Методы физико-химической геотехнологии

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. Уровень их совершенства определяется уровнем развития ФХГ как науки.
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 физикохимических 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 геотехнологии - от определения ее понятий до практической реализации ее методов.
Оценивая положительно достигнутое, следует признать, что в целом качество и масштабы новых разработок еще не отвечают требованиям времени. Необходимо уже в ближайшие годы произвести существенные сдвиги в фундаментальных разделах ФХГ, связанных с физикой и химией технологических процессов добычи и переработки. Следует выявить, какие механизмы физических, химических и физико-химических процессов могут обеспечить изменение агрегатного состояния полезного ископаемого и в каких условиях эти устойчивые минеральные ассоциации можно привести в подвижное состояние для их извлечения из недр. Важны исследования по избирательному растворению полезных компонентов, обусловливающему устойчивость технологического процесса растворения в недрах, по разработке эффективной технологии переработки добытых флюидов, по изысканию способов разупрочнения горного массива. Необходимы разработка методов решения многомерных, нестационарных задач теплообмена, химических превращений, подвижных границ фаз и поиск методов контроля и управления состоянием массива в процессе его разработки.
Следует отметить важность работ по геотехнологической оценке месторождений полезных ископаемых, ибо только благодаря ФХГ для горной промышленности становятся доступными 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, 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.
Следует отметить необходимость интенсификации работ 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.
Учитывая вышесказанное, можно выделить основные научные направления ФХГ, связанные с решением следующих проблем.
1. Проблема сырья - ее решение предусматривает разработку критериев оценки и анализ месторождений с точки зрения геотехнологии.
2. Проблема новых технологий добычи - необходимо решение задач по установлению связей между физико-геологической обстановкой залежи, полезного ископаемого и вмещающих пород с рабочими веществами и средствами добычи.
3. Проблема новых технологий, связанная с решением задач по управлению процессом добычи и переработки, так как физико-химический геотехнологический процесс добычи - это процесс перевода вещества в новое состояние, в результате которого получают подвижные продукты реакции и далее - конечные вещества. Для этого надо знать, прогнозировать, управлять механизмом воздействия, последовательностью и взаимозависимостью элементарных процессов.
4. Проблема оборудования, обусловленная тем, что горная технология будущего должна отвечать ряду таких определяющих моментов, как малооперационность, поточность, простота в обслуживании и надежность, безотходность, малая энергоемкость, высокая производительность труда и низкая себестоимость. Следовательно, надо стремиться создавать прямые технологии превращения руды в целевые компоненты, а для их обеспечения разрабатывать новое горное оборудование, способное работать в сложных условиях.
5. Проблема переработки, утилизации добытых продуктивных флюидов, при решении которой значительный интерес представляют технологии на основе органических веществ - комплексонов, экстрагентов, обеспечивающих селективное извлечение ионов полезных компонентов.
Конечная цель физико-химической геотехнологии - повышение производительности и селективности добычи полезных ископаемых. В этом плане необходим поиск катализаторов, стимуляторов для регулирования технологических процессов.
Следует отметить особую роль ФХГ 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.
4. Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону, например химические растворы, электрический ток, вода или другой теплоноситель).
5. 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.
6. Разработка месторождения зональна, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны и ее перемещения в эксплуатируемой части месторождения.
7. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения 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.
Химические методы:
- подземное растворение водой каменной, а также калийных, магнезиальных и урановых солей, сульфатов и сульфаткарбонатов, буры и др.;
- 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;
- подземная термохимическая переработка полезного ископаемого сжиганием (например, подземная газификация, угля, сланца, нефти) и обжигом (пирит, халькопирит, антимонит и др.).
Физические методы:
- подземная выплавка (серы, азокерита и др.);
- подземная 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 является реальная возможность и экономическая целесообразность перевода полезного ископаемого под воздействием тех или иных рабочих агентов в подвижное состояние. He менее важно обеспечить возможность подачи рабочих агентов к поверхности взаимодействия и отвод полезного ископаемого через скважины на поверхность.

---