Подземное выщелачивание полезных ископаемых

Наиболее широко подземное выщелачивание применяется при добыче урана. В первую очередь это относится к месторождениям гидрогенного генезиса, представленным бедными или убогими рудами, а также месторождениям, залегающим в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Метод подземного выщелачивания (ПВ) начал разрабатываться с 1962 г. Подземное выщелачивание — геотехнологический способ добычи урана путем избирательного его растворения химическими реагентами из руд на месте их залегания и последующего извлечения из урансодержащих растворов.

На некоторых месторождениях построены предприятия и ведется добыча урана способом подземного выщелачивания. На ряде месторождений проведены опытно-промышленные работы по добыче урана этим способом. На отдельных предприятиях ПВ стало основным методом добычи урана. Несомненно, что число таких предприятий будет увеличиваться с увеличением добычи урана.

Основными преимуществами способа ПВ перед традиционными открытой и подземной разработкой являются:

1) вовлечение в разработку бедных, убогих и забалансовых руд, а также месторождений, характеризующихся сложными условиями залегания и имеющих крупные запасы урана по вполне приемлемой стоимости единицы конечной продукции, что значительно расширяет сырьевую базу;

2) снижение в 2—4 раза капитальных вложений на строительство предприятий и, следовательно, сокращение сроков строительства;

3) повышение в 2—4 раза производительности труда по конечной продукции и соответствующее сокращение численности работающих;

4) значительное улучшение условий труда на предприятиях, добывающих уран;

5) уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду, особенно на поверхность земли и воздушный бассейн.

Обзор способов подземного выщелачивания при добыче полезных ископаемых изложен в ряде публикаций.

Разработка месторождения способом подземного выщелачивания возможна при следующих основных условиях:

♦ подлежащий извлечению металл присутствует в рудах в форме минералов, легко разрушающихся слабыми водными растворами выщелачивающего реагента;

♦ входящие в состав руд породообразующие материалы имеют низкую кислотоемкость в условиях взаимодействия с технологическими растворами;

♦ руды либо обладают естественной проницаемостью, либо становятся растворопроницаемыми после искусственного раздробления;

♦ условия залегания руд и горно-техническая обстановка в районе месторождения могут быть рационально использованы для осуществления всех процессов геотехнологии.

Хорошая растворимость в подземных водах минералов, содержащих уран, отмечена еще В.И. Вернадским. Среди урановых минералов в месторождениях, отрабатываемых способом ПВ, следует отметить: оксиды урана — настуран и уранинит; силикаты урана — коффинит и ненадкевит. Главнейшим из них является настуран.

Все многообразие урановых месторождений классифицируется по технологическим группам, типам и подтипам, как это приведено в табл. 7.1.

При ПВ необходимо соблюдать баланс откачиваемых и закачиваемых растворов, т.е. суммарные расходы откачных и закачных скважин должны быть одинаковы (). При продуктивные растворы разубоживаются за счет привлечения пластовых вод из безрудной части месторождения.

При происходит утечка закачиваемого в пласт технологического раствора за пределы рудной залежи. Несоблюдение баланса, как следует из сказанного, недопустимо.

Система разработки месторождения (или его части) способом ПВ — совокупность вскрывающих, подготовительных выработок и определенный порядок их проведения и эксплуатации, увязанный во времени и пространстве с управляемым химико-технологическим процессом перевода металла из руды в раствор.

Системы ПВ различаются между собой по большому числу признаков, но важнейшими из них являются: принципиальные схемы вскрытия месторождений, способы подготовки рудных залежей к выщелачиванию (с естественной или искусственной проницаемостью), а также схемы движения растворов.

Схемы вскрытия ПВ можно подразделить на скважинные с поверхности, шахтные и комбинированные. Шахтные схемы вскрытия предусматривают проведение подземных горных выработок с поверхности (вертикальные и наклонные стволы, штольни). При комбинированных схемах вскрытия используются как подземные горные выработки, так и скважины, пробуренные с поверхности. Очевидно, что последние два вида схем вскрытия не вполне соответствуют определению геотехнологических способов и в дальнейшем не рассматриваются. Процесс подготовки месторождений к отработке способом ПВ через скважины, пробуренные с поверхности, включает, кроме бурения и обвязки скважин поверхностными коммуникациями, оснащение узлов рабочим (технологическим и контрольно-измерительным) оборудованием и приборами. Подготовка рудных залежей к выщелачиванию включает также первую стадию закисления эксплуатационного блока, создание временных гидрозавес для ограничения движения или направления растворов и в ряде случаев расчленение рудовмещающих пород гидроразрывом.

