Подземное растворение полезных ископаемых

Подземное растворение солей является наиболее древним из геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Ещё в Древнем Китае в первом тысячелетии до нашей эры для добычи соляных растворов впервые осуществлялось бурение скважин глубиной до 900 м диаметром 12-15 см [15]. В XVII веке в России действовало 435 буровых скважин глубиной до 270 м для подъема естественных рассолов.

Подземное растворение — способ добычи полезных ископаемых через скважины путём перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. Одновременно с добычей при подземном растворении осуществляются обогащение, очистка (для поваренной соли) и избирательное извлечение (для калийных солей).

В конце 19 – начале 20 вв. разработаны и освоены способы растворения каменной соли в подземных выработках и через буровые скважины с поверхности. Первый промысел по разработке соляных залежей через скважины построен в 1910 г. на Новокарфагенском месторождении в Донецкой области Украины.

В настоящее время подземному растворению подвергают каменную и калийную соли, а также бишофит и боросолевые руды. Следующие соли являются перспективными для подземного растворения: галит (NaCl), сильвин (К₂S0₄·2MgS0₄), каинит (KCl·MgS0₄·3H₂О), кизерит (МgS0₄·H₂О), бишофит (MgCl₂·6H₂O).

В Канаде (Саскачеван) действует первое предприятие по добыче калийной соли методом подземного растворения.

Сущность способа подземного растворения заключается в следующем. Толщу пород пересекают скважиной, которую обсаживают колонной труб. По водоподающей колонне в скважину поступает пресная вода, которая растворяет соль. Под давлением растворяющей жидкости образовавшийся рассол поднимают на поверхность по рассолоподъёмной колонне труб.

Горнодобывающие предприятия, осуществляющие добычу соли способом подземного растворения, называются рассолопромыслами. В состав рассолопромысла входит комплекс наземных и подземных производственных объектов, обеспечивающих непрерывную добычу и подачу рассола потребителю. Схема расположения наземных сооружений рассолопромысла приведена на рис. 14.

Отработка залежи ведется камерами 1 через добычные скважины 2. Подача воды в камеры и откачка рассола осуществляется насосной станцией 3 с контрольно-распределительным пунктом. Подача электроэнергии потребителям осуществляется линией электропередачи через трансформаторную подстанцию 4. На поверхности рассолопромысла располагаются завод-потребитель 5, административное здание 6, хранилище слабых рассолов 7, резервуар воды и рассола 8, насосная станция нерастворителя 9, резервуары нерастворителя 10.

Основными технологическими сооружениями рассолопромысла являются добычные скважины подземного растворения. Конструкция скважины определяется исходя из особенностей геологического строения залежи, гидрогеологических условий, физико-механических характеристик пород и других условий.

Скважины подземного растворения оборудуются направляющим устройством, кондуктором, промежуточными обсадными, эксплуатационными и технологическими свободновисящими колоннами. Диаметр эксплуатационной колонны составляет до 325 мм, а диаметр технологической водоподающей — до 219 мм, рассолоподъемной — до 146 мм.

На устье скважины монтируется специальный оголовок, обеспечивающий герметизацию устья, герметичное разобщение технологических колонн и возможность их подъема и спуска.

Схемы вскрытия при подземном растворении могут быть вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными скважинами. Рассол обычно поднимают по вертикальной скважине. При использовании наклонных скважин извлечение может превышать 50 % [17].

Системы разработки могут быть, индивидуальными и взаимодействующими скважинами.

При подземном растворении солей возможны следующие способы управления процессом прямоточные, противоточные, гидроврубовые, послойного растворения.

Преимущественно используется способ, основанный на работе скважин по принципу «выдавливания рассола», когда нагнетается пресная вода, а рассол поднимается под этим давлением

Различают схемы неуправляемого и управляемого подземного растворения При неуправляемом подземном растворении применяется противоточный способ, когда нагнетание растворителя осуществляется по затрубному пространству, а выдавливание образующегося рассола – через центральную колонну. При управляемом подземном растворении применяется прямоточный способ, когда изменяется схема подачи агентов.

