Основные понятия и определения. 1.2.1 Геотехнологические методы (ГМ) — методы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуществления на месте
1.2.1 Геотехнологические методы (ГМ) — методы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуществления на месте его залегания в недрах тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов. ГМ позволяют осуществлять процесс выемки и выдачи полезного ископаемого из недр через скважины.
1.2.2 Геотехнология — наука о ГМ добычи полезных ископаемых и средствах их осуществления без присутствия людей под землей. Эта дисциплина наряду с горной средой, геотехнологическими процессами добычи и средствами их осуществления изучает химию и физику протекающих при этом в недрах земли явлений. Таким образом, предметом геотехнологии как науки является изучение различных реальных объектов (месторождение, методы, средства добычи, процессы, явления и т.д.) горной промышленности, рассматривать которые надо во взаимосвязи с физико-геологическими условиями.
Наиболее полно характеризовать условия залегания месторождения полезных ископаемых при его разработке можно, используя понятие «физико-геологическая обстановка», которое включает в себя характеристику геологических, гидрогеологических и геотермических условий залегания месторождения, а также физических и химических свойств полезного ископаемого и вмещающих его пород, рассматриваемых во взаимосвязи с возможными методами разработки.
Часть месторождения в зоне целенаправленного изменения состояния полезного ископаемого, представленная горной породой и насыщающими ее флюидами, которым свойственны определенные термодинамические условия, правомерно характеризовать понятием горная среда. В отличие от горной породы, представляющей собой различные минеральные ассоциации, горная среда— эта одна или несколько гетерогенных систем с различными компонентами, присутствующими в твердой, жидкой и газообразной фазах.
Совокупность горной среды, физических или химических процессов добычи и средств для их реализации следует трактовать как геотехнологическую систему. Это понятие в полной мере отвечает представлению о системах вообще как состоящих из взаимосвязанных частей и представляющих собой замкнутое целое. Выделенные элементы геотехнологической системы обладают внешними и внутренними связями, которые в процессе разработки месторождения обмениваются между собой веществом и энергией.
В геотехнологической системе следует выделить ряд основных элементов. Например, отдельным элементом являются узлы приготовления рабочих агентов и переработки продуктивных растворов. Основным элементом является транспортная магистраль. Как правило, это скважина, пробуренная на месте залегания полезного ископаемого и открывающая доступ рабочих агентов к залежи, а полезного ископаемого — на поверхность. Особо важен горный элемент — часть горной среды, охваченной воздействием рабочих агентов, которую можно назвать рабочей зоной. Рабочую зону, т.е. некоторую ограниченную часть горной среды, можно описать, пользуясь представлением о фазах, из которых она образована. Как известно, фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами. Так, если призабойная часть разрабатываемого месторождения заполнена рабочим агентом — водой, разрушенным полезным ископаемым — рудой и воздухом, то рабочая зона состоит из трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Составные части рабочей зоны — это различные фазы, образующие данную систему.
Компоненты системы — вещества, из которых можно образовать все фазы данной системы. Свойства компонентов системы веществ — это их характерные качества. Физические свойства — это свойства внутренне присущие данному веществу (к таким свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность и т.д.). Свойства веществ, характеризующие их способность участвовать в химических реакциях (процессах превращения одних веществ в другие) называют химическими.
Свойства полезных ископаемых, определяющие их способность переходить в подвижное состояние с помощью размыва, растворения, выщелачивания, горения, плавления, возгонки и т.д., мы называем геотехнологическими свойствами полезных ископаемых.
1.2.3 Геотехнологические процессы, перевода полезных ископаемых в подвижное состояние можно подразделить на: тепловые, массообменные, химические и гидромеханические. Тепловые процессы определяются законами теплопередачи. Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется дача тепла теплоносителем. Массообменные (диффузионные) процессы характеризуются переносом полезного компонента из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной (лимитирующей) стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия извлекаемого компонента. Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамикой процесса и теплообменом. Химические (реакционные) процессы определяются законами химической кинетики, однако в подземных условиях этот процесс зависит от гидро- и термодинамических условий протекания реакций. Гидромеханические процессы определяются законами гидродинамики — науки о движении жидкостей и газов.
