Полезных ископаемых

Способ разработки (способ добычи) – это совокупность технических средств и технологических процессов по извлечению полезных ископаемых из недр Земли.

Различают следующие способы добычи твердых полезных ископаемых: подземный, открытый, подводный, физико-химические (геотехнологические), комбинированные.

При подземном способе все процессы, связанные с добычей полезных ископаемых, протекают под землей. Для производства горных работ проходят систему горных выработок, обеспечивающих отделение минерального сырья от массива и его доставку на поверхность.

Открытый способ предусматривает добычу полезных ископаемых непосредственно с дневной поверхности.

При подводном способе минералы добывают из-под воды – со дна ручьев, рек, озер, морей и океанов.

В основу большой группы физико-химических (геотехнологических) способов положено химическое, физическое, физико-химическое, биохимическое воздействие на твердое минеральное сырье с целью превращения его в жидкое или газообразное состояние и выдачи по скважинам на поверхность. Распространены методы: растворения, расплавления, подземной газификации угля, выщелачивания, скважинной гидродобычи.

Основная доля полезных ископаемых добывается подземным и открытым способами. Открытые горные работы – более древний способ. Еще 10-12 тыс. лет назад твердые породы для каменных орудий человек добывал из ям, канав. В дальнейшем их вытеснили подземные.

Потребовался новый качественный скачок в развитии механизации горных работ, чтобы открытая добыча полезных ископаемых стала ведущей.

Несмотря на то, что удельный вес подземного способа неуклонно сокращается, абсолютные объемы добываемых этим способом полезных ископаемых растут.

Объектами подземной разработки являются месторождения, отрабатывать которые иными способами технически трудно и экономически нецелесообразно, например, маломощные пласты и рудные зоны на больших глубинах.

К недостаткам подземного способа добычи следует отнести вредные условия труда, большие затраты на проведение, проветривание и поддержание горных выработок, значительные потери полезного ископаемого.

Несмотря на большие запасы минерального сырья в земной коре, ежегодно возрастает дефицит целого ряда полезных ископаемых. Между тем технический прогресс требует не только поддержания достигнутого уровня добычи минерального сырья, но и постоянного его наращивания. Поэтому взоры геологов и горняков обращены к Мировому океану.

Минеральные ресурсы морей и океанов громадны. Один кубический километр воды содержит в растворенном виде около 30 млн. т твердого вещества, из них более 20 млн. т поваренной соли. Из оставшихся 7–9 млн. т можно извлечь почти любой элемент Менделеевской таблицы, в том числе 1 млн. т магния, 60 тыс. т серы, 2,9 тыс. т бора, 40 т алюминия, по 7,3 т марганца и меди, 1 т урана, 400 кг молибдена, 200 кг серебра [7]. В промышленных масштабах из морских вод извлекают магний, бром, калий, поваренную соль.

Но основные минеральные богатства океана сосредоточены на его дне, в материковых отмелях (шельфах) и в прибрежных россыпях. Всемирно известны морские россыпи Австралии, протянувшиеся более чем на 1000 км. Здесь добывают золото, платину, циркон, монацит, ильменит. С 1970 г. ведут разработку морских оловоносных песков в Таиланде, с 1961 г. – добычу алмазов у берегов Юго-Западной Африки. На континентальных шельфах разведано около 30 млрд. т промышленных запасов фосфоритов. В США ежегодно добывают на шельфе 0,5 млрд. т песка и гравия.

Дно океана усеяно железо-марганцевыми конкрециями размерами от зерен, измеряемых долями миллиметра, до шаров с поперечниками в 20 см и более. В них обнаружили также медь, кобальт, никель. Американский геолог Д. Меро оценивает их запасы только в Тихом океане в 1,7·10¹² т.

Запасы подводного минерального сырья непрерывно возрастают. На дне морей и океанов ежегодно осаждается около 10 млрд. т. металла в виде минеральных агрегатов, минералов и в коллоидном состоянии.

Специалисты считают, что подводная добыча будет намного дешевле, чем добыча из недр Земли. Например, I карат (0,2 г) «морских алмазов» в ЮАР обходится в 4 раза дешевле, чем при подземном способе. Стоимость получения железа из магнетитовых песков, добываемых у берегов Японии с глубины 27–30 м, вдвое меньше, чем из железной руды на суше.

