Выщелачивание подземное

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ПОДЗЕМНОЕ (а. underground leaching; н. Untertage- Auslaugung; ф. ljxiviation en place; и. lixiviacion subterranea) — способ разработки рудных месторождений избирательным переводом полезного компонента в жидкую фазу в недрах с последующей переработкой металлсодержащих (продукционных) растворов. Промышленное освоение выщелачивания подземного медных руд было осуществлено в США в 1919, в CCCP (на Урале) — в 1939. С 60-х годов выщелачивание подземное применяют для добычи урана. В 70-х годах во многих странах (CCCP, США, Канада, ГДР, ЧССР, НРБ и др.) значительная часть урана и меди добывается выщелачиванием подземным, ведутся экспериментальные работы по применению его для добычи титана, ванадия, марганца, железа, кобальта, никеля, цинка, селена, молибдена, золота и других металлов. Выщелачивание подземное позволяет полнее использовать недра за счёт вовлечения в производство бедных руд, добыча и переработка которых традиционными способами нерентабельна.

При выщелачивании подземном металл извлекается путём ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив с естественной проницаемостью предварительно разрушенной различными методами или замагазинированной руды. Главные условия успешного применения выщелачивания подземного: присутствие полезного компонента в соединениях, растворимых минеральными или органическими кислотами, щелочами, растворами солей; достаточная естественная водопроницаемость руд или возможность её создания искусственным путём, благоприятные горнотехнические и гидрогеологические условия, позволяющие осуществить подачу реагента к руде и откачку продукционных растворов; возможность эффективного извлечения полезных компонентов из продукционных растворов.

По режиму движения реагента выделяют 3 гидродинамические схемы выщелачивания подземного: фильтрационную, инфильтрационную и пульсационно-статическую (возможны комбинации этих схем в условиях одного добычного блока). Фильтрационная схема выщелачивания подземного основана на использовании постоянного или периодически действующего фильтрационного потока реагента, заполняющего все трещины и открытые поры руд (пустоты в замагазинированной руде), движущегося за счёт разности напоров у раствороподающих (закачных) и раствороприёмных (откачных, дренажных) устройств (горных выработок или скважин). Инфильтрационная схема основана на использовании инфильтрационного потока реагента, движение которого по руде происходит под действием сил гравитации от оросительных устройств к дренажным (при этом раствор не заполняет полностью пустоты в руде). Пульсационно-статическая схема заключается в периодическом затоплении выщелачивающим реагентом руд с естественной и искусственно созданной водопроницаемостью, камер с замагазинированной рудой, очистных пространств с последующим выпуском продукционных растворов.

Современное предприятие выщелачивания подземного состоит из добычного, трубопроводного и перерабатывающего комплексов. Принципиальная технологическая схема цепи аппаратов предприятия не зависит от применяемой системы разработки (рис. 1), под которой понимают согласованную совокупность устройств и выработок, проведённых в определенном порядке во времени и пространстве для управляемого химико-технологического процесса перевода металла из руды в раствор и выдачи продукционного раствора для извлечения металла. В зависимости от способа вскрытия залежей выделяют скважинные, шахтные, комбинированные системы выщелачивания подземного.

При скважинных системах выщелачивания подземного вскрытие, подготовку месторождений и извлечение полезных компонентов в раствор осуществляют через скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами разрабатываются месторождения урана, приуроченные к обводнённым осадочным породам. Ведутся экспериментальные работы для внедрения их на месторождениях руд золота, марганца, железа и др. В зависимости от фильтрационных свойств руд различают скважинные системы выщелачивания подземного металлов из руд с естественной проницаемостью (коэффициент фильтрации К_ф 0,5-10 м/сутки), искусственной проницаемостью (К_ф 0,01-0,5 м/сутки) и магазинированием руд (К_ф<0,01 и К_ф>10 м/сутки).

