На современном этапе развития техники и технологии подготовительных работ существует принципиальная возможность для добычи геотехнологическими методами всех полезных ископаемых, свойства которых позволяют перевести их тем или другим способом в подвижное состояние. В табл. 1 представлен обобщенный анализ состояния развития геотехнологических методов добычи, из которого видно, на каких месторождениях уже сейчас или в ближайшей перспективе можно применить различные геотехнологические методы.
Из представленных данных видно, что наиболее продвинутыми и освоенными являются следующие принципиально различные геотехнологии:
Подземное растворение полезных ископаемых. Как показывает практика, для подземного растворения пригодны месторождения растворимых в воде минералов. Это прежде всего относится к залежам каменной и калийной солей, бишофита, глауберовой соли.
Технология добычи каменной соли подземным растворением отработана настолько, что может быть применена практически на любом месторождении. Простота технологии и незначительные капитальные затраты позволяют экономически эффективно разрабатывать месторождения, расположенные вблизи от потребителей. Камеры растворения в солях могут использоваться в качестве хранилищ нефти, газа и других продуктов, для захоронения отходов, а также в качестве реакторов для осуществления химических процессов, требующих высокого давления и температуры.
Подземная выплавка. Она широко используется для добычи самородной серы, а также тяжелой нефти. Поскольку руды ряда серных месторождений имеют низкую проницаемость, применение известной технологии ПВС (подземная выплавка серы) практически невозможно. Для подобных месторождений перспективно применение выплавки с нагревом руды токами высокой частоты.
Подземная выплавка может использоваться также для добычи битума, озокерита, асфальтита. Так, асфальтит приобретает свойства жидкости при 180-2200 С, что предопределяет возможность применения подземной выплавки.
В последние годы быстрыми темпами развиваются технология подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) урана и сопутствующих ему редких химических элементов (рений, осмий и др.), а также технология наземного кучного выщелачивания (КВ) металлов. 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. Начиная с 1999г. в Алматы был проведен ряд международных конференций по проблемам геотехнологии урана с участием ведущих стран по его добыче (Франция, Австралия, Канада, Россия, Узбекистан и др.).
Столь бурное развитие нового способа ПСВ урана требует быстрейшего решения целого комплекса научных проблем, которые следует считать наиболее приоритетными в сфере развития горных наук в Республике Казахстан, а также форсированного и качественного решения задач в области подготовки инженерных кадров.
По мнению авторов статьи [2, С.8-9], важнейшие приоритеты по фундаментальным исследованиям в области ПСВ металлов следующие:
- Гидродинамические расчеты сети скважин ПСВ металлов (урана) с учетом эффективной мощности, приведенной при отсутствии нижнего и верхнего водоупоров.
- Оптимизация схем вскрытия пластовых месторождений с учетом приведенной эффективной мощности, продуктивности пласта.
- Оптимизация напоров на закачных и откачных скважинах с учетом рабочих характеристик насосов и статических напоров подземных вод.
- Расчет дебитов и для различных схем вскрытия с учетом наложения плоскорадиального и линейного потоков ламинарной фильтрации жидкости в пористых средах.
- Теоретическое обоснование основополагающего параметра f - отношения жидкого к твердому с учетом растекания растворов.
- Математическое моделирование кинетики и гидродинамики ПСВ металлов и оптимизация расхода реагентов.
- Теоретические обоснования оптимального бортового и минимально рентабельного содержания урана в рудах инфильтрационных месторождений.
- Оптимизация параметров, числа и последовательности отработки блоков по критерию «прибыль».
- Оптимизация схем и параметров расположения фильтров закачных и откачных скважин.
- Теоретические основы управляемых фильтрационных потоков при кучном выщелачивании (КВ) металлов.
Получают дальнейшее развитие крупные блоки приоритетных прикладных исследований ПСВ металлов на перспективу:
- Разработка автоматизированной системы гидродинамических расчетов сети скважин ПСВ металлов для несовершенных скважин (отсутствие водоупоров, растекание продуктивных растворов (ПР) в плане).
- Разработка автоматизированной системы проектирования оптимальных схем вскрытия глубоких продуктивных горизонтов пластово-инфильтрационных месторождений урана для сложных условий.
- Разработка критериев и методов оценки устойчивости стенок технологических скважин при ПСВ металлов с учетом прочности труб и горного давления.
- Разработка автоматизированной системы расчета оптимальных напоров на закачных скважинах с учетом гидродинамики напорных вод и прочности трубоставов в скважинах.
- Разработка блочной структуры систем автоматизированного проектирования ПСВ и КВ в режиме постоянной адаптации к изменяющимся условиям горной среды.
- Создание автоматизированной системы оптимального управления процессами ПСВ урана в реальном масштабе времени по векторному критерию адаптации.
Подземная газификация известна как метод получения горючего газа из углей (ПГУ). В США проявляется большой интерес к этой проблеме; ведутся широкие опытные исследования. Ряд установок ПГУ строится по лицензии, приобретенной в свое время в бывшем Советском Союзе. Дело в том, что США располагает значительными запасами угля и решение проблемы ПГУ считается одним из наиболее перспективных.
