Исследование проблем оценки эколого-экономической и социальной эффективности геотехнологических методов добычи полезных ископаемых

В рецензируемой монографии профессора Р.С.Каренова «Эколого-экономическая и социальная эффективность геотехнологических методов добычи полезных ископаемых» [1], вышедшей в свет в

2010    г., доказывается, что наиболее эффективными методами повышения полноты использования богатств недр, вовлечения в эксплуатацию некондиционных или потерянных руд являются геотехно- логические методы добычи полезных ископаемых. Отмечается, что применение геотехнологических методов имеет большое экономическое и социальное значение, поскольку позволяет: увеличить до­бычу полезных ископаемых без увеличения численности рабочих; свести к минимуму затраты на вскрытие и подготовку залежей; исключить или резко сократить операции по разрушению, доставке и транспортировке горной массы; исключить присутствие людей под землей и повысить производи­тельность труда; снизить себестоимость металла в 2-3 раза.

Известно, что базовые отрасли промышленности Казахстана (нефтегазовый сектор, угольная отрасль, горнодобывающая и металлургическая промышленность) вносят основной вклад в экономику страны. Они обеспечивают главный приток валюты в государственную казну. Только за 1995-2010 гг. добыча полезных ископаемых в республике выросла на 104 млн. т. Ежегодно из страны вывозится более 240 млн. т минеральных ресурсов более чем в 70 стран мира. Сегодня в расчете на душу населения годовая добыча полезных ископаемых составляет у нас 15,5 т. Это третий показатель в мире (после Австралии и Саудовской Аравии).

Вместе с тем горная промышленность Казахстана характеризуется в последние годы снижением эффективности вследствие резкого ухудшения горно-геологических и горнотехнических условий разработки, перехода горных работ на глубокие горизонты, исчерпания возможностей эффективного использования недр традиционными технологиями.

Иначе говоря, сегодня в области горнодобычных работ начинает складываться такая ситуация, когда не только совершенствование существующей технологии, но даже создание принципиально новой не может обеспечить ни резкого повышения производительности труда, ни существенного снижения себестоимости продукции, не говоря о нарастающих проблемах экологии и защиты недр земли, если добыча будет вестись традиционными шахтными и карьерными способами. Они требуют выемки на поверхность огромного количества руды и еще больше пустой породы, создают огромные пустоты в недрах земли, предполагают сооружение на поверхности производственно-бытовых ком­плексов, проведение сложных подземных коммуникаций для подачи воды, воздуха, электричества, вынуждают применять взрывчатку, нарушая геодинамику и отравляя подземные воды выделившими­ся при этом углекислыми газами. Люди вынуждены работать в условиях, не соответствующих сани­тарным нормам. Весь комплекс этих работ, сопровождающихся огромными материальными затрата­ми, делается лишь для того, чтобы вскрыть продуктивный пласт толщиной всего несколько метров, а то и сантиметров, содержащий несколько граммов извлекаемого компонента на тонну руды.

Можно ли в горнодобычных работах исключить все перечисленное и значительно снизить себе­стоимость добычи? Вполне, но для этого нужны суперпроекты, основанные на новейших способах извлечения полезных ископаемых. Один из них — физико-химическая геотехнология (ФХГ). Геотехнологические методы добычи минерального сырья — новый раздел современного горного дела, посвященный процессам и средствам добычи полезных ископаемых путем перевода их в подвижное состояние в недрах земли и последующего извлечения ценных компонентов в продуктивную фракцию (продукты или полупродукты). В последнее время практика ФХГ достаточно успешно развивается в ряде стран, достигая промышленных масштабов (например, подземное и кучное выщелачивание урана, меди, золота и др.).

В рецензируемой монографии освещаются результаты изучения эколого-экономической и соци­альной эффективности геотехнологии, обладающей несопоставимыми преимуществами против тра­диционных горных способов разработки месторождений полезных ископаемых. Это связано с не­большими объемами горнодобычных работ и сроками отработки, техническими возможностями и эффективной разработкой бедных месторождений, а также повышением показателей извлечения за­лежей. Это значит, что есть возможность переводить ныне нерентабельные месторождения полезных ископаемых в разряд высокодоходных, а также перенести процесс добычи с поверхности земли и резко сократить капитальные вложения на этих работах. Еще одно очень важное преимущество гео­технологии — возможность восстановления недр земли путем закачки через скважины экологически безвредных растворов, что невозможно при нынешних горных способах добычи руды.

