ОСОБЫЕ СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

К ним обычно относят методы разработки, при которых меняется агрегатное состояние вещества - твердые полезные ископаемые превращаются в жидкие или газообразные, жидкие замораживаются, газы сжижаются и т.д. Сюда же относится разработка полезных ископаемых на морском дне и извлечение их из морской воды. Кроме того, к особым или специальным способом относят разработку пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа и разработку сближенных пластов. Способы изменения агрегатного состояния включают: подземную газификацию углей, подземное выщелачивание руд, растворение, расплавление и растворение полезных ископаемых, биотехнологические методы.

Подземная газификация углей - способ разработки угольных месторождений, основанный на физико-химическом превращении угля в горючие газы с помощью связанного или свободного кислорода. Идея принадлежит Д.И. Менделееву (1585г.) эту же идею выдвинул в 1912 году англичанин У.Рамзай. В 1926 году под руководством Б.И.Бокия разработан метод шахтной газификации, в 1943 г.-бесшахтный или скважинный метод.

Бесшахтный состоит в бурении с поверхности вертикальных и наклонных скважин для воздушного или паровоздушного-кислородного дутья и отвода образующегося газа, создание между скважинами каналов, в которых уголь взаимодействует с дутьем. Трубопроводы для подачи дутья, транспортировки газа, установки для производства дутья располагаются на поверхности. Основные достоинства подземной газификации углей- небольшой объем подземных работ, отсутствие необходимости у потребителя в подготовке топлива, сохранность поверхности, возможность разработки низкосортного угля, чистота воздушного бассейна, более низкая себестоимость, возможность использования теплоты газа, нагретого до 500 градусов, простота транспортировки газа. Недостатки - невысокая теплота сгорания газа, ненадежность работы подземного генератора. Минимальная мощность пласта, ниже которой подземная газификация становится непригодной - 1,5-2,0м. В странах СНГ работают станции «Подземгаз» в Средней Азии (Ангрен), и в Кузбассе (Южно-Абинская станция на каменных углях). Ежегодно производится более 1,5млрд.м3 газа.

Наряду с подземной газификацией применяется также подземная перегонка. Совокупность процессов при подземной перегонке аналогична подземной газификации за исключением реакции окисления.

Подземная перегонка требует больших энергозатрат, так как реакция с выделением тепла не происходит. Основные продукты подземной перегонки сланцев - высококалорийный горючий газ, жидкое топливо («сланцевая нефть»), смолы, масла и др. Преимущества по сравнению с газификацией - высокое качество получаемых жидких и газообразных продуктов. Недостатки - высокая энергоемкость и большой объем подготовительных работ по увеличению проницаемости массива.

Подземное выщелачивание руд - способ разработки рудных месторождений с избирательным переводом полезного компонента в недрах в жидкую форму с последующей переработкой металлосодержащих растворов. Впервые было применено в США в 1919 году для разработки медных месторождений, в России - на урановых рудниках в 1939 году. В настоящее время значительная часть урана и меди добывается этим способом. Подземное выщелачивание позволяет полнее использовать недра за счет вовлечения в производство бедных руд, добыча и переработка которых традиционными способами нерентабельна. При подземном выщелачивании металл извлекается из руды путем ионного обмена в процессе управляемого движения реагента через массив с естественной проницаемостью (иногда руду предварительно разрушают). Существуют шахтные, скважинные и комбинированные способы подземного выщелачивания.

Для месторождений, залегающих в сложных горнотехнических условиях, скважинные методы являются пока единственно возможным способом рентабельной разработки. Достоинство их в том, что полностью исключается путствие людей под землей. В настоящее время ведутся экспериментальные работы для внедрения скважинных методов разработки на месторождениях золота, марганца, железа и др.

Шахтные методы применяются при разработке глубокозалегающих месторождений, представленных практически водонепроницаемыми породами. При этом в разработку вовлекаются большие запасы забалансовых руд, разработка которых традиционными методами нерентабельна. При этих методах исключаются массовые сдвижения пород или оседание поверхности над зонами разработки.

Комбинированные методы все чаще применяют на месторождениях руд радиоактивных и цветных металлов. Эти способы позволяют полнее использовать недра и снизить себестоимость продукции.

Близко к выщелачиванию химическое растворение - первичная гидрохимическая или органохимическая переработка минерального сырья и органического полезного ископаемого, при которой происходит химическое взаимодействие растворителей с компонентами полезного ископаемого и образуются растворимые соединения, переходящие в водный раствор. Предложено Д.И. Менделеевым. Применяется в качестве вспомогательного процесса при подземном растворении в России, США, Мексике и других странах для разработки месторождений на больших (до 2000м) глубинах, при высоком содержании галита в солях, а также при наличии примесных нерастворимых соединений. От выщелачивания отличается тем, что при последнем взаимодействие с растворимым веществом происходит на границе твердой и жидкой фаз, а при химическом растворении - растворение металла в массе породы.

Биотехнологические методы (бактериальное выщелачивание) - извлечение химических элементов из руд, концентратов и горных пород с помощью бактерий или их метаболитов. Обычно производится путем выщелачивания горных пород слабыми растворами серной кислоты бактериального происхождения, а также растворами, содержащими органические кислоты, белки, пектиды и т.д..