Основной принцип геотехнологии можно сформулировать как исследование процесса добычи и изменений горной среды под влиянием рабочих агентов с целью перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и извлечение его на поверхность, причем одно из возможных превращений для данной геотехнологической системы является доминирующим и определяет ее изменение.
Исходя из названного принципа, в геотехнологии следует выделить три основных направления. Во-первых, изучение влияния физико-геологической обстановки и горной среды на процесс перевода полезного ископаемого в подвижное состояние. Во-вторых, изучение собственно превращений химического и физического характера (установление природы процесса и последовательность протекания отдельных стадий). В-третьих, изыскание средств осуществления процессов добычи. Конечной целью геотехнологии как прикладной науки является развитие ГМ добычи, их прогнозирование и оптимизация параметров технологии.
Между установлением возможности фазового превращения того или иного полезного ископаемого и осуществлением технологического режима стоит решение целого комплекса научных, технических и экономических вопросов. Это—проблемы выбора рабочих агентов и способа их доставки к рудному телу, управления технологическим процессом добычи (движением рабочих агентов в массиве, транспортирования полезного ископаемого из горного массива на поверхность), переработки продуктивных флюидов, здания систем разработки, которые характеризовались бы высокой технологической эффективностью и экономической рентабельностью.
1.2.4 Методы, геотехнологии. Для геотехнологии характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов и средств бесшахтной добычи полезных ископаемых и воздействия на их параметры химическими и физическими методами в геотехнологии используются методы физики, химии, геологии и горного дела, что позволяет количественно оценить происходящие процессы и дать возможность их изучить и использовать.
В настоящее время наибольшее применение нашли следующие геотехнологические методы:
— подземное выщелачивание—метод добычи полезных ископаемых избирательным растворением их химическими реагентами на месте залегания с извлечением на поверхность продукционных растворов. Подземное выщелачивание относится к фильтрационным процессам и основано на химических реакциях «твердое тело — жидкость». В основном оно применяется для добычи цветных, редких и радиоактивных металлов. Бактериальное выщелачивание—метод интенсификации выщелачивания с помощью микроорганизмов;
— подземное растворение — метод добычи полезных ископаемых растворением его на месте залегания (применяется для разработки соляных месторождений и создания подземных емкостей);
— подземная выплавка — метод добычи легкоплавких минералов посредством подачи теплоносителя по скважинам в залежь и извлечение полезного ископаемого на поверхность в виде расплава (применяется для добычи серы (метод Фраша), вязких углеводородов);
— подземная газификация — метод добычи полезных ископаемых путем перевода их в газообразное состояние (например, подземный термохимический процесс перевода угля в газ, пригодный для энергетических и химико-технологических целей, идея которого принадлежит Д.И. Менделееву (1888 г.);
— скважинная гидродобыча — метод добычи, основанный на приведении полезного ископаемого в подвижное состояние путем гидромеханического воздействия и выдачи в виде гидросмеси на поверхность.
Такое полезное ископаемое, как тепло Земли входит в сферу геотехнологии. Использовать тепло Земли, можно утилизируя природные парогидротермы, а также (идея академика В.А. Обручева) тепло глубинных «сухих» горных пород.
Заслуживают изучения такие перспективные методы, как гидрогенизация угля и битумов на месте их залегания, скважинная добыча углей воздействием на них углеводородов, использование земных недр в качестве реакторов для осуществления технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях.
Источник
Сущность и значение геотехнологических методов добычи полезных ископаемых
Задаче интенсификации горного производства и дальнейшего повышения эффективности разработки месторождений полностью отвечают развивающиеся в последние годы новые, так называемые геотехнологические способы добычи минерального сырья. Они основаны на переводе полезных ископаемых на месте их залегания посредством осуществления тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов в жидкое или газообразное состояние, удобное для транспортирования и дальнейшей переработки. Добыча полезных ископаемых геотехнологическими методами производится, как правило, через скважины, буримые с поверхности до месторождения.
