Введення
Останнім часом для видобутку багатьох твердих корисних копалин (ПІ) застосовують геотехнологічні методи видобутку з використанням бурових свердловин. Вони дозволяють спростити і здешевити видобуток, виробляти відпрацювання бідних родовищ, а також родовищ, що характеризуються складними умовами залягання. Розтин рудної поклади здійснюють буровими свердловинами, які пропонується називати геотехнологічні.
Геотехнологічні методи видобутку корисних копалин дозволяють знизити в деяких випадках в 2 - 4 рази капітальні витрати на будівництво підприємств, підвищити продуктивність праці за кінцевої продукції, скоротити чисельність працюючих. Крім того, їх застосування сприяє значному поліпшенню умов праці та зменшення негативного впливу на навколишнє середовище.
Одним з геотехнологических методів є метод підземного вилуговування (ПВ). Підземне вилуговування ПІ, метод видобутку корисних копалин виборчим розчиненням його хімічними реагентами в рудному тілі на місці залягання з витяганням на поверхню. ПВ застосовується для видобутку кольорових металів і рідкісних елементів тощо ПВ ставиться до фільтраційним процесам і грунтується на хімічних реакціях «тверде тіло - рідина».
При ПВ проникних рудних тіл родовище розкривається системою свердловин, розташованих (у плані) рядами, багатокутниками, кільцями. У свердловини подають розчинник, який, фильтруясь по пласту, витравлюють корисні компоненти. Продуктивний розчин відкачується через інші свердловини (рис 1). У разі монолітних непроникних рудних тіл поклад розкривають підземними гірничими виробками, окремі рудні блоки дроблять за допомогою буропідривних робіт (рис 2). Потім на верхньому горизонті масив зрошують розчинником, який, стікаючи вниз, розчиняє корисна копалина. На нижньому горизонті розчини збирають і перекачують на поверхню для переробки.
Сутність підземного вилуговування ПІ полягає у виборчому перекладі корисного компонента в рідку фазу шляхом керованого руху розчинника по руді в природному заляганні або підготовленого до розчинення і піднесенню насиченого металом розчину на поверхню. З цією метою через свердловини, пробурені з поверхні в пласт корисної копалини нагнітається хімічний реагент, здатний переводити мінерали корисної копалини в розчинну форму. Розчин, пройшовши частина рудного пласта, через інші свердловини піднімається на поверхню і далі по трубопроводу транспортується до установок для переробки.
Рис. 1. Схема відпрацювання пластових родовищ вилуговуванням через свердловини: 1 - вузол приготування розчинів; 2 - нагнітальні свердловини; 3 - дренажні свердловини; 4 - компресор; 5 - повітропровід для ерліфта продуктивних розчинів; 6 - колектор для продуктивних розчинів; 7 - відстійник; 8 - установка для переробки розчину.
Рис. 2. Схема підземного вилуговування скельних руд: 1 - ємність для розчинника; 2 - насос; 3 - трубопровід робочих розчинів; 4 - відпрацьовується блок руди; 5 - ємність для збору продуктивних розчинів; 6 - насос; 7 - ємність для продуктивних розчинів на поверхні, 8 - сорбційна установка; 9 - відстійник відпрацьованого розчину; 10 - ємність для доукрепленія розчинів; 11 - прес-фільтр.
Найважливішими природними передумовами застосування ПВ є здатність ПІ і його сполук переходити в розчин при впливі на рудний пласт водного розчину витравлюють реагенту, а також можливість фільтрації витравлюють розчинів в породах продуктивного горизонту.
Вибір розчинника для ПВ залежить від складу руд. Найбільш широке застосування знаходять водні розчини кислот (сірчаної, соляної, азотної) або соди.
