книги2 / geokniga-ekologo-ekonomicheskaya-i-socialnaya-effektivnost-geotehnologicheskih-metodov

Решение о целесообразности оставления пустых пород в подземных условиях следует принимать при соблюдении соотношения

Значит, при применении экологически чистых технологий подземной разработки месторождений полезных ископаемых, базирующихся на создании ПТМ, оценку экономической целесообразности их формирования с достаточной надежностью можно производить путем сравнения ценности полезных компонентов в техногенных ресурсах и подземного техногенного пространства с затратами на манипулирование с техногенными ресурсами и на формирование ПТМ, а также предотвращаемого ущерба, наносимого окружающей среде [138, С.10].

Видимо, в будущем полное решение задачи оптимизации экологической безопасности производства и природопользования в горной промышленности страны можно достичь в том случае, если к каждому исследуемому объекту - промпродукту, промышленному или токсичному отходу, шлаку или шламу конкретного производства и т.д. будет применен комплексный поэтапный подход системного анализа и исследований.

Первый этап должен включать проведение мероприятий по классификации каждого вида промышленных отходов с установлением их количественной и качественной полноты с дальнейшей идентификацией различных отходов по общим признакам и объединением в общие группы, представляющие интерес для извлечения из них того или иного ценного компонента. Это основное и необходимое условие. Выполнение первого этапа работ позволит наиболее точно установить класс опасности того или иного отхода и оптимизировать выбор способа утилизации, обезвреживания и захоронения отходов. Идентификация отходов по свойствам и их классификация создаст возможность для дальнейшей разработки государственного стандарта для каждой определенной группы отходов.

Второй этап - разработка государственных стандартов для вновь классифицированных в единую группу отходов. Такое решение позволит проводить паспортизацию, сертификацию отхода и продуктов его переработки, а также предоставлять сведения об отходах как об опасных веществах или вторичных материальных ресурсах. При этом можно будет выполнять любые действия, связанные со складированием, размещением, переработкой и транспортированием отхода, включая маркетинг, хранение, утилизацию, захоронение или уничтожение [112, С.33].

Проведение комплекса указанных работ должно вестись под жестким контролем государственных органов республиканского, регионального и местного значения с привлечением широкого круга научных специалистов в конкретной области.

181

ЧАСТЬ III. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В ОТДЕЛЬНЫХ ОТРАСЛЯХ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Глава 8. ФОРМИРОВАНИЕ НАУЧНОЙ БАЗЫ ДЛЯ РАЗВИТИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

8.1Геотехнология как наука о геотехнологических метода добычи полезных ископаемых и средствах их осуществления

До последнего времени совершенствование технологий разработки месторождений полезных ископаемых во всем мире осуществлялось преимущественно экстенсивным путем. Например, в угольной отрасли звено «кайло-корзина» первоначально сменилось на «отбойный молоток-вагонетка», а затем – на «комбайн-транспортер». При этом сущность технологий долгое время оставалась принципиально прежней. То же самое относится и к рудной отрасли, где весьма примитивные приспособления хотя и сменились высокопроизводительными буровыми станками, экскаваторами и прочими механизмами, но концептуальная сущность технологий не поменялась. И только к настоящему времени созданы принципиально новые технологии освоения месторождений полезных ископаемых, получившие название «физико-химические геотехнологии» [139, С.30].

Еще в середине 60-годов ХХ столетия было обращено внимание специалистов на подготовленность и зрелость горной науки для развития геотехнологии, с использованием ее возможностей для разработки новых геотехнологических методов добычи. При геотехнологических методах добычи полезное ископаемое переводится в подвижное состояние (газ, расплав, раствор, гидросмесь). Для этого в недра, на место залегания полезного ископаемого, подводятся рабочие агенты и осуществляются тепловые, массообменные, химические, гидродинамические процессы, благодаря которым обеспечивается возможность выемки и выдачи полезного ископаемого из недр через скважины. Из сказанного ясно, что суть геотехнологического процесса – перевод полезного ископаемого в подвижное состояние с целью последующего его извлечения на поверхность. Вероятно, здесь уместно сказать о внутренних и внешних факторах, способствующих протеканию процесса добычи. Внутренние факторы – это свойства минералов, внешние – физико-геологические (геологические, гидро-геологические и геотермические) условия залегания месторождений. Все эти факторы действуют совместно.

