книги / Разработка подводных шельфов

По мере того как смесь морской воды с бромом стекала из верхних частей башни, производилась продувка воздуха снизу вверх. Проходящий воздух выносил свободный бром из морской воды и переносил его в абсорбционную башню, заполненную кальцинированной содой, после чего уже не содержащая брома морская вода сливалась обратно в море. Насыщенный бромом раствор кальцинированной соды обрабатывался серной кислотой с целью перевода броматов и бромидов натрия в свободный бром. Затем смесь закачивалась в испарительную колонку, где производилась отгонка и вторичная конденсация брома в стеклянные или керамические сосуды. Дальнейшая очистка брома путем дистилляции позволяла получать в конечном итоге продукт с содержанием брома до 99,7 %.

В 1937 г. этот процесс был несколько модифицирован. Так, при первичной отгонке брома в качестве переносящих агентов использовались сернистый ангидрид и воздух. В результате бром высвобождался в форме бромистоводородной кислоты, что позволяло существенно улучшить его последующую очистку. И хотя эффективность извлечения брома в обоих процессах превышает 90 %, в настоящее время в США почти исключительно применяется процесс прямой экстракции брома из морской воды с использованием сернистого ангидрида.

Извлечение магния из морской воды. Магний является самым легким из применяющихся в строительстве металлов. Его удельный вес 1,74, тогда как у алюминия он равен 2,70, а у железа – 7,87. Наиболее широкое применение этот металл находит в строительстве транспортных средств. Кроме того, магний используется как компонент сплавов с алюминием, в системах анодных и катодных защитных покрытий, в импульсных фотолампах и во многих других областях техники. К 1964 г. ежегодное мировое производство магния составляло около 150 тыс. т.

Впервые магний был получен из морской воды в Англии, однако первое крупное предприятие по извлечению магния из морской воды было сооружено близ Фрипорта в начале 1941 г. «Этил дау кемикл компании». До этого времени магний в США получали из скважинных рассолов и из магнезитовых месторождений. На рис. 21 показана технологическая схема извлечения магния на заводе близ Фрипорта. Морская вода поступает на предприятие со скоростью около 1 млн галлонов в час через подводные шлюзовые ворота канала, соединенного с Мексиканским заливом. Преимущество такой системы снабжения состоит в том, что нижние слои воды обладают значительно более высокой соленостью, чем поверхностные воды в районе завода. В искусственном бассейне вода непрерывно обра-

61

батывается известковым молоком (известь получают путем прокаливания устричных раковин).

Рис. 21. Схема технологического процесса извлечения магния из морской воды

62

В результате реакции известкового молока с соединениями магния образуется жидкий илоподобный осадок нерастворимой гидроокиси магния, который затем перекачивается в отстойники. Осадок составляет примерно 2 % общего объема морской воды, расходуемого в этом производстве, иными словами, уже на первой стадии технологического процесса осуществляется 100-кратное концентрирование полезного компонента. Отработанные воды спускаются в р. Брасос, впадающую в Мексиканский залив на значительном удалении от завода.

Отфильтрованную гидроокись магния растворяют в соляной кислоте. Полученный раствор хлорида магния концентрируют выпариванием, для того чтобы частично избавиться от захваченных из морской воды солей.

Кальций осаждается в виде нерастворимого сульфата или гипса добавлением к раствору сульфата магния, после этого раствор снова фильтруют, чтобы отделить гипс и другие соли, и затем концентрируют выпариванием. Когда концентрация хлорида магния достигнет примерно 50 %, а температура раствора поднимется приблизительно до 170 °С, его распыляют на предварительно высушенный твердый MgCl2. Растворитель мгновенно превращается в пар, а хлорид магния при этом осаждается. Высушенный твердый осадок затем помещают в электролитическую камеру, где он разлагается до металлического магния и газообразного хлора. Хлор преобразуется в соляную кислоту, которую успешно используют в последующих циклах процесса.

Металлический магний отчерпывается из электролитической камеры и формируется в виде болванок. Содержание металла в них превышает

99,8 %.

Магниевые соединения. Магний в форме MgO, Mg(OH)2 и MgCl2 на-

ходит широкое применение в самых различных областях промышленности. Его используют как огнеупорный материал для внутренних покрытий в плавильных печах, как сырье для фармацевтического производства, в изоляторах, при производстве удобрений, искусственного шелка и бумаги и многого другого. Многие компании мира получают соединения магния из морской воды, в частности это характерно для Англии и США. Впервые промышленное извлечение магниевых соединений из морской воды проводилось как побочный процесс из остаточных рассолов при получении поваренной соли.

