С помощью различных растворителей можно переводить в подвижное состояние многие полезные ископаемые. Такой перевод происходит в результате процессов растворения и выщелачивания, которые различаются механизмом взаимодействия растворителя и полезного ископаемого.
Растворение протекает в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия без нарушения химического состава полезного ископаемого. Процесс растворения лежит в основе скважинной добычи растворимых в воде солей: галита, сильвина, бишофита и др.
Выщелачивание сопровождается изменением полезного ископаемого как химического соединения и переводом его в раствор. Способом выщелачивания ведется извлечение из руд металлов, их солей и окислов.
В качестве выщелачивающих агентов используют кислоты и водные растворы солей.
Процесс растворения — гетерогенная реакция, происходящая на границе раздела двух сред: твёрдой и жидкой Она включает:
§ поступление растворителя к поверхности растворяемого вещества;
§ взаимодействие растворителя и растворяемого вещества (межфазные процессы);
§ удаление растворённого вещества от поверхности растворяемого вещества (диффузионный процесс);
Скорость диффузионного процесса растворения определяется разностью концентраций растворяемого вещества на контакте между пограничным слоем насыщенного рассола и общей массой растворителя. По мере насыщения раствора скорость растворения уменьшается по логарифмическому закону.
Различают:
§ массовую скорость растворения – количество соли, растворяемое в единицу времени с единицы поверхности;
§ линейную скорость растворения – расстояние, на которое распространяется растворение в единицу времени.
Скорость растворения зависит от угла наклона поверхности растворяемого вещества и температуры растворителя. В то же время она мало зависит от давления.
Особенно сложен процесс, когда имеем дело с растворением одновременно нескольких веществ, например, сильвинита, состоящего из хлористого калия (сильвина) и хлористого натрия (галита).
Кристаллизация соли — процесс, обратный растворению. Она наступает, когда раствор при данной температуре пресыщен и происходит вследствие испарения части растворителя или понижения температуры насыщенного раствора. Скорость кристаллизации зависит от присутствия в растворе зародышей кристаллов, быстроты охлаждения раствора, перемешивания, высокой начальной температуры, чистоты раствора.
Природа растворения солей очень сложна, ещё больше её осложняет наличие нерастворимых компонентов.
Процесс выщелачивания более сложен, чем процесс растворения. Он описывается сложными дифференциальными уравнениями с учётом влияния формы, размеров и полисперстности частиц, длины слоя, концентрации растворителя, гидродинамики движения жидкости.
Методы химического извлечения минералов, основанные на выщелачивании, предусматривают обычно селективное извлечение полезного компонента.
Механизм процесса выщелачивания определяется структурой и составом растворяемого минерала, характером химической связи в его кристаллической решётке, комплексом физико-химических свойств растворителя. В основе выщелачивания могут лежать:
§ обменные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт обмена ионами (взаимодействие окислов и солей металлов с кислотами);
§ окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт передачи электронов от атомов выщелачивающего агента к атомам минерала и наоборот; вещества, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие – окислителями;
§ реакции с образованием комплексных соединений.
Часто процессы выщелачивания сопровождаются осаждением ценных компонентов или образованием плотных плёночных покрытий на поверхности растворения.
Выщелачивание является основной операцией при извлечении урана на месте залегания руды, так как содержание полезного компонента в них ничтожно мало. Оно определяет величину извлечения и стоимость конечного продукта. Несмотря на многообразие типов месторождений, руд и минералов, содержащих уран, для извлечения его обычно используют водные растворы минеральных кислот или солей карбонатов щелочных металлов.
При подземном выщелачивании к растворителю предъявляются следующие требования:
§ обеспечение относительно полного перевода полезного компонента в раствор;
§ низкая стоимость реагента и его наличие в народном хозяйстве,
§ селективность в процессе выщелачивания;
§ обеспечение коррозионной стойкости применяемой аппаратуры и материалов;
§ исключение условий, приводящих к засорению пор и капилляров в выщелачиваемой рудной массе и снижающих проницаемость массива;
§ возможность осуществления процесса без нагрева, дополнительного измельчения, перемешивания и т п («мягкие» условия) [5].
Наиболее дешёвым растворителем для выщелачивания является серная кислота. Другие растворители характеризуются следующими коэффициентами относительно последней:
HNО3 – 2,15; НСl – 2,38; NaHCO3 – 1,06; Na2CO3 – 1,18; NH4HCO3 –1,32 (NH4)2CO3 – 3,00 [5]
Для интенсификации процесса при подземном выщелачивании некоторых руд в растворитель добавляется окислитель. В качестве последнего могут быть использованы: кислород, перманганаты, перекись водорода, азотсодержащие окислители и др.
