаемых флюидов на поверхность через скважины. Процесс подъема может осуществляться за счет энергии нагнетаемого рабочего агента (например, подземное растворение солей) либо вводимого

вскважину сжатого воздуха или газа (например, подземная выплавка серы и др.), а также при использовании погружных насосов и гидроэлеваторов.

233

ELIB.PSTU.RU

4.2.6. Технологические аспекты методов физико-химической геотехнологии

Весь технологический процесс добычи можно подразделить на единичные процессы, большинство из которых хорошо изучено, а для их расчета разработаны теоретические основы и методы реализации. В то же время в отличие от идеальных сред и процессов, где на основе известных законов можно найти одно определенное решение, в горном производстве прежде всего нужно учитывать экономические параметры технологии, обусловленные рядом факторов.

Создавая процесс, нужно руководствоваться прежде всего поиском решений оптимальных с технической, а следовательно, и экономической точки зрения, т.е. целесообразно стремиться к максимальному, экономически оправданному извлечению полезного ископаемого.

Проведенные исследования позволили установить технологические принципы, согласно которым процесс добычи должен быть реализован при наибольшем извлечении и наилучшем использовании энергии и оборудования, при оптимизации режимов процесса, наименьшем нарушении окружающей среды и создании наиболее комфортных условий труда.

Средства добычи и управления. Оборудование для геотехнологических методов добычи подразделяется по назначению и расположению в технологической схеме на следующие основные группы:

–для сооружения скважин; для подготовки рабочих агентов;

–для поверхностного обслуживания скважин; для добычи полезных ископаемых;

–для транспортирования и предварительной переработки продуктов добычи на поверхности;

–для контроля технологического процесса в автоматизированной системе управления.

Вскрытие и подготовка месторождений к эксплуатации. Подготовка ме-

сторождения к эксплуатации – комплекс работ по доразведке месторождения

иего вскрытию, т.е. сооружение добычных скважин, их исследование и монтаж оборудования.

В методах ФХГ скважины – основные выработки, вскрывающие залежь полезного ископаемого, подготавливающие ее к разработке и служащие для транспортирования рабочих и продуктивных флюидов. Поэтому эффективность работы всего геотехнологического предприятия зависит в первую очередь от работы буровиков, задача которых – не только найти новые технические и технологические решения, сокращающие затраты труда при бурении скважин, но

ирезко улучшить качество вскрытия продуктивных пластов.

Вторая, не менее важная проблема – эффективное сооружение наклонно направленных скважин, в том числе при сложном залегании продуктивных пластов.

234

ELIB.PSTU.RU

Особое внимание необходимо уделить качеству вскрытия продуктивного горизонта, т.е. подготовке месторождения для его эффективной разработки через скважины.

Выбор способа вскрытия и область его применения зависят от многочисленных факторов, главные из которых:

–технологическая схема разработки;

–размеры месторождения в плане;

–мощность, угол падения и глубина залегания залежи;

–физико-механические свойства залежи и вмещающих пород;

–рельеф поверхности и др.

Системы разработки при добыче полезных ископаемых методами ФХГ классифицируются следующим образом:

–системы разработки отдельными скважинами-камерами;

–системы разработки взаимодействующими скважинами (подземная выплавка серы, подземное выщелачивание металлов, сплошная разработка месторождений каменной соли, подземная газификация угля и т.д.);

–системы разработки, сочетающие традиционную технологию добычи со скважинной (подземное выщелачивание металлов);

–системы разработки, характерные для традиционных методов добычи полезных ископаемых, но использующие геотехнологический принцип перевода полезных ископаемых в подвижное состояние (подземное выщелачивание металлов, кучное выщелачивание полезных ископаемых и др.).

Исходными данными для выбора системы разработки служат заданная или возможная производственная мощность предприятия и физико-геологические условия залегания полезного ископаемого.

При анализе факторов, влияющих на систему разработки, для каждого конкретного месторождения необходимо выделять главный и второстепенный факторы. К главному следует относить какое-либо основное свойство или фактор, которое определяет существо данного метода отработки месторождения. Например, для одних геотехнологических методов таким фактором будет проницаемость, для других – текстура и структура полезного ископаемого, для третьих – гидрогеологические условия залежи и т.д.

