добыча ПИ. Введение. Сказанное определяет актуальность темы настоящей работы
 Скачать 24.4 Kb.
|
|
Введение Перспективы сырьевых отраслей связаны с необходимостью вовлечения в эксплуатацию запасов, характеризующихся низким содержанием полезных и повышенным содержанием вредных компонентов, а также неблагоприятными горно-геологическими условиями. Как правило, новые месторождения расположены в отдаленных необжитых районах, со сложными погодными условиями, что требует огромных капитальных вложений с большими сроками окупаемости. В результате происходит существенное удорожание конечной продукции, в том числе и из-за больших транспортных расходов. Учитывая жесткую конкуренцию производителей минерального сырья на мировых рынках, во многих случаях сбыт такой продукции не покрывает вложенных средств. Увеличивающиеся масштабы горного производства требуют только для складирования пустых пород и отходов отчуждения больших площадей земельных угодий, наносят значительный ущерб водному и воздушному бассейнам. В современном мире информационных технологий, стремительного развития биологии, освоения космического пространства и других наукоемких технологий тяжелый, опасный и сравнительно малоквалифицированный труд шахтеров становится непрестижным. В связи с вышеизложенным, в горной науке и технике возник и развивается новый раздел – физико-химическая геотехнология, который занимается созданием технологий, основанных на новых принципах. Это вскрытие месторождения системой скважин, перевод твердого полезного ископаемого в жидкость, газ или гидросмесь на месте залегания, извлечение полученных продуктов на поверхность через скважины с последующей переработкой на наземных предприятиях в товарную продукцию. Сказанное определяет актуальность темы настоящей работы. Цель написания реферата – ознакомиться с основными понятиями физико-химической геотехнологии, ее теоретическими основами и использованием при решении задач горного производства. 1 Основы применения методов геотехнологии Для геотехнологии характерна универсальность подхода к изучаемым явлениям. На основе изучения процессов добычи полезных ископаемых и воздействия на их параметры химическими и физическими методами в геотехнологии используются методы физики, химии, геотехнологии и горного дела, что позволяет оценить происходящие процессы и дать возможность использовать их изучить и использовать. В настоящее время наибольшее применение нашли следующие геотехнологические методы: подземное выщелачивание - применяется для добычи цветных, редких и радиоактивных металлов; подземное растворение – для разработки соляных месторождений и создания подземных емкостей; подземная выплавка – применяется для добычи серы; подземная газификация – метод добычи полезного сырья из угля, сланца, торфа путем перевода их в газообразное состояние; скважинная гидродобыча – метод добычи, основанный на приведении полезного ископаемого в подвижное состояние путем гидромеханического разрушения. Полезные ископаемые чаще всего находятся в недрах Земли в виде каких-то соединений, которые возникли в результате конкретных геологических процессов - магматизма, метаморфизма, разрушения и седиментации. Число устойчивых природных соединений – минералов – не превышает трех тысяч. Каждый минерал характеризуется своими химическим составом, физическими свойствами и внутренним строением. По химическому составу минералов выделяют простые вещества – сульфиды, галоиды и кислородные соединения, являющие основной массой земной коры. Большинство минералов имеют кристаллическое строение и только некоторые – аморфное. Физические свойства минералов чрезвычайно разнообразны и зависят от их химического состава и строения. Минералы полезных ископаемых находятся в земной коре в виде отдельных кристаллических выделений. Для геотехнологических методов важно знать строение горных пород, которая определяется размерами, формой и взаимным расположением зерен, агрегатов, включений, их сложение и форму залегания. В геотехнологии рассмотрение отдельно взятых горных пород и полезных ископаемых неприемлемо, необходимо исследовать горную среду, представляющих собой одну или несколько гетерогенных систем с различными компонентами, присутствующими в твердой, жидкой или газообразной фазах. При этом наибольшее значение имеют геотехнологические свойства полезных компонентов, поскольку именно они определяют способность полезного ископаемого к фазовым превращениям. 2 Продукты физико-химических методов геотехнологии К продуктам физико-химических методов геотехнологии (ПФХМГ) относятся: - водные пульпы, получаемые при скважинной гидравлической разработке рыхлых песчано-глинистых отложений, углей, извлекаемые компоненты - янтарь, алмазы, золото, минералы черных, цветных и редких металлов, уголь; - рассолы скважинного подземного растворения водой NaCl, КСl, Na2CO3 и других водорастворимых солей; - продукционные растворы подземного и кучного выщелачивания урана, меди, золота и других металлов растворами кислот, щелочей и солей; - расплавы, получаемые при скважинной подземной выплавке серы, озокерита горячей водой, паром; - газы от подземной газификации угля, серы, подземной возгонки ртути, сурьмы и других легколетучих компонентов. Основные особенности ПФХМГ, в отличие от продуктов открытой или подземной разработки месторождений полезных ископаемых и от продуктов гидрометаллургии, заключаются в сравнительно низком содержании целевых минералов и других полезных ископаемых в пульпах, целевых металлов и других ценных элементов в растворах при наличии существенного количества балластных примесей вследствие сравнительно бедного и труднообогатимого (упорного либо техногенного) исходного сырья, малопригодного или непригодного для других существующих способов их разработки или переработки. Особенности схем переработки ПФХМГ: - обязательная рециркуляция маточных водных растворов (воды) вследствие большого соотношения жидкой и твердой фаз на стадии выщелачивания, гидродобычи и т.