Процесс выщелачивания включает три основные стадии:
§ транспортировку растворителя к поверхности выщелачиваемых минералов;
§ химическую реакцию с образованием растворимых солей;
§ транспорт растворённых продуктов реакции в объём раствора.
В процессе выщелачивания происходит снижение проницаемости массива. Это явление называется кольматацией. Выделяют следующие формы кольматации:
§ химическую, связанную с образованием в порах химических осадков;
§ газовую, обусловленную образованием газообразных продуктов в пласте в результате взаимодействия кислоты с карбонатными составляющими пород;
§ ионообменную, связанную с изменением размера пор в присутствии органического вещества и глинистых частиц в проницаемых породах под действием изменения рН и минерализации фильтрующихся растворов;
§ механическую, вызываемую закупоркой поровых каналов пород механическими взвесями или частицами, содержащимися в фильтрующихся растворах. При отработке месторождения способом подземного выщелачивания обычно одновременно возникают и сосуществуют несколько форм кольматации.
Переведённый в раствор полезный компонент не полностью извлекается в процессе отработки. Часть его поглощается безрудными породами. Это негативный процесс, определяющий одно из слагаемых потерь полезного ископаемого в недрах.
На практике поглощение растворённого полезного компонента осуществляется покрывающими и подстилающими породами, а также слабопроницаемыми безрудными прослоями рудовмещающего горизонта. Потери за счёт поглощения в первый период выщелачивания могут доходить до 20–30% относительно общего объёма выщелачиваемого компонента. Однако впоследствии благодаря постоянной фильтрации по проницаемому слою растворителя эти потери могут быть снижены до 5–6 %[5].
По характеру проникновения внутрь куска руды растворители делятся на три типа.
§ руды, в которых растворитель просачивается более или менее одновременно и постоянно со всех сторон;
§ руды, в которых растворитель проникает сначала по трещинам и плоскостям слоистости, т.е. по основным каналам, а затем из них поступает в мельчайшие поры и капилляры;
§ руды, которые при обработке растворителем разрушаются [5].
Пористость рудных монолитов обычно во много раз ниже пористости глин (эффективная пористость скальных руд обычно 0,5-3,0 %), однако размеры пор и капилляров в куске выше, чем в глинистых породах.
Термическое воздействие на горные породы изменяет агрегатное состояние вещества в форму, удобную для доставки к скважине и на поверхность (жидкость, газ), а также физические свойства (например, уменьшают вязкость, улучшают условия фильтрации).
Эти процессы эндотермические и требуют подвода тепловой энергии. Подвод тепла может осуществляться различными теплоносителями (дымовые газы, пар, горячая вода и т.п.) или воздействием на пласт различного рода полями.
Выбор температуры воздействия зависит от конкретного полезного ископаемого.
Например, температура плавления озокерита лежит в пределах 50...800C, серы 112,8...1190C, бишофита 1170C. Причем при температуре -1600С вязкость серы повышается примерно в 800 раз. Необходимо отметить, что при превышении определённой температуры начинаются химические превращения вещества.
Характер протекания процессов термического воздействия на горные породы во многом зависит от того, из каких минералов, агрегатных структур состоит массив, стабильности их характеристик.
Наиболее типичным примером теплового воздействия на массив пород является подземная выплавка серы. При этом необходимо выделять две части, выполняющие различные функции. Первая простирается от устья до забоя скважины и является транспортной магистралью. Вторая включает в себя призабойную зону пласта, в которой происходит превращение полезного компонента в жидкое состояние. Такой способ называется подземной выплавкой
Естественно, что практический эффект зависит от количества подведённого к пласту тепла. Подавая заданные объёмы теплоносителя в пласт, можно регулировать радиус зоны плавления.
Процесс подземной выплавки представляет собой комплекс сложных физических явлений, математическое описание которых не всегда возможно.
При подземной выплавке рудный пласт разогревается до температуры плавления полезного компонента путём нагнетания в массив горячего теплоносителя, который, фильтруясь по трещинам, кавернам и крупным порам, вытесняет холодную воду и выплавляет полезный компонент. Для разогрева пласта могут использоваться различные теплоносители: горячие дымовые газы, парогазовая смесь, пар, горячая вода, рассолы с различным удельным весом. Теплоноситель должен иметь большую удельную теплоёмкость, хорошие вытесняющие свойства и быть дешёвым в производстве. Выбор теплоносителя чрезвычайно важен, т.к. 50-60 % затрат по технологии приходится на получение и подогрев теплоносителя.