В последнее время имеются положительные результаты исследования газификации сланцев на месте залегания путем их нагрева электрическим током. Методом газификации можно отрабатывать также необводненные месторождения серы.
Подземная газификация может применяться для добычи ртути, сурьмы, мышьяка, которые обладают свойством возгоняться при нагреве.
Скважинная гидродобыча (СГД) полезных ископаемых. Она может использоваться для разработки месторождений с рудами невысокой прочности, залегающими под относительно прочными или пластично-деформирующимися породами. Этот метод пока используется в небольших масштабах, но с ним связаны широкие перспективы.
Наиболее распространенный тип месторождений с рыхлыми рудами - россыпи титана, вольфрама, молибдена, олова, редких элементов. Запасы современных россыпей в значительной мере исчерпаны, зато существуют большие возможности разработки древних погребенных россыпей.
В перспективе методом СГД могут отрабатываться не только рыхлые, но также глинистые и полускальные руды, в частности коры выветривания железистых кварцитов, осадочные месторождения железа, марганца, ценных сортов глин, бурые угли, янтарь, апатиты коры выветривания карбонатитов и др.
Некоторые специалисты к геотехнологическим методом добычи относят способы извлечения и использования тепла Земли [3, С. 24-25].
В целом научные аспекты физических, химических, микробиологических процессов, лежащих в основе технологии добычи, показывают, что использование геотехнологических методов представляет собой экономическую необходимость. В этой связи перед отечественными учеными и инженерами стоит ряд новых задач. Прежде всего это подготовка минеральной базы развития геотехнологических методов. Дело в том, что со времени открытия месторождений до их освоения проходит не менее 10 лет и разведываемые сегодня месторождения будут разрабатывать уже на новом уровне техники и технологии. Для того чтобы правильно ориентировать поисковые и разведочные работы, нужно широко привлекать геологов к решению проблем геотехнологии, информировать их о состоянии и перспективах развития горного дела, показать возможность использования геотехнологических методов. Необходимо разработать требования к изученности месторождений для новых методов и дать методику их доразведки.
Следует особо подчеркнуть острую необходимость в подготовке инженерных кадров в области геотехнологии металлов. К настоящему времени имеется две группы геотехнологов - студентов КазНТУ им. К.И. Сатпаева, обучение которых, включая лекции и практические занятия, проводится на базе самых последних достижений в сфере геотехнологии.
Конечная цель стратегии развития горных наук - создание основ теории горных технологий (ОТГТ) при разработке полезных ископаемых, которая должна постоянно развиваться и пополняться новыми фундаментальными знаниями о поведении породного массива в процессе взаимодействия его с технологическими подсистемами, о влиянии ГДП на внешнюю среду; необходимо создавать новейшие компьютерные системы с целью оптимального адаптивного управления подсистемами ГДП (горнодобывающее предприятие), стабилизации их работы.
Можно выделить следующие крупные блоки основ теории технологии добычи полезных ископаемых подземным способом как самые сложные в теории:
а) теория взаимодействия технологических подсистем с внешней средой;
б) катастрофические отказы (КО) и прогноз вероятности их проявления;
в) управление вероятностью проявления КО;
г) техническая надежность и адаптивность технологических систем (ТС);
д) техническая и фактическая нагрузки на добычные участки (ДУ);
е) блок геомеханики, устойчивость и надежность подземных конструкций;
ж) блок экологической надежности.
В отдельном блоке оптимизации находятся компьютерные технологии оптимального проектирования и управления подсистемами горнометаллургического комплекса.
Из сказанного выше ясно, что возникшая в горном деле революционная ситуация явилась результатом совпадения двух моментов: общественной необходимости отрабатывать месторождения на больших глубинах, в сложных горно-геологических условиях и условиях охраны окружающей среды, с одной стороны, и внутренней подготовленности и зрелости науки - с другой стороны. Имеются все основания полагать, что новый взгляд на горное дело, развиваемый геотехнологами, приведет к новым результатам как научного, так и практического плана, ибо потребности в них чрезвычайно велики.
Значит, в будущем нужно создать научную базу для развития и внедрения геотехнологических методов добычи многих полезных ископаемых в промышленных масштабах, в том числе калийных солей, фосфоритов, железа и марганца, меди и никеля, мышьяка, нефти и битума, песков и др.
В заключение хотелось бы особо отметить, что указанные выше приоритеты в области развития горных наук полностью соответствуют инновационной программе развития отраслей горнодобывающей промышленности страны.
Литература:
- Аренс В. Ж. Геотехнология и геотехнологические методы добычи полезных ископаемых // В книге «Горная наука и рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов» / Ответственный редактор А. В. Сидоренко. - М.: Издательство «Наука», 1978. - 279с. (258-273с.).
- Рогов Е.И., Рогов А.Е. Перспективы развития теории и практики применения горных технологий // Горный журнал Казахстана. - 2007. - №2. - С.6-9.
- Мендебаев Т. Энергетика без углеводородов и урана // Горный журнал Казахстана. - 2007. - №7. - С.24-25.