Специальные методы добычи полезных ископаемых
Основы горного дела

Специальные методы разработки месторождений

Разработка россыпей

Россыпи представляют собой отложения обломочных пород, содержащих какой-либо полезный минерал, которые образовались в результате разрушения коренных рудных месторождений. Продукты разрушения оставались на месте (элювиальные и делювиальные россыпи) или переносились водными потоками на значительные расстояния (аллювиальные россыпи). Основное промышленное значение имеют аллювиальные россыпи, которые обычно располагаются в долинах рек и перекрыты наносами, называемыми торфами (от 1,5 до 20–30 м и более). Породы, подстилающие россыпь, называют плотиком, а металлосодержащий слой — песками. Мощность песков колеблется от 0,5 до 3 м, составляя иногда 10–15 м. Длина россыпей достигает нескольких километров при ширине, измеряемой сотнями метров. Россыпи обычно содержат следующие полезные ископаемые: золото, платину, алмазы, касситерит, шеелит и некоторые другие минералы.

Разработке россыпей предшествует разведка, которая осуществляется проведением шурфов и бурением. Шурфы и скважины располагаются линиями через определенное расстояние в зависимости от характера россыпи и категории разведываемых запасов. Для выбора способа разработки и составления проекта необходимы следующие данные:

  • общие экономические и географические сведения о месторождении и прилегающем районе, путях сообщения, водоснабжении и электроснабжении;
  • краткая геологическая характеристика россыпей;
  • разрезы по шурфам и скважинам с данными о мощности пересекаемых пород, содержании полезных компонентов, крепости и вязкости пород, включении твердых пород, коэффициенте разрыхления и удельном весе пород; ситовый анализ отдельных пород;
  • характеристика плотика (рельеф поверхности, крепость, степень и глубина разрушенности).

Общий порядок работ по вскрыше аналогичен порядку работ в карьерах. Часто работы по вскрыше торфов проводят в зимний период, когда добыча мерзлых песков не производится вследствие значительных затруднений, возникающих при промывке. Пески обычно разрабатывают одним уступом из-за их незначительной мощности. Наибольшее развитие работы по добыче песков имеют в теплое время года, когда производительно работают золотопромывочные устройства. Россыпи при открытой добыче разрабатывают экскаваторами, драгами, гидравлическими установками, скреперами-бульдозерами. Экскаваторный способ открытой разработки был рассмотрен выше. Кратко рассмотрим последние три способа разработки россыпей.

Драга представляет собой плавучий землечерпательный снаряд, предназначенный для добычи песков из россыпей с промышленным содержанием полезного компонента и промывки этих песков для отделения металлов или минералов (рис. 8.2). Главнейшие части драги — понтон, драгирующий (черпающий) аппарат, сооружения для поддержания оборудования, обогатительные (промывочные) устройства и двигатели. В зависимости от устройства добывающего аппарата драги подразделяются на непрерывно действующие (многоковшовые) и периодически действующие (одноковшовые). Одноковшовые драги не получили распространения. По роду энергии наиболее часто применяются драги электрические и дизельные. По конструкции драгирующего аппарата, представляющего в основном черпаковую цепь с черпаками, многоковшовые драги разделяются на два типа. В драге первого типа черпаки соединяются непосредственно, образуя сплошную цепь, тогда как в драге второго типа между отдельными черпаками вставляются холостые звенья цепи. Драги первого типа применяются при различных условиях работы и поэтому используются чаще.

Общий вид электрической драги модели 250Д
Рис. 8.2. Общий вид электрической драги модели 250Д (250л): 1 — понтон; 2, 3 — соответственно передняя и задняя мачты; 4 — надстройка; 5 — драгерское помещение; 6 — черпаковая рама; 7 — подвес черпаковой рамы; 8 — черпаковая цепь; 9 — нижний черпаковый барабан; 10, 11 — соответственно ведущие ролики носовых (12) и кормовых (13) маневровых канатов; 14 — свая; 15 — отвалообразователь (стакер); 16 — хвостовые колоды; 17 — береговой мостик (трап); 18 — силовой (береговой) кабель; 19 — консоль для подвески силового кабеля; 20 — мостовой кран; 21 — вспомогательный кран на передней мачте

Драги при работе перемещают с использованием свай или канатов. Свайные драги во время работы удерживаются тяжелыми и прочными сваями, расположенными в кормовой части. Сваи представляют собой железные клепаные балки, которые поднимаются полиспастами, укрепленными на задней мачте. Нижняя часть сваи снабжается литым из стали башмаком, которым она врезается в дно водоема. При работе в забое драга опирается на одну из свай, вращаясь вокруг нее при помощи боковых канатов. Вторая свая в это время поднята. После полной отработки заходки и зачистки плотика производится подшагивание драги.

Сущность гидравлической разработки заключается в отделении горной породы (песков, торфов) от общего массива сильной струей воды с последующим перемещением разрушенной породы потоком воды до места переработки или складирования.

При гидравлическом способе разработки россыпей промывка песков на промывных приборах и удаление хвостов после промывки осуществляются также силой водного потока. Вода при гидравлическом способе разработки подводится по трубам к гидромонитору. Скорость истечения воды из насадки забоя достигает 20–50 м/с. В случае отсутствия необходимого для отвода песков уклона долины применяются гидравлические элеваторы или землесосы, которыми пески предварительно поднимаются на необходимую высоту.

Основными условиями применения гидравлической разработки россыпей являются:

  • наличие большого количества воды. (Расход воды колеблется в пределах 8–60 м3 на 1 м3 разрабатываемых песков.);
  • возможность создания естественного или искусственного напора воды в 2–18 атм.;
  • возможность беспрепятственного отвода продуктов промывки — хвостов.

Гидравлический способ размыва песков был впервые применен в России при разработке золотых россыпей на Урале в 1830 г.

В настоящее время эта технология, наряду с дражной, является одной из основных при разработке россыпей. Кроме разработки россыпей гидравлическая разработка широко применяется при съемке наносов пород в карьерах, при строительстве плотин, выемке котлованов и при других строительных работах.

