CC BY
20
© Е.И. Рогов, А.Е. Рогов, 2012
УДК 622.775
Е.И. Рогов, А.Е. Рогов
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ
Показаны достижения, результаты и перспективы развития основ теории геотехнологий и их приложения к практике добычи урана в Республике Казахстан. Ключевые слова: геотехнология, подземное скважинное выщелачивание, полезные ископаемые, уран.
Республика Казахстан — горнодобывающее независимое государство, в недрах которого сосредоточены огромные запасы полезных ископаемых.
На сегодняшний период из недр подземным и открытым классическими способами добывается достаточное весомое в сравнении с мировой добычей количество полезных ископаемых. По самым последним данным мировой статистики эти объемы составляют для наиболее важных компонентов [11].
Добыча основных твердых полезных ископаемых в Казахстане в тон-
нах и килограммах для золота и серебра.
Из общего числа приведенных данных по объемам добычи полезных ископаемых только уран добывается с применением принципиально новой технологией — подземного выщелачивания через скважины, пробуренные с поверхности. Все остальные твердые полезные ископаемые добываются классическими горными технологиями с подземными и открытыми горными выработками.
Следует отметить, что часть золота и серебра добывается кучным выщелачиванием (КВ).
№№ пп Полезное ископаемое 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2004 г. 2006 г.
1. Хром, т 728545 874254 1019100 1018842 1449100
2. Медь, т 432200 470000 431700 473100 434100
3. Цинк, т 322100 344700 286283 286300 450000
4. Золото, кг 20000 25010 26000 22402 21805
5. Серебро, кг 637000 755000 786800 892100 810060
6. Кобальт, т 280 200 190 300
7. Титан, т 11300 11000 10800 12000 12700
8. Ванадий, т 1100 1000 900 850 1200
9. Асбест, т 233200 178400 235000 291100 314700
10. Барат, т 53000 50000 48000 45000 29000
11. Каменный 72429500 76000000 70600000 81400000 79404000
уголь, т
12. Уран, т 2052 2379 2936 3143 6225
13. Барит, т 330000 340000 300000 250000 120000
14. Нефть, т 30647900 35670000 50600000 57100000 67000000
15. Железо, т 11505000 13000000 15000000
Теория проблемы создания адаптивных к среде геотехнологий
Классические горные технологии добычи твердых полезных ископаемых вот уже на протяжении сотен лет не претерпели каких-либо принципиальных изменений. Работы во всем мире ведутся по традиционной схеме: добыча полезного ископаемого, подготовка его к обогащению, обогащение и переделы до конечного продукта, например, металла. При постоянном обеднении месторождений, ухудшении горно-геологических условий их залегания, повышении глубин разработки себестоимость добытого полезного ископаемого нелинейно по экспоненте возрастает, растут затраты на обогащение и переделы. В этой ситуации конечный продукт становится весьма дорогим и слабо конкурентным на рынке. В связи с этим в мировой практике явно прослеживается тенденция перехода от классической горной технологии к физико-химическим геотехнологиям скважин-ной добычи полезных ископаемых без их обогащения, т.е. — получение конечного продукта [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Наиболее продвинутыми и освоенными в этом направлении являются четыре принципиально различных геотехнологий:
• подземного скважинного выщелачивания металлов, в частности урана [2, 4, 9, 10, 17, 18, 20];
• наземного кучного выщелачивания (КВ) [2, 9, 15, 16];
• скважинной гидродобычи полезных ископаемых [5, 6, 7];
• подземного выщелачивания металлов с сохранением частично классической горной технологии [1, 2, 9].
Любая геотехнологическая система (ГТС) функционирует в конкретной среде горнодобывающего предприятия (ГДП), включающей:
• массив горных пород, нарушенный горными работами;
• поверхность земли, включающие водные и воздушные бассейны в зоне влияния горных работ;
• коллектив людей.
Если среда благоприятная для данной конкретной ГТС, то она работает удовлетворительно и наоборот при агрессивной среде, особенно в сложном массиве горных пород, ГТС становится не работоспособной и не эффективной, тогда она погибает.
Исходя из теории взаимодействия систем 51 и 52 следует, что при пересечении на (0-Т*) параметров систем 51 и 52 в пространстве И имеем [8]:
{5щ52} = {щЮ, ^М, ..., им, (1) где и^е^.