п., отсюда - обязательное наличие процессов осветления и регенерации растворов (вод); - сравнительно низкое извлечение ценных компонентов из исходного сырья до 70-80%, поскольку это забалансовые труднообогатимые руды и отходы разработки месторождений (вскрышные породы, хвосты обогащения, некоторые сорта окисленных и труднообогатимых руд, а также концентратов), а также вследствие применения упрощенных схем переработки и наиболее простой аппаратуры, передвижных модульных установок. Методы переработки продуктивных растворов: - химическое осаждение металлов (меди, урана, других цветных металлов) с использованием, например, извести, аммиачной воды, сернистым натрием, сероводородом, солями карбонатов или сульфатов; - сгущение и фильтрование путём перемешивания и отсасывания диафрагмовым насосом через фильтры густые осадки (сгуститель); - коагуляция и флокуляция – образование химических осадков из катионно-анионных электролитов или с использованием водорасторимых катионноанионных полимеров в электрическом поле; - флотация заряженных осадков (ионов) пузырьками воздуха в колонках; - цементация - осаждение заряженных ионов на поверхности некоторых заряженных металлов (железо, цинк, медь, магний, алюминий и др.); - гальванохимическое извлечение, то же что и цементация, но с использованием гальванопар (железо-кокс, алюминий-кокс, железо-медь); - сорбция – осаждение металлов на синтетических и природных ионнообменниках-сорбентах: полимерные смолы (катиониты и аниониты); - десорбция – промывка сорбента кислотами или щелочами. 3 Методы физико-химической геотехнологии добычи полезных ископаемыхФизико-химические методы геотехнологии (ФХМГ) - методы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством химических, тепловых, массообменных и гидродинамических процессов, осуществляемых на месте его залегания. Физико-химические методы геотехнологии 1. Разработка месторождений, как правило, ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого. 2. Месторождение - объект добычи полезного ископаемого и место его частичной переработки, так как технология добычи предусматривает избирательное извлечение. 3. Рудник состоит из трех основных элементов: блока приготовления рабочих агентов, добычного поля (рудное тело, где протекает процесс) и блока переработки продуктивных флюидов. 4. Инструментом добычи служат рабочие агенты (энергия или ее носители, вводимые в рабочую зону, например, химические растворы, электрический ток, вода-теплоноситель). 5. Под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают легкой подвижностью и начинают перемешаться. 6. Разработка месторождения зональна и перемещается во времени у добычных скважин, а сам метод определяет размеры и форму рабочей зоны в эксплуатируемой части месторождения. 7. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения параметров рабочих агентов (расход, температура, давление, концентрация и т.д.) и места их ввода в залежь и отбора продуктивных флюидов. Сущность методов ФХГ заключается в переводе полезного ископаемого в подвижное состояние. Эти методы имеют следующие особенности. С точки зрения химической кинетики процесс растворения соли в жидкости можно рассматривать как гетерогенную реакцию, происходящую на границе раздела двух фаз (твердое тело - жидкость). Гетерогенная реакция растворения включает процессы: поступления растворителя к поверхности растворяемого вещества, взаимодействия растворителя и растворяемого вещества (межфазные процессы); удаления растворенного вещества от поверхности растворяемого вещества (диффузионный процесс). Процесс растворения При растворении всегда имеется перемещение жидкой фазы относительно твердой поверхности растворяемого вещества. Даже в случае отсутствия внешних причин, вызывающих движение жидкой фазы, происходит естественная конвекция жидкости, обусловленная тем, что плотность жидкой фазы неодинакова в разных точках внутри раствора. Независимо от характера движения жидкости у границы раздела фаз всегда существует пограничный слой, который оказывает сопротивление диффузии частиц растворимого вещества в массу раствора. При движении рабочих флюидов по рудному телу происходят реакции, при которых соединения полезных ископаемых переходят в растворимые формы, массообмен между рудным телом и рабочим агентом (растворение, физическая десорбция, ионная сорбция) и конвективную диффузию в порах и трещинах. Механизм процесса выщелачивания определяется, структурой и составом растворяемого минерала, характером химической связи в его кристаллической