Таблица 7.1

Классификация урановых месторождений, отрабатываемых
способом подземного выщелачивания

Технологическая группа (по проницаемости руд для растворов)	Технологический тип (по условиям образования скважности и составу рудовмещающих пород)	Технологический подтип (по форме рудных тел)
1. Месторождения с естественной проницаемостью: рудные тела проницаемы для растворов (К_ф>0,1 м/сут)	1. Месторождения с поровой проницаемостью рудных залежей в песках.	1. Месторождения с выдержанными простыми пластообразными залежами
2. Месторождения с выдержанными тектонически осложненными пластообразными залежами
3. Месторождения с разобщенными небольшими пластообразными и линзообразными рудными залежами
2. Месторождения с по-ровотрещинной проницаемостью рудных залежей в песчаниках и алевролитах	Месторождения с выдержанными тектонически осложненными пластообразными рудными залежами
3. Месторождения с трещинной проницаемостью рудных тел и кристаллических пород в пределах пор выветривания	Месторождения с неправильными по форме, преимущественно штокверковыми рудными телами
2. Месторождения с искусственно создаваемой проницаемостью: рудные тела практически непроницаемы для растворов, но сохраняющие проницаемость, создаваемую искусственно (К_ф<0,1 м/сут)	1. Месторождения с низкой поровотрещинной проницаемостью рудных залежей в алевролитах	Месторождения с пластообразными рудными залежами
2. Месторождения с низкой поровотрещинной проницаемостью рудных тел в кристаллических породах	1. Месторождения с штокверковыми рудными телами
2. Месторождения с пластообразными рудными телами

По условиям движения растворов выделяются фильтрационная, инфильтрационная и пульсационно-статическая схемы. Фильтрационная схема основана на использовании постоянного или периодически действующего потока растворов реагента, заполняющего все трещины и поры рудоносного массива за счет разности напоров у закачных и откачных скважин (устройств). Инфильтрационная схема основана на использовании инфильтрационного потока раствора реагента, движение которого по рудному телу (отбитой или замагазинированной руде) происходит под действием сил гравитации от оросительных устройств к дренажным. Пульсационно-статическая схема заключается в периодическом затоплении (заполнении) выщелачивающим реагентом участков рудных тел в естественном залегании, отработанных пространств рудников или специально подготовленных камер с замагазинированной рудой с последующим отбором продуктивных растворов (иногда этот способ называют иммерсионным).

Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью делятся на три группы: с площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом; с линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом; с противофильтрационными завесами, с различными расположением и режимами выщелачивания.

Схема расположения скважин зависит от морфологических особенностей рудной залежи и гидрогеологических условий продуктивного горизонта. Наиболее распространенные варианты расположения рабочих скважин приведены на рис. 7.1.

Основными структурными единицами скважинной системы разработки способом ПВ являются: элементарный ряд (ячейка), эксплуатационный блок, эксплуатационный участок, эксплуатационное поле.

Элементарной ячейкой принято называть часть продуктивной толщи, запасы которой отрабатываются одной откачной скважиной. Ячейка пространственно ограничивается контурами, которые в максимальной степени должны быть приближены к различным гидродинамическим границам (водоупорам, контурам закачных скважин, нейтральным и краевым линиям тока), с тем, чтобы ячейка функционировала по возможности в гидродинамически замкнутом режиме.

Эксплуатационный блок — часть продуктивной толщи, включающая группу смежных элементарных ячеек, характеризующихся по возможности однородными распределением запасов, геохимическим строением и вещественным составом руд и рудовмещающих пород, одновременно вводимых в эксплуатацию и отрабатываемых в едином геотехнологическом режиме.

Эксплуатационный участок — группа смежных эксплуатационных блоков, имеющая самостоятельную систему коммуникаций и установки контроля и управления геотехнологическим режимом процесса ПВ.

Рис. 7.1. Наиболее распространенные варианты расположения рабочих
скважин:

а — две равнозначные скважины; б — одна откачная и две закачные скважины; в — две от-качные и две закачные скважины; г — три закачные и одна откачная скважины; д — шесть закачных и одна откачная скважины; е — два ряда откачных и один ряд закачных

Эксплуатационное поле — объединенные в единое целое несколько эксплуатационных участков, привязанных обычно к единой технологической установке (перерабатывающему комплексу).

Отработка запасов в эксплуатационном блоке ПВ осуществляется в три этапа:

1) вскрытие запасов, т.е. бурение и освоение скважин, обвязка их технологическими коммуникациями и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой;

2) ведение технологического процесса в недрах, т.е. транспортирование к рудным залежам рабочих растворов, технологическая подготовка руд к выщелачиванию, формирование продуктивных растворов, транспортировка их к откачным скважинам и подъем на поверхность;

3) ликвидация отработанных блоков, т.е. восстановление первоначального состояния рудовмещающего водоносного горизонта в пределах блока и поверхности земли.

Сам технологический этап отработки запасов урана способом ПВ также делится на три стадии:

1) закисление рудной залежи, т.е. подготовка рудовмещающего водоносного горизонта к формированию и движению в нем потока продуктивных растворов;

2) активное выщелачивание урана, т.е. формирование и извлечение из блока кондиционных продуктивных растворов;

3) довыщелачивание («отмывка») урана, т. е. по существу вытеснение остаточных (после прекращения активной стадии выщелачивания) урансодержащих кондиционных растворов пластовыми водами или бедными (маточными) растворами.

