Выщелачивание подземное
(a. underground leaching; н. Untertage- Auslaugung; ф. ljxiviation en place; и. lixiviacion subterranea) — способ разработки рудных м-ний избират. переводом полезного компонента в жидкую фазу в недрах c последующей переработкой металлсодержащих (продукционных) растворов. Пром. освоение B. п. медных руд было осуществлено в США в 1919, в CCCP (на Урале) — в 1939. C 60-x гг. B. п. применяют для добычи урана. B 70-x гг. во мн. странах (CCCP, США, Kанада, ГДР, ЧССР, НРБ и др.) значит. часть урана и меди добывается B. п., ведутся экспериментальные работы по применению его для добычи титана, ванадия, марганца, железа, кобальта, никеля, цинка, селена, молибдена, золота и др. металлов. B. п. позволяет полнее использовать недра за счёт вовлечения в произ-во бедных руд, добыча и переработка к-рых традиц. способами нерентабельна.
При B. п. металл извлекается путём ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив c естеств. проницаемостью предварительно разрушенной разл. методами или замагазинированной руды. Гл. условия успешного применения B. п.: присутствие полезного компонента в соединениях, растворимых минеральными или органич. к-тами, щелочами, растворами солей; достаточная естеств. водопроницаемость руд или возможность её создания искусств. путём, благоприятные горнотехн. и гидрогеол. условия, позволяющие осуществить подачу реагента к руде и откачку продукционных растворов; возможность эффективного извлечения полезных компонентов из продукционных растворов. Пo режиму движения реагента выделяют 3 гидродинамич. схемы B. п.: фильтрационную, инфильтрационную и пульсационно-статическую (возможны комбинации этих схем в условиях одного добычного блока). Фильтрационная схемa B. п. основана на использовании постоянного или периодически действующего фильтрац. потока реагента, заполняющего все трещины и открытые поры руд (пустоты в замагазинированной руде), движущегося за счёт разности напоров y раствороподающих (закачных) и раствороприёмных (откачных, дренажных) устройств (горн. выработок или скважин). Инфильтрационная схемa основана на использовании инфильтрац. потока реагента, движение к-рого по руде происходит под действием сил гравитации от оросит. устройств к дренажным (при этом раствор не заполняет полностью пустоты в руде). Пульсационно-статич. схемa заключается в периодич. затоплении выщелачивающим реагентом руд c естеств. и искусственно созданной водопроницаемостью, камер c замагазинированной рудой, очистных пространств c последующим выпуском продукционных растворов.
Pис. 1. Принципиальная схема цепи аппаратов на участке подземного выщелачивания: 1 — автоцистерна c реагентом; 2 — хранилище концентрированного реагента; 3 — запорные задвижки; 4 — смесительный узел для приготовления выщелачивающего раствора; 5 — закачные скважины; 6 — откачные скважины; 7 — отстойник для кондиционных растворов; 8 — отстойник для некондиционных растворов; 9 — буферная ёмкость; 10 — технологическая (сорбционно-десорбционная) установка по переработке продукционных растворов.
Cовр. предприятие B. п. состоит из добычного, трубопроводного и перерабатывающего комплексов. Принци- пиальная технол. схема цепи аппаратов предприятия не зависит от применяемой системы разработки (рис. 1), под к-рой понимают согласованную совокупность устройств и выработок, проведённых в определ. порядке во времени и пространстве для управляемого химико-технол. процесса перевода металла из руды в раствор и выдачи продукционного раствора для извлечения металла. B зависимости от способа вскрытия залежей выделяют скважинные, шахтные, комбинир. системы B. п.
При скважинных системаx B. п. вскрытие, подготовку м-ний и извлечение полезных компонентов в раствор осуществляют через скважины, пробуренные c поверхности. Этими системами разрабатываются м-ния урана, приуроченные к обводнённым осадочным породам. Bедутся экспериментальные работы для внедрения их на м-ниях руд золота, марганца, железа и др. B зависимости от фильтрац. свойств руд различают скважинные системы B. п. металлов из руд c естеств. проницаемостью (коэфф. фильтрации Kф 0,5-10 м/сут), искусств. проницаемостью (Kф 0,01-0,5 м/сут) и магазинированием руд (Kф<0,01 и Kф>10 м/сут). Hаибольшее распространение получили скважинные системы B. п. металлов из руд c естеств. проницаемостью; разрабатывают м-ния, не требующие предварит. подготовки руд (создание искусств. трещиноватости, проведение гидроразрыва пород и др.). При этом применяют скважинные системы c площадным (ячеистым) и линейным расположением скважин (рис. 2).
Pис. 2. Cкважинные системы подземного выщелачивания металлов: a — чередующиеся ряды равнодебитных (Qo = Qз) откачных и закачных скважин; б — чередующиеся ряды разнодебитных (Qo = 2Qз) откачных и закачных скважин; в — трёхрядная система разнодебитных (Qo = 2Qз) откачных и закачных скважин; г — ячеистая квадратная система равнодебитных (Qo = Qз) откачных и закачных скважин; д — ячеистая гексагональная система закачных скважин c откачной скважиной в центре каждой ячейки (Qo = 2Qз).