Скорость прогрева массива различными теплоносителями характеризуется коэффициентом термоинжекции. Для воздуха, дымовых газов, парогаза, пара и воды он соответственно составляет: 1, 2, 11, 31, 123 [6]. Наиболее эффективный термоинжекционный агент — горячая вода.
Тепловая энергия на подземном участке вокруг добычной скважины распространяется за счёт:
§ кондуктивного теплообмена, интенсивность которого полностью определяется температурными условиями протекания процесса и физическими свойствами рудного тела;
§ конвекции, при которой интенсивность процесса зависит от закономерностей движения жидкости, определяемых уравнениями аэрогазодинамики;
§ теплообмена между теплоносителями и рудным массивом.
У добычной скважины в зоне плавления взаимодействуют две жидкие и твёрдая фазы (расплавленный полезный компонент, вода и минералы, составляющие рудный скелет).
Расплавленный теплом горячей воды полезный компонент за счёт большего удельного веса стекает к почве пласта призабойной зоны скважины, образуя так называемую лужу, нижняя часть которой соприкасается с холодными подстилающими породами. При прекращении инжекции горячей воды в пласт в результате аварии или при ремонте важным параметром является время остывания расплавленного вещества.
Наиболее разработан процесс подземной выплавки применительно к месторождениям самородной серы.
Термохимические процессы при геотехнологии основаны на энергетических изменениях системы при химических превращениях полезных ископаемых, возникающих под действием внутрипластового теплового очага. Термохимические процессы лежат в основе таких геотехнологических способов как подземное сжигание серы, газификация угля и сланцев, тепловое воздействие на нефтеносные пласты, подземное сжигание угля.
Обычно наличие очага приводит к тому, что в массиве образуются отдельные зоны, для каждой из которых характерны определённые реакции и температуры. Для обоснования оптимального режима термохимического процесса необходимо выяснить:
§ распределение физико-химических зон процесса;
§ влияние и характер изменения фильтрационных зон;
§ характер распространения температурных зон;
§ режимы подачи рабочих агентов и т.п.
Одним из резервов развития геотехнологических способов является добыча полезных ископаемых непосредственно из магмы, однако эти процессы ещё недостаточно изучены.
Диспергирование — тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются дисперсионные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Удельная работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от характеристик и структуры измельчаемой породы, поверхностной энергии и степени измельчения.
Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) — диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твёрдости — снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельчённой фазы.
Этот процесс пока не нашёл промышленного применения в геотехнологии.
В основном, эти процессы используются для интенсификации химических реакций и процессов. Их сущность заключается в переводе электрической энергии в тепловую. Прогрев массива зависит от величины напряжённости электрического поля. Поле создаётся с помощью электродов, опускаемых в скважины, расположенные по контуру подлежащего разогреву массива.
Этот способ применялся для разогрева серных руд Предкарпатья и битумов в Башкирии.
Эти процессы сводятся к следующим: гидрорасчленение, гидроподъём, гидроотбойка, гидротранспорт.
Гидрорасчленение повышает проницаемость массива за счёт разрыва пласта рабочей жидкостью под большим давлением.
Гидроподъём осуществляется за счёт: энергии нагнетаемого рабочего агента, вводимой в скважину энергии сжатого воздуха, погружными насосами и гидроэлеваторами.
Гидроотбойка осуществляется струями рабочей жидкости высокого давления специальными скважинными гидромониторами с гибкими и телескопическими наконечниками.
Гидротранспорт — транспортировка разрушенной породы в виде пульпы — смеси твёрдого и жидкого в определенном соотношении.
Гидромониторная струя является рабочим органом для разрушения, смыва, подъёма горной массы. Она характеризуется размером отдельных структурных элементов, начальным давлением воды на вылете из насадки, силой давления на забой на различных расстояниях от насадки.
Гидромониторные струи делятся на: низкого (до 1 МПа), среднего (до 4 МПа), высокого (более 4 МПа) давления. Движение жидкости в струе характеризуется перемещением частиц воды при отсутствии твёрдых границ русла. Окончательное формирование струи происходит в насадке гидромонитора, назначение которой заключается в преобразовании статического давления воды в кинетическую энергию струи. По мере уменьшения сечения насадки при постоянном расходе воды скорость её увеличивается.