При использовании скреперно-бульдозерной технологии торфа и пески при этой геотехнологии вынимают бульдозерами и колесными скреперами. Бульдозеры чаще применяются с тракторами С-100 и Т-140. Скреперы обычно применяются с емкостью ковша 6–10 м3 с тракторами тех же марок.

Скреперно-бульдозерные работы в основном применяются при разработке вечномерзлых россыпей глубиной до 12–14 м. В Магадане и Якутии этим способом добывается до 50 % всего металла.

Широкое применение скреперно-бульдозерных работ при добыче мерзлых песков объясняется тем, что в этом случае выемка песков производится слоями по мере оттайки их без затрат на рыхление. Бульдозеры применяют при перемещении пород на расстояние не более 100–170 м при общей глубине выемки до 2–2,5 м. Удельное давление машины на почву составляет около 0,5 кг/см2. Скреперы применяют при перемещении пород на расстояние 150–600 м при общей глубине выемки до 6–8 м. Удельное давление машины на почву составляет до 2 кг/см2 (рис. 8.3, 8.4).

Участок открытой разработки россыпи
Рис. 8.3. Участок открытой разработки россыпи: I — полигон добычных работ; II — полигон вскрышных работ; 1 — бульдозер; 2 — бункер; 3 — промывочная установка; 4 и 5 — отвалы хвостов промывки; 6 — разрезная канава; 7 — экскаватор

Для увеличения производительности машин, создания для них лучших условий работы и уменьшения потерь при выемке россыпь необходимо предварительно осушить путем отведения воды из разреза. Осушение производится (как и при гидравлическом способе разработки) с помощью руслоотводных, нагорных и капитальных канав.

Технологическая схема бульдозерно-скреперной разработки россыпи с промывкой песков на переставных промывочных установках с конвейерным (а) и гидравлическим (б) подъемом песков
Рис. 8.4. Технологическая схема бульдозерно-скреперной разработки россыпи с промывкой песков на переставных промывочных установках с конвейерным (а) и гидравлическим (б) подъемом песков: 1 — хвосты от гидровашгерда; 2 — хвосты от шлюза; 3 — шлюз; 4 — насосный агрегат; 5 — водозаводная канава; 6 — нагорная канава; 7 — водовод; 8 — пульпопровод; 9 — гидромонитор; 10 — бункер; 11 — разрезная канава; 12 — плотик; 13 — пески; 14 — торфа; 15 — отвал торфов; 16 — бульдозер

При большой глубине залегания россыпи могут отрабатываться и подземным способом. На практике так отрабатывают чаще всего россыпи в зоне вечной мерзлоты.

Системы разработки россыпей не отличаются многообразием и в соответствии с классификацией относятся к шестому классу систем с обрушением вмещающих пород.

Не останавливаясь на столбовых системах разработки россыпей с выемкой столбов заходками и забоем-лавой, рассмотрим сплошные системы (рис. 8.5), применяющиеся при разработке россыпей в районах вечной мерзлоты при отсутствии или небольшом притоке воды через обрушенное пространство. Глубина залегания песков не должна быть менее 8–10 м, т. к. при меньшей мощности покрывающих пород может наблюдаться преждевременное обрушение кровли вблизи забоя.

Схема отработки мерзлой россыпи комплексномеханизированными лавами при сплошной системе разработки
Рис. 8.5. Схема отработки мерзлой россыпи комплексномеханизированными лавами при сплошной системе разработки 1 — электробульдозер на доставке взорванных песков:; 2 — транспортный штрек; 3 — буровая каретка на обуривании плоскости забоя лавы; 4 — экран для предотвращения разлета песков; 5 — крепежные стойки; 6 — ленточный конвейер; 7 — перегрузочный полок

Подготовка шахтного поля к очистной выемке состоит в проведении от ствола шахты откаточного штрека и поперечного штрека. Вдоль границ россыпи проводят бортовые вентиляционные штреки, одновременно служащие запасными выходами из забоя. На границах шахтного поля проходят вентиляционные шурфы. Очистную выемку начинают от разрезных штреков, ограничивающих шахтное поле по падению и восстанию долины.

Пески отбивают мелкошпуровым способом. Шпуры глубиной 1,2–1,5 м бурят перфораторами или электросверлами. В зависимости от высоты забоя применяют двухрядное или трехрядное расположение шпуров (симметричное или в шахматном порядке). Отбитые пески доставляют до откаточного штрека скреперами, а по откаточному штреку до ствола шахты — в вагонетках. Конструкция системы позволяет применять конвейерный транспорт: пески грузят на забойный конвейер, с которого они поступают на главный конвейер 6 в откаточном штреке.

Для поддержания выработанного пространства вдоль забоя устанавливают ряд стоек с расстоянием между ними 1,5–2 м и два-три ряда костровой крепи. По мере подвигания забоя через каждые 8–10 м крепь переносят ближе к забою, а выработанное пространство за кострами обрушают. В редких случаях отбойку песков ведут ручным инструментом, предварительно оттаивая пески паром. Добытые пески складируют до начала лета в отвалы. С наступлением тепла и появлением воды пески из отвалов по мере их оттаивания подают на промывочные приборы.

Создание высокопроизводительных драг, экскаваторов и бульдозеров непрерывно расширяет область применения открытого способа разработки россыпей, поэтому подземная разработка остается целесообразной только для глубоко залегающих россыпей.

Добыча металлов методом выщелачивания

Добыча полезных ископаемых методом «растворения» известна давно и применяется в широких промышленных масштабах при разработке месторождений каменной соли, серы, каолина и др.

Для всех этих ископаемых растворителем является вода, однако физикохимическая сущность процесса «растворения» для них неодинакова. Так, каменная соль действительно переходит в водный раствор, каолин же по существу не растворяется водой, а образует в ней взвешенную пульпу; сера в перегретой воде (до температуры 135°) образует тяжелую жидкость с удельным весом 2,0.