Уже к 80 -м годам XX века способы прямоточного управления процессом не применяются из-за низких технико-экономических показателей: извлечение запасов — до 5 %, производительность скважины —до 7-10 м³/час, непродолжительный срок эксплуатации скважин — до 5 - 7 лет [16].

К управляемым схемам подземного растворения относятся гидроврубовые и послойного растворения.

Гидровруб – это горная выработка, создаваемая искусственным путем в нижней части соляного пласта и имеющая форму горизонтального кольца. Способ гидровруба применяют на Райгородском рассолопромысле в Башкирии и ряде рассолопромыслов в США, расположенных в штатах Мичиган и Техас.

Сущность способа заключается в следующем. В скважину опускают три трубы. Нерастворитель подают в пространство между третьей и второй от стенки скважины трубами, растворитель — между первой и второй, рассол поднимается по центральной трубе. После образования вруба нерастворитель убирают и начинают процесс интенсивной отработки соляной залежи снизу вверх.

Ряд недостатков, присущих способу гидровруба, был устранён в способе послойного (ступенчатого) растворения. Принципиальная схема послойной выемки камер при подземном растворении солей приведена на рис. 15. Сущность способа заключается в отработке соляной залежи снизу вверх отдельными горизонтальными слоями (ступенями). Высота слоя составляет 5 - 15 м, а диаметр — 100 м.

Сущность способа заключается в том, что после образования гидровруба на первой ступени, водоподающую колонну труб поднимают до отметки верхней границы второй ступени, а рассолоподъёмную — на высоту, обеспечивающую возможность получения чистых рассолов. При этом систематически подают жидкий нерастворитель.

Кровля каждого слоя изолируется слоем нерастворителя и за его уровнем ведётся систематический контроль. Это позволяет извлекать из каждого слоя заранее заданное расчётное количество соли и управлять процессом формообразования камер.

В камере выделяется четыре зоны: активная, формирования рассола, консервации, закладки.

Активная зона (I) охватывает верхние 2/3 камеры, в ней происходит интенсивное движение жидкости. Зона формирования рассола (II), в которой растворитель насыщается солью, находится в верхней половине камеры и является частью активной зоны. Зона консервации (III) охватывает нижнюю 1/3 камеры и включает зону закладки (IV), расположенную в самой нижней части камеры.

Слои (ступени) на рис. 15 пронумерованы арабскими цифрами 1-10. Русские буквы на этом же рисунке означают: В — вода, P — раствор, H — нерастворитель. Способ послойной выемки получил наибольшее распространение и в настоящее время является основным при эксплуатации рассолодобычных скважин. При этом способе извлечение составляет более 20 %, производительность скважины достигает 70-100 м³/ час и появляется возможность отрабатывать залежи соли с содержанием до 30 % нерастворимых включений и управлять процессом формирования камер. Глубина разработки колеблется от 200-300 до 1800 м [16, 17].

Метод послойной выемки применяют в странах СНГ (Усольско - Сибирский, Яр-Бишкадакский, Приереванский рассолопромыслы), в Болгарии (Мировское месторождение), в Румынии (месторождения Окта-Мурем, Окнеле-Марь, Тыриу-Окиа), в США. Недостатком способа является получение растворов слабой концентрации в период размыва вруба.

Отработка камер подземного растворения осуществляется в два этапа: подготовительный и эксплуатационный.

На подготовительном этапе создаётся начальная поверхность растворения соли путём размыва горизонтальной полости небольшой высоты — гидровруба, обеспечивающей получения промышленной производительности камеры по кондиционному рассолу. Продолжительность этого периода составляет 360-540 суток. Размыв полости производят ступенями. Число ступеней и высота каждой из них определяются горно-геологическими условиями месторождения, качественной характеристикой соли и заданным временем размыва.

При зашламовании нижней части рассолозаборной колонны применяют реверсивный режим работы скважины: прямоток меняют на противоток и наоборот.

На эксплуатационном этапе осуществляется добыча полезного ископаемого. Его начинают после образования камеры заданной ёмкости и формы и выхода рассола концентрацией 305 г/л. При этом прекращают подачу воды, выпускают нерастворитель и приподнимают технологические колонны. Башмаки устанавливают на уровне кровли очередного слоя, а положение рассолоподъёмной колонны определяют высотой зоны закладки камеры нерастворимыми включениями. После этого скважину вновь заполняют нерастворителем и процесс возобновляют.