Выбрать систему разработки – значит определить направление отработки залежи в целом и установить оптимальную сетку размещения скважин, обеспечивающую технологичность выемки полезного ископаемого и получение наилучших технико-экономических показателей.

Технико-экономические показатели метода, с одной стороны, определяются исходными физико-геологическими условиями разрабатываемого месторождения, с другой – принимаемыми техническими и технологическими решениями. Параметры технологии (управляемые величины, характеризующие процесс добычи) определяют показатели метода для его экономической оценки и сравнения как по структуре капитальных вложений, так и по размерам эксплуатацион-

235

ELIB.PSTU.RU

ных и трудовых затрат. Экономические условия разработки связаны также с географией месторождения.

Технические, технологические и конструктивные решения (предельная глубина, средства бурения, добычи, подъема и транспорта, расстояние между скважинами, их диаметр, параметры рабочих агентов, извлечение полезного ископаемого из недр и т.д.) в основном определяются экономической целесообразностью в соответствии с условиями разработки и техническими возможностями сегодняшнего дня.

Экологические и социальные аспекты методов ФХГ. Любое сущест-

вующее горное производство в той или иной степени негативно воздействует на окружающую среду. Но отрицательное влияние горного производства на экологическую систему следует расценивать лишь как результат несовершенства методов добычи.

Качественно новый этап в развитии горного производства – скважинные методы добычи, более рациональные с точки зрения взаимоотношений человека и природы, существенно уменьшают вредное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными горными способами, что имеет большое социаль- но-экономическое значение.

С точки зрения охраны окружающей среды прогрессивность физикохимических геотехнологий заключается не в предотвращении воздействий на среду вообще, что сдерживало бы внедрение современных методов и ввод новых мощностей, а в снижении уровня вредного влияния и защите экологических систем от нагрузок, превышающих допустимые пределы. В самой сущности геотехнологических методов заключено требование охраны окружающей среды. Добыча через скважины позволяет исключить образование отвалов, а последующая рекультивация – сохранить пахотные земли. Однако даже коренное изменение технологии добычи не исключает проблемы регулирования качества среды и ее загрязнение.

Социальные последствия использования физико-химических геотехнологий выражаются в изменении места и роли человека в процессе добычи, а также в изменении содержания и характера его труда.

Важнейший аспект социальной проблемы – уменьшение опасности условий труда – связан с существенными изменениями характера труда рабочего. Все процессы по подготовке к добыче легко поддаются механизации, а сами процессы добычи (закачка и откачка рабочих агентов и продуктивных флюидов) могут быть автоматизированы. Вероятность несчастных случаев и возникновения профессиональных заболеваний значительно ниже, чем при традиционных способах добычи. Практика работ геотехнологических предприятий подтверждает резкое снижение производственного травматизма. Так, за последние 10 лет добычи серы подземной выплавкой не было ни одного случая тяжелого травматизма, а легких травм стало гораздо меньше, чем при открытой разработке.

236

ELIB.PSTU.RU

4.2.7.Основные направления научных исследований

изадачи физико-химической геотехнологии

Эффективность и действенность, экологическая и социальная значимость физико-химических геотехнологий ставят их в один ряд с принципиально новыми направлениями в науке и технике.

Основными направлениями научных исследований в области ФХГ яв-

ляются:

создание физико-геологических основ геотехнологических методов добычи полезных ископаемых и технических средств их осуществления без присутствия людей под землей;

развитие теоретических основ процессов физико-химической геотехнологии (средств добычи и управления процессом добычи, вскрытия и подготовки месторождения, системами разработки) в условиях экологических, экономических и социальных ограничений;

создание технологии скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых, залегающих в сложных горно-геологических условиях;

создание физико-химических геотехнологий добычи благородных, цветных и редких металлов.

Указанные направления включают в себя широкую область исследований по изучению геологических и гидрогеологических условий залегания месторождений, режимов поведения пласта в процессе разработки, режимов управления процессом добычи с целью максимального извлечения, условий и средств взаимодействия рабочих агентов пласта, химических и физических свойств полезного ископаемого и вмещающих пород, систем разработки залежи через скважины, экономических аспектов проблемы и др. Все эти исследования тесно связаны между собой методически, имеют общую целенаправленность и являются элементами единого научного комплекса.