решетке, комплексом физико-химических свойств растворителя. Процесс выщелачивания - обменные реакции (обмен ионами), при которых происходит образование легкорастворимых соединений (взаимодействие окислов и солей металлов с кислотами); - окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит образование легко растворимых соединений за счет передачи электронов от атомов выщелачивающего агента к атомам минерала или наоборот. Вещества, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие — окислителями. В основе выщелачивания могут лежать: Процесс подземной выплавки серы представляет собой исключительно сложное явление, характеризуемое гидродинамическими процессами течения двух несмешивающихся жидкостей - горячей воды и жидкой серы в зоне плавления, вытеснением горячей водой холодной пластовой жидкости вне зоны плавления, процессами теплопереноса в пласте, наличием подвижных границ зон плавления, фазовым переходом твердой серы в жидкое состояние и др. Подземная выплавка серы Подземная газификация представляет собой термохимический процесс превращения угля в горючие газы, пригодные для энергетических или химико-технологических целей. Подземная газификация угля Скважинная гидротехнология (СГТ) является одной из физико-химических технологий, осуществляемых через скважины с помощью гидравлической энергии, используемой для разрушения горных пород в призабойной зоне, пульпоприготовления и выдачи разрушенного материала на поверхность. СГТ подразделяется на скважинную гидродобычу (СГД) полезных ископаемых и строительство и обустройство подземных выработок через скважины (СПВ). Скважинная гидродобыча появилась как альтернатива традиционному открытому и подземному способу. Скважинная гидротехнология низкие капитальные вложения при отработке глубокозалегающих пластов возможность применения мобильного и автономного скважинного гидродобычного комплекса использование серийного технологического оборудования (буровые станки, насосы, компрессоры с электрическим и дизельным приводом) высокий уровень безопасности при производстве горных работ. Основные преимущества СГД В настоящее время во многих странах накоплен значительный опыт добычи и использования тепла Земли для производства электроэнергии и отопления различных объектов, а также извлечения полезных компонентов из геотермальных вод. Возрастающее год от года внимание к теплу Земли связано с его практически неисчерпаемыми ресурсами и не столько с парогидротермами, сколько с теплом глубинных горячих горных пород. Его ресурсы в пределах 10-километрового слоя земной коры определены примерно в 137 трлн. т условного топлива, что на порядок больше всех прогнозируемых топливных ресурсов мира и примерно на столько же больше тепла содержится в подземных горячих водах, которые приурочены к областям молодого вулканизма. Добыча и использование тепла земли Тепло Земли может использоваться в недрах (например, использование глубинных горячих теплоносителей для добычи серы, нефти, выщелачивания металлов или получение электроэнергии с помощью погруженных в скважины теплообменных, термоэлектрических устройств, тепловых трубок) и на поверхности для выработки из добытых теплоносителей электроэнергии или теплоснабжения в различных технологических процессах. Способы извлечения теплоносителя могут быть: фонтанный (самоизлив за счет упругой энергии), откачной (с различными насосами) и гидродинамический (нагнетание по другой скважине в коллектор отработанного теплоносителя). Заключение Очевидно, что в современном мире требуются решения, обеспечивающие эффективность производства с минимизацией воздействия на окружающую среду, например с помощью методов физико-химической технологии. В настоящее время под физико-химической технологией (далее ФХГ) как отдельной наукой понимают средства и способы разработки полезных ископаемых путем перевода их на месте залегания в подвижное состояние посредством физических или химических воздействий, что позволяет добывать их через скважины без ведения вскрышных и горнопроходческих работ. ФХГ в качестве отдельной научной дисциплины сформировалась во второй половине XX века и является логичным путем развития горного дела, обеспечивающим возможность эффективного освоения подземного пространства в местах, где вскрыша продуктивного пласта или его разработка с помощью шахтного метода экономически не эффективна или физически невозможна. Методы ФХГ как одной из ветвей горного дела в настоящее время достаточно актуальны по ряду причин. Во-первых, они обладают меньшим риском воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными методами добычи полезных ископаемых. Во-вторых, конкуренция с традиционными методами незначительна, т. к. границы применимости и экономическая целесообразность подходов сильно отличаются. Наконец, у методов ФХГ существуют перспективы, которые в принципе отсутствуют у традиционных. Горнодобывающая промышленность очень инерционна. Выполнение работ по внедрению новых технологий, материалов и оборудования, экономически приемлемых технических решений и создание под эти решения материальной базы ведется в течение десятилетий. Поэтому для эффективного развития перспективных направлений в будущем уже в настоящее время необходимо начать решение поставленных задач. |