Подземная выплавка полезных ископаемых

Основным объектом промышленного освоения способа подземной выплавки полезных ископаемых являются месторождения самородной серы. Самородную серу содержат известняковые серные руды, где она находится в виде отдельного несвязного вещества. До 70% всего её производства приходилось на месторождения самородной серы, так как её удобнее и легче перерабатывать. Однако в середине 80-х годов XX века, в связи с необходимостью утилизации серы, содержащейся в нефти, природном газе, и получающейся при коксохимическом и металлургическом производствах, доля серы, получаемой при разработке месторождений самородной серы стала снижаться и сейчас составляет не более 3 %.

Мировое производство серы из газа, по данным эксперта, в 2018 г. составило 34 млн т, из нефти чуть меньше – 29.9 млн т, и 1.9 млн т серы добывалось из других источников..

Серу добывают различными способами, но наиболее универсальным является способ подземной выплавки, которым могут разрабатываться до 50 % промышленных запасов серных месторождений, залегающих на глубинах от 120 до 600 м и более. При этом коэффициент извлечения достигает 40 %. Основными производителями самородной серы являются Иран, Мексика, США и Чили. Из 12 млн. т серы, полученной в мире в 1986 г, только 4 млн. т добыты способом подземной выплавки.

Способ подземной выплавки серы (ПВС) (метод Фраша) начал применяться с 1894 г. в штате Луизиана в США, а был предложен в 1890 г. применительно к месторождениям Мексиканского залива. С 1912 г. уже половина мирового производства комовой серы осуществлялось этим способом. Примерно третья часть природной серы добывалась в США, причём более половины из этого количества – по методу Фраша.

Способ подземной выплавки серы используется для разработки серных месторождений в США и Мексике (месторождения Мексиканского залива), Польше (Тарнобжегском месторождении и месторождении «Башня»), Ираке (Мишракское месторождение).

В бывшем СССР добыча серы начала развиваться с 30-х годов, когда были открыты месторождения в Поволжье и Туркмении. В 50-х годах открыты месторождения Предкарпатья на Украине, на базе которых были созданы Роздольское (1958 г.) и Яворовское (1970 г.) производственные объединения по добыче серы. На территории современной России из разрабатываемых находится только Водинское месторождение самородной серы в Среднем Поволжье. В бывшем СССР этот метод начал применяться с 1968 г. при разработке месторождений Предкарпатья, а также Гаурдакского месторождения.

Различают четыре геотехнологических способа получения серы из самородных руд:

§ выплавка горячей водой;

§ возгонка или экстракция;

§ выплавка за счёт сжигания части серы;

§ выплавка токами высокой частоты.

Широко применяется только подземная выплавка серы горячей водой, на которую приходится 83 % всей добычи геотехнологическими способами.

Процесс добычи основан на теплообмене между теплоносителем (горячая вода), подаваемым через скважины с поверхности, и рудным массивом. При этом используется свойство серы плавиться при температуре 112,8 - 119°C.

Способ ПВС основан на бурении скважин с поверхности обычными буровыми станками, их обсадке трубами до серосодержащей залежи и цементации скважины. Принципиальная схема добычной скважины при способе ПВС представлена на рис. 18.

Скважина пробуривается до залежи, после чего спускается обсадная колонна 1. Для обеспечения герметичности скважины осуществляется затрубная цементация 2. После этого скважина пробуривается на всю мощность залежи. В пробуренную скважину опускают три концентрически расположенные колонны труб: водоподающую 5, серную 4, воздушную 3. Диаметры колонн труб равны соответственно 6", 3", 1". В нижней части водоподающей колонны имеется перфорация, которая с помощью разделительного пакера 6 делится на верхнюю — водяную 7 и нижнюю — серную 8. Горячая вода поступает через верхнюю перфорацию в сероносную залежь, разогревает её и расплавляет серу. Расплавленная сера, как более тяжёлая, чем вода, стекает к скважине и скапливается в нижней части скважины, проникая через нижнюю перфорацию в серную колонну. Высота подъема расплавленной серы по скважине определяется гидростатическим давлением у почвы залежи. Воздушная колонна опущена ниже верхнего уровня серы в серной колонне. Подачей по однодюймовой трубе сжатого воздуха расплавленная сера эмульгируется и выдается на поверхность в промежутке между трёх- и однодюймовой трубами. Так как степень прогрева отдельных колонн различная, для компенсации температурных колебаний в устье скважины между отдельными трубопроводами установлены сальниковые компенсаторы 9.

Расплавленная сера, выходящая из скважины, направляется через отстойные резервуары (сепараторы) в фильтры для очистки и далее на склад готовой продукции. Для предотвращения остывания серы все трубопроводы и бассейны постоянно обогреваются.

В результате непрерывной закачки горячей воды в массив, возрастает пластовое давление. Для его регулирования и управления технологическим процессом добычи серы сооружают водоотливные скважины. Очень важным является экономия теплоносителя, так как затраты на его приготовление составляют более половины общих расходов.

В процессе длительной эксплуатации добычных скважин возникают различного рода неполадки, приводящие к прекращению выдачи серы. Для их предотвращения рекомендуется периодически поворачивать колонны труб и промывать затрубное пространство и перфорацию раствором каустической соды.

Параметры технологии определяются условиями залегания рудной залежи и свойствами руды и вмещающих пород, мощность залежи, трещиноватость и пористость рудного массива, содержание серы, гидродинамический режим рудного тела, подвергаемого разработке и т.д.

Разработка начинается после обуривания месторождения или его участка добычными скважинами. Расположение скважин и порядок их включения являются основными вопросами проектирования и эксплуатации месторождения. Они определяют такие важнейшие технологические и экономические параметры как: извлечение серы, производительность скважины, время работы скважины, степень взаимного влияния скважин (интерференция), удельный расход теплоносителя, объём капитальных затрат, себестоимость и т.п.

Схема расположения скважин на месторождении зависит от геолого-гидрогеологических условий залежи и может быть линейной (скважины добычные, промежуточные, водоотливные) или блочной (добычные скважины располагаются в шахматном порядке в виде ячеек). Блок-ячейки выделяются на основе анализа геолого-гидрогеологических условий рудной залежи по разреженной сетке.

Экономическая эффективность способа определяется следующими параметрами:

§ капитальные затраты на технологический комплекс поверхности (котельная, компрессорная, здания и сооружения);

§ капитальные затраты на сооружение скважины,

§ запасы, отрабатываемые на одну скважину;

§ эксплуатационные расходы на добычу;

§ время работы скважины;

§ срок службы предприятия.

Основные технико-экономические показатели способа подземной выплавки серы, полученные на предприятиях бывшего СССР следующие:

§ удельный расход теплоносителя — 17-30 м³/т;

§ удельный расход сжатого воздуха — 30 м³/т;

§ извлечение серы из недр — 40 %.

Область применения способа подземной выплавки постоянно расширяется. Ведутся масштабные работы по освоению этим способом месторождений ртути, битумов, высоковязкой нефти и других полезных ископаемых. Совершенствование подземной выплавки осуществляется за счёт изменения температуры теплоносителя, добавления в его состав поверхностно активных веществ и др. [19].

Контрольные вопросы

1. Какие геотехнологические способы получения серы из самородных руд применяются?

2. На чем основан процесс добычи?

3. Как производится компенсация температурных колебаний в устье скважины между отдельными трубопроводами?