Геотехнологические методы возможны при подземной газификации углей, кислотном и бактериальном выщелачивании металлов, расплавлении серы, извлечении минеральных продуктов из термальных вод и вулканических выделений, добыче калийных солей растворением с последующим выкачиванием раствора и выпариванием его на поверхности. Например, при гидравлической добыче серы все операции по проходке стволов, развитию сети горных выработок, систем выемки и транспорта заменяются двумя операциями: бурение скважин и нагнетание горячей воды в пласт с последующей откачкой расплавленной серы на поверхность. При этом ликвидируется вообще постоянное присутствие людей под землей, за исключением производства ремонтных работ.
Геотехнологические методы позволяют вовлечь в эксплуатацию месторождения, залегающие в особо сложных условиях, с непромышленным содержанием руд, расширить добычу рассеянных элементов. В связи с этим в мировой практике прослеживается тенденция перехода от классической горной технологии к геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых.
Сейчас в этом направлении наиболее продвинутыми и освоенными являются следующие принципиально различные геотехнологии:
а) скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых;
б) подземное скважинное выщелачивание металлов, в частности, урана;
в) наземное кучное выщелачивание металлов (например, золота);
г) подземная газификация углей;
д) подземное сжигание угольных пластов;
е) получение синтетических жидких топлив из углей.
Совершенно очевидно, что бесшахтные способы добычи полезных ископаемых исключают присутствие людей в подземных условиях или в открытых горных выработках.
При подземном скважинном выщелачивании металлов, кроме того, появляется возможность извлекать их из очень бедных руд и не выдавать на поверхность какие-либо отходы.
В технологиях скважинной гидродобычи люди также не присутствуют в подземных выработках, но на поверхность выдаются только полезные для переработки руды или другие ископаемые, что существенно снижает объемы складируемых отходов.
Понятно также, что невозможно сразу быстро перейти на геотехнологические методы бесшахтной добычи полезных ископаемых. Этот переход будет эволюционным, постепенным, но неотвратимым, так как в противном случае не будут обеспечены основные экономические требования к горнодобывающим предприятиям — их рентабельность и прибыльность.
Источник
Основные характеристики и определения
Геотехнология – это наука о скважинных системах добычи энергетических, минеральных и водных ресурсов недр Земли. Она изучает физико-химические процессы добычи полезных ископаемых, средства для ее осуществления и горно-геологическую среду – геологическое строение, гидрогеологические условия, температуру, давление, физические и химические свойства горного массива и насыщающих его растворов.
Под геотехнологическими способами понимают способы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов на месте его залегания без присутствия людей.
Геотехнологический комплекс по добыче полезных ископаемых – это совокупность технологических процессов, операций и средств их реализации, обеспечивающая циклическую разработку продуктивных пластов методами геотехнологии. Такой комплекс включает в себя наземные и подземные сооружения для выполнения следующих основных технологических процессов: 1) бурение скважин, подготовка и регенерация рабочего флюида (теплоносителя, растворителя), закачиваемого в продуктивный (технологический) пласт (залежь, рудное тело); 2) перевод полезных компонентов с помощью геотехнологических процессов на месте залегания пласта (залежи) в жидкое, газообразное или диспергированное состояние и откачки (выдачи) их на поверхность; 3) переработка продуктивных флюидов (экстракция, электрохимия, сорбция, электрометаллургия, охлаждение, конденсация и др.) с отбором рабочего агента (флюида) для повторного использования в технологическом цикле.
Геотехнологические свойства полезных ископаемых – это те свойства, которые позволяют переводить полезные ископаемые в легкоподвижное состояние с помощью растворения, выщелачивания, плавления, сжижения, размыва, горения, возгонки и т.д.