Завихрения потока в подводящем канале, неравномерность профиля, турбулентность на входе в насадку, возникновение кавитации при больших напорах ухудшают компактность струи и уменьшают её дальнобойность. На параметры струи влияют вязкость и плотность среды, в которой распространяется струя. Гидравлические и геометрические параметры определяют важнейшие показатели струи на контакте с разрушаемой породой: силу удара и удельное динамическое давление струи.
Увеличение гидростатического давления до глубины 200-300 м существенно ухудшает параметры струи [7]
Разрушение струёй в основном применяется при разработке слабо-связных и рыхлых горных пород и реже полускальных.
Размываемость породы определяется физико-геологическими факторами.
К гидравлическим факторам относятся напор и расход (диаметр насадки).
К технологическим факторам относятся условия воздействия струи на забой.
С увеличением пористости, трещиноватости, размокаемости и коэффициента фильтрации увеличивается скорость размыва, а с увеличением крепости, пластичности и коэффициента сцепления она уменьшается. В то же время содержание различных фракций минеральных частиц в горной породе и их сцепление также характеризуют её гидравлическую разрушаемость
Перемещение разрушенной струёй гидромонитора горной массы к всосу выдачного устройства происходит в потоке по почве камеры самотёчным или напорным потоком воды. Кроме того, самотёчная доставка может эффективно использоваться на поверхности от добычных скважин до карты намыва или перекачных землесосов.
Самотёчный транспорт возможен только при наличии определённого уклона. Подвижность смесей твёрдых частиц с жидкостями или газами зависит прежде всего от гранулометрического состава твёрдой фазы, её плотности и от количественного соотношения фаз. По преимущественному содержанию частиц определённых размеров в смеси с водой транспортируемый материал условно делится на фракции по крупности: кусковую (более 50 мм), крупнозернистую (от 10 до 50 мм), мелкозернистую (2-10 мм), песчаную (0,25-2 мм), пылеватую (0,05-0,25 мм), иловую (0,005-0,05 мм) и глинистую (менее 0,005 мм).
В потоке кусковая и крупнозернистая фракции перемещаются скачкообразно и волочением по дну потока, все же остальные фракции в основном перемещаются во взвешенном состоянии.
Подъём руды по скважине может быть осуществлён гидроэлеватором, эрлифтом или их комбинацией. Транспортирование руды от добычной скважины по трубам осуществляется землесосом или загрузочным аппаратом. При гидроэлеваторном подъёме рабочая вода из насадки гидроэлеватора, создавая вакуум в приёмной камере, засасывает поток гидросмеси и, смешиваясь с ним через диффузор, по трубам выдаёт её на поверхность.
Эрлифтный подъём, несмотря на низкий к.п.д. (10-30%), широко применяется для откачки пульпы ввиду своей простоты, надёжности и, главное, возможности свободного выноса абразивных частиц.
Землесосы являются наиболее распространенными аппаратами гидравлического транспортирования самых разнообразных горных пород и относятся к разновидности турбомашин, конструкция которых имеет специфику, обусловленную наличием твёрдого материала в транспортируемой гидросмеси.
Подъём гидросмеси из зумпфа до выходного отверстия рабочего колеса осуществляется за счёт разности между атмосферным давлением и давлением расхода у входа в рабочее колесо. Выбрасывание гидросмеси в напорный трубопровод осуществляется за счёт энергии, передаваемой потоку лопатками рабочего колеса через вал землесоса от двигателя.
Список основной литературы
1. Пучков Л. А., Жежелевский Ю. А. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. – М.: Изд-во МГГУ, 2009. – 562 с.
2. Егоров П.В. и др. Подземная разработка пластовых месторождений: Учебное пособие для вузов –4-е изд. – М.: Изд-во МГГУ, 2012. – 224 с.
3. Ломоносов Г. Г. Производственные процессы подземной разработки рудных месторождений. – М.: Изд-во МГГУ, 2011. – 517 с.
Список дополнительной литературы
4. Килячков А.П. Технология горного производства: Учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1992.
5. Егоров П.В. и др. Основы горного дела: Учебник. – М.: Изд-во МГГУ, 2006. – 408 с.
6. Демин В. Ф. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. – Караганда: КарГТУ, 2007. – 352 с.
7. Дрижд Н. А. и др. Процессы подземных горных работ : учебное пособие. – Караганда: КарГТУ, 2009. – 136 с.
8. Жигалов М.Л., Ярунин С.А. Технология, механизация и организация подземных горных работ: Учеб. для вузов. – М.: Недра, 1990. -423 с.