ПВ застосовується при видобутку уранових руд, кольорових і рідкісних металів (мідь, нікель, свинець, цинк, золото тощо). Є передумови використання його для видобутку фосфоритів, боратів і ін
Важливим чинником підвищення ефективності видобутку методом ПВ є правильний вибір схеми розміщення технологічних свердловин і відстаней між ними. У практиці експлуатації родовищ в основному застосовується лінійна схема розташування свердловин, що представляє собою чергування рядів нагнітальних і відкачні свердловин. Відстані між рядами і свердловинами в ряду коливаються в широких межах (15 - 50 м і більше). Найбільш широке поширення отримала схема 25х50 м.
Бактеріальне вилуговування
Бактеріальне вилуговування, виборче витяг хімічних елементів з багатокомпонентних сполук за допомогою їх розчинення мікроорганізмами у водному середовищі. Завдяки бактеріального вилуговування з'являється можливість брати з руд, відходів виробництва і т. д. цінні компоненти (мідь, уран та ін) або шкідливі домішки (наприклад, миш'як в рудах чорних і кольорових металів). Вперше запатентовано в США (1958) стосовно до вилучення міді та цинку.
Бактеріальним вилуговуванням можна користуватися при всіх способах вилуговування, не пов'язаних з підвищеними тиском і температурою. Найбільш широко для бактеріального вилуговування застосовують тіонові бактерії: Thiobacillus ferrooxidans, здатні окислювати сульфідні мінерали і закисное залізо до окисного (так звані залізобактерій), і Th. thiooxidans (так звані серобактерии). Тіонові бактерії є хемоавтотрофов, тобто єдине джерело енергії для їх життєдіяльності - процеси окислення закисного заліза, сульфідів різних металів і елементарної сірки. Ця енергія витрачається на засвоєння вуглекислоти, що виділяється з атмосфери або з руди. Одержуваний вуглець йде на побудову клітинної тканини бактерій. Th. ferrooxidans окислюють сульфідні мінерали до сульфатів прямим і непрямим шляхом (коли мікроорганізми окислюють сірчанокисле закисное залізо до окисного, що є сильним окислювачем і розчинником сульфідів):
Найважливіший фактор бактеріального вилуговування - швидка регенерація сірчанокислого окисного заліза тіонові бактеріями (Th. ferrooxidans), що в деяких випадках прискорює процеси окислення і вилуговування. Оптимальна температура для розвитку тіонових бактерій 25-35 ° C, а pH від 2 до 4. Тіонові бактерії прискорюють розчинення халькопирита в 12 разів, арсеноніріта і сфалериту в 7 разів, ковелін і борніта в 18 разів у порівнянні зі звичайними хімічними методами.
У значних промислових масштабах бактеріальне вилуговування застосовується для купчастого добування корисних копалин (міді та урану) з руд на місці їх залягання. Наприклад, економічно доцільно видобувати бактеріальне вилуговування мідь з позабалансових сульфідних руд. Це здійснюється водними розчинами Fe 2 (SO 4) 3 у присутності Al 2 (SO 4) 3, FeSO 4 і тіонових бактерій Th. ferrooxidans. Розчин подається по шлангах у свердловини, пробурені в рудному тілі (рис.3); бактерії і сульфат окису заліза окислюють сульфіди міді за схемою:
У різних країнах ведуться дослідження з вилуговування за участю тіонових бактерій для вилучення мн. металів (Zn, Со, As, Мп та ін.) Ведуться роботи з виявлення бактерій інших видів для вилучення ін корисних копалин. Наприклад, для розчинення і вилучення золота запропоновано використовувати гетеротрофні бактерії Aeromonas, виділені з рудничних вод золотоносних копалень.
Простота апаратури для бактеріального вилуговування, можливість швидкого розмноження бактерій, особливо при поверненні в процес відпрацьованих розчинів, що містять живі організми, відкриває можливість не тільки різко знизити собівартість отримання цінних корисних копалин, але і значно збільшити сировинні ресурси за рахунок використання бідних, позабалансових і втрачених ( наприклад, у ціликах) руд в родовищах, відвалів з відходів збагачення, пилу, шлаків та ін У перспективі бактеріальне вилуговування відкриває можливості створення повністю автоматизованих підприємств з отримання металів з позабалансових і втрачених руд безпосередньо з надр Землі, минаючи складні гірничо-збагачувальні комплекси.
