РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНО-ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

Из названия этого вида сырья с очевидностью следует, что оно добывается из литосферы с целью получения в дальнейшем тех или иных химических соедине­ний.

Сюда относятся такие полезные ископаемые, как калийные соли, поваренная соль, апатиты, фосфориты, датолит, барит и некоторые другие.

С точки зрения проблем и технологии разработки значительная часть этих ме­сторождений ничем не отличается от рудных месторождений. Тем не менее сле­дует выделить месторождения калийных и натриевых солей, разработка которых отличается рядом специфических особенностей, связанных прежде всего с тем, что все соли легко растворимы в воде. Поэтому основным требованием к геотех­нологии становится полное исключение проникновения природных вод в зону ве­дения добычных работ.

Вода, проникая через трещины, карсты или другие нарушения в покровных соляных породах, размывает их. Это приводит к появлению в руднике быстро про­грессирующих притоков, в результате чего происходит его затопление, сопрово­ждающееся обрушением по-кровных пород и огромными разрушениями на по­верхности. Поэтому возникает необходимость тщательного изучения геологии и гидрогеологии калийных месторождений. В первую очередь необходимо выяс­нить водоносность покровной толщи и контакта между соляным телом и покров­ными породами, а также наличие водоносных горизонтов в соляном теле.

Соляные месторождения, имеющие водоносный горизонт в соляной толще, связанный через трещины или другие нарушения с водоносным горизонтом по­кровных пород, практически являются недоступными для эксплуатации. Таким образом, при решении во-проса о промышленном использовании какого-либо ка­лийного месторождения необходимо особое внимание обратить на его тектонику и особенно на взаимосвязь тектонических нарушений в покровных породах с тек­тоникой самого соляного тела.

При разведке соляных месторождений встречается ряд трудностей, т. к. каж­дая буровая скважина, пробуренная в соляную толщу, может оказаться проводни­ком воды из покровных пород. Несмотря на обязательный тампонаж скважин, все же нет полной гарантии от неплотностей в тампонаже и, следовательно, от проса­чивания воды вниз. Поэтому правилами эксплуатации калийных месторождений предусматривается обязательное оставление около каждой скважины охранного целика диаметром 100 м, что приводит к большим потерям ископаемых солей.

Очень часто для выяснения характера залегания пласта стараются пробу­рить возможно большее число разведочных скважин, что, однако, создает боль­шие трудности при эксплуатации калийных месторождений. Практически буро­вые скважины должны находиться на расстоянии 1,5 — 2 км друг от друга. При та­ком расстоянии между скважинами очень трудно выяснить тектонику калийных месторождений. Все это требует большой осмотрительности и хорошей постанов­ки эксплуатационной разведки.

Решающим фактором при вскрытии калийного месторождения и выборе спо­соба его разработки являются гидрогеологические условия месторождения: водо­носность покровных пород и близость их к соляным отложениям. Водоносные го­ризонты при этом нередко располагаются непосредственно над соляной толщей, образуя на контакте соляных и покровных пород так называемый рассольный го­ризонт (как, например, на Верхнекамском месторождении), или отделены от со­ляных отложений толщей водонепроницаемых пород, связанных с ними через тектонические нарушения. В обоих случаях имеется реальная опасность прорыва воды в подземные выработки.

Из этого следует, что калийные месторождения можно разделить по горно­техническим признакам на 4 обособленные группы, каждой из которых соответ­ствует применение определенного способа разработки.

Месторождения I группы представлены горизонтальными или пологими пла­стами с относительно небольшими тектоническими нарушениями в виде местной складчатости, отдельных поднятий пласта и т. п. Непосредственной кровлей пла­ста являются прочные прослои каменной соли; в кровле соляных отложений рас­положен пласт молодой, так называемой покровной каменной соли, защищающий продуктивную толщу от проникновения в нее рассолов и пресных вод из вышера­сположенных водоносных горизонтов. Контакт соляных отложений с покровны­ми породами, как правило, сильно обводнен, причем контактные рассолы и воды верхних горизонтов обычно связаны между собой.

Месторождения II группы по характеру залегания приближаются к первой, но отличаются более благоприятными геологическими и гидрогеологическими условия-ми. Характерной особенностью их является наличие в кровле соляных от­ложений мощных слоев (100 — 200 м) молодой каменной соли и соляной глины, на­легающих непосредственно на калийные пласты. Вышележащие породы, пестрые песчаники, известняки часто не содержат водоносных горизонтов; на контакте со­ляных отложений водоносный горизонт также отсутствует.

