Современный крупный рудник - грандиозное предприятие. В сутки он поглощает до 200 тысяч киловатт-часов электроэнергии, около 2,5 тонны взрывчатых веществ. Ежедневно в больших количествах нужны крепежный лес, рельсы, трубы, металлические стойки, и т. п. Из большинства рудников и шахт на поверхность приходится поднимать не только полезные ископаемые, но, и воду. В Донецком угольном бассейне подъем каждой тонны угля сопровождается откачкой почти 3 кубометров воды, в Пенсильванском бассейне США - 23 кубометров.
Чем глубже в землю уходят рудники, тем дороже обходится разработка. На месторождении Колар в Индии золотую руду добывают с глубины более 3 200 метров. В Южной Африке есть рудник, где горные выработки углубились на 3,5 километра от поверхности. Температура пород в такой шахте более 100° С. Недалеко время, когда шахты будут достигать 5-километровой глубины.
Растут вглубь и карьеры. Некоторые из них ушли вниз на сотни метров.
К руде приходится пробиваться, руду необходимо отбивать от массива, дробить, поднимать на поверхность. Горные разработки требуют больших расходов. К тому же рудники и карьеры наносят тяжелые травмы природе. А нельзя ли обойтись без шахт, без карьеров?
В последние годы все большее развитие получают новые методы добычи полезных ископаемых. Их называют геотехнологическими, а новую область горного дела - геотехнологией.
Наш корреспондент В. ДРУЯНОВ попросил рассказать о геотехнологических методах добычи полезных ископаемых доктора технических наук, профессора В. АРЕНСА, который руководит лабораторией спецметодов добычи Государственного научно-исследовательского института горнохимического сырья.
Тысячи лет люди осваивали недра открытым способом. В начале XX века наибольшее распространение получил подземный способ. Сегодня предпочтение вновь отдано карьерам. Так выглядит спираль развития горного дела.
Следующий виток, на мой взгляд, снова повернет к подземным горным разработкам, но это будет качественно новая ступень. Полезные ископаемые будут добывать геотехнологическими методами.
Почему именно они придут на смену традиционной горной добыче? Прежде всего потому, что геотехнологические методы значительно дешевле. Горнякам все чаще приходится иметь дело с бедными месторождениями. Строить шахты для их разработки просто расточительно.
Новые методы не требуют присутствия людей под землей. Горняк управляет процессом добычи, находясь на поверхности.
Геотехнологические методы добычи практически не наносят ущерба природе. Не нужны шахты, карьеры, нет отвалов из пустой породы.
Сущность новой ветви горного дела лучше всего рассмотреть на примере добычи серы.
Сера в недрах чаще всего встречается в известняках. В светлой крепкой массе она располагается в виде желтоватых прожилок и вкраплений. Серу из этих месторождений добывали обычно так сооружали карьеры, в которых известняк дробили и самосвалами доставляли на обогатительные фабрики. Руду обогащали и затем плавили в автоклавах. Готовый продукт - чистая сера.
Геотехнологический метод добычи серы начинается с проходки скважины, которая пронзает пласт известняка. Ее диаметр - 250 миллиметров. Затем в скважину опускают обсадную колонну (рисунок внизу). Небольшое пространство между колонной и стенками скважины цементируют.
В колонну опускают трубу для горячей воды, она идет до забоя скважины. В эту трубу вставляют вторую, во вторую - третью (как матрешки друг в друга). По второй трубе будет подниматься сера, по третьей - подаваться в скважину воздух.
К забою нагнетают воду с температурой 160 - 170° С. Очень важно, чтобы температура воды, когда она дойдет до пласта известняков, была, как можно выше, но не более 159° С. Сера плавится при 112,8 - 119° С, и тем более при 159°. Но нагрей ее еще на один градус и вязкость серы сразу увеличится в 800 раз. Она не потечет.
Горячая вода доходит по трубе до пласта и через отверстия растекается по сторонам. Она проникает в поры и трещины, омывает серные образования. Сера плавится и начинает стекать в самую нижнюю часть пласта - ее удельный вес в 2 раза больше, чем у горячей воды.