Во всех этих случаях, т. е. при растворении в воде, переходе во взвешенное состояние или из твердого состояния в жидкое, завершающим процессом извлечения ископаемого служит обратный процесс — выпаривание (соль), осаждение (каолин), охлаждение (сера).

Извлечение металлов из руд методом выщелачивания также не ново. Начало его относится еще к XVI столетию, когда было установлено, что медь, содержащаяся в кислых рудничных водах, может быть легко осаждена из раствора железом. В настоящее время в эксплуатации находятся крупные установки по извлечению меди из рудничных вод. Так как содержание меди в рудничных водах (в виде CuSO4) достигает довольно значительной концентрации — до 3–5 г/л, а в среднем составляет не меньше 1–2 г/л, то при большой водообильности рудника количество содержащейся в воде меди, безвозвратно и бесполезно теряемой многими рудниками, достигает многих тысяч тонн в год.

Между тем процесс извлечения (цементации) сернокислой меди из водных растворов чрезвычайно прост и дешев.

Медь осаждается из раствора железом по реакции

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

в виде так называемой «цементной» меди.

Процесс осаждения производится в особых желобах, по которым рудничная вода, содержащая соли меди, протекает, непрерывно соприкасаясь с железом, или в чанах, наполнение и слив которых происходит периодически.

Наилучшим осадителем меди — «скрапом» считаются губчатое железо, обрезь трансформаторного железа и стружка. Реакция вытеснения меди из раствора железом происходит сравнительно медленно, поэтому чем длиннее путь, который проходит раствор в желобах, соприкасаясь с железом, или чем продолжительнее время реакции в чанах, тем полнее извлечение меди.

Выгрузка цементной меди из желобов или чанов производится систематически, через определенные промежутки времени. В зависимости от качества скрапа, состава рудничных вод и постановки процесса цементации в целом цементационная медь содержит в среднем от 50 до 70 % чистой меди и 30–50 % железа, ила и других примесей. Извлечение меди из раствора составляет при правильной постановке работ не менее 90 % и достигает при хороших условиях 99 %. После высушивания цементационная медь переплавляется на заводе. Особенно вредны, снижают извлечение и ухудшают качество цементной меди илистость воды и наличие в ней сульфата окиси железа Fe2 (SO4)3 (рис. 8.6).

Технологическая схема опытно-промышленной установки по выщелачиванию меди
Рис. 8.6. Технологическая схема опытно-промышленной установки по выщелачиванию меди: 1 — регенератор растворов; 2 — насосная оборотных растворов; 3 — трубопровод выщелачивающего раствора; 4 — вентили; 5 — подающие трубопроводы; 6 — оросительные шланги; 7 — скважины-оросители; 8 — блок с замагазинированной рудой; 9 — выработка для сбора продуктивных растворов; 10 — насосная продуктивных растворов; 11 — сгуститель; 12 — цементационные желоба; 13 — сушка цементной меди; 14 — транспортные пути; 15 — компрессорная станция; 16 — железный скрап

Расход скрапа составляет в среднем 1,2 кг железа на 1 кг извлеченной меди.

Простота и экономичность добычи меди из рудничных вод послужили толчком к применению выщелачивания в качестве специального способа разработки месторождений медных руд.

Для разработки рудных месторождений методом выщелачивания необходимы следующие условия:

  • растворимость рудного минерала или соли металла в воде или слабом растворе серной кислоты;
  • проницаемость рудной массы для растворителя — наличие трещин, раздробленность рудной массы и возможность равномерного ее омывания растворителем;
  • отсутствие (или возможность устранения) каналов, позволяющих растворителю протекать по произвольному руслу, не омывая всей рудной массы;
  • желательно, чтобы раствор от места растворения до места осаждения металла протекал самотеком и самотеком же удалялись отработанные воды, из которых металл извлечен.

Из металлов только медь удовлетворяет первому условию и может извлекаться из руды выщелачиванием в промышленном масштабе. Руды других металлов (как, например, свинца, цинка, никеля и др.) обладают недостаточной растворимостью в слабом растворе серной кислоты, и вопрос о возможности их разработки методом выщелачивания находится пока в стадии изучения.

В качестве объектов для разработки выщелачиванием могут быть использованы:

  • самостоятельно медные месторождения, не пригодные для обычных методов разработки вследствие слишком бедного содержания металла или неблагоприятных естественных условий;
  • аварийные участки с невыпущенной, но раздробленной рудой;
  • участки, заброшенные вследствие происходящего в них горения руды;
  • участки с оставленными рудными целиками, которые нельзя отработать обычными методами;
  • старые выработанные рудники с неполно извлеченной рудой;
  • отвалы медьсодержащих пород на поверхности.

Опишем один из примеров успешного применения метода выщелачивания при разработке медного месторождения.

Месторождение представляет пластообразную залежь с мощностью до 100 м и углом падения 50°. Рудные минералы — пирит и халькозин; содержание меди в руде от 0,8 до 1 %.

До глубины 335 м от поверхности месторождение вскрыто штольней и разрабатывалось системой этажного обрушения; содержание металла в руде оказалось недостаточным, и рудник был закрыт. За время работ очень много руды было обрушено, но она осталась невыпущенной. Общий запас оставшейся руды оценивался примерно до 40 млн т при среднем содержании меди 0,88 %.

На поверхность обрушенного участка подавалось около 6 м3 воды в минуту, откуда она, омывая рудный массив и старые выработки и обогащаясь медью в виде CuSO4, спускалась на штольню. В штольне было установлено два желоба сечением 800 × 800 мм, длиной около 0,5 км с уклоном в сторону устья 0,5 %. Желоба имели двойное дно; верхнее «ложное» дно располагалось на 425 мм над основным и состояло из секций деревянных решеток с квадратными отверстиями размером 6 мм. Скрап укладывался на «ложное» дно.

Осажденная цементная медь собиралась на нижнем дне и выгружалась 1–5 раз в месяц.