Наиболее освоенные геотехнологические способы добычи полезных ископаемых: подземное выщелачивание (способ избирательного извлечения полезных ископаемых на месте их залегания с помощью химических реагентов и выдача обогащенного продукционного раствора на поверхность); подземное растворение (способ извлечения солей растворением через скважины); подземная выплавка (способ добычи твердых легкоплавких полезных ископаемых закачкой теплоносителя по скважинам в пласт и выдачей расплава на поверхность в жидком виде); подземная газификация (способ добычи твердых горючих ископаемых путем высокотемпературного перевода его в газообразное состояние); скважинная гидродобыча (способ, основанный на механическом разрушении пласта полезного ископаемого в забое скважины с помощью гидромониторных струй с последующим подъемом гидросмеси на поверхность).
В основу классификации геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых положены технологические процессы, с помощью которых добывается конечный продукт в жидком, газообразном или диспергированном состоянии. К ним относятся:
§ химические (термохимические, термические, электрометаллургические, гидрометаллургические);
§ физико-химические, относящиеся к комбинированным (гидрометаллургические с наложением на рабочий пласт электрических, электромагнитных и акустических полей);
§ гидромеханические в сочетании с гидрометаллургическими (гидродобыча руд одновременным выщелачиванием, гидрогенизация);
§ бактериально-химические, т.е. безреагентное выщелачивание и растворение металлов, солей; создание искусственных месторождений полезных ископаемых);
§ физические (термические – плавление, перегонка, испарение, конденсация, возгонка; гидромеханические – гидродобыча песка, угля, торфа и др.).
Геотехнологический объект – это сложная система, состоящая из динамически связанных между собой подсистем, каждая из которых характеризуется специфическими процессами, а именно:
§ бурением скважин, проведением горных выработок;
§ фазовым превращением полезных ископаемых в горном массиве;
§ транспортированием продуктивных флюидов из горного массива на поверхность;
§ получением из продуктивных флюидов полезных компонентов.
К основным причинам низкой организационной надежности геотехнологических систем можно отнести следующие: 1) слабая организационно-техническая подготовка производства; 2) неуправляемость отдельных технологических операций, различные отклонения от заданных режимов; 3) изменяющиеся во времени интенсивность отказов оборудования и затраты времени на его восстановление, что обусловлено постепенным износом или случайными отказами техники; 4) разброс индивидуальной производительности отдельных рабочих, различия индивидуальной производительности.
Добыча полезных ископаемыхведется через вертикальные, наклонные и ориентированные (наклонно-горизонтальные) скважины. Подача рабочих агентов (теплоносителей, растворителей, воздушного дутья) к полезному ископаемому и транспортировка продуктивных флюидов на поверхность могут производиться как по одной, так и по нескольким скважинам. При этом полезное ископаемое выдается после перевода его из твердого состояния в подвижное (миграционное): жидкое, газообразное, взвешенное. Однако неоспоримые преимущества геотехнологических способов осложняются тем, что образовавшиеся подземные полости (пустоты) заполняются обрушившимися горными породами, что вызывает в свою очередь сдвижение вышележащего массива горных пород, просадку поверхности с разрывом или без разрыва сплошности и нарушение колонн обсадных труб технологических скважин.
Влияние на сдвижение пород особенно ощутимо при геотехнологической разработке мощных пластов полезных ископаемых).
С другой стороны, агентами воздействия на продуктивные пласты являются выщелачивающие или размывающие растворы, содержащие различные по составу и концентрации химические соединения. Это создает предпосылки для загрязнения водоносных горизонтов и земной поверхности. Отсюда следует необходимость установления гидравлической взаимосвязи пласта полезного ископаемого или водоносного горизонта, к которому он приурочен, со смежными водоносными горизонтами.
Освоение геотехнологических способов добычи полезных ископаемых сводится к созданию соответствующей технологической схемы процесса. Она заключается в следующем. В продуктивном пласте бурят ряд скважин предназначенных для нагнетания рабочего агента (инъектирование теплоносителей при подземной выплавке серы или при использовании вторичных и третичных методов повышения нефтеотдачи пластов, нагнетание выщелачивающих растворов и т.д.) и для извлечения полезного компонента (угольного газа при подземной газификации, подземных термальных вод, растворенной соли и т.д.).