В подготовительный период образуется большое количество слабых растворов концентрацией до 200 г/л. Для их утилизации или захоронения используют глубокие подземные водоносные горизонты, а также применяют для законтурного заводнения при разработке нефтяных залежей с поддержанием пластового давления.

В зависимости от порядка отработки соляных месторождений и способа управления горным давлением различают системы камерного, батарейного и сплошного растворения.

При системе камерного растворения отработка залежи ведётся камерами через индивидуальные или взаимодействующие скважины, между которыми оставляются целики, исключающие возможные деформации поверхности.

При камерной разработке залежи индивидуальными скважинами возможны три варианта размещения камер, приведённые на рис. 16.

При разработке пластов простого строения используется система с размещением камер в пределах всей разрабатываемой толщи полезного ископаемого (рис. 16,а).

При разработке пластов сложного строения или сближенных пластов используется камерно-этажная система с соосным размещением камер в пределах мощности каждой пачки или кондиционного пласта (рис. 16,б).

При разработке мощных соляных залежей, куполов и месторождений сложной формы залегания используются камерно-этажная система с несоосным размещением камер по мощности залежи (рис. 16,в).

При камерной разработке залежи взаимодействующими скважинами отработка ведётся сдвоенными скважинами. При этой системе на подготовительном этапе скважины размываются индивидуально, а на эксплуатационном, после сбойки взаимодействующих скважин размывом или гидроразрывом — совместно. При этом скважины используются поочерёдно: то как водоподающая, то как рассолозаборная. Этот способ с 60-х годов применяется на Яр-Бишкадакском рассолопромысле, однако не нашёл широкого распространения из-за сложности поддержания уровня нерастворителя на заданной глубине.

К батарейной системе относится схема поэтапной отработки камер через взаимодействующие скважины, приведённая на рис. 17. Вначале отработка камер ведётся через индивидуальные скважины, а затем, после сбойки, новые камеры подключаются к объёмам действующих камер. Камера первого этапа 1 с помощью канала-сбойки 2 соединяется с камерой, отрабатываемой у подключенной скважины 3. Вода (В) подаётся в скважину второго этапа, а раствор (P) отбирается из скважины первого этапа. Нерастворитель (H) подаётся в обе скважины одновременно.

Этот способ активно внедряется в промышленность, т к. позволяет отрабатывать запасы, оставляемые в междукамерных целиках через группы взаимодействующих скважин, благодаря чему повышается извлечение полезного ископаемого. Между камер, образуемых группой скважин, всё же оставляются целики для предотвращения сдвижения поверхности.

При системе сплошного растворения участок месторождения вскрывается группой скважин, которые соединяются между собой у подошвы залежи гидроразрывом или гидроврубом для образования единого искусственного рассольного горизонта. Отработка залежи ведётся подачей воды в водоприёмные скважины, расположенные со стороны восстания пласта, и отбора рассола из рассолозаборных скважин, расположенных со стороны падения.

При отработке свиты пластов или пластов сложного строения подача воды осуществляется первоначально в нижний пласт или пачку.

Вовлечение в отработку верхних пластов происходит при естественном обрушении пропластков несолевых пород, разделяющих продуктивные пласты. Если это обрушение не происходит, проводят перфорацию обсадных колонн водоприёмных скважин

Обычно сплошная система применяется при отработке маломощных залежей, так как при этом происходит деформация (просадка) земной поверхности. По этой причине этот способ имеет ограниченное распространение и используется только на Новокарфагенском рассолопромысле.

Для интенсификации процесса растворения используются горнотехнические и физико-химические методы. К горнотехническим методам относятся: принудительное обрушение слоев, рыхление полезного ископаемого в массиве, гидравлический разрыв пласта и т.п. К физико-химическим методам относятся: добавка реагентов, использование новых видов рабочих агентов, воздействие физических полей, использование поверхностно- и химически активных веществ и др.

Контроль за уровнем нерастворителя в камере при подземном растворении осуществляется регулярно одним из известных методов манометрическим, подбашмачным, радиоактивным и др.

Параметры подземных камер определяются расчётным путём и ежегодными гидролокационными съемками.