Содержание меди в воде 0,2 %; извлечение достигло 97 %. Содержание металлической меди в «цементной меди» до 80–90 %. Расход железного скрапа составил 1 кг на килограмм извлеченной меди. Годовая добыча составила до 3000 т металлической меди. Полная стоимость 1 кг меди в несколько раз ниже, чем при обычных методах разработки и плавки.

Высокий экономический эффект выщелачивания на данном руднике объясняется особо благоприятными условиями, хорошей раздробленностью руды, растворимостью меди и, что не менее важно, наличием естественного стока воды и отсутствием расходов по ее откачке на поверхность.

На другом руднике применение метода выщелачивания было вызвано обеднением части рудного тела в верхних горизонтах и оставленным там большим количеством руды с содержанием меди 0,6–1 %.

Для подготовки к выщелачиванию были проведены значительные подземные работы — сеть горных выработок и водоудерживающих сооружений.

Вода на обрушенную руду подавалась равномерно по трубам, проложенным в штреках, и стекала на основной горизонт, откуда перекачивалась двумя насосами производительностью 75 м3/ч на поверхность.

Наблюдением было установлено, что через некоторое время в руде начинали образовываться каналы, по которым вся вода спускалась вниз, не омывая или слабо омывая массив. Система оросительных труб была тогда перенесена на новое место, и орошение оставленного участка возобновлено только спустя два месяца. Содержание меди в растворе резко повысилось, а затем, в результате образования обособленных каналов, снова упало.

На основании этого был разработан определенный режим орошения: орошение участка продолжалось всегда до тех пор, пока содержание меди в воде не падало ниже 0,4 %; после этого оросительную систему переносили на новый участок. В перерывах между орошениями каналы закрывались сами собой.

Осаждение меди из воды производилось в специальной установке, состоящей из двух секций нескольких коротких желобов.

Были достигнуты следующие показатели: содержание меди в воде 0,923 %, извлечение меди при цементации 99,14 %, расход скрапа на 1 кг меди 1,15 кг, содержание меди в осадке 87,26 %.

Наиболее широкое применение технология выщелачивания находит при разработке месторождений урана. В последние десятилетия этот метод начал широко использоваться при освоении россыпных месторождений золота.

Способ подземного выщелачивания позволяет исключить целый ряд дорогостоящих и трудоемких процессов: вскрытие и подготовку при скважинных системах, очистную выемку и транспортировку руды на значительные расстояния, обогащение ее на фабриках, хранение отходов производства в специальных шламохранилищах и т. п. Кроме того, он частично или полностью избавляет человека от тяжелого труда под землей и представляет собой технологический процесс с высокой культурой производства.

При подземном выщелачивании (ПВ) металлов из пористых рудоносных пород (водопроницаемых, но не растворимых) необходимо обеспечить движение реагента непосредственно по трещинам, порам и капиллярам рудоносных пород. В этом случае извлечение металла, содержание которого составляет доли процента общего количества породы, происходит не путем его простого растворения (как при геотехнологической разработке соляных месторождений), а в результате химических реакций ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив с естественной проницаемостью или предварительно разрушенную различными способами, отбитую и замагазинированную руду в недрах. В результате выщелачивания во многих случаях практически не происходит изменения структуры металлосодержащих пород, которые остаются на месте залегания.

В настоящее время используются скважинные, подземные и комбинированные системы разработки урановых месторождений выщелачиванием.

По характеру движения растворов реагента при выщелачивании металлов выделяют три гидродинамические схемы: фильтрационная, инфильтрационная и пульсационно-статическая.

Фильтрационная схема ПВ металлов основана на использовании постоянного или периодически действующего потока раствора реагента, заполняющего все трещины и открытые поры руд. Движение (фильтрация) раствора происходит за счет разности напоров у раствороподающих (закачных) и раствороприемных (откачных, дренажных) устройств.

Инфильтрационная схема основана на использовании инфильтрационного потока раствора реагента, движение которого по рудному телу (отбитой и замагазинированной руде) происходит под действием сил гравитации от оросительных устройств к дренажным. Эта схема применима только при выщелачивании металлов из равномерно водопроницаемых руд. Поэтому она получила наибольшее распространение при подземном выщелачивании предварительно отбитых и замагазинированных руд в камерах, а также при кучном выщелачивании. При этом раствор не заполняет полностью пустоты в отбитой руде, как при выщелачивании по фильтрационной схеме, а лишь смачивает и покрывает тонкой пленкой поверхность отдельных кусков и заполняет капилляры. Только в нижней части камер формируются фильтрационные зоны.

Пульсационно-статическая схема заключается в периодическом затоплении (заполнении) выщелачивающим реагентом руд в естественном залегании, отработанных пространств в рудниках или специально подготовленных камер с замагазинированной рудой с последующим сбором продукционных растворов. Такой способ в практике обогащения руд известен под названием иммерсионного.

Как указывалось, одной из важнейших предпосылок при организации разработки месторождений способом ПВ является присутствие полезного компонента в рудах в легкорастворимой форме, способной переходить в слабые растворы минеральных или органических кислот, соды, солей. С этой точки зрения все урановые руды условно можно подразделить на три основные минеральные группы:

  • руды, из которых извлечение урана при ПВ в раствор без применения окислителей затруднительно. В таких рудах уран находится в основном в восстановленной (четырехвалентной) форме в виде окислов UО2+х, имеющих кубическую решетку, хорошо раскристаллизованных (уранинит), колломорфных (урановая смолка, или настуран), а также в виде кристаллического силиката — коффинита U (SiO4)1–4 (ОН)4 и др.;
  • руды, в которых уран находится в основном в шестивалентном состоянии и при ПВ легко переходит в кислотные и щелочные растворы. Это руды, содержащие гидроокислы [скупит UO2(ОН)2Н2О и др.], окисленные соединения [минералы уранила; ванадаты — карнотит К2(UO2)2(VO4)2 × 3Н2О, тюямунит Са(UO2)2(VО4) × 8Н2О и др., фосфаты — отенит Са(UО2)2(РО4)2 × 10Н2О, торбернит Сu(UO2)2(РО4)2 × × 12Н2О и др., силикаты — уранофан Са(UО2)2(Si2O7) × × 6Н2О и др.]. К группе легковыщелачивающих минералов относится урановая чернь, представляющая собой порошковатую тонкозернистую разновидность нестехиометрических окислов урана UO2+X, обладающих кубической решеткой. Процесс перехода урана из урановой черни в раствор происходит достаточно быстро, как и из любых порошковатых, тонкоизмельченных продуктов. К этой же группе относится порошковатая разновидность коффинита;
  • руды, содержащие практически не растворимые в кислотах и щелочах урановые минералы: давидит (Fe2+, Fe3+, U, Се, La)2(Ti, Fe3+, Cr, V)SO12, браннерит (U4+, Ca, Th, V)[(Ti, Fe)2O6] × nH2O и др.