Месторождения III группы представлены горизонтальными или наклонными пластами, залегающими в описанных выше условиях.

Месторождения IVгруппы наиболее многочисленны и представлены куполь­ными или подобными структурами, сводовая часть которых, как правило, размы­та и превращена в «гипсовую или каинитовую шляпу». Доступ воды к калийным солям в подобного рода структурах облегчен и может происходить как через «гип­совую шляпу», так и по наклонным или крутопадающим глинистым прослойкам, а также трещинам и карстовым образованиям.

Большинство калийных месторождений залегает на большой глубине, поэ­тому их вскрытие осуществляют преимущественно вертикальными стволами. Обычно закладывают два ствола на таком расстоянии друг от друга, чтобы при необходимости возможно было отделить одну половину шахтного поля от другой установкой водоне-проницаемой перемычки (150 — 200 м и более). В последнее время в связи с большой производственной мощностью калийных рудников ме­сторождения вскрывают тремя (Солигорский рудник) и даже четырьмя стволами (Березниковский и Ново-Стебниковский рудники).

Глубокое залегание калийных месторождений обусловливает их преимуще­ственно подземную разработку. В зависимости от характера месторождения и условий его залегания разработка должна производиться по-разному.

Месторождения I группы разрабатывают с применением жесткого поддер­жания кровли выработок и с оставлением прочных опорных целиков (камер­ная или галерейиая системы), не допускающих сдвижения по-кровных пород. Несоблюдение этого условия может привести к опасным прогибам защитных сло­ев горных пород (покровной каменной соли), к образованию в них трещин разло­ма и проникновению через последние в выработки контактных рассолов.

В месторождениях II группы при мощной толщине водонепроницаемых вме­щающих и покровных пород допустимо некоторое опускание кровли (плавная осадка). В этом случае оставление междукамерных целиков может носить времен­ный характер, т. к. при благоприятных условиях возможна частичная их выемка.

Для месторождений III группы возможна разработка с обрушением кровли без оставления целиков в выработанном пространстве и без закладки последнего.

Месторождения купольного типа могут разрабатываться различными спосо­бами. На крутых пластах возможно применение систем, характерных для разра­ботки рудных месторождений (потолкоуступной, слоевой и т. п.).

В некоторых случаях возможен и открытый способ разработки.

Существующие методы получения серы из самородных руд по способу про­изводства можно разделить на две группы. К первой относятся способы, связан­ные с предварительной добычей руды и последующей ее переработкой. Ко вто­рой — получение серы из руд непосредственно на месте их залегания.

Классификация способов получения серы представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Классификация способов получения серы

Добыча руд, содержащих серу, производится открытым или подземным спо­собом. Добытая при этом руда поступает на переработку.

Термические методы получения серы из руд являются наиболее старыми. Выплавка серы в кучах, примитивных печах, подобных горну Каркарелла, цилин­дрических печах Калькарона и многокамерных печах происходит за счет тепла, образующегося при сжигании части серы в руде. Процесс этот малоэффективен (потери 40 — 60 %), трудоемок, трудно поддается механизации.

Дистилляция — возгонка серы из руд в ретортах или вращающихся печах производится либо за счет передачи тепла через стенку в реторты, либо за счет пе­редачи тепла от нагретых газов. После возгонки пары концентрируются в конден­саторах. Процесс малоэффективен, но позволяет получить высокое качество про­дукции.

Пароводяной автоклавный способ выплавки серы из руд, несмотря на ряд до­стоинств, в настоящее время не применяется, т. к. для него требуются богатые руды с содержанием 50 — 60 % серы.

Кроме описанных термических способов к методам этой группы следует от­нести (на настоящей стадии его развития) получение серы из руды растворением, который характеризуется почти полным извлечением и хорошим качеством серы.

Ко второй группе методов получения серы из руд относится подземное сжига­ние и подземная выплавка серы (ПВС).

Стихийно возникающие на рудниках пожары по-служили основанием для предложений по возможности использования тепла сжигания части серы для ее выплавки на месте залегания.

Обобщив опыт борьбы с подземными пожарами, Д. Фиори предложил в 1910 г. выплавлять серу с помощью регулируемого термического воздействия на сероносный пласт. Для отработки рудное тело разбивалось на этажи высотой 10 м каждый. Руда в верхнем этаже поджигалась, жидкая сера стекала по трещинам во второй этаж, служащий приемником серы; сюда же подавался регулируемый поток воздуха; третий, нижний этаж в это время подготавливался. За время эк­сплуатации таким методом на руднике было отработано искусственно регулируе­мыми пожарами 60 % руды, остальные 40 %, полученные при подготовке участков, переработаны в печах. Коэффициент извлечения серы из руды при подземных по­жарах был на 25 % ниже, чем при выплавке в печах, однако в общем способ оказал­ся более экономичным.