Нами доказано [1, 8], что взаимодействие каждой пары параметров из (1), принадлежащих одновременно системам 51 и 52, может быть оценена величиною критерия адаптивности, вычисляемом в общем виде по формуле:
^ = Л>и) • ьи) ли1 ^, (2)
П 2
где у(и) — функция распределения плотности вероятности параметра щ для 52 на (0-Т*); ф(и) — то же самое для щ системы 5\ на (0-Т*); П, П — области интегрирования, определяемые для конкретных систем либо теоретически, либо экспериментально.
Из условия следует, что чем больше величина И, тем больше число частных критериев адаптивности (2), тем сложнее и дороже удерживать пересекающиеся параметры (1) в необходимых ограничениях П и П2, исходя из регламентирующих условий.
Рассмотрим с указанных теоретических позиций последовательно классические технологии ведения горных работ подземным шахтным и открытым способами.
Поскольку в этих технологиях везде присутствуют люди — рабочие и инженерный персонал и технологии, взаимодействующие с нарушенным горными работами массивом горных пород, сложнейшие агрегаты, и системы управления, то число N здесь необозримо велико. Если даже разбить любой рудник на ряд взаимодействующих подсистем, то порядок N составляет несколько тысяч. Так только по шахтным вентиляционным сетям N может превысить тысячу [1]. Кроме того, с постоянным обеднением содержание металла в рудах и с увеличением глубин разработки на поверхность выдаются огромные объемы пород, которые существенно ухудшают экологическую обстановку в горнодобывающих регионах.
Совершенно очевидно, что бесшахтные способы добычи полезных ископаемых исключают присутствие людей в подземных условиях или в открытых горных выработках. Только это обстоятельство существенно снижает число пересекающихся параметров N и повышает надежность технологий, исключает катастрофические отказы и делает систему более эффективной [8].
При подземном скважинном выщелачивании металлов, кроме того появляется возможность извлекать их из очень бедных руд и не выдавать на поверхность земли какие-либо отходы [2, 9, 10, 17].
В технологиях скважинной гидродобычи также люди не присутствуют в подземных условиях, но на поверхность выдается только полезные для переработки руды или другие ископаемые, что существенно снижает объемы отходов, складируемых на земле [5].
Понятно также, что невозможно сразу быстро перейти на геотехно-
логические методы бесшахтной добычи полезных ископаемых. Этот переход будет эволюционным, постепенным, но неотвратимым, т.к. в противном случае не будут обеспечены основные экономические требования к горнодобывающим предприятиям — их рентабельность и прибыльность.
За последние 10 лет, начиная с 1999 года в PK весьма быстрыми темпами наращиваются объемы подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) урана и сопутствующих ему редких элементов (рений, осьмий и др.). В этой связи был придан мощный импульс развития горных наук в Казахстане в области геотехнологии металлов. K настоящему времени создается в Казахстане самостоятельная школа ученых — геотехнологов ПСВ металлов (д.т.н. В.Г. Язиков, д.т.н., проф. А.Е. Рогов, академик HAH PK Е.И. Рогов). В этом направлении издано шесть фундаментальных монографии [8, 9, 10, 17, 18, 20], опубликовано в странах дальнего и ближнего зарубежья и в Казахстане более 200 научных статей, получено 36 патентов на новые технологии ПСВ металлов.
За период 1999—2008 годы проведено в Алматы пять международных конференции по проблемам геотехнологии урана с участием ведущих стран по добыче урана (Франция, Австралия, Канада, Россия, Узбекистан и др.).
По данным докладов, озвученных на 5-й международной конференции (сентябрь 2008 г.) Казахстан к 2012 году выйдет на первое место в мире по добыче урана в количестве 10000 т/год из 50000 т добываемых в мире. Это бурное развитие нового способа ПСВ урана требует быстрейших решений целого комплекса
научных проблем, которые следует считать наиболее приоритетными в области развития горных наук в Республике Казахстан, а также форсированное и качественное решение задач в области подготовки инженерных кадров.
На наш взгляд, уже сегодня получены значительные теоретические и практически необходимые результаты в области ПСВ металлов. Эти важнейшие приоритеты по фундаментальным исследованиям следующие.
1. Гидродинамические расчеты сети скважин ПСВ металлов (урана) с учетом эффективной мощности —
Мэ, приведенной при отсутствии нижнего и верхнего водоупоров.
2. Оптимизация схем вскрытия пластовых месторождений с учетом приведенной эффективной мощности
— Мэ, продуктивности пласта — т , кг/м2.
3. Оптимизация напоров на за-качных и откачных скважинах с учетом рабочих характеристик насосов у(0!) и статических напоров подземных вод.
4. Расчет дебитов ЗС и ОС для различных схем вскрытия с учетом наложения плоскорадиального и линейного потоков ламинарной фильтрации жидкости в пористых средах.
