3. Физико-химическая геотехнология

Физико-химическая геотехнология (ФХГ) – это совокупность физических, химических и технологических процессов, происходящих в недрах земли при добыче через специальные скважины (дренажные выработки) полезных ископаемых, с изменением их физического, агрегатного или химического состояния (см. схемы).

Это одна из самых молодых геотехнологий, наиболее быстро развивающаяся в настоящее время. 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 физико-химических 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 ФХГ – от определения ее понятий до практической реализации ее методов.

В современных условиях в связи с ростом потребления ресурсов недр возникает необходимость в отработке бедных и глубокозалегающих месторождений, в переработке старых отвалов бедных руд и хвостохранилищ, содержащих многие полезные ископаемые. Однако достигнутый уровень физико-технической геотехнологии не позволяет решать такие задачи при одновременном повышении экономической и экологической эффективности производства. Выход из этой ситуации требует поиска принципиально новых решений, одно из которых – соединение непосредственно в недрах операций по добыче полезных ископаемых с их переделом, что является задачей физико-химической геотехнологии, включающей в себя три составные части определенного содержания (табл. 13.2).

Таблица 13.2. Составные части физико-химической технологии

Составная часть ФХГ	Содержание составной части
Учение о горной среде	Свойства горной среды, породы, полезного ископаемого, геологические условия залегания
Физико-химические основы воздействия на горную среду	Основы учения о химических и физических превращениях полезных ископаемых и горных пород при взаимодействии их с рабочими агентами, теория процессов движения рабочих и продуктивных флюидов в недрах, технологические основы процессов добычи и переработки продуктивных флюидов
Учение о физико-химических методах геотехнологии	Теория проектирования геотехнологических комплексов, вскрытие и подготовка месторождений, системы разработки, средства добычи и управления, экономические, экологические и социальные аспекты геотехнологии

Основной принцип ФХГ формулируется как: исследование процесса добычи и изменений горной среды под влиянием рабочих агентов с целью перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и извлечения его на поверхность. Исходя из этого принципа, в ФХГ выделяют три основных направления: изучение влияния физико-геологической обстановки и горной среды на процесс перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, изучение собственно превращений: химического и физического характера (установление природы процесса и последовательности протекания отдельных стадий), изыскание средств осуществления процессов добычи. Конечная цель ФХГ – развитие геотехнологических способов добычи, прогнозирование протекания процессов и оптимизация параметров технологии.

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 (табл. 13.3).

Таблица 13.3. Физико-химические методы геотехнологии

Метод	Объекты промышленного освоения	Объекты полупромышленных и опытных исследований
Подземное растворение	Месторождения каменной и калийных солей	Месторождения бишофита, соды, глауберовой соли
Подземное выщелачивание	Месторождения меди, урана, золота	Месторождения марганца; сульфидные месторождения меди, свинца, цинка и никеля, фосфоритов, титана, известняка, осадочные бурожелезняковые месторождения
Подземная газификация	Месторождения каменного и бурого угля	Осушенные месторождения серы, месторождения битумов, горячих сланцев, руд, содержащих мышьяк и ртуть
Скважинная гидродобыча	Месторождения фосфоритов, строительные пески, железо, золото	Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий, титан, золото, алмазы, касситерит в погребенных россыпях, желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, алмазоносные породы и т. д.
Добыча полезных ископаемых из подземных вод	Месторождения йодобромистых вод, а также вод, содержащих бор, уран, стронций	Сточные воды шахт, рудников и нефтепромыслов
Извлечение и использование тепла Земли	Природные парогидротермы	Тепло «сухих» горных пород

Особую важность имеют работы по геотехнологической оценке месторождений полезных ископаемых, ибо только благодаря ФХГ становятся доступными для горной промышленности 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, с 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.

Необходимо интенсифицировать работы 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. Особую роль ФХГ будет играть 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. Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону, например, химические растворы, электрический ток, вода или другой теплоноситель).

4. 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.

5. Разработка месторождения зональна, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны и ее перемещения в эксплуатируемой части месторождения.

6. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путемизменения 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.

К химическим методам относятся:

• 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.).

К физическим относятся методы, в основе которых следующие способы: подземная выплавка (серы, азокерита и др.) и 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 являются реальная возможность и экономическая целесообразность перевода полезного ископаемого под воздействием тех или иных рабочих агентов в подвижное состояние. Не менее важно обеспечить возможность подачи рабочих агентов к поверхности взаимодействия и отвод полезного ископаемого через скважины на поверхность.