В серном пласте, вокруг ствола скважины, образуется своего рода автоклав воронка, ее стенки - это граница между расплавленной и еще не расплавленной серой. Эти стенки подвижные. Горячая вода все время поступает сюда, вовлекая в процесс плавления все новые части пласта. Воронка непрерывно расширяется, а жидкая сера стекает в нижнюю часть воронки, образуя серную лужу.
Под давлением воды жидкая сера поднимается по трубе вверх на некоторую высоту. Чтобы сера достигла поверхности, в массу серы нагнетают воздух. Смесь «сера - воздух» устремляется вверх. (Это известный метод подъема, он называется эрлифт.)
На поверхности жидкая сера идет на склад или, что гораздо лучше, в железнодорожную цистерну с обогревом. Такие цистерны доставят «тепленький» продукт прямо на химический завод. И сера, готовая к употреблению, попадает в цех.
Цистерны с обогревом уже возят серу с Язовского месторождения Львовской области, где впервые был внедрен метод подземной выплавки серы. Пласт известняков залегает здесь на глубине 200 метров.
Не нужны вертикальные и горизонтальные горные выработки, крепления, горные машины, взрывные работы - вот результат геотехнологического метода. Не нужны обогатительные цеха, в которых серу отделяют от известняка. Не требуются автоклавы. Они создаются прямо в недрах, в массиве рудного тела.
Подземная выплавка резко сокращает технологическую цепочку получения серы. Весь цикл работ по извлечению полезного компонента сконцентрирован в одном месте - там, где залегает ископаемое.
Сера - основа химической промышленности. Ее производство растет во всем мире каждый год на 9 процентов. Три четверти серы идет на изготовление серной кислоты, незаменимой в химическом производстве. Сера нужна при получении искусственного волокна, взрывчатых веществ, азотистых соединений, красителей, резины. Серой обрабатывают сады, виноградники, пищевые продукты.
Выплавить 1 тонну серы под землей в 4 - 5 раз дешевле, чем получить ее обычным способом. В масштабах страны это сулит огромные выгоды.
Геотехнологические методы добычи можно улучшать, совершенствовать. Вот несколько примеров. Горячая вода расплавляет и извлекает не всю серу, скрытую в порах и трещинах известняка. Часть серы остается на месте, прикрепившись к известняку в виде пленок. В нашей лаборатории предложили добавлять в горячую воду поверхностно-активные вещества. В результате выход серы увеличился на 10 - -15 процентов. Никаких особых затрат это не потребовало.
Критики метода подземной выплавки серы справедливо говорили, что он ведет за собой слишком большой расход воды. Действительно, на каждую тонну добытой серы расходуется 10 - 20 кубометров воды.
Столько же приходится откачивать на поверхность. Но поднимаем мы уже другую воду - сильно минерализованную и потому непригодную для повторного использования. Если ее, не очистив, нагревать снова, все трубы вскоре окажутся закупоренными. У меня в кабинете есть труба диаметром 219 миллиметров, проработавшая всего 70 часов. Она словно пробкой забита солями кальция.
Мы предложили добавлять в горячую воду реагент, который держит соли жесткости во взвешенном состоянии. Молекулы реагента, словно спасательные круги, поддерживают частицы солей и не дают им прикипать к стенкам трубопровода. Поэтому воду, отработавшую свое в недрах, можно снова нагревать и направлять в скважину. Это делает метод подземной выплавки серы еще более эффективным.
Не все месторождения серы можно выплавлять из недр. Есть такие месторождения, например, часть Гаурдакского месторождения в Туркмении, которые лежат выше уровня подземных вод. Горячая вода, попав в пласт, быстро испаряется, не успев передать тепло руде. На Язовском месторождении этого не происходит потому, что в горизонте с серой есть подземные воды, создающие в пласте давление 10 - 25 атмосфер. При таком давлении вода, нагретая до 200°С, еще не закипает.
Серу не обязательно плавить - ее можно сжигать под землей, на поверхность будет выходить газ SO2. Он годится для получения серной кислоты, моющих средств и используется в холодильной технике.
Серу поджигают в нижней части одной из скважин. К очагу горения по трубе идет воздух под давлением. Он заставляет образующийся газ проникать в поры и трещины пласта. На поверхность газ выходит через другие скважины, расположенные по соседству с первой. Затем он по трубам идет на завод.