Наибольшее распространение получили скважинные системы выщелачивания подземного металлов из руд с естественной проницаемостью; разрабатывают месторождения, не требующие предварительной подготовки руд (создание искусственной трещиноватости, проведение гидроразрыва пород и др.). При этом применяют скважинные системы с площадным (ячеистым) и линейным расположением скважин (рис. 2). Расстояние между скважинами 15-50 м, глубина разработки до 500 м и более. Процесс выщелачивания осуществляют в основном напорным фильтрационным потоком реагента, движущимся по рудоносному водопроницаемому пласту от закачных скважин к откачным. При этом соблюдают баланс откачиваемых и закачиваемых растворов (SQ_o = SQ_з). В этом случае система работает в стационарном режиме фильтрации, обеспечиваются максимальная локализация зоны циркуляции растворов, минимальное их разубоживание, минимальные потери реагента за счёт растекания, исключаются осложнения в работе растворо-подъёмных устройств. Выщелачивание металла из несвязных песчаных руд осуществляют при низких гидравлических градиентах (I<1) для того, чтобы исключить суффозию и механическую кольматацию призабойных зон скважин. Для интенсификации извлечения металлов широко используют реверсирование потока (при этом скважины должны быть конструктивно взаимозаменяемыми). При растворах, обладающих коррозионными свойствами, для обсадки скважин применяют трубы из кислотостойких материалов (например, полиэтилена). Для месторождений, залегающих в особо сложных горнотехнических условиях, скважинные системы выщелачивания подземного являются пока единственно возможными системами рентабельной разработки.

Достоинство их в том, что полностью исключается присутствие людей под землёй.

При шахтных системах выщелачивания подземного вскрытие, подготовку месторождений и извлечение полезных компонентов в раствор осуществляют с помощью горных выработок. В зависимости от фильтрационных свойств выделяют системы выщелачивания металлов из руд с естественной проницаемостью (К_ф 0,05-10 м/сутки), с искусственной проницаемостью (К_ф 0,05-0,005 м/сутки) и из замагазинированных руд (К_ф<0,005 м/сутки и К_ф>10 м/сутки). Режимы движения выщелачивающего реагента и конструктивное оформление шахтных систем выщелачивания подземного зависят от физико-механических свойств рудоносных и вмещающих пород, мощности и морфологии рудных тел, наличия водоупоров в кровле и почве рудоносных пород и других факторов. Применяют все три указанные выше гидродинамические схемы. Шахтные системы выщелачивания отличаются большим разнообразием, они позволяют вести управляемый процесс извлечения металлов на месторождениях различных генетических типов из руд с естественной водопроницаемостью (рис. 3) и из руд, разрушенных различными методами или отбитых и замагазинированных на месте залегания (рис. 4). Эти системы применяют при разработке глубокозалегающих месторождений, представленных бедными слабопроницаемыми или практически водонепроницаемыми рудами. При этом в производство вовлекаются большие запасы забалансовых руд, разработка которых традиционными способами нерентабельна. При применении шахтных систем выщелачивания подземного исключается массовое сдвижение руд и вмещающих пород, полностью отсутствует обрушение или оседание дневной поверхности над зонами разработки. Это объясняется тем, что отбойку руд, как правило, ведут в зажатой среде с небольшим коэффициентом разрыхления (Краз 1,1-1,2).

Комбинированные системы выщелачивания подземного находят всё большее применение на месторождениях руд радиоактивных и цветных металлов. Выделяют комбинированные системы двух классов: из элементов скважинных и шахтных систем выщелачивания подземного; из элементов традиционных систем разработки и шахтных систем выщелачивания. Первые предусматривают разработку месторождений с подачей реагента к руде по скважинам, пробуренным с поверхности, и приёмом продукционных растворов в горной выработке. Такие системы применяют на месторождениях, где по каким-либо причинам технически трудно или нерационально откачивать продукционные растворы через скважины (при большой глубине пьезометрического уровня подземных вод, в условиях осушенных пород и т.п.). В зависимости от конкретных условий дренажные горные выработки могут быть пройдены по почве выше или ниже рудного пласта (залежи). Системы второго класса применяют при разработке залежей, которые в пределах одного блока представлены рудами разных технологических сортов, например карбонатными и силикатными, требующими при выщелачивании подземном различных реагентов; рудами, контрастными по содержанию металла (балансовыми и забалансовыми); рудами с контрастными фильтрационными свойствами, требующими разной предварительной горной подготовки к выщелачиванию подземного. Залежи в пределах блока разрабатывают в два этапа: вначале очистная выемка руды одного сорта, затем выщелачивание подземное руды другого сорта. Такая последовательность обеспечивает при очистной выемке нормальные условия труда для горнорабочих и устойчивость рудного массива. В зависимости от конкретных условий в комбинированных системах могут быть применены все три гидродинамические схемы. Комбинированные системы разработки позволяют полнее использовать недра и снижать себестоимость продукции.

Для интенсификации процесса выщелачивания подземного в зависимости от условий применяют различные химические (окислители, поверхностно-активные вещества), бактериальные, физические (электромагнитные поля, повышение напора и температуры растворов, гидроразрыв пород, встряхивающие взрывы, вакуумирование) и комбинированные методы.