Камеры подземного растворения отличаются высокой устойчивостью, поэтому их используют для подземного хранения нефтепродуктов и сжиженных газов, а также захоронения токсичных отходов производства.

Способ подземного растворения солей получил широкое распространение в мировой горнодобывающей промышленности. Основная часть добычи каменной соли для содовой, хлорной, пищевой и других отраслей промышленности обеспечивается именно этим способом, благодаря относительной простоте организации добычи и высоким экономическим показателям. Так, производительность труда при подземном растворении в 4 раза выше, а удельные капитальные затраты в 7 раз ниже, чем при шахтном способе добычи.

Подземным растворением добывают около 30 млн. т каменной соли в Болгарии, Румынии, Польше, Австрии, Великобритании.

Особенно эффективны рассолопромыслы как сырьевые базы содовых и химических производств. По рентабельности они предпочтительнее, чем цехи по растворению привозной соли, добытой не только подземным способом, но и открытым способом в солевых озёрах. Важнейшими факторами, которые влияют на технико-экономические показатели рассолодобычи, являются следующие: горнотехнические условия; источник водоснабжения; мощность предприятия; расстояние транспортировки; численность персонала; качество рассолов.

Для условий Яр-Бишкадакского месторождения характерны следующие показатели:

§ мощность пластов — 450 мм;

§ глубина скважин — 1180 мм;

§ мощность промысла— 16000 тыс. м³ /год;

§ число скважин — 48;

§ расстояние транспортирования — 25 км;

§ численность трудящихся — 260;

Метод подземного растворения применяется для разработки месторождений бишофита с целью получения хлормагниевых рассолов, которые применяют для: приготовления буровых растворов, образования плёнки на сыпучих материалах с целью предотвращения их распыления, ускорения твердения бетона, затвердения магнезиального цемента, тушения лесных пожаров с воздуха, пропитки древесины, использования в качестве минеральной подкормки для скота, в медицине для лечения хронических заболеваний опорно-двигательного аппарата.

На Светлоярском участке Волгоградского месторождения бишофита ведутся работы по добыче рассола с глубины 1761 м. Мощность пласта составляла 52 м и включала 96 % бишофита (MgCl₂ 6Н₂0). Рассол получался прямой и обратной промывкой пресной водой через скважину диаметром 114 мм с торпедированием массива. Концентрация получаемого хлормагниевого рассола составляла 430 г/л. Вместе с бишофитом в раствор переходили все примеси в виде макро- и микроэлементов (MgBr, CaSO₄, NaCl, KCl, MgSO₄). В качестве растворителя бишофита могут использоваться насыщенные хлорнатриевые рассолы и стоки от действующих производств.

Подземное растворение может использоваться при разработке борсолевых руд. Основным потребителем бора является атомная промышленность, так как он является хорошим поглотителем протонов. Обычно борсолевые руды находятся в галитовом растворимом водой массиве. Борные минералы легко растворяются кислотами. К борсолевым рудам относятся: лангбейнит — полигалитовая руда (галит — 49,5 %, полигалит — 3,6 %, сильвин — 5,5 %, калиборит — 4,1 %, магнезит — 0,97 %) и карналлит-кизеритовая руда (галит — 47,6 %, ангидрит — 1,7 %, полигалит — 1,9 %, кизерит — 14,1 %, сильвин — 0,45 %, борацит — 3,22 %, преображенскит—1,9 %).

Были проведены экспериментальные работы по извлечению бора из руд, предварительно разрушенных взрывом и залитым раствором, представляющим собой насыщенный раствор хлористого натрия, подкисленный до 5 % серной кислотой. Было установлено, что в течение 15 суток содержание окиси бора B₂O₃ в рудах составляло 0,12-0,2 условных единиц при высокой степени извлечения в раствор. При этом процесс выщелачивания оксида бора происходил без растворения пород, вмещающих рудное тело.

Контрольные вопросы

1. Какие соли являются перспективными для подземного растворения?

2. В каких условиях применяется сплошная система разработки?

3. Какие технологические сооружения рассолопромысла являются основными?

4. Какие горнотехнические и физико-химические методы используются для интенсификации процесса растворения ?