Подземное выщелачивание полезных ископаемых

Наиболее широко подземное выщелачивание применяется при добыче урана. В первую очередь это относится к месторождениям гидрогенного генезиса, представленных бедными или убогими рудами, а также месторождениям, залегающим в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Метод подземного выщелачивания (ПВ) начал разрабатываться с 1962 г. Подземное выщелачивание – геотехнологический способ добычи урана путем избирательного его растворения химическими реагентами из руд на месте их залегания и последующего извлечения из урансодержащих растворов.

На некоторых месторождениях построены предприятия и ведётся добыча урана способом подземного выщелачивания, где стало основным методом добычи урана.

Основными преимуществами способа ПВ перед традиционными открытой и подземной разработкой являются:

1) вовлечение в разработку бедных, убогих и забалансовых руд, а также месторождений, характеризующихся сложными условиями залегания и имеющих крупные запасы урана по вполне приемлемой стоимости единицы конечной продукции, что значительно расширяет сырьевую базу;

2) снижение в 2-4 раза капитальных вложений на строительство предприятий и, следовательно, сокращение сроков строительства,

3) повышение в 2-4 раза производительности труда по конечной продукции и соответствующее сокращение численности работающих;

4) значительное улучшение условий труда на предприятиях, добывающих уран,

5) уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду, особенно на поверхность земли и воздушный бассейн.

Обзор способов подземного выщелачивания при добыче полезных ископаемых можно найти в специальной литературе.

Разработка месторождения способом подземного выщелачивания возможна при следующих основных условиях:

§ подлежащий извлечению металл присутствует в рудах в форме минералов, легко разрушающихся слабыми водными растворами выщелачивающего реагента;

§ входящие в состав руд породообразующие материалы имеют низкую кислотоемкость в условиях взаимодействия с технологическими растворами,

§ руды либо обладают естественной проницаемостью, либо становятся растворопроницаемыми после искусственного раздробления;

§ условия залегания руд и горнотехническая обстановка в районе месторождения могут быть рационально использованы для осуществления всех процессов геотехнологии.

Хорошая растворимость в подземных водах минералов, содержащих уран, отмечена ещё В.И. Вернадским. Среди урановых минералов в месторождениях, отрабатываемых способом ПВ, следует отметить: окислы урана — настуран и уранинит; силикаты урана — коффинит и ненадкевит. Главнейшим из них является настуран.

При ПВ необходимо соблюдать баланс откачиваемых и закачиваемых растворов, т.е. суммарные расходы откачных и закачных скважин должны быть одинаковы.

Система разработки месторождения (или его части) способом ПВ – совокупность вскрывающих, подготовительных выработок и определенный порядок их проведения и эксплуатации, увязанный во времени и пространстве с управляемым химико-технологическим процессом перевода металла из руды в раствор.

Системы ПВ различаются между собой по большому числу признаков, но важнейшими из них являются: принципиальные схемы вскрытия месторождений, способы подготовки рудных залежей к выщелачиванию (с естественной или искусственной проницаемостью), а также схемы движения растворов

Схемы вскрытия ПВ можно подразделить на скважинные с поверхности, шахтные и комбинированные. Шахтные схемы вскрытия предусматривают проведение подземных горных выработок с поверхности (вертикальные и наклонные стволы, штольни). При комбинированных схемах вскрытия используются как подземные горные выработки, так и скважины, пробуренные с поверхности. Очевидно, что последние два вида схем вскрытия не вполне соответствуют определению геотехнологических способов и в дальнейшем не рассматриваются.

Процесс подготовки месторождений к отработке способом ПВ через скважины, пробуренные с поверхности, включает кроме бурения и обвязки скважин поверхностными коммуникациями, оснащение узлов рабочим (технологическим и контрольно-измерительным) оборудованием и приборами. Подготовка рудных залежей к выщелачиванию включает также первую стадию закисления эксплуатационного блока, создание временных гидрозавес для ограничения движения или направления растворов и в ряде случаев расчленение рудовмещающих пород гидроразрывом.