Сейчас доля подводного способа разработки составляет около 1,2–1,5 % от общей мировой добычи полезных ископаемых. Предполагают, что в ближайшие 10-15 лет она возрастет в 20-30 раз. Ресурсы Мирового океана - это, безусловно, будущее горной добычи в мире.

Рост потребностей в сырье вызывает необходимость ввода в эксплуатацию более бедных, глубоко залегающих месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Разработка их обычными способами нерентабельна. Выход из создавшегося положения можно найти, всемерно развивая геотехнологические методы добычи.

В настоящее время методом растворения через скважины ежегодно получают до 25–30 млн. т соли. Сравнительно недавно начали добывать таким же способом калийные соли. Опыт работы рассолоприемников показывает, что затраты на 1 м³ рассола при подземном растворении примерно в 3-4 раза ниже, чем при шахтном способе добычи.

Одним из перспективных и высокопроизводительных физических методов является подземная выплавка серы (ПВС) [3, 7].

Этот метод, разработанный впервые в России инженером К. Паткановым в XIX в., непрерывно совершенствовался и в настоящее время получил широкое распространение. Две трети мирового производства серы добывают через скважины. Сущность метода состоит в том, что на участке месторождения бурят скважины диаметром 250–300 мм на расстоянии 30–60 м одна от другой. Каждую скважину оборудуют тремя концентрическими колоннами труб. По внешней трубе в скважину под давлением 1,8 МПа подают воду, нагретую до температуры 170 °С, которая через перфорированную часть трубы попадает в продуктивную толщу пород, нагревает их до 120–140 °С, вызывая плавление серы. Расплавленная сера в два с лишним раза тяжелее воды, поэтому собирается в нижней части продуктивного слоя и в самой скважине. Для подъема расплава на поверхность по внутренней трубе диаметром 32 мм. поступает пар или горячий воздух под давлением 2,8 МПа. Образующаяся в расплавленной сере легкая пористая масса поднимается по кольцевому пространству между центральными трубами на поверхность. При этом получают серу высокого качества, примеси составляют лишь 0,1–0,5 %. Метод ПВС с 1912 г. занял доминирующее положение в мировой серной промышленности.

В последнее время получают распространение методы скважинной геотехнологии для скважинной гидродобычи глубокозалегающих запасов углей, рудного сырья, нерудных полезных ископаемых. Она применима для зернистых горных пород. К наиболее благоприятным относятся погребенные россыпи всех типов и месторождения коры выветривания, в том числе преобразованные.

По технико-экономическим показателям способ скважинной гидродобычи значительно эффективнее традиционных способов добычи руд: себестоимость 1т руды ниже в 2 раза, инвестиции меньше в 2,5 раза [3].

Добыча богатой руды через скважины имеет ряд экологических преимущестив по сравнению с традиционными способами добычи: она практически безотходна, не разрушает режимов подземных и поверхностных вод, не требует больших отводов земель для размещения горного предприятия, обеспечивает высокую безопасность добычных работ. На месторождениях Белгородского железнорудного региона КМА выделено 36 участков, перспективных для промышленного освоения.

Возможна комбинированная отработка совместным подземным способом с формированием разрыхленной рудной массы и последующей гидродобычей через скважины.

Подземная газификация, предложенная Д. И. Менделеевым, представляет собой процесс превращения угля в горючие газы. Начиная с 20-х годов в СССР вели опытно-промышленные исследования газификации. В настоящее время работают пять станций ПГУ, вырабатывающие ежегодно более 1,5 млрд. м³ газа [3].

Подземным выщелачиванием (ПВ) называют метод добычи полезного ископаемого посредством избирательного растворения его химическими реагентами на месте залеганий и последующего извлечения образованных соединений. Метод ПВ используют в настоящее время для получения цветных и редких металлов. Есть предпосылки для его внедрения на месторождениях фосфоритов, боратов, железа и других видов минерального сырья. Уже подобраны растворители практически для всех металлов. Даже для растворения каменного угля можно использовать антраценовое масло.