Для процессов ПВ наиболее благоприятны условия, когда урановые минералы заполняют поры и трещины пород, образуя большие скопления с различной концентрацией и конфигурацией (сосредоточенная рудная минерализация). При этом содержание в руде урана не имеет такого значения, как при очистной выемке. Это объясняется тем, что способ ПВ позволяет вовлекать в рентабельную разработку даже небольшие рудные залежи с бедным и забалансовым для обычных способов разработки содержанием урана.

В настоящее время способом ПВ разрабатываются месторождения урана различных генетических типов. При этом в зависимости от природного состояния рудного массива (водопроницаемости и физико-механических свойств руд, мощности и элементов залегания рудных тел и др.) даже на месторождении одного генетического типа могут применяться различные способы подготовки руд к выщелачиванию и различные системы разработки.

Применительно к подземным системам выщелачивания урана руды различного генезиса по степени водопроницаемости и пористости с учетом растворимости урановых минералов, а также существующих и возможных (развивающихся) средств разрушения массива можно разделить на три основные группы.

Первая группа — руды с поровой и порово-трещинной водопроницаемостью, имеющие коэффициент фильтрации 0,05–10 м/сут и эффективную пористость более 5–8 %. К ним относятся руды, приуроченные к пескам и песчаникам многих пластовых гидрогенных месторождений урана, а также руды, локализованные в зонах интенсивной трещиноватости метаморфогенно-осадочных и магматических пород. Главная особенность руд первой группы в том, что они не требуют специальной горной подготовки (разрушения массива, отбойки и магазинирования). Высокие пористость и водопроницаемость позволяют осуществить процесс ПВ в массиве естественного залегания.

Вторая группа — руды в основном слабоводопроницаемые, с коэффициентом фильтрации в пределах 0,05–0,005 м/сут и эффективной пористостью в пределах 3–5 %. Они приурочены обычно к тонкозернистым глинистым песчаникам, алевролитам, конгломератам, сланцам и т. п.

В этих рудах процесс ПВ в массиве естественного залегания протекает весьма медленно, неэффективно. Кроме того, руды второй группы, как правило, обладают неоднородными фильтрационными свойствами. Это приводит к неравномерному во времени выщелачиванию отдельных участков рудных тел и затрудняет получение кондиционных продукционных растворов в течение всего периода процесса.

Третья группа — руды весьма слабоводопроницаемые, с коэффициентом фильтрации менее 0,005 м/сут и эффективной пористостью менее 3 %. Они могут быть приурочены к плотным осадочным, метаморфогенно-осадочным и магматическим породам. При этом иногда рудный массив может быть осложнен послойными и секущими разрывными тектоническими нарушениями с оперяющими трещинами, скорость фильтрации растворов реагента по которым может достигать нескольких десятков метров в сутки.

Соответственно с этим особенностями геологического строения месторождений выбирают одну из трех приведенных выше гидродинамических схем (фильтрационную, инфильтрационную или пульсационно-статическую).

Фильтрационная схема нашла применение при разработке рудных тел различной мощности, представленных пористыми и трещиноватыми, однородными и неоднородными, обводненными и необводненными породами с различными элементами залегания.

При выщелачивании используют фильтрационный поток реагента, подаваемого в нагнетательную выработку или скважины под напором. Это обеспечивает полное закисление и выщелачивание руд, заключенных в блоке, на всем пути фильтрации раствора реагента от нагнетательных устройств к дренажным.

Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента из руд с естественной проницаемостью, с контурным расположением дренажных горных выработок
Рис. 8.7. Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента из руд с естественной проницаемостью, с контурным расположением дренажных горных выработок: А — эксплуатируемый блок, Б — нижняя часть подготавливаемого блока; 1 — подстилающие водоупорные безрудные породы; 2 — проницаемые рудоносные породы; 3 — дренажная контурная щель; 4 — компенсационный восстающий для проходки дренажной щели; 5 — нагнетательная (раствороподающая) щель; 6 — линии тока выщелачивающего реагента через рудоносный массив; 7 — полевой квершлаг; 8 — восстающий на рудный горизонт; 9 — растворонепроницаемая перемычка; 10 — трубопровод для подачи в блоки выщелачивающего реагента; 11 — нагнетательный орт; 12 — подготовительный (дренажный) штрек

С учетом особенностей строения рудного массива, фильтрации растворов и расположения в разрабатываемом блоке нагнетательных и дренажных горных выработок (скважин) в этой группе можно выделить три технологические схемы:

  • с линейным расположением нагнетательных и дренажных горных выработок (скважин);
  • с контурным расположением дренажных горных выработок (скважин) (рис. 8.7);
  • с секционной подачей и приемом растворов в щели (пучки, веера скважин).

Инфильтрационная схема ПВ получила самое широкое распространение и отличается большим разнообразием вариантов. По характеру горноподготовительных и буровзрывных работ, способам подачи и приема растворов можно выделить варианты:

  • с отбойкой и магазинированием руд в обособленных открытых камерах;
  • с посекционной отбойкой при сплошном магазинировании руд в открытых камерах;
  • с отбойкой и магазинированием руд в обособленных закрытых камерах (рис. 8.8);
  • с посекционной отбойкой при сплошном магазинировании руд в закрытых камерах.