По условиям движения растворов выделяются фильтрационная, инфильтрационная и пульсационно-статическая схемы. Фильтрационная схема основана на использовании постоянного или периодически действующего потока растворов реагента, заполняющего все трещины и поры рудоносного массива за счёт разности напоров у закачных и откачных скважин (устройств). Инфильтрационная схема основана на использовании инфильтрационного потока раствора реагента, движение которого по рудному телу (отбитой или замагазинированной руде) происходит под действием сил гравитации от оросительных устройств к дренажным. Пульсационно-статическая схема заключается в периодическом затоплении (заполнении) выщелачивающим реагентом участков рудных тел в естественном залегании, отработанных пространств рудников или специально подготовленных камер с замагазинированной рудой с последующим отбором продуктивных растворов (иногда этот способ называют иммерсионным).

Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью делятся на три группы: с площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом; с линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом; с противофильтрационными завесами, с различными расположением и режимами выщелачивания.

Схема расположения скважин зависит от морфологических особенностей рудной залежи и гидрогеологических условий продуктивного горизонта. Наиболее распространённые варианты расположения рабочих скважин приведены на рис. 22.

Рис. 22. Наиболее распространенные варианты расположения рабочих скважин:

а — две разнозначные скважины; б — одна откачная и две закачные скважины;

в — две откачные и две закачные скважины; г — три закачные и одна откачная скважины; д — шесть закачных и одна откачная скважины;

е — два ряда закачных и один ряд откачных скважин

Основными структурными единицами скважинной системы разработки способом ПВ являются: элементарный ряд (ячейка), эксплуатационный блок, эксплуатационный участок, эксплуатационное поле.

Элементарной ячейкой принято называть часть продуктивной толщи, запасы которой отрабатываются одной откачной скважиной. Ячейка пространственно ограничивается контурами, которые в максимальной степени должны быть приближены к различным гидродинамическим границам (водоупорам, контурам закачных скважин, нейтральным и краевым линиям тока), с тем, чтобы ячейка функционировала по возможности в гидродинамически замкнутом режиме.

Эксплуатационный блок — часть продуктивной толщи, включающая группу смежных элементарных ячеек, характеризующихся по возможности однородными распределением запасов, геохимическим строением и вещественным составом руд и рудовмещающих пород, одновременно вводимых в эксплуатацию и отрабатываемых в едином геотехнологическом режиме.

Эксплуатационный участок — группа смежных эксплуатационных блоков, имеющая самостоятельную систему коммуникаций и установки контроля и управления геотехнологическим режимом процесса ПВ.

Эксплуатационное поле — объединённые в единое целое несколько эксплуатационных участков, привязанных обычно к единой технологической установке (перерабатывающему комплексу).

Отработка запасов в эксплуатационном блоке ПВ осуществляется в три этапа:

1) вскрытие запасов, т.е. бурение и освоение скважин, обвязка их технологическими коммуникациями и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой;

2) ведение технологического процесса в недрах, т.е. транспортирование к рудным залежам рабочих растворов, технологическая подготовка руд к выщелачиванию, формирование продуктивных растворов, транспортировка их к откачным скважинам и подъём на поверхность;

3) ликвидация отработанных блоков, т.е. восстановление первоначального состояния рудовмещающего водоносного горизонта в пределах блока и поверхности земли.

Сам технологический этап отработки запасов урана способом ПВ также делится на три стадии:

1) закисление рудной залежи, т.е. подготовка рудовмещающего водоносного горизонта к формированию и движению в нём потока продуктивных растворов;

2) активное выщелачивание урана, т е. формирование и извлечение из блока кондиционных продуктивных растворов;

3) довыщелачивание («отмывка») урана, т.е. по существу вытеснение остаточных (после прекращения активной стадии выщелачивания) урансодержащих кондиционных растворов пластовыми водами или бедными (маточными) растворами.

Являясь главным звеном технологической и информационной цепи, буровая скважина выполняет следующие функции: геологическая разведка, вскрытие и подготовка запасов, отработка запасов, управление движением технологических растворов в продуктивной толще путём создания в эксплуатационном блоке гидродинамической обстановки, в максимальной степени способствующей течению процессов ПВ, контроль количества и качества откачиваемых и закачиваемых растворов, создание противофильтрационных завес, контроль гидродинамических и физико-химических параметров процесса, контроль полноты извлечения урана из руд, охрана окружающей среды от возможного физико-химического загрязнения.

Скважины разделяются по назначению на технологические, барражные, наблюдательные, контрольные и разведочные.