Монография состоит из трех частей, объединяющих 14 глав. В первой части «Технологический прогресс как магистральное направление реализации Государственной программы форсированного индустриально-инновационного развития Республики Казахстан», включающей первые три главы книги, показывается, что на сегодняшний день имеет место несоответствие между интересами по на­ращиванию производственных мощностей горной промышленности и темпами развития ее мине­рально-сырьевой базы.

Во многом причиной такого положения является отсутствие средств механизации горных работ для поточных и циклично-поточных технологий, ухудшение горно-геологических и горнотехниче­ских условий при разработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, отсутствие единой и обоснованной системы качественного управления недропользованием.

Важные сдвиги в решении этих проблем намечены в Стратегическом плане развития Республики Казахстан до 2020 г. и Госпрограмме форсированного индустриально-инновационного развития страны в 2010-2014 гг. В этих документах предусмотрен курс на обновление устаревших технологий, техники и оборудования с учетом последних научных и инженерных достижений. Такой подход в развитии промышленности и, в частности, горнодобывающей отрасли, резко повышает необходи­мость и актуальность проведения целого комплекса теоретических и экспериментальных исследова­ний, направленных на изыскание эффективных и экологически безопасных способов и средств добы­чи и переработки полезных ископаемых.

Во второй части «Приоритетные направления решения основных технико-экономических и экологических проблем в горнодобывающей промышленности Казахстана», объединяющей 4-7 главы монографии, анализируются экологические и социальные аспекты геотехнологии. Логика построения второй части автором не вызывает особых возражений. Практически все известные из литературы экологические и социальные аспекты геотехнологии рассматриваются в книге на высоком и доступном для специалистов горного дела научном уровне.

Часть третья монографии под названием «Эффективность создания и использования геотехноло- гических методов добычи полезных ископаемых в отдельных отраслях горной промышленности» объединяет заключительные семь глав (8-14) и представляет геотехнологическую теорию и практи­ку: подземную газификацию углей; скважинную гидротехнологию; подземное сжигание углей (се­ры); подземное выщелачивание металлов (фосфорного сырья); кучное выщелачивание металлов; по­лучение синтетического жидкого топлива из углей. Данный раздел (часть) рецензируемой книги соб­ственно отражает существующее положение дел в рассматриваемой области геотехнологии. Третья часть логически дополняет первые две части монографии и является, безусловно, центральной и не­обходимой.

На наш взгляд, в восьмой главе «Формирование научной базы для развития и внедрения геотех- нологических способов добычи полезных ископаемых» автор справедливо уделил достаточно внима­ния теоретическим основам физико-химической геотехнологии (ФХГ), подкрепив их имеющимися сведениями из опыта действующих опытно-промышленных и промышленных предприятий. В дан­ной главе рассматриваются основные вопросы теории ФХГ, терминология и классификация физико­химических методов, основные направления развития геотехнологических методов добычи полезных ископаемых. Все это хорошо предваряет дальнейшее рассмотрение теории и практики ФХГ.

Обращается внимание на то, что геотехнологические методы возможны при подземной газифи­кации углей, кислотном и бактериальном выщелачивании металлов, расплавлении серы, извлечении минеральных продуктов из термальных вод и вулканических выделений, добыче калийных солей растворением, с последующим выкачиванием раствора и выпариванием его на поверхности. Напри­мер, при гидравлической добыче серы все операции по проходке стволов, развитию сети горных вы­работок, систем выемки и транспорта заменяются двумя операциями: бурение скважин и нагнетание горячей воды в пласт с последующей откачкой расплавленной серы на поверхность. При этом ликви­дируется вообще необходимость постоянного присутствия людей под землей, за исключением произ­водства ремонтных работ.

Подчеркивается, что геотехнологические методы позволяют вовлечь в эксплуатацию месторож­дения, залегающие в особо сложных условиях, с непромышленным содержанием руд, расширить до­бычу рассеянных элементов. В связи с этим в мировой практике прослеживается тенденция перехода от классической горной технологии к геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых.