Для каждой стадии характерна определенная кислотность рабочего раствора, которая зависит, в первую очередь, от карбонатности рудовмещающих отложений. Так, при карбонатности до 1 % по СО₂принят следующий режим кислотности: на стадии закисления — 20—30 г/л, на стадии активного выщелачивания — 10 г/л, на стадии «отмывки» — маточный раствор.

Являясь главным звеном технологической и информационной цепи, буровая скважина выполняет следующие функции: геологическая разведка, вскрытие и подготовка запасов, отработка запасов, управление движением технологических растворов в продуктивной толще путем создания в эксплуатационном блоке гидродинамической обстановки, в максимальной степени способствующей течению процессов ПВ, контроль количества и качества откачиваемых и закачиваемых растворов, создание противофильтрационных завес, контроль гидродинамических и физико-химических параметров процесса, контроль полноты извлечения урана из руд, охрана окружающей среды от возможного физико-химического загрязнения.

Скважины разделяются по назначению на технологические, барражные, наблюдательные, контрольные и разведочные.

Технологические скважины предназначены для подачи в недра рабочих растворов — закачные (нагнетательные) — и подъема технологических растворов на поверхность — откачные (разгрузочные). Через эти скважины осуществляют также регулирование гидродинамического режима в продуктивной толще.

Барражные скважины предназначаются для создания вертикальных и горизонтальных противофильтрационных завес, ограничивающих растекание выщелачивающих растворов за пределы эксплуатационного блока, а также для уменьшения охвата этими растворами пород, вмещающих рудную залежь.

Наблюдательные скважины предназначаются для наблюдения и контроля за условиями формирования растворов в пределах эксплуатационного блока, гидродинамическим состоянием продуктивного водоносного горизонта, растеканием технологических растворов за пределы эксплуатационных участков и их возможным перетеканием в над- и подрудный водоносные горизонты.

Контрольные скважины бурятся на отработанных участках для контроля полноты извлечения полезного компонента из недр, а также для решения других задач (контроль изменений в недрах, состояния загрязнения и т.п.).

Разведочные скважины бурятся на всех стадиях геологоразведочных работ — от поисковых до эксплуатационно-разведочных.

Технологические, барражные и наблюдательные скважины относятся к категории эксплуатационных, а все остальные — вспомогательные.

В зависимости от схемы движения растворов и схемы расположения технологических скважин различают три группы: с площадным (ячеистым), линейным и комбинированным расположением скважин.

Площадные (ячеистые) системы расположения скважин обычно используются при разработке горизонтальных или слабо наклонных залежей осадочного происхождения. Площадная система размещения скважин с гексагональными и треугольными ячейками приведена на рис. 7.2. Межскважинное расстояние обычно небольшое — 8—20 м. Площадные системы используются довольно редко.

Линейные системы расположения скважин состоят из последовательно чередующихся рядов откачных и закачных скважин. Наиболее часто встречающиеся варианты линейной системы расположения скважин приведены на рис. 7.3. Расстояния между рядами скважин и скважинами в ряду L колеблются в широких пределах — от 15 до 50 м и более. Добычная ячейка обычно состоит из двух закачных и одной откачной скважины, принадлежащих к трем последовательно расположенным рядам. Линейные системы весьма широко применяются на практике при разработке месторождений любого типа.

Наиболее благоприятной считается линейная система с шахматным расположением скважин при соотношении расстояний между скважинами в ряду и между рядами 1:2.

Комбинированные системы включают элементы площадной и линейной систем, к ним относятся также системы с использованием противофильтрационных горизонтальных и вертикальных завес для ограничения растекания выщелачивающего реагента в горизонтальном и вертикальном направлениях. Для уменьшения утечки рабочего раствора на некотором расстоянии от рудного тела вверх и вниз по току подземных вод разбуривается по два ряда скважин. Схема разработки месторождения с завесами приведена на рис. 7.4. Внешние ряды скважин (№ 1—№ 5) служат для создания механического барьера. Для этого в эти ряды скважин нагнетается твердеющий материал (цемент, синтетические смолы и др.). Нагнетанием в скважины внутренних рядов (№ 2—№ 4) веществ, которые затвердевают после взаимодействия друг с другом и пластовой водой, создается химический барьер. Аналогичные барьеры могут создаваться над и под рудной залежью.

Имеется опыт по гидроразрыву пластов с последующим формированием на месте разрыва искусственных непроницаемых пропластков из глиноцементной смеси или твердеющих синтетических смол.

Работы по созданию гидрозавес и гидроразрыву весьма трудоемки и дорогостоящи, поэтому целесообразность их проведения должна подтверждаться в каждом конкретном случае технико-экономическими расчетами.

Принципиальная технологическая схема переработки продуктивных растворов подземного выщелачивания приведена на рис. 7.5. На ряде предприятий попутно с ураном извлекается и молибден, изучается возможность получения и других элементов, в первую очередь селена.