Пульсационно-статическую схему подземного выщелачивания урана из отбитых руд в камерах применяют в тех случаях, когда вмещающие породы являются весьма слабоводопроницаемыми, практически водонепроницаемыми или есть возможность исключить утечки растворов с помощью искусственных противофильтрационных завес. Иногда в таких камерах вместо пульсационностатического режима используют фильтрационный режим выщелачивания. Для этого камеры по периметру или на отдельных участках (в зависимости от конкретных условий) оборудуют дренажными скважинами. Размеры блоков выбирают с таким расчетом, чтобы, во-первых, запасы руды в оставляемых оконтуривающих целиках были невысокими и, во-вторых, имелась возможность быстро заполнить и разгрузить их от растворов. Мощность магазинируемых руд в блоках, как правило, не превышает 8–10 м; при большей мощности обычно применяют инфильтрационную схему выщелачивания.

Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента с отбойкой и магазинированием руды в обособленных закрытых камерах, оконтуренных слабофильтрующими целиками
Рис. 8.8. Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента с отбойкой и магазинированием руды в обособленных закрытых камерах, оконтуренных слабофильтрующими целиками: А — эксплуатируемый блок; Б — подготавливаемый блок; 1 — подстилающие водоупорные безрудные породы; 2 — слабопроницаемые рудоносные породы; 3 — фильтрующий целик; 4 — дренажная контурная щель; 5 — компенсационный восстающий для проходки дренажной щели; 6 — камера с замагазинированной в зажатой среде рудой; 7 — линии тока выщелачивающего реагента через фильтрующий целик; 8 — полевой квершлаг; 9 — полевой откаточный штрек; 10 — восстающий на рудный горизонт; 11 — подготовительный рудный штрек; 12 — выпускные орты; 13 — скважины для отбойки руды в камере; 14 — нагнетательные (раствороподающие) орты; 15 — растворонепроницаемая перемычка; 16 — трубопровод для подачи в камеру выщелачивающего реагента

В зависимости от физико-механических свойств, элементов залегания руд и способа горной подготовки блоков можно использовать несколько вариантов выщелачивания в обособленных камерах, оконтуренных слабофильтрующими целиками.

Гидродобыча полезных ископаемых

Одним из направлений развития способов разрушения горных пород является использование энергии водяной струи большого давления и скорости.

Исследования последних лет показывают, что породы практически любой крепости можно разрушать гидромониторными струями. Однако в настоящее время гидравлическое разрушение применяется в основном для разработки рыхлых пород и руд (пески, супеси, суглинки, глины, алевролиты и т. д.) и несколько реже — при разработке слабых скальных пород и руд (мергели, сланцы, известковистые песчаники, угли и т. д.).

Механизм разрушения зависит от физико-механических свойств горных пород и параметров струи и обусловлен одновременным проявлением различных сил (динамическое давление, удар, фильтрационные силы и др.). В результате воздействия струи на слабосвязанные или уже отбитые руды нарушается связь между отдельными частицами, происходит смачивание и водонасыщение пород, что в свою очередь приводит к изменению сил сцепления.

Ослабление структурных связей, облегчение деформации и понижение прочности может быть достигнуто введением в рабочую жидкость поверхностноактивных веществ (ПАВ). Слои молекул или ионов жидкости с высокой энергией смачивания проникают в микротрещины и препятствуют смыканию поверхностей, что способствует снижению величины работы, необходимой для разрушения.

В ряде случаев эффективное разрушение структуры песчаных руд может быть достигнуто кислотной обработкой, разрушающей цементирующее вещество. Цементирующее вещество может быть разложено при соответствующих условиях микроорганизмами, выделяющими продукты жизнедеятельности, придающие пласту повышенную подвижность.

Структура рыхлых водонасыщенных руд может быть разрушена фильтрационным потоком. Плывунное состояние полезного ископаемого создает наилучшие предпосылки для его добычи. Плывунность не является свойством какого-нибудь определенного типа пород. При создании соответствующих условий в плывунное состояние могут переходить горные породы любого гранулометрического состава.

Из всех вышеуказанных способов разрушения горных пород и руд для образования гидросмеси наибольшее применение нашло разрушение напорными гидромониторными струями, иногда в сочетании с другими способами (взрывным, механическим). Этот способ нашел довольно широкое применение на открытых горных работах для производства вскрыши и на добыче, на подземных горных работах при добыче угля. Исследования показывают, что способ гидродобычи через скважины, позволяющий не производить дорогостоящих вскрышных работ, а также освободить человека от участия в тяжелом и опасном подземном процессе добычи, может уже в ближайшие годы найти промышленное применение на ряде месторождений нашей страны.

Сущность способа гидродобычи через скважины (СГД) с разрушением пластов, содержащих полезное ископаемое, гидромониторными струями состоит в следующем: в пробуренную скважину опускается добычный снаряд, оборудованный гидромонитором и выданным устройством; руда, размываемая струей воды при соответствующем давлении, в виде пульпы выдается на поверхность. В качестве выдачного устройства могут использоваться гидроэлеваторы, эрлифты, скважинные насосы или их комбинации. Возможна также отработка через скважины, буримые из горных выработок, пройденных под рудным телом. При этом рудная пульпа самотеком через скважину подается на обогащение или выдается на поверхность. Объем добычи одной скважины определяется параметрами кратковременной устойчивости кровли рудного тела.

В Институте гидродинамики СО АН СССР было предложено осуществлять бесшахтную добычу погребенных россыпей, базирующуюся на свойстве песков-плывунов при выемке их через скважины заполнять освободившееся пространство в забое скважины новой порцией горной массы. Технологический процесс добычи состоит в следующем. В пробуренную и обсаженную скважину опускаются два соосных трубопровода с гидроэлеватором на конце. От насоса к гидроэлеватору по межтрубному пространству подается под напором вода, а по центральной трубе выводится наверх пульпа. Расчеты показали, что одна скважина в условиях плывуна с дебитом 20 м3/ч может работать на добыче песка несколько лет. Однако при проведении опытных работ после откачки около 1000 м3 песков произошел обвал налегающих пород, и приток песка к скважине прекратился.