Основными задачами ФХГ являются:

I. Физико-геологические, включающие в себя разработку методики разведки месторождения для скважинной добычи и критериев оценки качества и экономичности освоения месторождения, определение сырьевой базы ФХГ и способов локализации отработанных участков месторождений, а также изучение влияния скважинной добычи на окружающую среду, режим и состав подземных вод.

II. Технологические, включающие в себя вскрытие и подготовку месторождения с учетом выбора конкретных месторождений, рациональной схемы способов и средств воздействия на призабойную часть пласта и участка месторождения, рациональной схемы оборудования добычных скважин; выбор технологии выемки, схемы отработки месторождения; разработка рациональных способов движения рабочих и продуктивных флюидов по залежи и в скважине; раскрытие механизма воздействия рабочих флюидов на рудное тело и вскрышные породы; изыскание способов интенсификации технологических процессов добычи; изы-

237

ELIB.PSTU.RU

скание способов и средств уменьшения потерь в недрах и попутного обогащения добытых продуктов непосредственно около добычной скважины; определение потерь и разубоживания; обоснование способов управления горным давлением и системы разработки.

III. Проектно-конструкторские, предусматривающие разработку скважинного модульного оборудования и соответствующих подъемно-транспортных механизмов, агрегатов для добычи погребенных месторождений с водной поверхности, а также создание специализированного ряда буровых станков для бурения геотехнологических скважин диаметром 300–400 мм.

IV. Технико-экономические и экологические, предусматривающие разработку методик экономической и экологической оценки работы геотехнологических предприятий, создание технико-экономической модели и алгоритмов оптимального управления скважинной добычей, разработку экологического мониторинга и т.д.

V. Автоматизации и управление, заключающиеся в выборе минимально необходимого числа параметров контроля, точек их отбора и частоты контроля, выборе и разработке средств КИП и автоматики, разработке системы автоматического поддержания геотехнологического режима добычи, а также алгоритмов сбора и обработки первичной информации и управляющих воздействий.

Список литературы к разделам 4.1 и 4.2

1.Агошков М.И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр / Ин-т проблем комплексного освоения недр АН СССР. – М., 1984.

2.Агошков М.И., Терентъев В.И., Симкин Б.А. Комплексный трехъярусный открыто-подземный способ разработки мощных рудных месторождений / Ин-т проблем комплексного освоения недр АН СССР. – М., 1985.

3.Анистратов Ю.И. Технология открытой добычи руд редких и радиоактивных металлов. – М.: Недра, 1988.

4.Арене В.Ж., Исмаилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. – М.: Недра, 1980.

5.Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. – М.: Изд-во Моск.

гос. геол. ун-та, 2001. – 656 с.

6.Арсентьев А.И. Вскрытие и системы разработки карьерных полей. – М.:

Недра, 1984.

7.Арсеньев С.Я., Прудовский А.Д. Внутрикарьерное усреднение железных руд. – М.: Недра, 1980.

8.Батманов Ю.К. Техническое перевооружение угольных шахт. – М.:

Недра, 1984.

9.Беляков Ю.И. Выемочно-погрузочные работы на карьерах. – М.: Недра,

1987.

238

ELIB.PSTU.RU

10.Бронников Д.М., Замесов Н.Ф., Богданов Г.И. Разработка руд на боль-

ших глубинах. – М.: Недра, 1982.

11.Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Черняк И.А. Процессы подземных горных работ. – М.: Недра, 1982.

12.Бусырев В.М. Рациональная эксплуатация слюдяных месторождений. –

Л.: Наука, 1987.

13.Виницкий К.Е. Управление параметрами технологических процессов на открытых разработках. – М.: Недра, 1984.

14.Воспроизводство вскрышных и подготовленных запасов угля на шах-

тах / М.И. Устинов [и др.]. – М.: Недра, 1990.

15.Вызов З.Ф. Усреднительные системы на горно-обогатительных предприятиях. – М.: Недра, 1988.

16.Вылегжанин В.Н., Витковский Э.И., Потапов В. П. Адаптивное управ-

ление подземной технологией добычи угля. – Новосибирск: Наука, 1987.

17.Высокопроизводительные глубокие карьеры / М.Г. Новожилов [и др.]. –

М.: Недра, 1984.

18.Грачев Ф.Г. Теория и практика усреднения качества минерального сы-

рья. – М.: Недра, 1983.

19.Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов / Г.А. Нурок

[и др.]. – М.: Недра, 1970.