Схема процесса извлечения магниевых соединений из морской воды изображена на рис. 22. Такую технологическую схему применяют на своих предприятиях компании «Кайзер алуминум энд кемикл корпорейшн» близ Мосс-Лендинга (Калифорния).

63

Рис. 22. Технологический процесс на магниевом заводе

Морская вода смешивается с прокаленным доломитом. Происходит осаждение гидроокиси магния, которая затем отстаивается в больших концентрационных емкостях. После отстаивания гидроокись магния из-

64

влекается, промывается для удаления растворимых примесей и фильтруется с целью уменьшить содержание воды примерно до 50 %. Часть полученной таким образом гидроокиси магния поступает в продажу в виде гомогенизированного осадка на фильтре, оформленного как брикеты. Эта продукция используется при производстве бумаги и магнезиальной изоляции. Оставшаяся на фильтре часть осадка затем вновь прокаливается до образования различных сортов MgO, которые могут быть использованы при получении искусственного шелка, резины, изоляционных покрытий, огнеупорных кирпичей.

Другие вещества, извлекаемые из морской воды. Помимо обычной соли, брома, магния и его соединений, из морской воды иногда извлекается ряд других веществ. Они, как правило, являются побочными продуктами при производстве соли, либо их получают через посредничество некоторых растений или рыб.

Впервые йод был обнаружен в золе водорослей в 1811 г. французом Бернаром Куртуа, владельцем фабрики по производству селитры. В поисках подходящего сырья для получения щелочи он решил использовать для этой цели водоросли. Очищая реакционные сосуды, в которых находилась горячая концентрированная серная кислота, он обратил внимание на выделения испарений фиолетового цвета из золы водорослей. Пары конденсировались на стенках более охлажденной части сосуда в виде темных металлоподобных кристаллов. Содержание йода в некоторых водорослях, в частности в Laminaria, оказалось равным примерно 0,5 % в пересчете на воздушно-сухую основу. Концентрация же йода в морской воде равна приблизительно 0,05 мг/л, или около 0,000 005 %. Таким образом, в указанных видах водорослей происходит 100 000-кратное концентрирование йода в сравнении с его содержанием в морской воде.

Вскоре после открытия Куртуа было установлено значение йода для медицины. Началось интенсивное развитие промышленности, главным образом в Северной Англии, по извлечению йода из морских водорослей. В 1846 г. в Глазго функционировало более 12 фабрик, экстрагирующих йод из морских водорослей. Однако обнаружение йода в чилийских залежах нитратов привело к упадку добычи йода из морских водорослей.

Примерно в то же время из морских водорослей извлекались значительные количества калиевых и натриевых солей. Технология этого процесса, по существу, была неразработана. Обычно проводилось простое выщелачивание водорослей водой и последующее выпаривание полученного раствора. Другой весьма распространенный метод получения солей

65

состоял в том, что водоросли сжигались, а зола выщелачивалась водой. В результате этих примитивных процессов йод получался в виде соединений – йодидов калия либо натрия, которые при смешивании их с серной кислотой и двуокисью марганца восстанавливались до элементарного йода.

В истории использования водорослей выделяются три различных периода:

а) первый – когда водоросли применялись как сырье для получения щелочи,

б) второй – когда их использовали для извлечения йода, в) третий – когда из водорослей добывали калий.

Каждый из этих периодов заканчивался созданием более совершенных методов получения необходимых продуктов из более дешевого сырья, добываемого на суше. Водоросли до сих пор используются как сырье для получения натриевого альгината – органического соединения, применяемого в качестве желатинообразующего и эмульсиообразующего агентов при производстве продуктов питания. Крупные предприятия, перерабатывающие морские водоросли в качестве сырья для производства рассматриваемых химических соединений, размещены на побережье Южной Калифорнии. Во многих частях света, особенно на Востоке, водоросли широко используются как продукты питания. В некоторых приморских странах их применяют в качестве удобрения.

14. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых недр шельфа

К предприятиям с подземным способом добычи, по аналогии с методами горного производства на суше, необходимо отнести разработки, проводящиеся без вскрышных работ в условиях выемки полезного ископаемого из подземных горных выработок, расположенных под толщей породы, находящейся на дне океанов и морей. В настоящее время добыча твердых полезных ископаемых из недр океана еще недостаточно развита, но имеющиеся примеры разработки месторождений, залегающих под дном моря, показывают высокую эффективность, несмотря на дополнительные трудности, вызванные специфическими условиями.