Геотехнология – наука о геотехнологических методах добычи полезных ископаемых и средствах их осуществления. Она изучает физикогеологическую обстановку, горную среду, химию и физику процессов добычи,

182

методы и средства их осуществления. Нужно заметить, что исследователь, ведущий работу в области геотехнологии, должен смотреть на полезное ископаемое и горную среду, где оно залегает, с геотехнологической точки зрения, которая заключается прежде всего в исследовании путей перевода извлекаемых полезных ископаемых в подвижное состояние [140, 141].

Вгеотехнологии выделяются два основных направления. Первое связано

сизучением физико-геологической обстановки месторождения; второе – с разработкой способов и средств добычи выявлением их зависимости от физико-геологической обстановки и ее изменения в процессе эксплуатации месторождения. Из сказанного ясно, что связь геологического цикла наук с геотехнологией самая близкая. Более того, по образному выражению академика Н.В. Мельникова, геотехнологические методы «... вторят природе. С той только разницей, что процессы в недрах подобны природным и управляет ими человек. А идут они в выгодном для него «обратном порядке»» [142, С.5].

Известие, что главная причина отложения многих минеральных веществ

– это химические реакции с образованием нерастворимых или труднорастворимых продуктов, причем газовые или жидкостные растворы служат средой для миграции полезных ископаемых. Поэтому подход к изучению месторождений полезных ископаемых в геотехнологии определяется постановкой следующих вопросов. Какие механизмы физических, химических или физико-химических процессов могут обеспечить изменение агрегатного состояния полезного ископаемого? В каких условиях устойчивые минеральные ассоциации возможно привести в подвижное состояние? Ответить на эти вопросы нам поможет изучение генезиса месторождения, поскольку, вскрыв процессы образования полезного ископаемого, можно выявить технологию «обратного» воздействия – перевода его в подвижное состояние.

Так, например, одна из основных гипотез образования соляных месторождений связывает их генезис с испарением воды в морской лагуне. Поэтому для разработки таких месторождений возможно использовать растворение солей водой. Осадочные месторождения рыхлых руд, как правило, образовались в результате осаждения механических взвесей из воды. Струя воды из гидромонитора дает возможность привести руду в подвижное состояние. Образование гидротермальных месторождений связано с осаждением полезных ископаемых из высокотемпературных газов, паров, растворов. Путем изменения гидротермодинамических параметров участка можно создать искусственные газогидротермы и из них извлекать полезные компоненты.

Принципиальное отличие геотехнологических методов от обычных, позволяющее видеть в новой технологии перспективу горного дела, заключается в их характерных особенностях: добыча полезного ископаемого ведется через скважины, что позволяет осуществить управление процессом добычи с поверхности, изменяя параметры технологии (расход, давление, температуру, концентрацию и т.д.); орудием труда – инструментом добычи – является рабочий агент (растворитель, теплоноситель, окислитель и т.д.), который посредством физического, химического и т.д. воздействия переводит

183

полезное ископаемое в подвижное состояние; в недрах одновременно с добычей полезных ископаемых часто ведется их переработка, т.е. месторождение одновременно представляет собой объект разработки и место, где протекает технологический процесс частичной переработки [143, С.259].

Анализ горнотехнических процессов позволяет выделить следующие основные звенья их осуществления:

1)отделение породы от материнского массива;

2)трансформация породы к виду, удобному для перемещения;

3)перемещение трансформированного материала в заданное место;

4)укладка (складирование) доставленного материала для его последующего использования;

5)поддержание и управление выработанным пространством;

6)ряд процессов, связанных с созданием безопасных и комфортных условий для работы людей (вентиляция, водоотлив, освещение выработок, кондиционирование воздуха и т.д.).

Закономерности, присущие этим звеньям производства, являются общими для геотехнологических процессов. Основная проблематика геотехнологии как науки, очевидно, состоит в выявлении законов протекания указанных звеньев производства и разработке на этой основе новых, более эффективных методов осуществления геотехнологических процессов. Классификация геотехнологических процессов может быть проведена на основе различных признаков, вследствие чего возможно несколько классификаций [144, С.31].