В девятой главе излагаются современное состояние и перспективы подземной газификации уг­лей (ПГУ) для экологически безопасной и экономически рентабельной разработки угольных пластов. Доказывается, что в будущем роль угля в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) Казахстана может быть повышена не только за счет его прямой добычи, сопровождающейся неизбежными экологиче­скими ущербами, заслуживает внимания возможность превращения угля на месте его залегания (под землей) в более экологически чистые газообразные энергоносители. К такой нетрадиционной техно­логии разработки угольных пластов следует отнести подземную их газификацию, обеспечивающую осуществление реакций неполного окисления угля в подземных условиях непосредственно на месте залегания угольных пластов — в подземном газогенераторе, с получением после соответствующей обработки на поверхности газа, сходного по своим характеристикам с природным. При этом газ ПГУ может быть сырьем для получения синтез-газа, метанола, аммиака, карбамида и других ценных хи­мических продуктов.

На базе проведенного исследования автором предлагаются следующие интересные научно обос­нованные рекомендации:

Поскольку технология ПГУ откроет новые возможности в разработке угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями залегания, целесообразно расширить объем научно­исследовательских и опытных работ по разработке и совершенствованию технологии ПГУ примени­тельно к горно-геологическим и экологическим условиям Карагандинского бассейна, других уголь­ных месторождений страны. Научно-исследовательским и проектным институтам республики, геоло­гическим и эксплуатационным службам надо отобрать участки для подземной газификации угля и определить места заложения станций Подземгаз, подготовить технико-экономические обоснования их строительства, рассчитать затраты на научно-исследовательские работы и капиталовложения на развитие ПГУ.

Принимая во внимание важность проблемы перехода к ресурсосберегающим и безотходным технологиям, следует подумать над созданием в Казахстане на базе одного из ведущих НИИ (напри­мер, ИГД им. Д.А.Кунаева или ИПКОН НАН РК) координационного центра, который занимался бы вопросами, требующими решения для успешного внедрения ПГУ. Применение данного метода нуж­но рассматривать как технологию, которая пока неконкурентоспособна со сравнительно дешевыми нефтью и газом, но которая через определенный период обязательно будет востребована.

Десятая глава посвящена теоретическим и практическим результатам создания и внедрения но­вой технологии получения тепловой энергии при подземном сжигании угля. Отмечается, что теоре­тической основой технологии подземного сжигания угольных пластов (ПСУ), в отличие от техноло­гии подземной газификации являются следующие положения:

а)  подготовка участка ПСУ блоками с размерами, обеспечивающими наибольшую полноту сго­рания угля при использовании существующей топологии горных выработок;

б)  всасывающий способ подачи свежего воздуха в инициированный очаг горения с достижением минимально возможных температур газовой смеси на выходе из продуктивной скважины;

в)  скважинная подготовка пласта и подземное сжигание небольшого по площади блока с приме­нением способов управления состоянием массива;

г)  прямое использование физического тепла продуктов горения угольного пласта непосредст­венно на поверхности отрабатываемого участка;

д)  подача свежего воздуха в очаг горения на большие (100 м и более) расстояния через обру­шенные породы выработанного пространства;

е)  схема направленной подачи свежего воздуха в очаг горения и отвода горючих газов на по­верхность.

Выполненным исследованием доказывается, что анализ состояния разработки тонких пластов в Карагандинском бассейне показывает необходимость промышленных испытаний нетрадиционных способов их разработки, в частности, принципиальной проверки в промышленных условиях техноло­гии подземного сжигания угля (ПСУ), в приеме и распределении тепловой энергии на поверхности. Сейчас в Карагандинском бассейне запасы угля, оставленные на площадях отработанных и дейст­вующих шахт, исчисляются многими миллионами. Аналогичные проблемы характерны для разработ­ки тонких пластов. В сложившихся условиях только технология ПСУ позволит вовлечь в топливно­энергетический баланс страны брошенные и непригодные к разработке традиционными способами запасы угля и преобразовать энергию сгоревшего угля в тепловую энергию воды непосредственно на промплощадке опытного участка.