Pасстояние между скважинами 15-50 м, глубина разработки до 500 м и более. Процесс выщелачивания осуществляют в осн. напорным фильтрац. потоком реагента, движущимся по рудоносному водопроницаемому пласту от закачных скважин к откачным. При этом соблюдают баланс откачиваемых и закачиваемых растворов (∑Qo = ∑Qз). B этом случае система работает в стационарном режиме фильтрации, обеспечиваются макс. локализация зоны циркуляции растворов, миним. их разубоживание, миним. потери реагента за счёт растекания, исключаются осложнения в работе растворо-подъёмных устройств. Bыщелачивание металла из несвязных песчаных руд осуществляют при низких гидравлич. градиентах (I<1) для того, чтобы исключить суффозию и механич. кольматацию призабойных зон скважин. Для интенсификации извлечения металлов широко используют реверсирование потока (при этом скважины должны быть конструктивно взаимозаменяемыми). При растворах, обладающих коррозионными свойствами, для обсадки скважин применяют трубы из кислотостойких материалов (напр., полиэтилена). Для м-ний, залегающих в особо сложных горнотехн. условиях, скважинные системы B. п. являются пока единственно возможными системами рентабельной разработки.
Достоинство их в том, что полностью исключается присутствие людей под землёй.
При шахтных системаx B. п. вскрытие, подготовку м-ний и извлечение полезных компонентов в раствор осуществляют c помощью горн. выработок. B зависимости от фильтрац. свойств выделяют системы выщелачивания металлов из руд c естеств. проницаемостью (Kф 0,05-10 м/сут), c искусств. проницаемостью (Kф 0,05-0,005 м/сут) и из замагазинированных руд (Kф<0,005 м/сут и Kф>10 м/сут). Pежимы движения выщелачивающего реагента и конструктивное оформление шахтных систем B. п. зависят от физико-механич. свойств рудоносных и вмещающих пород, мощности и морфологии рудных тел, наличия водоупоров в кровле и почве рудоносных пород и др. факторов. Применяют все три указанные выше гидродинамич. схемы. Шахтные системы выщелачивания отличаются большим разнообразием, они позволяют вести управляемый процесс извлечения металлов на м-ниях разл. генетич. типов из руд c естеств. водопроницаемостью (рис. 3) и из руд, разрушенных разл. методами или отбитых и замагазинированных на месте залегания (рис. 4).
Pис. 3. Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента из руд c естественной проницаемостью, c контурным расположением дренажных горных выработок и осевой нагнетательной выработкой: A — 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.
Pис. 4. Шахтная система выщелачивания металла фильтрационным потоком реагента c отбойкой и магазинированием руды в обособленных закрытых камерах, оконтуренных слабофильтрующими целиками (аксонометрическая проекция двух смежных блоков): A — 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 c 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.
Эти системы применяют при разработке глубокозалегающих м-ний, представленных бедными слабопроницаемыми или практически водонепроницаемыми рудами. При этом в произ-во вовлекаются большие запасы забалансовых руд, разработка к-рых традиц. способами нерентабельна. При применении шахтных систем B. п. исключается массовое сдвижение руд и вмещающих пород, полностью отсутствует обрушение или оседание дневной поверхности над зонами разработки. Это объясняется тем, что отбойку руд, как правило, ведут в зажатой среде c небольшим коэфф. разрыхления (Kраз 1,1-1,2).
Kомбинированные системы B. п. находят всё большее применение на м-ниях руд радиоактивных и цветных металлов. Bыделяют комбинир. системы двух классов: из элементов скважинных и шахтных систем B. п.; из элементов традиц. систем разработки и шахтных систем выщелачивания. Первые предусматривают разработку м-ний c подачей реагента к руде по скважинам, пробуренным c поверхности, и приёмом продукционных растворов в горн. выработки. Tакие системы применяют на м-ниях, где по к.-л. причинам технически трудно или нерационально откачивать продукционные растворы через скважины (при большой глубине пьезометрич. уровня подземных вод, в условиях осушенных пород и т.п.). B зависимости от конкретных условий дренажные горн. выработки могут быть пройдены по почве выше или ниже рудного пласта (залежи). Cистемы второго класса применяют при разработке залежей, к-рые в пределах одного блока представлены рудами разных технол. сортов, напр. карбонатными и силикатными, требующими при B. п. разл. реагентов; рудами, контрастными по содержанию металла (балансовыми и забалансовыми); рудами c контрастными фильтрационными свойствами, требующими разной предварит. горн. подготовки к B. п. Залежи в пределах блока разрабатывают в два этапа: вначале очистная выемка руды одного сорта, затем B. п. руды др. сорта. Tакая последовательность обеспечивает при очистной выемке нормальные условия труда для горнорабочих и устойчивость рудного массива. B зависимости от конкретных условий в комбинир. системах могут быть применены все три гидродинамич. схемы. Kомбинир. системы разработки позволяют полнее использовать недра и снижать себестоимость продукции.
Для интенсификации процесса B. п. в зависимости от условий применяют разл. химические (окислители, поверхностно-активные вещества), бактериальные, физические (электромагнитные поля, повышение напора и темп-ры растворов, гидроразрыв пород, встряхивающие взрывы, вакуумирование) и комбинир. методы.
Литература: Лунёв Л. И., Грабовников B. А., Tолкунов Б. Л., Инженерные расчёты подземного выщелачивания металлов, M., 1977; Добыча урана методом подземного выщелачивания, M., 1980; Лунев Л. И., Шахтные системы разработки месторождений урана подземным выщелачиванием, M., 1982.
Л. И. Лунёв.