Для общего обозрения геотехнологических процессов и выявления их различий и взаимосвязей можно использовать классификационную схему, основанную на способах их осуществления. С этой точки зрения целесообразно провести разделение геотехнологических процессов на две большие группы: на процессы, осуществляемые под открытым небом, и процессы, организуемые под земной или водной поверхностями. К первой группе отнесены большинство строительных процессов, а также открытая добыча полезных ископаемых; ко второй группе – все геотехнологические процессы добычи полезных ископаемых и строительство некоторых подземных или подводных сооружений. Дальнейшее разделение подземных (подводных) геотехнологических процессов можно провести по существующему признаку, который характеризует условия труда при их проведении.

Управление рядом процессов, осуществляемых, например, в гидротехническом строительстве или связанных с добычей природного газа, воды, нефти и других полезных ископаемых, производится с поверхности земли (воды); другие процессы, связанные с добычей, главным образом, твердых полезных ископаемых, и некоторые процессы, применяемые в строительстве, требуют присутствия людей в подземных выработках или под водой. Еще более детальное разделение геотехнологических процессов можно провести, например, по методам осуществления отдельных звеньев этих процессов (механические, физические, химические, биологические).

184

Человек пользуется механическими, физическими, химическими свойствами вещей для того, чтобы в соответствии со своей целью заставить их действовать в качестве орудия его власти. Геотехнологические процессы и соответствующая горная техника основаны на использовании различных свойств горного массива, являющегося объектом труда. Ведущими здесь являются процессы непосредственного отделения полезных ископаемых от массива. Механические и физические процессы отличаются лишь применяемыми способами ослабления и разрушения объекта без изменения его агрегатного состояния; химические и биологические процессы выделяют полезные компоненты химическим превращением. В соответствии с этими процессами создаются средства перемещения добытой продукции.

Кроме средств или их комплексов, которыми человек воздействует на внешнюю природу, техника охватывает целый ряд средств, которые создаются человеком не для непосредственного воздействия на предмет труда и перемещения продукции, а для создания условий нормального протекания производственного процесса. Это особенно наглядно прослеживается в горной промышленности. Поэтому, кроме основной системы орудий и механизмов на шахте (карьере) имеется ряд механизмов и сооружений, предназначенных для обеспечения комфортных условий труда и нормального протекания производства. К ним относится вся система вентиляции, освещения горных выработок, кондиционирования воздуха, водопонижения и водоотлива. Все это должно быть учтено при проектировании горнодобывающих предприятий и соответствующих геотехнологических процессов.

8.2Классификация геотехнологических процессов и горной геотехнологии

Совокупность геотехнологических процессов в общем виде может быть представлена схемой, изображенной на рис. 31.

Современная добыча полезных ископаемых состоит из ряда звеньев технологической цепи, отмеченных выше. Все эти звенья, главным образом, осуществляются в настоящее время механическими и физическими методами, при которых добываемое ископаемое изменяет лишь свою внешнюю форму. Для управления процессами добычи, основанными на механических методах, в настоящее время требуется присутствие людей под землей. Месторождения полезных ископаемых не содержат, как правило, свободных элементов; химические элементы находятся в залежи в виде разнообразных соединений. Эти соединения используются или для превращения имеющихся в них запасов химической энергии (уголь, нефть, природный газ) в другие формы энергии (тепловую или электрическую) или для превращения их (например, руды) в другие более ценные для потребителей соединения. Сравнительно редко добываемое из недр минеральное сырье используется в неизмененном виде, большинство видов минерального сырья подвергается дальнейшей технологической переработке, прежде чем стать конечным продуктом

185

потребления. Поэтому добыча этих видов ископаемого в натуральном виде не является принципиально необходимым условием: достаточно, чтобы ископаемое обладало свойствами, позволяющими его использовать для тех же конечных целей, для которых предназначается натуральное ископаемое. Таким образом, сохранение неизменными агрегатного состояния и молекулярной структуры добываемого ископаемого, вообще говоря, не требует обязательного использования только механических способов добычи. Преимущественное распространение механических методов обусловлено тем, что они сейчас являются наиболее эффективными и обеспечивают более полное извлечение богатств недр.