В одиннадцатой главе описываются становление и развитие технологий глубокой переработки угля с получением синтетического жидкого топлива. На основе обстоятельного исследования авто­ром делаются следующие выводы, имеющие теоретическую и практическую значимость:

1. На сегодняшний день в мировом энергетическом балансе доля синтетического жидкого топ­лива (СЖТ) еще невелика. Это связано не столько с технологическими трудностями, сколько с рядом экономических проблем. До настоящего времени внедрение проектов прямой (ожижение) и косвен­ной (газификация + синтез Фишера-Тропша) гидрогенизации угля сдерживалось правительством ряда стран, пока отмечалось снижение цен на нефть и нефтепродукты.
2. Тормозом к внедрению технологий гидрогенизации угля в промышленность также являются: высокое потребление водорода; многоступенчатость технологии и сложность аппаратурного оформ­ления; отсутствие собственной машиностроительной базы; невозможность использования в регионах с жесткими требованиями по экологической чистоте продуктов и производства.
3. Нельзя сбрасывать со счетов и то, что сложность технологии получения синтетических жид­ких топлив из угля определяется глубокими различиями в исходном сырье (нефть и уголь), в их хи­мической природе.
4. Однако в последние годы в связи с ростом цен на нефть проявляется стремление многих стран осваивать свои природные ресурсы с тем, чтобы в будущем не зависеть от импорта нефти, что создает благоприятные условия для развития промышленного производства СЖТ. Надо иметь в виду и то, что уже подготовлена реальная основа для внедрения новых технологий гидрогенизации угля в промышленность.
5. В Казахстане существующие тенденции в изменении цен и структуры энергоресурсов делают прогноз производства СЖТ достаточно оптимистичным. Намечаемые тенденции в изменении струк­туры энергоресурсов могут привести к тому, что процессы гидрогенизации угля будут играть не по­следнюю роль в энергобалансах ряда регионов республики в будущем. Правда, из-за отсутствия соб­ственной машиностроительной базы отечественная технология гидрогенизации может развиваться по пути изучения опыта зарубежных разработок и создания совместных предприятий.

Значительный научно-практический интерес представляет двенадцатая глава книги, посвящен­ная теоретическим основам скважинной геотехнологии добычи твердых полезных ископаемых и практическим рекомендациям по ее использованию.

В ходе исследования показывается, что скважинная гидродобыча полезных ископаемых — до­быча твердых полезных ископаемых подземным способом, основанная на их гидравлическом или комбинированном разрушении, смешении с водой и выдаче гидросмеси на поверхность. С этой целью бурятся до подстилающих пород скважины диаметром 200-500 мм, через которые опускается добычное оборудование, обычно размещаемое в двух рядом расположенных скважинах. В одной из них помещается водовод с гидромонитором, струей которого производится размыв полезного иско­паемого и его подгон к всасывающему устройству. В другой скважине находится подъемное обору­дование (гидроэлеватор, эрлифт или погружной грунтовый насос), с помощью которого полезное ис­копаемое выдается на поверхность.

Указывается, что особенностью СГД (скважинной гидродобычи), как нового развивающегося направления, является большое разнообразие систем и способов выемки полезного ископаемого. Анализ данных показывает, что наиболее эффективна отработка месторождений камерными систе­мами, с поддержанием открытой, необводненной камеры, позволяющими управлять сдвижением и горным давлением путем оставления целиков, закладкой выработанного пространства, плавным опусканием кровли и обрушением налегающих пород.

Обосновывается, что предприятия СГД менее энерго- и капиталоемки, сооружаются в более ко­роткие сроки. Следовательно, являются более конкурентоспособными в удаленных и экономически слабо освоенных районах по сравнению с предприятиями, применяющими традиционную техноло­гию. Применение способа СГД позволяет избежать многих негативных экологических последствий. Эта технология добычи практически безотходна, экологически безвредна, не требует значительного отвода земель под промышленное строительство. К настоящему моменту созданы необходимые предпосылки для обеспечения рационального природопользования при СГД с точки зрения монито­ринга, и, несомненно, в ближайшее время мы будем свидетелями появления новых разработок в этой быстроразвивающейся области горной технологии.