В США разработан способ, основанный на использовании устройства, позволяющего вести добычу полезного ископаемого под землей через скважину с помощью напорных струй воды и осуществляющего подъем образующейся пульпы эжекторным устройством.

Разработка ведется через 16-дюймовые скважины (40,6 см) и сочетает гидравлическую отбойку, вынос пульпы и вращательное бурение. Скважина бурится с поверхности и крепится до верхней части разрабатываемой зоны. Горный инструмент для разработки через скважину состоит из многочисленных секций бурильных труб разного диаметра, расположенных соосно, и эжекторного агрегата. Эжекторный агрегат содержит боковые насадки, струйный насос со всасывающей сеткой и трехшарошечное долото. Под давлением до 6 МПа жидкость подводится к боковым насадкам, к насадке струйного насоса и трехшарошечному долоту. Жидкость, выходящая из промывочных отверстий, очищает коронку и взбалтывает буровой шлам. Вращательное движение бурового инструмента заставляет буровую коронку измельчать негабаритный материал до такой степени, чтобы он смог пройти через всасывающую сетку. Давление жидкости, выходящей из насадки струйного насоса, обеспечивает поднятие пульпы к поверхности с глубины до 150 м. Пульпа разгружается в отстойники, где шлам осаждается, а очищенная жидкость возвращается к насосу высокого давления. При таком способе разработки производительность может достигнуть 0,76 м3/мин. Для достижения максимальной производительности уровень жидкости в скважине автоматически поддерживается ниже потоков боковых струй.

Обосновано также возможное применение эрлифтного насоса совместно с водоструйным. Такая система может применяться для разработки на глубине до 450 м. Для увеличения глубины отработки до 2500 м предлагается кроме использования эрлифта закачивать в образующуюся подземную полость воздух под большим давлением.

Институт горно-химического сырья ведет исследовательские работы по внедрению гидродобычи через скважины на месторождениях фосфоритов в Ленинградской области. Рудный пласт представлен мелко- и разнозернистыми фосфоритосодержащими песками с отдельными прослоями песчаников. Налегающие породы представлены глауконитовыми песчаниками, доломитами, доломитизированными известняками и четвертичными отложениями. Общая мощность налегающих пород до 30–40 м. Для отработки рудного пласта через скважины испытывалось несколько схем. Большие водопритоки по хорошо фильтрующим пескам заставили применить добычу в затопленном забое. Для выдачи размытых песков был создан эрлифт, позволяющий устойчиво вести выдачу рудной пульпы с Т : Ж=1 : 1.

Для СГД перспективны все легко диспергируемые, пористые, рыхлые и слабосвязанные залежи полезных ископаемых. К ним откосятся месторождения торфа, песков и гравия для строительной и стекольной промышленности, фосфорит и марганцевосодержащие отложения, рыхлые россыпные месторождения золота и титана, осадочные месторождения редких металлов, мягкие бокситовые руды, битуминозные песчаники и т. д.

Представляет интерес применение СГД для добычи строительных материалов, находящихся на значительной глубине. Метод перспективен, например, для добычи обводненных крупнозернистых песков в районе новых нефтяных месторождений Тюменской области, залегающих под слоем вечной мерзлоты на глубине 40–50 м.

Обзор вариантов скважинной гидродобычи, предлагаемых, применявшихся и разрабатываемых, показывает, что все варианты СГД могут быть четко разделены на три основные технологические схемы:

  • с отбойкой руды свободными незатопленными струями в осушенном очистном пространстве;
  • с отбойкой руды в затопленном очистном пространстве;
  • с использованием плывунных свойств пород за счет разницы гидравлического градиента (создаваемого или естественного) в соседних скважинах.

Для каждой схемы характерны специфичное оборудование и технология, а также определенная область применения в зависимости от горно-геологических факторов.

Схема с отбойкой руды в осушенном забое позволяет разрабатывать руды значительной крепости, осуществлять эффективную доставку отбитой горной массы от забоя до выдачного устройства, относительно легко управлять очистными работами и горным давлением. Эта схема также характеризуется относительно небольшим уровнем потерь и разубоживания и простотой применяемого оборудования. В ней обычно применяются гидромониторы с коротким стволом различных конструкций, как встроенные в нижний оголовок, так и выдвижные; в качестве выдачного устройства обычно используется гидроэлеватор, позволяющий осушать забой, иногда в комбинации с эрлифтом. К недостаткам схемы можно отнести относительно высокую энергоемкость гидроподъема при условии осушения этим же агрегатом очистной камеры, что особенно проявляется с увеличением глубины разработки и водопритоков.

Схема с отбойкой руды в затопленном забое позволяет вести отработку несвязных рудных тел в условиях больших водопритоков, а также под водоемами и на шельфе Мирового океана. Она характеризуется благоприятными условиями для работы выдачных устройств, в качестве которых могут быть использованы эрлифты и гидроэлеваторы, и может быть применена для разработки на больших глубинах. В отдельных случаях может быть использована выдача за счет гидростатического напора в камерах. Однако в связи с быстрым гашением энергии струи в условиях затопленного забоя затруднена отбойка крепких связных пород и требуется применение шланговых или телескопических мониторов, удлиняющихся по мере продвижения забоя, что усложняет конструкцию добычного агрегата, требует создания специальных сложных систем для контроля положения и управления гидромонитором. При этом ограничивается также объем отработки на одну скважину из условия достаточной устойчивости пород кровли, т. к. при обрушении вышележащих пород выдвинутый удлиненный гидромонитор трудно или невозможно извлечь. При этом затруднена доставка отбитой горной массы до выдачного устройства и относительно велик уровень потерь. При применении гибких шланговых гидромониторов также затруднено управление очистными работами. Все это ограничивает область применения этой технологической схемы СГД.