20.Ельчанинов Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ. – М.: Недра, 1989.

21.Каплунов Д.Р., Манилов И.А. Стабилизация качества руды при подземной добыче. – М.: Недра, 1983.

22.Ковалев О.В., Калимов Ю.И., Шишкин В.П. Технология добычи и обо-

гащения углей в Печорском бассейне. – М.: Недра, 1984.

23.Козловский Е.А. Россия: минерально-сырьевая политика и национальная безопасность. – М.: Изд-во Моск. гос. геол. ун-та. – 2002. – 848 с.

24.Комплексная механизация процессов циклично-поточной технологии на карьерах / Б.А. Симкин [и др.]. – М.: Недра, 1985.

25.Котенко Е.А., Штейнберг А.Б. Технология открытой разработки пологозалегающих месторождений с транспортно-отвальными перемычками. – М.: Специнформцентр, 1981.

26.Крашнин И.С. Разработка пологих пластов в неустойчивых породах. –

М.: Недра, 1986.

27.Курленя М.В., Штеле В.И., Шалауров В.А. Развитие технологии под-

земных горных работ. – Новосибирск: Наука, 1985.

28.Лобанов Д.П., Ведерникова Л.П. Микробиологическое выщелачивание / Моск. гос. геол. ун-т. – М., 1985.

29.Лось И.Н. Научные основы комбинированной разработки угольных месторождений. – Новосибирск: Наука, 1991.

239

ELIB.PSTU.RU

30.Малышев Ю.Н., Ильин В.И., Михеев О.В. Конструирование рациональ-

ных схем вскрытия и подготовки новых горизонтов при реконструкции шахт / Моск. гос. геол. ун-т. – М., 1994.

31.Малышев Ю.Н., Михеев О.В. Новые технологические и технические решения подземной угледобычи. – М.: Изд-во Моск. гос. геол. ун-та, 2004. – 72 с.

32.Мельников Н.Н., Усынин В.И., Решетняк С.И. Циклично-поточная тех-

нология с передвижными дробильно-погрузочными комплексами для глубоких карьеров / Кольский науч. центр РАН. – Апатиты, 1995.

33.Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля и по-

род / Ю.Н. Малышев [и др.]. – М.: Недра, 1995.

34.Михеев О.В., Виткалов В.Г. Подземная разработка пластовых месторождений: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. геол. ун-та, 2001. – 488 с.

35.Михеев О.В., Малышев Ю.Н., Евтушенко А.Е. Совершенствование тех-

нологии отработки пластов Кузбасса, осложненных геологическими нарушениями / Моск. гос. геол. ун-т. – М., 1994.

36.Михеев О.В., Некрасов В.В., Попков М.П. Новые технологические реше-

ния по вскрытию, подготовке и отработке угольных месторождений Кузбасса / Моск. геол. ин-т. – М., 1993.

37.Мосинец В.Н., Авдеев O.K., Мельниченко В.М. Безотходная технология добычи радиоактивных руд. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

38.Научно-технический прогресс в горнодобывающей промышленности: проблемы обоснования направлений и реализации / Н.Н. Чаплыгин [и др.] / Кольский научный центр РАН. – Апатиты, 1990.

39.Научные основы технического перевооружения подъемных рудников /

Д.Р. Каплунов [и др.]. – М.: Наука, 1992.

40.Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. – М.: Недра, 1985.

41.Открыто-подземный способ освоения месторождений крепких руд / М.И. Агошков [и др.] / Ин-т проблем комплексного освоения недр. – М., 1992.

42.Панин И.М. Подготовка рудных месторождений к очистной выемке. –

М.: УДН, 1988.

43.Панфилов Е.И. Управление извлечением запасов из недр при разработке рудных месторождений / Ин-т проблем комплексного освоения недр. – М., 1985.

44.Подземная разработка железистых кварцитов / Г.М. Бабаянц [и др.]. –

М.: Недра, 1988.

45.Подземная разработка полиметаллических руд / И.Е. Ерофеев [и др.]. –

М.: Недра, 1990.

46.Развитие подземной добычи при комплексном освоении месторожде-

ний / Д.Р. Каплунов [и др.]. – М.: Наука, 1992.

47.Развитие техники и технологии открытой угледобычи / М.И. Шадов

[и др.]. – М.: Недра, 1987.

240

ELIB.PSTU.RU