Известно с 16 века. В 1947 году в США выделены из рудных вод бактерии, а в 1958 году запатентован метод выщелачивания меди при помощи их. Эти бактерии очищают все сульфатные минералы, серу, железо, медь и т.д.. скорости очищения сульфатных минералов в путствии бактерий возрастает в сравнении с обычным выщелачиванием возрастает в сотни и тысячи раз. Себестоимость 1 тонны меди, например, полученной данным способом в 1,5 - 2 раза ниже, чем при обычных методах разработки.

Бактериальное выщелачивание может применяться как в подземных условиях (в рудных телах), так и на поверхности для переработки бедных руд (в отвалах), хвостов обогащения. Имеет большое экономическое значение - расширяются сырьевые ресурсы за счет бедных и потерянных в недрах руд, обеспечивается комплексное и более полное использование минерального сырья, повышается культура производства, не нужны сложные горнодобывающие комплексы, благоприятно для окружающей среды.

Бактериальное выщелачивание в промышленных масштабах для извлечения меди ведется в США, России, Перу, Испании, Мексике, Австралии и других странах. В США, ЮАР, Канаде бактериальным выщелачиванием добывается уран.

Подземное растворение - способ добычи природного минерального сырья (поваренная, калийная и др.соли) через скважины путем перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. Наряду с добычей при подземном растворении осуществляется обогащение, очистка (поваренные соли), избирательное извлечение (калийные соли).

Горные предприятия, осуществляющие добычу полезных ископаемых способом подземного растворения, располагаются обычно группами.

Получило широкое распространение в мировой практике. К концу 20 века, основная часть добычи каменной соли для содовой, хлорной, пищевой и других отраслей осуществляется этим способом в связи с простотой организации добычи и высокими технико-экономическими показателями (производительность труда в 4 раза выше, а себестоимость в 7 раз ниже, по сравнению с шахтным способом).

Подземная выплавка - скважинный метод добычи полезных ископаемых, как правило, с низкой температурой плавления, путем перевода их в жидкое состояние на месте залегания посредством теплоносителя. Впервые применена в США в 1880 году для разработки самородной серы, имеющей температуру плавления 112-1200. подземная выплавка может применяться при разработке фосфора, битумов, высоковязкой нефти и др.

Разработка морских месторождений. В морской воде растворены все элементы таблицы Менделеева. Почти весь йод, бром, около 30% всех солей, множество других полезных ископаемых добывается именно из нее. При повышенном содержании тех или иных компонентов они выпадают из воды и образуют конкреции - минеральные стяжения гидроксидов (железа, марганца и др.элементов) на дне озер, морей, океанов. По мнению специалистов, около 10% дна мирового океана покрыто железно-марганцевыми конкрециями, плотность которых доходит до 50-70 кг/м2. Средний размер конкреций составляет 3-5 см (обычно шарообразной формы), но встречаются и более 1 м в поперечнике.

На шельфе морского дна - прибрежной полосе сравнительно небольшой глубине (не более 500-600 м) находятся огромные месторождения полезных ископаемых в десятки раз превышающие по своим запасам поверхностные. Многие из них уже освоены и ведется промышленная их разработка. Около 40 стран ведут добычу нефти и газа на шельфе, еще около 40 ведут геологоразведочные работы. В мировом океане добывается около 30% общего объема нефти и около 15% газа. К 2020 году объем добывающей нефти предполагается довести до 50%. У берегов США, Канады, Австралии, Японии, Великобритании, Чили и других стран работает около 60 морских шахт по добыче угля, серы, руд железа, меди, олова, ртути и т.п.. В Японии морская добыча угля составляет 40%, в Великобритании 10%. Из морских россыпей добывается платина, касситерит, циркон (100%), ильменит (80%). Бразилия поставляет на мировой рынок более 50% добываемого в океане монацита. В Намибии в прибрежной зоне добывают алмазы. Общая добыча алмазов со дна моря достигает 20% валовой стоимости (50%).

Со дна моря добывают строительные материалы - пески, гравий, ракушечник, керамзит. США ежегодно добывают до 500 млн. т.

В прибрежном шельфе огромные запасы фосфоритов - на суше всего лишь 7 стран имеют месторождения фосфоритов.

Основные преимущества морской разработки - сравнительная простота добычи, конкреции, как правило, отсортированы по крупности, за счет придонных течений, высокое процентное содержание полезного компонента, возможность восстановления месторождений. Так, в Шри-Ланке, отработанные месторождения рутила вновь начинают разрабатывать после нескольких сильных штормов.

Гидромеханизация - способ механизации горных работ, при котором вся или основная часть процессов производится энергией потока воды.

Известна более 2 тыс. лет. В России впервые применена в 1830 году на Урале. Для подземной добычи применяется с 1938 года (Урал, Кузбасс, Донбасс). В 1975 году создан трест «Гидроуголь» (7 гидрошахт, 3 обогатительные фабрики). В подземных условиях выемка полезного ископаемого производится: отбойкой струей воды из гидромонитора механическим исполнительным органом с последующим использованием струи воды для доставки (механогидравлический способ) струей воды под давлением в сочетании с механическим разрушением (гидромеханический способ). Гидромонитор - устройство для создания водяных струй и управления ими. Преимущества гидродобычи - поточность технологических процессов, небольшой вес и простота оборудования, высокая производительность. Недостатки - зависимость эффективности от крепости пород, высокая энергоемкость, расход воды составляет 3-5м3/т. Область применения - мощность пластов 0,9-20,0м., угол падения - 5-800, крепость угля - любая, газообильность пластов - любая.