Схема с использованием плывунных свойств пород, а также с превращением горных пород в псевдоплывунное (подвижное) состояние (за счет разности уровней подземных вод или посредством нагнетания через скважины воды и воздуха в пласт и откачки рудной пульпы гидроэлеваторами, эрлифтами или выдачи за счет гидростатического напора в камерах) может быть применена только при благоприятных горно-геологических условиях, определяемых прежде всего свойствами разрабатываемых пород.

В отдельных разрабатываемых схемах СГД предполагается использовать давление вышележащих пород для доставки горной массы в псевдоплывунном или плывунном состоянии к выдачному устройству.

Возможны также различные комбинации указанных схем.

Способ скважинной гидродобычи представляет собой поточный однолинейный технологический процесс подземной разработки месторождения полезных ископаемых, осуществляемый из горных выработок или с водной или земной поверхности. Способ базируется на строгом регламенте и неразрывности во времени и пространстве совершаемых технологических операций:

  • вскрытия с помощью буровых скважин;
  • гидравлического разрушения (размыва) руды напорной струей воды (в осушенном или затопляемом очистном пространстве), дезинтеграции и перевода в забое разрушенной горной массы в состояние гидросмеси;
  • доставки (самотечной или принудительной) гидросмеси от забоя до выдачного устройства или пульпоприемной скважины;
  • выдачи гидросмеси на поверхность к установкам разделения;
  • управления горным давлением.

Объединив, таким образом, в единый технологический процесс весь комплекс горных операций (от вскрытия и подготовки до очистной выемки и доставки полезного ископаемого), гидродобычная скважина действует на рудном поле как самостоятельное производственное звено горнодобывающего цеха.

Одной из основных операций технологического процесса гидродобычи через скважины является разрушение руды, осуществляемое, как правило, гидромониторными струями. Так же как и при традиционных способах гидравлической добычи полезных ископаемых (открытом и подземном), при СГД необходимо исследовать целый ряд факторов, чтобы добиться высокоэффективной и качественной выемки полезного ископаемого.

К таким факторам относятся следующие:

  • природные, определяющие сопротивляемость горных пород и руд гидравлическому разрушению (вещественный состав, направление и степень трещиноватости, структура, крепость, пористость, водопроницаемость, смачиваемость и др.);
  • гидравлические, характеризующие разрушающую способность гидромониторной струи (расход воды через насадку, диаметр насадки, давление и компактность струи);
  • технические, определяющие условия воздействия струи воды на породный массив (расстояние насадки до забоя, угол встречи струи с массивом, скорость перемещения струи по забою и др.);
  • технологические, определяющие порядок выемки, параметры заходки, количество обнаженных плоскостей и др;

Влияние природных факторов при скважинной гидродобыче практически то же, что и при открытых и подземных гидравлических разработках, т. е. совокупность всех петрографических особенностей, прочностных, водных и других свойств руд определяет в конечном итоге возможность и эффективность применения гидравлического разрушения, потребный напор, удельный расход воды, параметры гидроподъема и гидротранспорта, технологию обогащения и размеры хвостохранилища.

Эти же факторы определяют и выбор основного оборудования.

Подводная разработка руд

Кроме рассмотренных выше основных способов разработки в последние десятилетия очень быстро развивается ряд принципиально иных способов разработки минеральных ресурсов.

С каждым годом растет интерес к месторождениям полезных ископаемых, залегающих в морях и озерах на значительной глубине под водой. Именно в связи с этим начинает обособляться специальный подводный способ разработки месторождений, при котором основные процессы горных работ происходят в горных выработках незамкнутого контура, открытых в гидросферу.

Полезные ископаемые Мирового океана можно разделить на три группы:

  • растворенные в воде;
  • залегающие в виде россыпей на морском дне;
  • залегающие в коренных породах морского дна.

В зоне шельфа Мирового океана наибольшее распространение имеют россыпи тяжелых минералов — ильменита, рутила, циркона, моноцита, магнетита, касситерита; реже встречаются золото, платина, вольфрамит и другие минералы. В этой же зоне шельфа сосредоточено большое количество строительных материалов (песок, галька, гравий).

В более глубоких частях океана встречаются залежи конкреций фосфорита железомарганцевые конкреции и кремниевые илы. В настоящее время разрабатываются, главным образом, россыпи, залегающие на глубинах не более 50 м. Для добычи в основном применяются землесосные черпаковые и скреперные драги, а также канатно-скреперные установки.

Землесосные драги всасывают песок со дна водоема глубиной до 15–20 м и по пульпопроводам доставляют его в виде пульпы на обогатительные устройства. Если грунтовый насос помещается ниже уровня воды, удается добывать пески с глубины до 45 м.

По своему назначению современные драги делятся на континентальные и морские.

С помощью континентальных драг, которые монтируются на плоскодонном понтоне, разрабатываются речные и озерные россыпи. Морские драги применяются для разработки прибрежных (шельфовых) россыпей, а также россыпей, залегающих на дне морей. Они монтируются обычно на килевых судах.

Предлагаемые схемы глубоководной добычи твердых полезных ископаемых
Рис. 8.10. Предлагаемые схемы глубоководной добычи твердых полезных ископаемых: Типы установок: а — эрлифтная; б — с перекачивающими насосами; в — трубопроводноконтейнерная; г — с подводной камерой; д — канатно-скиповая; е — автономная; 1 — плавсредство; 2 — установка подъема; 3 — агрегат сбора

Для добычи конкреций на больших глубинах пока еще нет надежных способов. Имеются лишь отдельные установки и множество проектов и предложений (рис. 8.10). Так, в Японии для добычи железомарганцевых конкреций с глубин до 6 км предложено применять многочерпаковую цепь, которая тянется судном. Цепь приводится в движение специальными лебедками, установленными на судне. Ковши емкостью до 100 л крепятся на синтетическом тросе через 20–25 м. Применяются также грейферные ковши. В США успешно применяются скреперные драги-ковши, которые тянутся за судном и по мере наполнения поднимаются на борт.