Рис.3. Схема підземного бактеріального вилуговування мідної руди: 1 - прудок для вирощування та регенерації бактерій; 2 - насосна для перекачування бактеріального розчину до руди, 3 - трубопровід, 4 - засувка; 5 - колектор; 6 - поліетиленовий шланг; 7 - свердловина для зрошення рудного тіла бактеріальним розчином; 8 - зрошуваний ділянку рудної поклади; 9 - горизонтальні гірські вироблення для збору бактеріального розчину, збагаченого міддю; 10 - насос; 11 - відстійник для насичених міддю розчинів; 12 - цементаційна ванна для отримання порошкоподібної міді, 13 - сушка цементної міді; 14 - транспортування міді споживачам; 15 - компресорна для збагачення бактеріального розчину киснем.
Видобуток урану методом підземного вилуговування
У сучасній промисловості через відсутність багатих уранових руд (винятки становлять канадські родовища незгоди, де концентрація урану доходить до 30% і австралійських з вмістом урану до 3%) використовується спосіб підземного вилуговування руд. Це - один з найбільш рентабельних і екологічно чистих способів видобутку не вимагає ні кар'єрів, ні шахт. Попередня підготовка йде безпосередньо під землею. Спосіб застосовний у важких кліматичних умовах і вічної мерзлоти. Технологія абсолютно закрита, герметична. Надра практично не руйнуються і навіть повністю відновлюються протягом декількох років.
Вся площа родовища «проколюється» свердловинами (колонами). В одну свердловину закачується сірчана кислота (1-2% розчин), іноді з додаванням солей тривалентного заліза (для окислення урану U (IV) до U (VI)), хоча руди часто містять залізо і пиролюзит, які полегшують окислення). Йде процес вилуговування урану. Через іншу свердловину продуктивний розчин з допомогою насоса витягується вгору. Далі він безпосередньо надходить на сорбційне, гідрометалургійний вилучення та одночасне концентрування урану.
Метод підземного свердловинного вилуговування є найбільш привабливим способом видобутку урану з точки зору спрощеності технологічних операцій. При цьому методі не відбувається зміни геологічного стану надр, так як не виробляється виїмка гірничорудної маси. Загальна поверхня землі, яку займає полігоном підземного вилуговування і переробним цехом для отримання 500 метричних тонн U / рік U3O8, в 3-4 рази менше площі, займаної типовим гідрометалургійним заводом на цю ж продуктивність. У процесі свердловинного вилуговування в рухливе стан в надрах переходить і виводиться на поверхню менше 5% радіоактивних елементів в порівнянні з 100% при традиційних способах видобутку урану. Сірчана кислота при контакті з породою перетворюється в гіпс, тому при даній технології не залишається в землі елементів, яких там немає. І якщо і бувають якісь розмиви, то вони швидко усуваються, тому що при витоках технологія не працює. Тут відпадає необхідність будівництва хвостосховищ для зберігання відходів з високим рівнем радіації. Є маленькі пескоотстойнікі, які після завершення видобування легко рекультивувати.
Відзначимо, що часто природна Гідрогеохімічна середовище на уранових родовищах має здатність до самовідновлення від техногенного впливу. За рахунок поступового відновлення природних окислювально-відновних умов відбувається хоч і повільний, але незворотній процес рекультивації підземних вод рудовмещающіх водоносних горизонтів. Можлива інтенсифікація цього процесу, що прискорює рекультивацію в десятки разів. Прикладом природної демінералізації залишкових розчинів може служити результат 13-річних спостережень, проведених на родовищі Іркол (Південний Казахстан).
Останнім часом для видобутку багатьох твердих корисних копалин (ПІ) застосовують геотехнологічні методи видобутку з використанням бурових свердловин. Вони дозволяють спростити і здешевити видобуток, виробляти відпрацювання бідних родовищ, а також родовищ, що характеризуються складними умовами залягання. Розтин рудної поклади здійснюють буровими свердловинами, які пропонується називати геотехнологічні.