Однако процессы выщелачивания идут крайне медленно, тогда как вызываемые разнообразными микроорганизмами биогеохимические процессы протекают настолько быстро, что реально их практическое применение. Возник новый раздел технической микробиологии – биотехнология металлов для получения меди, урана, освобождения золота и олова от примесей мышьяка.

Биотехнология охватывает применение живых организмов и (или) продуктов их жизнедеятельности для разложения, выщелачивания минералов и металлов, осаждение их из растворов, изыскания, создания и применения биологических методов очистки сточных вод, биомодифицирование минералов и их поверхностей для обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургии. Биотехнологические методы, как наиболее экологичные, призваны исключить использование цианидов при кучном выщелачивании золота.

В перспективе возможно таким путем добывать золото, цинк, марганец, молибден, скандий, висмут, литий, германий и др. Эти методы значительно снижают потери полезных ископаемых, создают предпосылки для комплексного использования сырья: одновременного извлечения из недр всех необходимых человеку химических элементов.

Ученые установили, что ряд растений накапливает в стеблях и листьях ценные полезные ископаемые. На этом принципе работает своеобразный рудник - плантация в Долине духов (США). Почвы ее богаты селеном – ценнейшим сырьем для производства полупроводниковых элементов. Стоимость одного килограмма селена превышает 100 долларов. Земли в долине засевают астрагалом, жадно усваивающим из почвы селен. Травы несколько раз за лето скашивают, сушат и сжигают. Селен извлекают из золы химическим путем. Годовая «урожайность» 1га – 25 кг селена [7].

Аналогичным путем из некоторых растений легко выделяют соли германия, мировая добыча которого всего несколько сотен килограммов в год [7].

Физико-химические методы добычи полезных ископаемых отличаются экологической чистотой, позволяют избежать выдачи на поверхность пустых пород, исключить присутствие людей под землей, повысить производительность труда, полностью автоматизировать все технологические процессы. Социальные последствия их использования выразятся в изменении места и роли человека-горняка, содержания, характера его труда. Так, подземный труд шахтера будет заменен работой но управлению процессом добычи с поверхности [3].

Важнейшей особенностью геотехнологических способов добычи и производства металлов является возможность использования ранее складированных отходов горно-металлургического производства и забалансовых запасов полезных ископаемых. При этом может быть улучшено состояние окружающей природной среды.

Другой важной особенностью физико-химической геотехнологии является минимальное число технологических процессов и стадий добычи и переработки до получения конечной товарной продукции. Появляется также возможность очень быстрого строительства предприятия или создания установки и налаживания производства с минимальными инвестициями.

Однако экологические последствия применения таких технологий могут быть непредсказуемы, поскольку возможно побочное образование вредных химических соединений и распространение их с поверхностными и подземными водами на сотни километров. Поэтому при оценке эффективности физико-химических геотехнологий следует учитывать отрицательные экологические последствия и мероприятия для их предотвращения или ликвидации. Наиболее перспективны экологически чистые технологии.

В настоящее время сфера использования этих методов ограничена, но можно с уверенностью предположить, что в ближайшем будущем они станут основой технического прогресса в горной промышленности.

Контрольные вопросы и задания

Поясните, что называют минералами, горными породами, полезными ископаемыми.

Дайте классификацию горных пород по происхождению.

Опишите виды полезных ископаемых по физическому состоянию и назначению.

Охарактеризуйте минерально-сырьевую базу России.

Поясните, что называют месторождениями полезных ископаемых. Укажите их формы залегания.

Перечислите элементы залегания месторождений полезных ископаемых.

Сформулируйте разновидности нарушений первоначального залегания горных пород.

Дайте характеристику горных пород как объекта разработки по прочности, трещиноватости.

Укажите показатели, характеризующие кусковатость и степень связности разрушенных пород.

Сформулируйте основные отличия горных предприятий от заводов и фабрик.

Перечислите способы разработки твердых полезных ископаемых.

Опишите сущность физико-химических (геотехнологических) способов добычи минерального сырья, их достоинства и недостатки.

Охарактеризуйте минеральные ресурсы морей и океанов. Поясните целесообразность подводной добычи полезных ископаемых.

2. Общие сведения о технологии открытых горных работ