При разработке коренных месторождений применяют обычные системы добычи и подготовки при относительно высоких затратах на разведку. Некоторые методы разработки коренных месторождений под дном моря показаны на рис. 23.

66

Рис. 23. Вскрытие коренных месторождений морского дна:

а– вскрытие стволом, пройденным с берега; б – вскрытие стволом

сискусственного острова; в – вскрытие стволами, расположенными

вводной толще; 1 – ствол; 2 – море; 3 – рудное тело; 4 – рыхлые осадки; 5 – коренные породы; 6 – земснаряд; 7 – искусственный остров; 8 – эстакада; 9 – плавучие платформы; 10 – системы якорей

Для большинства пластовых месторождений, которые простираются от берега под море, вскрытие производится стволом, пройденным на берегу, а подводная часть вскрывается квершлагами или штреками, пройденными от этого ствола. Массивные и жильные месторождения вскрываются и разрабатываются аналогичными способами. При разработке используются обычные системы, но при этом должна соблюдаться точность и сохранение достаточной мощности охранной водозащитной толщей, оставленной под дном моря.

Вприбрежных районах и на мелководье ствол может быть пройден

сискусственного острова, намываемого земснарядом, разрабатывающим дно моря, или же возводимого из пород, доставляемых по эстакаде. Проходка ствола на таком острове осуществляется обычными методами, при проходке стволов в слабых, сильнообводненных породах подготовительные и очистные работы ведутся обычными системами. Такой же способ применяется при бурении скважин.

Бурение скважин в открытом море при разработки коренных месторождений применяется еще для добычи серы, этот метод содержит в себе потенциальные возможности для разработки и других полезных ископаемых, к которым можно применить метод выщелачивания.

Интересен пример предприятий по подводной добыче угля в Японии. Как известно, значительная часть угольных ресурсов Японии залегает под дном моря. Угольные запасы этих бассейнов достигают 3783 млн т. Объем добычи (22 шахты) угля из пластов, находящихся под дном моря, достигает 50 % общего объема добычи. При разведке таких месторождений применяются геофизические, сейсмические, электрические и гравиметрические методы разведки или бурятся скважины с берега.

Большинство шахт, ведущих добычу угля из подводной части пластов, вскрыты стволами, закладываемыми на суше. Примерами могут

67

служить шахта «Такашима» (сейчас закрыта). Аналогично были вскрыты пласты на малых островах. Все эти шахты имели откаточные выработки, квершлаги большой протяженности. Еще большую длину имеют выработки на шахтах, закладываемых на крупных островах вдали от берега. Примером может служить одна из первых шахт по подводной добыче угля – шахта «Юби», ствол которой заложен на расстоянии 3 км от берега.

Одним из методов повышения экономичности может служить метод закладки стволов с искусственного острова. Примерами такого решения может служить шахта «Ариаке», расположенная на искусственном острове диаметром 205 м в одноименном заливе, и шахта «Мийке». При строительстве шахты «Ариаке» искусственный остров, возвышающийся на 6 м над уровнем моря, был возведен на расстоянии 1,5 км от берега намывом на глубине около 25 м.

Стволы в таких условиях проходятся бурением, при этом мелочь выносится на поверхность аэролифтом. Таким методом были пройдены стволы на шахте «Мийке» (до глубины 120 м) и на шахте «Ариаке» (до 150 м). Крупные куски, не удаленные аэролифтом, поднимались грейферным ковшом.

Основной системой разработки угольных пластов на указанных шахтах являлись системы разработки с закладкой. Отрабатывались пласты мощностью не менее 2 м.

Большой опасностью при подводной добыче угля является прорыв морской воды в выработки, который может быть вызван наличием трещин

вкровле. Наиболее вероятные места прорыва воды находятся в местах деформаций пластов или пониженной мощности пустых пород над угольными пластами. Лишь в 60–70 годах на шахтах «Ариаке» и «Мийке» было отмечено более 80 случаев прорыва морской воды. В 12 случаях шахты были полностью затоплены. При этом только в одном случае прорыв произошел в лаве, а в остальных случаях – в подготовительных выработках.