Разработан первый проект подземного сжигания серы на Гаурдаке. Его впоследствии предполагают применить на серных месторождениях на Средней Волге. Это громадная провинция серосодержащих руд. Ее запасы - 300 миллионов тонн, но содержание полезного компонента довольно низкое. Добывать волжскую серу новым методом будет выгодно.
Доставлять тепло в серный пласт не обязательно горячей водой, можно газами, паром, рассолами. Можно и электричеством.
Два графитовых электрода (цилиндры высотой 3 метра) опускают в скважины. Между этими электродами оказывается участок пласта. От генератора высокой частоты подается ток. Между графитовыми цилиндрами образуется высокочастотное электромагнитное поле, расплавляющее серу. Эффект известный жидкая сера стекает вниз и затем поднимается по трубе на поверхность. Думается, что этот метод будет широко применяться, особенно на месторождениях с плотным известняком, через который не просачивается вода.
Геотехнологические методы применимы в тех случаях, когда твердое полезное ископаемое удается сделать подвижным, то есть перевести его в состояние расплава, раствора, в газообразное состояние.
Я считаю, что любая руда поддается такому преобразованию, к любому минеральному компоненту можно подобрать соответствующий «рабочий агент», который сделает полезное ископаемое «подвижным»
В случае с серой таким «рабочим агентом» служит горячая вода, в других случаях могут быть растворы серной, соляной, азотной кислот или щелочи едкий натрий, едкий калий или различные соли. Эти соединения будут растворять нужное для добычи вещество (только его), и выносить с собой, оставляя нетронутой окружающую породу.
Скажем, медь выщелачивается растворами сульфата окисного или закисного железа, иногда к ним добавляют серную кислоту. С помощью растворов серной кислоты можно извлекать из недр уран и железо.
Опыт показывает, что подземное выщелачивание можно применять очень широко. В капиталистических странах так добывается 15 процентов всей меди. В США, например, с помощью геотехнологических методов получают пятую часть всей меди, 4 тысячи тонн урана.
У нас в стране широко распространены бурожелезняковые руды, В Западной Сибири и Аятском бассейне их запасы оцениваются в сотни миллиардов тонн. Разрабатывать эти руды обычными способами невыгодно, потому, что они бедные. Решить проблему можно, если привлечь на помощь геотехнологию. Бурожелезняковые руды хорошо пропускают газ и жидкость. И главное, все рудные минералы легко растворимы в кислотной среде. Железо, ванадий, фосфор растворяются, соединения кремнезема, кальция выпадают в осадок. На поверхности можно получать чистый раствор железа.
Добыча полезных ископаемых станет дешевой, бездымной, бесшумной, не загрязняющей среду обитания.
Процессы выщелачивания можно различными способами ускорить в несколько раз. Полезного компонента при этом удается извлекать больше.
В США, в штате Аризона, рудное тело, лежащее на глубине около 400 метров и содержащее медь, разбили ядерным взрывом. На глубине получилась область с раздробленной рудой (диаметр - 67 метров, высота - 150 метров). Затем началось выщелачивание меди, которое давало в сутки 25 тонн металла.
У нас, на Дегтярском руднике, проводился опыт по интенсификации процесса выщелачивания меди с помощью бактерий. Из бактериального прудка невидимые работники в растворе направляются в скважины, которые пробурены в рудном теле. Там бактерии переводят медь в раствор, точнее, ускоряют этот переход. Жидкая руда стекает в горную выработку, лежащую ниже, откуда ее выкачивают на поверхность. Без помощи бактерий производительность установки была бы в полтора раза меньше.
Бактериям «по зубам» оказались многие элементы, в том числе и золото, о чем говорят эксперименты, проведенные в Дакаре.
Чтобы придать руде подвижность, ее можно раздробить, разжижить и откачать наверх в виде пульпы. Дробить руду под землей может не только взрыв, но и струя воды, вибрация, ультразвук.
В нашей лаборатории разработаны гидромониторы, которые можно опустить в скважину и там на нужной глубине они создают такую струю, которая разрушает породу. Гидромониторное устройство имеет три насадки. Первая мощной струей пробивает отверстие в рудном массиве, вторая расширяет его, третья смывает куски и направляет их в сторону соседней скважины. Образуется полость, заполненная разжиженной рудой. Как только эта полость доходит до второй скважины, пульпу начинают откачивать наверх.