Технологические скважины предназначены для подачи в недра рабочих растворов — закачные (нагнетательные) и подъёма технологических растворов на поверхность — откачные (разгрузочные). Через эти скважины осуществляют также регулирование гидродинамического режима в продуктивной толще.

Барражные скважины предназначаются, для создания вертикальных и горизонтальных противофильтрационных завес, ограничивающих растекание выщелачивающих растворов за пределы эксплуатационного блока, а также для уменьшения охвата этими растворами пород, вмещающих рудную залежь.

Наблюдательные скважины предназначаются для наблюдения и контроля за условиями формирования растворов в пределах эксплуатационного блока, гидродинамическим состоянием продуктивного водоносного горизонта, растеканием технологических растворов за пределы эксплуатационных участков и их возможным перетеканием в над- и подрудный водоносные горизонты.

Контрольные скважины бурятся на отработанных участках для контроля полноты извлечения полезного компонента из недр, а также для решения других задач (контроль изменений в недрах, состояния загрязнения и т.п.).

Технологические, барражные и наблюдательные скважины относятся к категории эксплуатационных, а все остальные — вспомогательных,

В зависимости от схемы движения растворов и схемы расположения технологических скважин различают три группы расположения скважин: с площадным (ячеистым), линейным и комбинированным.

Площадные (ячеистые) системы расположения скважин обычно используются при разработке горизонтальных или слабо наклонных залежей осадочного происхождения. Площадная система размещения скважин с гексагональными и треугольными ячейками приведена на рис. 23. Межскважинное расстояние обычно небольшое — 8-20 м. Площадные системы используются довольно редко.

Рис. 23. Площадные (ячеистые) системы расположения скважин: а) с гексагональными ячейками; б) с треугольными ячейками; 1. Скважины откачные; 2. Скважины закачные;

3. Контур рудной залежи.

Линейные системы расположения скважин состоят из последовательно чередующихся рядов откачных и закачных скважин. Наиболее часто встречающиеся варианты линейной системы расположения скважин приведены на рис. 24. Расстояния между рядами скважин и скважинами в ряду колеблются в широких пределах от 15 до 50 м и более. Добычная ячейка обычно состоит из двух закачных и одной откачной скважины, принадлежащих к трём последовательно расположенным рядам. Линейные системы весьма широко применяются на практике при разработке месторождений любого типа/

Наиболее благоприятной считается линейная система с шахматным расположением скважин при соотношении расстояний между скважинами в ряду и между рядами 1:2.

Комбинированные системы включают элементы площадной и линейной систем, к ним относятся также системы с использованием противофильтрационных горизонтальных и вертикальных завес для ограничения растекания выщелачивающего реагента в горизонтальном и вертикальном направлениях. Для уменьшения утечки рабочего раствора на некотором расстоянии от рудного тела вверх и вниз по току подземных вод разбуривается по два ряда скважин.

Внешние ряды скважин (№1 - №5) служат для создания механического барьера.

Для этого в эти ряды скважин нагнетается твердеющий материал (цемент, синтетические смолы и др.). Нагнетанием в скважины внутренних рядов (№2 - №4) веществ, которые затвердевают после взаимодействия друг с другом и пластовой водой, создаётся химический барьер. Аналогичные барьеры могут создаваться над и под рудной залежью.

Имеется опыт по гидроразрыву пластов с последующим формированием на месте разрыва искусственных непроницаемых пропластков из глиноцементной смеси или твердеющих синтетических смол.

Схема разработки месторождения с завесами приведена на рис. 25.

Работы по созданию гидрозавес и гидроразрыву весьма трудоёмки и дорогостоящи, поэтому целесообразность их проведения должна подтверждаться в каждом конкретном случае технико-экономическими расчётами.

Принципиальная технологическая схема переработки продуктивных растворов подземного выщелачивания приведена на рис. 26. На ряде предприятий попутно с ураном извлекается и молибден, изучается возможность получения и других элементов, в первую очередь, селена.

Рис. 25. Схема разработки месторождения с завесами

Рис. 26. Принципиальная технологическая схема сорбционной переработки продуктивных растворов подземного выщелачивания

Контрольные вопросы

1. Основными преимуществами способа ПВ.

2. Как должны соотноситься суммарные расходы откачных и закачных скважин при ПВ урана?

3. Области применения линейных и площадных систем расположения скважин

4. Как скважины разделяются по назначению?