Способы воздействия на продуктивную залежь делят на шесть групп: импульсные (ультразвуковая, электроразрядная обработка горных пород); взрывное воздействие одиночными и групповыми зарядами, применение пороховых генераторов давления; гидроразрыв пластов; кислотная обработка; термическое воздействие на пласт; применение поверхностно-активных веществ. Возможно использование комбинированных способов воздействия на продуктивную зону: кислотный или импульсный гидроразрыв и т.п.
Из всех указанных способов воздействия на пласт широкое распространение получили наиболее простые, динамические способы. Особое место среди таких способов занимает энергия взрыва, которая позволяет не только сократить подготовительный период на выполнение тех или иных технологических операций, но и резко повысить эффективность воздействия за счет направленного изменения физического состояния горных пород.
Строительство геотехнологических комплексов начинается с бурения скважин, которые являются основными вскрывающими выработками. В продуктивный пласт по скважинам подаются специальные реагенты (техническая вода, пар, теплоноситель, кислоты, щелочи, воздух, кислород и др.) и опускается технологическое оборудование для эффективного воздействия на залежь (механическим, химическим, гидравлическим, микробиологическим, термическим и другими способами), которое обеспечивает перевод полезного ископаемого в подвижное (миграционное) состояние и извлечение на поверхность продуктивных флюидов.
Вскрытие месторождений осуществляется вертикальными, наклонными, ориентированными (наклонно-направленными) скважинами и их комбинацией, а также с использованием подземных горных выработок.
Скважины глубиной до 45-50 м относятся к мелким, 50-100 м – к неглубоким, 100-200 – средней глубины, 200-400 м – к глубоким, 400-600 м –к очень глубоким, 600-2000 м – к весьма глубоким и свыше 2000 м – к сверхглубоким. Обычно их располагают на небольшом расстоянии одна от другой: 17,5х17,5 м; 20х20 м; 40х40 м и более. Срок службы геотехнологических скважин различен – от нескольких суток (СГД) до 10-30 лет (ПРС).
Скважины бурят с начальным диаметром 490 мм (не более), 393,7; 295,3 мм и конечным 320; 215,9 (190,5) мм. Для бурения применяют буровые установки роторного типа УРБ2А-2, УРБ-3АМ, 1БА-3АМ, 1БА-15В, УБВ-600 (ПВС, СГД, ПВ), шпиндельного типа ЗИФ 1200А, УИТ-40М (ПГУ), а также тяжелые буровые установки БУ-50, БУ-75 БР, БУ-125.
Подготовка месторождения к эксплуатации – комплекс работ, включающий бурение скважин по полезному ископаемому и их обустройство, создание каналов проницаемости, увеличение приемистости скважин и доразведку геотехнологического поля.
Бурение геотехнологических скважин по пласту полезного ископаемого производят после обустройства скважины (установки обсадной колонны, тампонажа кольцевого затрубного пространства и проверки ее герметичности).
После окончания бурения по пласту полезного ископаемого скважину очищают и опускают в нее эксплуатационные колонны труб. Трубы монтируют на муфтовых, сварных и ниппельных соединениях с нанесением на резьбовые соединения специальной высококачественной смазки, которая обладает хорошими уплотнительными и противозадирочными свойствами. На поверхности монтируются технологические трубопроводы, присоединяемые к оголовкам скважин через устьевую арматуру.
Под системой разработки при геотехнологической добыче полезных ископаемых понимается схема расположения технологических скважин и определенный порядок введения их в эксплуатацию, увязанный в пространстве и во времени. Обычно полезные компоненты извлекаются из продуктивного пласта и процесс добычи управляется через технологические скважины, пробуренные с поверхности. В отдельных случаях (при подземном выщелачивании металлов) системы разработки могут быть подземными, когда вскрытие осуществляется подземными горными выработками, или комбинированными, когда продуктивный пласт вскрывают подземными горными выработками в комбинации со скважинами, пробуренными с земной поверхности.
Дата добавления: 2016-10-07 ; просмотров: 1835 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
