Физико-химические основы геотехнологических процессов

В основе методов ФХГ лежат физические и химические процессы. Первые сопровождаются изменением формы, внешнего вида, физических свойств полезного ископаемого (например, плавление серы, гидравлическое разрушение руды и т.д.), вторые - изменением химического состава и свойств полезного ископаемого (например, горение угля, выщелачивание урана, меди и т.д.). Процесс добычи полезного ископаемого сопровождается движением жидкостей и газов по залежам полезного ископаемого, добычным скважинам, трубопроводам и аппаратам.
Естественно, что каждая технология включает в себя несколько различных рабочих процессов: основной - добыча полезного ископаемого, вспомогательные и обеспечивающие. Реализация геотехнологических процессов добычи требует их всестороннего изучения, а также учета процессов сдвижения горных пород под влиянием сил горного давления.
При ведении технологического процесса добычи взаимосвязь химических процессов в недрах очень сложная и может быть описана системой уравнений, совместное решение которых практически невозможно. Поэтому обычно рассматривают отдельные стороны процесса, определяемые основной химической реакцией и ее особенностями. Практический интерес представляет установление 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 и пограничный 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 (выщелачивание), 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.
В процессе гидравлического разрушения происходит нарушение связей в горной 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 породы 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 в превращении 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 в скважину сжатого воздуха или газа (например, подземная выплавка серы и др.), а также при использовании погружных насосов и гидроэлеваторов.

---