По мнению автора работы, с чем следует согласиться, технологию СГД нужно рассматривать как важное приоритетное направление государственной инвестиционной политики, позволяющее в короткие сроки обеспечить прогрессивные структурные преобразования в промышленности Казах­стана и обеспечить дальнейший экономический рост без ущерба экологическим системам. Важно помнить о том, что СГД — это горная технология будущего, но не далекого, а близкого, что будет зависеть от принятия правильных решений и их реализации в свете установок Стратегического плана развития Республики Казахстан до 2020 г.

В тринадцатой главе раскрываются физико-химические и социально-экономические основы гео- технологических процессов выщелачивания.

В процессе исследования автором вскрыты тенденции и закономерности.

• За последние 10-15 лет (особенно начиная с 1999 г.) в Казахстане весьма быстрыми темпами наращивались объемы подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) урана и сопутствующих ему редких элементов (рений, осмий и др.). В этой связи был придан мощный импульс развитию горных наук в Ка­захстане в области геотехнологии металлов. К настоящему времени в республике создается самостоятель­ная школа ученых-геотехнологов ПСВ металлов. Был проведен ряд международных научных конференций по проблемам геотехнологии урана с участием ведущих стран по его добыче (Франция, Австралия, Кана­да, Россия, Узбекистан и др.).
• Как следствие, основой разработки и внедрения в практику уранодобычи метода подземного сква­жинного выщелачивания явились достижения в области геологоразведки и промышленной оценки, эпиге­нетических месторождений региональных зон пластового и грунтового окисления, достижения в области гидродинамики, геохимии, гидрометаллургии.
• Успешное решение комплекса технических проблем первых этапов освоения метода подземного выщелачивания урана было связано с разработкой и внедрением специальных технических средств и тех­нологий сооружений и эксплуатации скважин, контрольно-измерительной аппаратуры, а также с разработ­кой и промышленным освоением в гидрометаллургии урана сорбционной технологии с использованием сильноосновных анионитов.
• За прошедшие годы коллективами казахстанских уранодобывающих предприятий была проделана большая работа по совершенствованию технологии добычи урана, повышению производительности труда, снижению себестоимости продукции, автоматизации производственных процессов. Значительная работа проделана в области бурения и оборудования скважии, совершенствования средств подъема продуктивных растворов, аппаратов сорбционного их передела.
• В результате указанных выше целенаправленных мер Казахстан, обладая значительными ком­мерческими запасами (18 % разведанных и 25 % прогнозируемых мировых), в настоящее время за­нимает второе место по разведанным запасам урана и первое место — по его производству.

По данным [2; 21], НАК «Казатомпром» общие запасы урана 129 месторождений и рудопрояв- лений, объединенных в шесть урановых областей (Прибалхашская, Прикаспийская, Илийская, Севе- ро-Казахстанская, Сырдаринская, Шу-Сарысуйская), оценивает в 1690 тыс. т и выдвигает республику на первое место в мире по этому показателю.

Заключительная, четырнадцатая глава книги посвящена вопросам экономико-математического моделирования геотехнологических процессов. В частности, на примере угольной отрасли рассмат­риваются методические основы применения логистических функций для фундаментальных исследо­ваний в области освоения новых горных технологий.

Обобщая сказанное выше, нам бы особо хотелось отметить своевременность выхода в свет тако­го фундаментального научного труда. Монография содержит весь необходимый материал для озна­комления с теорией и практикой геотехнологических методов добычи полезных ископаемых. Мате­риал книги удачно структурирован и необходим для специалистов, преподавателей, магистрантов и студентов, интересующихся современными технологиями добычи и переработки полезных ископае­мых.

Автор монографии, накопивший опыт исследования и внедрения новой инновационной техноло­гии и представивший свои многолетние исследования в таком классическом издании, заслуживает глубокой признательности всей научной общественности страны за вклад в развитие отечественного горного дела.

Список литературы

1. Каренов Р.С. Эколого-экономическая и социальная эффективность геотехнологических методов добычи полезных ис­копаемых. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2011. — 366 с.
2. Алшанов Р. Экономика Казахстана за 20 лет: минерально-сырьевой комплекс // Казахстанская правда. — 2011. — 14 окт. — С. 20-21.