После того, как проделан проход к соседней скважине, гидромонитор поворачивают на 5 - 10°, и вновь идет подрезка пласта. После 2 - 3 таких операций толща руды оказывается подрезанной и обрушивается вниз. Раздробленную рудную массу откачивают -наверх. Затем пульпу транспортируют на обогатительную фабрику. Оборудование поднимают наверх. Весь технологический цикл повторяется на соседнем участке.
В этом году начал работать опытно-промышленный участок на Кингисеппском комбинате «Фосфорит». Новым способом удастся добывать руду даже из тех пластов Кингисеппского месторождения, которые затоплены Нарвским водохранилищем.
Чтобы сделать водную струю еще более работоспособной, предложено добавлять в нее измельченный абразивный материал. Есть идея снабдить гидромонитор «воздушным пузырем», который усилит эффект дробления.
По мнению некоторых польских специалистов, фосфориты будет легче добывать, если пласт предварительно обработать кислотой растворятся цементирующие вещества.
В Институте гидродинамики Сибирского отделения АН СССР проведены работы по бесшахтной разработке погребенных россыпей. Опыт основан «а свойстве песков-плывунов заполнять свободное пространство, если таковое окажется рядом. Свободную полость создавали скважиной. Затем в нее опускали два трубопровода. По одному из них под напором поступала вода, а по центральной трубе наверх откачивалась пульпа. Расчеты показали, что одна скважина такого рода может работать 8 лет подряд. И плывун каждый час будет поставлять к скважине 20 кубометров песка.
Тюменским нефтеразведчикам необходим песок. Из него они сооружают на тюменских болотах основания для своих тяжелых буровых вышек. Песок есть буквально под ногами - он лежит на глубине 40 метров под слоем вечной мерзлоты. Пробиться к нему сквозь болота и мерзлые породы, и трудно, и дорого. Скважинная гидродобыча решает эту проблему.
Подземная газификация угля - также один из методов геотехнологии. Предложена она была еще Д. И. Менделеевым, однако до сих пор не получила промышленного применения. Причина в том, что газ, полученный от сжигания угля под землей, хуже и дороже природного.
В настоящее время в нашей стране действуют пять станций «Подземгаз». Их мощность невелика. Но подземная газификация и не противостоит обычным способам разработки угольных месторождений - она их дополняет. В некоторых случаях ее выгодно применять отдельно, в других - совместно с традиционной добычей.
Кроме газа, на станциях подземной газификации можно получать очень ценные химические вещества фенолы, бензолы, пиридины, серу, жирные кислоты и т. д. Значит, станция подземной газификации, по сути дела, энергохимический комбинат.
На очереди подземное сжигание горючих сланцев, которых в Советском Союзе очень много - около 50 месторождений с запасами в миллиард тонн. Добывать сланцы обычными методами во многих случаях экономически не оправданно. Между тем при сжигании они выделяют тепла много больше, чем, какое-либо другое топливо, высокосортных жидких и газообразных продуктов.
Выдвинута идея геотехнологическими методами добывать битумонефтеобразные вещества, которых, например, только в Башкирии 250 миллиардов тонн. Как добывать это вязкое вещество? Подземным сжиганием с помощью пара, горячей воды или микроорганизмов? Во всяком случае, обычные горные методы тут неприменимы.
Трудно перечислить все виды полезных ископаемых, которые можно добывать геотехнологическими методами. Их список все расширяется. Геотехнология - порождение физики и химии завтра эти развивающиеся области науки могут предложить новые способы, новые «рабочие агенты», которые вовлекут в сферу геотехнологии новые руды.
ЛИТЕРАТУРА
Аренс В. «Подземная выплавка серы», М„ «Недра», 1973.
Курицына Л., и Гвоздев Н. «Отработка серных месторождений методом подземной газификации». Сборник «Проблемы геотехнологии». М„ 1972.
Материалы Всесоюзной конференции по физико-химическим методам разработки месторождений полезных ископаемых, М. 1970.