Геотехнологические процессы

Рис. 31. Классификация геотехнологических процессов: 1 – процессы, осуществляемые под открытым небом; 2 – процессы, осуществляемые под поверхностью земли и воды; 3 – процессы, управляемые с поверхности земли и воды; 4 – процессы, для управления которыми необходимо присутствие людей над поверхностью земли или под водой (Примечание – данные работы [144, С.33])

В связи с этим заслуживают внимания возможности применения других методов осуществления геотехнологических процессов, для управления которыми принципиально не требуется присутствия людей под землей. Такого рода методы могут основываться на применении процессов химической технологии (в которых материал претерпевает изменение своих физических свойств, агрегатного состояния, молекулярной структуры). Целью такой химической подземной переработки твердых полезных ископаемых является превращение их в такие виды соединений, которые допускают более легкое отделение их от материнской залежи и находятся в более удобном виде (жидком или газообразном) для доставки их на поверхность. Очевидное преимущество применения химических процессов для добычи твердых полезных ископаемых – возможность избежать необходимости пребывания людей под землей.

Повышенная экономическая эффективность химической технологии существенно основывается на том, что здесь не нужно создавать искусственные инструменты, механизмы непосредственного воздействия на предмет труда (как в случае механических или некоторых физических методов обработки). В качестве такого орудия выступают, прежде всего, сами

186

естественные химические свойства веществ, реакции между которыми и ведут к образованию новых веществ. Это обстоятельство приводит к возможности в ряде случаев достичь селективности химико-технологического воздействия, т.е. к избирательному воздействию процессов с применением химических методов, которые теперь можно встретить в практике горнодобывающей промышленности: подземная газификация углей, подземное выщелачивание руд, подземное растворение солей, подземное расплавление и выдача серы, подземная возгонка ртути, мышьяка, сурьмы и других элементов, подземный микробиологический метод добычи металлов с использованием микробов, питающихся металлом, повышение пластового давления при добыче нефти с помощью микробов, выделяющих углекислый газ и др.

Интересными являются перспективы применения немеханической технологии. Сейчас начинают шире внедряться методы химикотехнологические, связанные с физико-химическими изменениями тех природных образований, с которыми приходится иметь дело в геотехнологии. Особенно большие перспективы принадлежат лучевой (лазерной) геотехнологии. Лучевое разрушение массива является самым эффективным процессом.

Геотехнологические процессы могут быть классифицированы более детально (рис. 32). Как видно из классификационной схемы, общая геотехнология состоит из трех крупных комплексов: сельскохозяйственная, строительная и горная геотехнология. Каждый имеет разновидности по способу осуществления и назначения основных звеньев технологической цепи. Так, сельскохозяйственные геотехнологические процессы включают перемещение земли при устройстве мелиорационных и ирригационных систем (плотин, каналов, туннелей и т.п.).

Геотехнология

Рис. 32. Классификация геотехнологий: 1 – сельскохозяйственная геотехнология; 2 – строительная геотехнология; 3 – горная геотехнология (Примечание – данные работы [144, С. 36])

На рис. 33 приведена классификация строительной геотехнологии. В основу деления здесь принят признак назначения сооружения. Каждая из групп, входящих в схему, может быть дифференцирована на более мелкие группы сооружений. Например, строительство гидротехнических сооружений может состоять из образования плотин, гидротехнических тоннелей, каналов.

187

Строительная геотехнология

Рис. 33. Классификация строительной геотехнологии: 1 – строительство гидротехнических сооружений; 2 – земляные работы при гражданском строительстве; 3 – горные работы при строительстве железных дорог; 4 – горные работы при строительстве автодорог; 5 – строительство транспортных туннелей; 6

– строительство метрополитенов; 7 – строительство подземных складов; 8 – строительство подземных трубопроводов; 9 – строительство стратегических сооружений (Примечание – данные работы [144, С. 37])

На рис. 34 приведена классификация горной геотехнологии. В основу деления здесь принят признак способа осуществления геотехнологических процессов. Каждый из указанных способов имеет соответствующие разновидности. Так, из механических методов имеют распространение механомашинный и взрывной способы. Физический метод включает огневой, электрический, гидравлический, плазменный, лучевой (лазерный) и другие.