При проведении выработок под морским дном считается, что выемка

вдва слоя пласта мощностью 4,86 безопасна при глубине работ от дна океана не менее 80 м, а при мощности 2,6 (один слой) – не менее 65 м. Проветривание в этих условиях также затруднено из-за большой длины вентиляционных путей. Интересен пример разработки железорудного месторождения Вабана, находящегося в Канаде. Основная часть месторождения, представленная 12 разведанными пластами различной мощности,

находится под дном океана, но частично пласты имеют выход на о-в Белл Айленд. Шахтное поле имеет площадь 22 км2 и запасы 2 млрд т руды, содержащей 52 % железа. Месторождение вскрыто наклонными стволами, оборудованными конвейерными линиями. Наиболее глубокий участок

68

рудника находится в месте, где глубина моря составляет 100 м. Над очистными забоями оставлена защитная пачка мощностью 300 м.

Большой опыт разработки коренных месторождений накоплен в Англии в угольных бассейнах Нортумберленд, Дархен, бассейнах Шотландии и других районах страны. Например, ствол шахты «Исингтон» расположен в 1 км т берега моря, вскрыто 5 угольных пластов, простирающихся

восновном под дном моря.

ВАнглии также под дном моря добывались олово, медь и мышьяк. Однако добычу на этих рудниках прекратили из-за большого обводнения забоев, а в некоторых случаях – полного затопления рудников (рудник Левант).

Рассмотренные примеры касаются разработки коренных месторождений морского дна, когда очистные работы ведутся людьми в непосредственном присутствии их в забое. Однако наиболее экономичным является подводная разработка с применением геохимических средств разработки, со вскрытием месторождений стволами и скважинами, пройденными через водную толщу. Наибольший интерес из подобных схем представляет добыча серы в Мексиканском заливе на месторождении Гранд-Айл.

Разрабатываемое месторождение приурочено к соляным куполам в меловых и третичных породах. Над рудным телом находится слой воды глубиной 15,5 м и водонепроницаемые пустые породы мощностью около 30 м. Мощность рудной залежи колеблется от 510 до 750 м, но наиболее богатый серой слой, составляющий в среднем 15–30 %, имеет мощность 66–140 м. Месторождение вскрыто отдельными скважинами, пробуренными со специальных платформ, и отрабатывается по методу Фраша. С каждой платформы бурится 108 скважин. По скважинам нагнетается под давлением горячая вода, которая выплавляет серу из известняка. Сера стекает к устью скважин и с помощью эрлифтов при давлении воздуха выдается для первичной обработки. Основная переработка производится на берегу, куда расплавленная сера подается по специальному подводному трубопроводу, уложенному в траншее глубиной 1,5 м на дне моря.

15. Охрана окружающей среды при разработке месторождений полезных ископаемых шельфа

При глубоководной морской добыче полезных ископаемых, в особенности шельфовых, необходимо уделять большое значение минимизации экологического ущерба, наносимого окружающей водной среде добычными работами. Под охраной окружающей среды понимается комплекс

69

научных, технико-производственных, экономических и административноправовых мероприятий, направленных на сохранение и контроль изменений природы в интересах человечества, на обеспечение рационального использование природных ресурсов и окружающей среды.

При морских разработках необходимо руководствоваться законодательными актами, связанными не только с обеспечением рационального использования и охраны водных ресурсов, но и охраны атмосферного воздуха и других компонентов природного комплекса.

При осуществлении подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов разрабатываются меры обеспечения жизнедеятельности морской фауны и флоры, предотвращения разрушения морских пляжей и сооружений и аварийных ситуаций.

Для практического решения вопросов охраны окружающей среды необходимо изучение степени устойчивости природных ландшафтов к проведению горных работ, способности среды к саморегулированию и регенерации, разработка методов прогнозирования поведения окружающей среды после проведения горных работ, так как горные работы связаны с перемещением огромных объемов пород земной коры.

Морское горное дело в вопросах охраны окружающей среды примыкает к экологическим аспектам горного дела, а также экологическим аспектам проблем взаимодействия «человек – море». Морское горное дело должно предусматривать разработку технико-производственных мероприятий, обеспечивающих рациональное извлечение природных ресурсов при поддержании гидросферы, атмосферы в заданном состоянии, обеспечивающем жизнедеятельность человека, морской фауны и флоры, сохранности и контролируемого использования морских культурных и природных ландшафтов.

Разработка таких мероприятий особенно важна, так как морские горные предприятия будут осуществлять свою деятельность не только в пределах вод национальной юрисдикции, но и в Мировом океане, т.е. в зоне нейтральных вод.

При разработке технико-производственных мероприятий необходимо учитывать гидрогеологические и горно-технические особенности морских месторождений. Эти особенности при подводной добыче полезных ископаемых создают необходимость применения так называемых безотходных, или замкнутых, технологических потоков. Для горного производства при безотходной технологии вся извлекаемая из недр горная масса перерабатывается в полезные компоненты.

70