Геотехнологічні методи видобутку корисних копалин дозволяють знизити в деяких випадках в 2 - 4 рази капітальні витрати на будівництво підприємств, підвищити продуктивність праці за кінцевої продукції, скоротити чисельність працюючих. Крім того, їх застосування сприяє значному поліпшенню умов праці та зменшення негативного впливу на навколишнє середовище.
Одним з геотехнологических методів є метод підземного вилуговування (ПВ). Підземне вилуговування ПІ, метод видобутку корисних копалин виборчим розчиненням його хімічними реагентами в рудному тілі на місці залягання з витяганням на поверхню. ПВ застосовується для видобутку кольорових металів і рідкісних елементів тощо ПВ ставиться до фільтраційним процесам і грунтується на хімічних реакціях «тверде тіло - рідина».
При ПВ проникних рудних тіл родовище розкривається системою свердловин, розташованих (у плані) рядами, багатокутниками, кільцями. У свердловини подають розчинник, який, фильтруясь по пласту, витравлюють корисні компоненти. Продуктивний розчин відкачується через інші свердловини (рис 1). У разі монолітних непроникних рудних тіл поклад розкривають підземними гірничими виробками, окремі рудні блоки дроблять за допомогою буропідривних робіт (рис 2). Потім на верхньому горизонті масив зрошують розчинником, який, стікаючи вниз, розчиняє корисна копалина. На нижньому горизонті розчини збирають і перекачують на поверхню для переробки.
Основні відомості про метод підземного вилуговування
Підземне вилуговування кольорових металів відомо з 16 ст. (Іспанія), у великих промислових масштабах метод вперше освоєний на мідному руднику Кананеа в Мексиці (1924р) і на мідноколчеданих родовищах Уралу (1939-42гг). Уранові руди розробляються ПВ з 1957р. ПВ застосовується в ряді країн (США, СРСР, Франція, Японія, НДР та ін); в 1974р цим способом було отримано 20% світового видобутку міді.Сутність підземного вилуговування ПІ полягає у виборчому перекладі корисного компонента в рідку фазу шляхом керованого руху розчинника по руді в природному заляганні або підготовленого до розчинення і піднесенню насиченого металом розчину на поверхню. З цією метою через свердловини, пробурені з поверхні в пласт корисної копалини нагнітається хімічний реагент, здатний переводити мінерали корисної копалини в розчинну форму. Розчин, пройшовши частина рудного пласта, через інші свердловини піднімається на поверхню і далі по трубопроводу транспортується до установок для переробки.
Рис. 1. Схема відпрацювання пластових родовищ вилуговуванням через свердловини: 1 - вузол приготування розчинів; 2 - нагнітальні свердловини; 3 - дренажні свердловини; 4 - компресор; 5 - повітропровід для ерліфта продуктивних розчинів; 6 - колектор для продуктивних розчинів; 7 - відстійник; 8 - установка для переробки розчину.
Рис. 2. Схема підземного вилуговування скельних руд: 1 - ємність для розчинника; 2 - насос; 3 - трубопровід робочих розчинів; 4 - відпрацьовується блок руди; 5 - ємність для збору продуктивних розчинів; 6 - насос; 7 - ємність для продуктивних розчинів на поверхні, 8 - сорбційна установка; 9 - відстійник відпрацьованого розчину; 10 - ємність для доукрепленія розчинів; 11 - прес-фільтр.
Найважливішими природними передумовами застосування ПВ є здатність ПІ і його сполук переходити в розчин при впливі на рудний пласт водного розчину витравлюють реагенту, а також можливість фільтрації витравлюють розчинів в породах продуктивного горизонту.
Вибір розчинника для ПВ залежить від складу руд. Найбільш широке застосування знаходять водні розчини кислот (сірчаної, соляної, азотної) або соди.