Горная геотехнология

1 2 3 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 1 2

Рис. 34. Классификация горной геотехнологии: М – механическая, M1 – ручная, М2

– механомашинная; М3 – взрывная (с отбойкой химической энергии взрыва); Ф – физическая, Ф1 – огневая; Ф2 – электрическая, Ф3 – гидравлическая, Ф4 – плазменная, Ф5 – лучевая (лазерная); X – химическая, X1 – растворение с выдачей рассола и последующим выпариванием соли, Х2 – расплавление (серы) перегретой водой с выдачей расплава и охлаждением на поверхности, Х3 – подземная возгонка (мышьяка, сурьмы, ртути), Х4 – подземное выщелачивание меди и последующая цементация, Х5 – подземная газификация (угля, горючих сланцев), Х6 – лучевая (лазерная); Б – биологическая, Б1 – микробиологическая технология добычи металла, Б2 – микробиологический способ повышения пластового давления при нефтедобыче (Примечание – данные работы [144, С. 38])

К химическим методам относятся растворение с выдачей рассола и последующим выпариванием соли; расплавление серы перегретой водой с

возгонка(сублимация) мышьяка, сурьмы, ртути и т.п.; подземное выщелачивание меди с последующей цементацией; подземная газификация угля, горючих сланцев. В зависимости от места осуществления геотехнологические процессы могут быть разделены на открытые (карьерные), подземные (шахтные), скважинные и подводные. Соответственно можно различать карьерную, шахтную, скважинную и подводную геотехнологию.

Правильный выбор эффективного способа осуществления геотехнологического процесса требует тщательного изучения свойств полезного ископаемого и вмещающих пород (минералогический, химический состав, химико-технологические, физико-технические свойства). Для изучения этих свойств массива широко используются химические, механические, физические методы и современная электроника.

Достижения естественных наук, как видно, используются не только для исследования свойств массива, но для создания и проведения самих геотехнологических процессов. Земная кора здесь становится не только объектом познания, но и объектом деятельности человека, источником богатств. На рис. 35 рассматривается схема соотношения геотехнологических и естественных наук.

Математика

Геотехнологические

науки

Геотехнологические науки для исследования геотехнологических процессов используют данные фундаментальных и естественных наук (стрелки к центру рисунка). С другой стороны, естественные науки, находя применение в проведении и исследовании геотехнологических процессов, расширяют диапазон своих исследований, обогащаются новыми данными, что отображено стрелками, направленными от центра.

На схеме (рис. 35) показана связь геотехнологии с естественными науками, но геотехнология тесно связана и со многими техническими науками (теория сооружений, теория машин и механизмов, технология металлов, железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта, электротехника,

189

электроника и др.). Есть основание считать принципиально возможным решение при помощи геотехнологических процессов таких проблем [144, С.

40]:

1)организация направленных процессов миграции элементов в земной коре с целью концентрации их в определенных местах земной коры и создание тем самым искусственных месторождений полезных ископаемых (этим возможно в какой-то мере решение проблемы возобновления таких природных ресурсов, которые до сих пор считались невозобновимыми);

2)организация в недрах без присутствия там людей химических производств;

3)применение геотехнологических процессов для использования в производственной деятельности тепла глубин земной коры и вулканических процессов;

4)разработка новых геотехнологических процессов для использования месторождений полезных ископаемых, залегающих на дне морей и океанов.

Проводимые геотехнологические процессы должны обеспечивать экономическую эффективность разработки месторождений, строительства транспортных, гидротехнических и других сооружений. Поэтому геотехнология взаимодействует с экономической наукой.

8.3Основные требования к конкретным месторождениям полезных ископаемых, отрабатываемым геотехнологическими методами

В настоящее время горные работы во всем мире ведутся в основном по традиционной схеме: добыча полезного ископаемого, подготовка его к обогащению, обогащение и переделы до конечного продукта, например, металла. При постоянном обеднении месторождений, ухудшении горногеологических условий их залегания, повышении глубин разработки себестоимость добытого полезного ископаемого нелинейно по экспоненте возрастает, увеличиваются затраты на обогащение и переделы. В данной ситуации конечный продукт становится весьма дорогим и слабо конкурентным на рынке. В связи с этим в мировой практике уже прослеживается тенденция перехода от классической горной технологии к геотехнологии, с использованием ее возможностей для разработки новых геотехнологических методов добычи полезных ископаемых [145, С.6].

На сегодняшний день в основе большинства геотехнологических методов лежат физические или химические процессы. Первые можно подразделить на механические и термические [143, С.259].

1. Механические процессы добычи полезных ископаемых. Они направлены на разрушение слабосцементированных пород струей воды, вибрацией и пр. и на доставку полученного продукта на поверхность. Основные затраты энергии при механических способах: добычи связаны с разрывом механических или межкристаллических связей отдельных

190