В 20-е гг. прошлого столетия почти одновременно были предложены способы подземной добычи серы, основанные на ее сжигании на месте залегания с после­дующим улав-ливанием на поверхности либо сернистого газа, либо паров серы. Позже был создан метод получения жидкой серы также за счет управляемого сжи­гания части пласта.

Но наибольшее распространение в последние годы получил метод подземной выплавки серы за счет подачи в пласт перегретого водяного пара.

Вода для производственных нужд попадает в нагреватели, которые могут быть либо прямоточными водогрейными котлами, либо паровыми котлами с бойлерны­ми. Горячая вода через контрольно-распределительные станции (КРС) нагнетает­ся в скважины. Каждая КРС служит для определенного числа рабочих скважин и включает регулирующие клапаны и контрольные приборы, позволяющие опера­тору регулировать давление и температуру текущих по трубам жидкостей и газов.

Основная сложность метода заключается в необходимости разработки для каждого конкретного месторождения индивидуального технологического про­цесса добычи серы.

Метод основан на выплавке серы на месте ее залегания нагнетаемой через скважину горячей водой. Добычные скважины бурят обычными буровыми стан­ками и обсаживают трубами до серного пласта. Обсадную трубу цементируют и продолжается бурение рудного тела на всю мощность. В пробуренную скважину вставляют три концентрически расположенных трубопровода (рис. 11.2) диаме­тром 0,3 и 1 дюйм. Верхнюю часть скважины оборудуют оголовком, обеспечиваю­щим нагнетание в пространстве между шестью- и трехдюймовыми трубами горя­чей воды. Последняя через перфорации в нижней части трубы проникает в серо- носную залежь, разогревая и расплавляя серу. Расплавленная сера, как более тя­желая, стекает вниз и по серной трубе поднимается на высоту, равную гидроста­тическому давлению у почвы пласта. Подачей по дюймовой трубе сжатого возду­ха сера эмульгируется и выдается на поверхность в промежутке между трех- и од­нодюймовыми трубами. Расплавленная сера, выходящая из скважины, направля­ется через отстойные резервуары (сепараторы) в фильтры для очистки и далее на склад готовой продукции. Все бассейны и трубопроводы, в которых циркулирует расплавленная сера, обогреваются.

Рис. 11.2. Схема оборудования скважины при подземной выплавке серы:

1 — обсадная колонна; 2 — затрубная цементация; 3, 4, 5 — водоподающая, серная и воздушная колонны; 6 — разделительный пакер; 7,8 — перфорация; 9 — сальниковые

компенсаторы

В процессе разработки закачиваемая в пласт горячая вода распространяется по участку месторождения и повышает пластовое давление. Для его поддержания сооружают водоотливные скважины, которые регулируют пластовое давление и технологию добычи серы.

На механизм процесса разработки существенное влияние оказывает ряд природных условий и свойств руды: герметичность, трещиноватость и пори­стость рудного массива, серосодержание, гидродинамический режим и т.д. Гидродинамический режим рудного тела, подвергнутого разработке, в основном определяет параметры технологии.

После разбуривания серного месторождения добычными скважинами начи­нается разработка месторождения. Расположение добычных скважин и порядок их включения в работу являются основными вопросами проектирования и эксплу­атации месторождения. От расположения скважин в значительной степени зави­сят важнейшие технологические показатели: извлечение серы, уровень добычи, время работы, степень влияния (интерференции) скважин, удельный расход те­плоносителя, объем капитальных затрат, которые определяют себестоимость до­бываемой серы.

Экономика серодобывающего предприятия в большой степени обусловлена природными факторами (глубина месторождения, его запасы, физические свой­ства руд и вмещающих пород и т. п.), а также определяется сеткой расположе­ния скважин, т. е. числом скважин, их размещением и извлечением серы из каж­дой скважины. Таким образом, экономика предприя-тия во многом зависит от си­стемы разработки, поскольку последняя определяет себестоимость добычи серы, производительность труда и извлечение серы.

При проектировании каждое конкретное месторождение следует оценивать по экономическим показателям при различных схемах расположения скважин. Кроме того, эксплуатация каждого месторождения должна предусматривать оку­паемость основных фондов (котельный, компрессионный, зданий и сооружений), т. е. обеспечивать определенный срок службы предприятия.