ПВ застосовується при видобутку уранових руд, кольорових і рідкісних металів (мідь, нікель, свинець, цинк, золото тощо). Є передумови використання його для видобутку фосфоритів, боратів і ін
Важливим чинником підвищення ефективності видобутку методом ПВ є правильний вибір схеми розміщення технологічних свердловин і відстаней між ними. У практиці експлуатації родовищ в основному застосовується лінійна схема розташування свердловин, що представляє собою чергування рядів нагнітальних і відкачні свердловин. Відстані між рядами і свердловинами в ряду коливаються в широких межах (15 - 50 м і більше). Найбільш широке поширення отримала схема 25х50 м.
Бактеріальне вилуговування
Бактеріальне вилуговування, виборче витяг хімічних елементів з багатокомпонентних сполук за допомогою їх розчинення мікроорганізмами у водному середовищі. Завдяки бактеріального вилуговування з'являється можливість брати з руд, відходів виробництва і т. д. цінні компоненти (мідь, уран та ін) або шкідливі домішки (наприклад, миш'як в рудах чорних і кольорових металів). Вперше запатентовано в США (1958) стосовно до вилучення міді та цинку.
Бактеріальним вилуговуванням можна користуватися при всіх способах вилуговування, не пов'язаних з підвищеними тиском і температурою. Найбільш широко для бактеріального вилуговування застосовують тіонові бактерії: Thiobacillus ferrooxidans, здатні окислювати сульфідні мінерали і закисное залізо до окисного (так звані залізобактерій), і Th. thiooxidans (так звані серобактерии). Тіонові бактерії є хемоавтотрофов, тобто єдине джерело енергії для їх життєдіяльності - процеси окислення закисного заліза, сульфідів різних металів і елементарної сірки. Ця енергія витрачається на засвоєння вуглекислоти, що виділяється з атмосфери або з руди. Одержуваний вуглець йде на побудову клітинної тканини бактерій. Th. ferrooxidans окислюють сульфідні мінерали до сульфатів прямим і непрямим шляхом (коли мікроорганізми окислюють сірчанокисле закисное залізо до окисного, що є сильним окислювачем і розчинником сульфідів):
Найважливіший фактор бактеріального вилуговування - швидка регенерація сірчанокислого окисного заліза тіонові бактеріями (Th. ferrooxidans), що в деяких випадках прискорює процеси окислення і вилуговування. Оптимальна температура для розвитку тіонових бактерій 25-35 ° C, а pH від 2 до 4. Тіонові бактерії прискорюють розчинення халькопирита в 12 разів, арсеноніріта і сфалериту в 7 разів, ковелін і борніта в 18 разів у порівнянні зі звичайними хімічними методами.
У значних промислових масштабах бактеріальне вилуговування застосовується для купчастого добування корисних копалин (міді та урану) з руд на місці їх залягання. Наприклад, економічно доцільно видобувати бактеріальне вилуговування мідь з позабалансових сульфідних руд. Це здійснюється водними розчинами Fe 2 (SO 4) 3 у присутності Al 2 (SO 4) 3, FeSO 4 і тіонових бактерій Th. ferrooxidans. Розчин подається по шлангах у свердловини, пробурені в рудному тілі (рис.3); бактерії і сульфат окису заліза окислюють сульфіди міді за схемою:
У різних країнах ведуться дослідження з вилуговування за участю тіонових бактерій для вилучення мн. металів (Zn, Со, As, Мп та ін.) Ведуться роботи з виявлення бактерій інших видів для вилучення ін корисних копалин. Наприклад, для розчинення і вилучення золота запропоновано використовувати гетеротрофні бактерії Aeromonas, виділені з рудничних вод золотоносних копалень.
Простота апаратури для бактеріального вилуговування, можливість швидкого розмноження бактерій, особливо при поверненні в процес відпрацьованих розчинів, що містять живі організми, відкриває можливість не тільки різко знизити собівартість отримання цінних корисних копалин, але і значно збільшити сировинні ресурси за рахунок використання бідних, позабалансових і втрачених ( наприклад, у ціликах) руд в родовищах, відвалів з відходів збагачення, пилу, шлаків та ін У перспективі бактеріальне вилуговування відкриває можливості створення повністю автоматизованих підприємств з отримання металів з позабалансових і втрачених руд безпосередньо з надр Землі, минаючи складні гірничо-збагачувальні комплекси.
Рис.3. Схема підземного бактеріального вилуговування мідної руди: 1 - прудок для вирощування та регенерації бактерій; 2 - насосна для перекачування бактеріального розчину до руди, 3 - трубопровід, 4 - засувка; 5 - колектор; 6 - поліетиленовий шланг; 7 - свердловина для зрошення рудного тіла бактеріальним розчином; 8 - зрошуваний ділянку рудної поклади; 9 - горизонтальні гірські вироблення для збору бактеріального розчину, збагаченого міддю; 10 - насос; 11 - відстійник для насичених міддю розчинів; 12 - цементаційна ванна для отримання порошкоподібної міді, 13 - сушка цементної міді; 14 - транспортування міді споживачам; 15 - компресорна для збагачення бактеріального розчину киснем.
Видобуток урану методом підземного вилуговування
У сучасній промисловості через відсутність багатих уранових руд (винятки становлять канадські родовища незгоди, де концентрація урану доходить до 30% і австралійських з вмістом урану до 3%) використовується спосіб підземного вилуговування руд. Це - один з найбільш рентабельних і екологічно чистих способів видобутку не вимагає ні кар'єрів, ні шахт. Попередня підготовка йде безпосередньо під землею. Спосіб застосовний у важких кліматичних умовах і вічної мерзлоти. Технологія абсолютно закрита, герметична. Надра практично не руйнуються і навіть повністю відновлюються протягом декількох років.
Вся площа родовища «проколюється» свердловинами (колонами). В одну свердловину закачується сірчана кислота (1-2% розчин), іноді з додаванням солей тривалентного заліза (для окислення урану U (IV) до U (VI)), хоча руди часто містять залізо і пиролюзит, які полегшують окислення). Йде процес вилуговування урану. Через іншу свердловину продуктивний розчин з допомогою насоса витягується вгору. Далі він безпосередньо надходить на сорбційне, гідрометалургійний вилучення та одночасне концентрування урану.
Метод підземного свердловинного вилуговування є найбільш привабливим способом видобутку урану з точки зору спрощеності технологічних операцій. При цьому методі не відбувається зміни геологічного стану надр, так як не виробляється виїмка гірничорудної маси. Загальна поверхня землі, яку займає полігоном підземного вилуговування і переробним цехом для отримання 500 метричних тонн U / рік U3O8, в 3-4 рази менше площі, займаної типовим гідрометалургійним заводом на цю ж продуктивність. У процесі свердловинного вилуговування в рухливе стан в надрах переходить і виводиться на поверхню менше 5% радіоактивних елементів в порівнянні з 100% при традиційних способах видобутку урану. Сірчана кислота при контакті з породою перетворюється в гіпс, тому при даній технології не залишається в землі елементів, яких там немає. І якщо і бувають якісь розмиви, то вони швидко усуваються, тому що при витоках технологія не працює. Тут відпадає необхідність будівництва хвостосховищ для зберігання відходів з високим рівнем радіації. Є маленькі пескоотстойнікі, які після завершення видобування легко рекультивувати.
Відзначимо, що часто природна Гідрогеохімічна середовище на уранових родовищах має здатність до самовідновлення від техногенного впливу. За рахунок поступового відновлення природних окислювально-відновних умов відбувається хоч і повільний, але незворотній процес рекультивації підземних вод рудовмещающіх водоносних горизонтів. Можлива інтенсифікація цього процесу, що прискорює рекультивацію в десятки разів. Прикладом природної демінералізації залишкових розчинів може служити результат 13-річних спостережень, проведених на родовищі Іркол (Південний Казахстан).