5. Теоретическое обоснование основополагающего параметра / — отношения жидкого к твердому с учетом растекания растворов.
6. Математическое моделирование кинетики и гидродинамики ПСВ металлов и оптимизация расхода реагентов.
7. Теоретические обоснования оптимального бортового и минимально-рентабельного содержания урана в рудах инфильтрационных месторождений.
8. Оптимизация параметров, числа и последовательности отработки блоков по критерию прибыль.
9. Теоретические основы управляемых фильтрационных потоков при КВ металлов.
Получают дальнейшее развитие крупные блоки приоритетных прикладных исследований ПСВ металлов на перспективу:
1. Разработка автоматизированной системы гидродинамических расчетов сети скважин ПСВ металлов для несовершенных скважин (отсутствие во-доупоров, растекание продуктивных растворов (ПР) в плане).
2. Разработка автоматизированной системы проектирования оптимальных схем вскрытия глубоких продуктивных горизонтов пластово-инфильт-рационных месторождений урана для сложных условий.
3. Разработка критериев и методов оценки устойчивости стенок технологических скважин при ПСВ металлов с учетом прочности труб и горного давления.
4. Разработка автоматизированной системы расчета оптимальных напоров на закачных скважинах с учетом гидродинамики напорных вод и прочности трубоставов в скважинах.
5. Разработка блочной структуры систем автоматизированного проектирования ПСВ и КВ в режиме постоянной адаптации к изменяющимся условиям горной среды.
6. Создание автоматизированной системы оптимального управления процессами ПСВ урана в реальном масштабе времени по векторному критерию адаптации.
Следует особо подчеркнуть острую необходимость в подготовке инженерных кадров области геотехнологии металлов. К настоящему времени выпущено около 30 горных инженеров-геотехнологов, подготовку кото-
рых, включая лекции и практические занятия, проводятся нами на базе самых последних достижений и наших научных разработок в области геотехнологии.
Конечной целью стратегии развития горных наук является создание теории горных геотехнологии (ОТГТ) при разработке полезных ископаемых, которая постоянно должна развиваться и пополняться новыми фун-даменталь-ными знаниями о поведении породного массива в процессе взаимодействия его с технологическими подсистемами, о влиянии горнодобывающих предприятий (ГДП) на внешнюю среду, создание новейших компьютерных систем с целью оптимального адаптивного управления подсистемами ГДП, стабилизации их работы.
Заключение
Следует особо отметить, что указанные приоритеты в области развития горных наук полностью соответствуют инновационной программе развития отраслей горнодобывающей промышленности страны.
На базе наших собственных результатов исследований выносятся для широкой горной общественности предложения по проведению научно-исследовательских работ, внедрению технологических регламентов, расчетных моделей процессов и подсистем горно-добывающих предприятий, включая открытые горные работы подземное скважинное выщелачивание, наземное кучное выщелачивание металлов и комбинированные геотехнологии.
Спектр выполняемых работ в области проектирования:
1. Определение оптимального бортового содержания металлов в полиметаллических и монометаллических рудах, включая уран.
2. Определение минимально-промышленного содержания металлов в рудах.
3. Обоснование оптимальных технологических схем проходки горных выработок комбайнами и с применением буровзрывных работ (технологические регламенты).
4. Обоснование оптимальных технологических схем ведения горных работ при добыче любых полезных ископаемых, включая нефть (технологические регламенты).
5. Прогноз катастрофических отказов: эндогенные пожары, горные удары, взрывы пылегазовоздушных смесей, внезапные выбросы угля и газа, загазование, затопление, пожары и т.д.).
6. Прогноз экологической надежности горно-добывающих предприятий при подземных горных работах.
7. Обоснование оптимальных технологических схем ведения буровзрывных работ, адаптивных к породному массиву (технологические регламенты).
8. Обоснование оптимальных технологических схем вскрышных работ, адаптивных к среде (технологические регламенты).
9. Обоснование оптимальных технологических схем ведения очистных работ, адаптивных к породному массиву (технологические регламенты).
10. Определение экологической надежности и экологического риска функционирования горнодобывающих предприятий в конкретной среде.
11. Определение оптимальных геотехнологических параметров и характеристик для ПСВ металлов, в которые входят:
• вид ячейки и её параметры;
• напоры и дебиты закачных и от-качных скважин;
• время закисления и выщелачивания металлов из блоков при подземном скважинном выщелачивании металлов и из штабеля при кучном выщелачивании металлов с капельным орошением и с управляемыми фильтрационными потоками растворов;
• содержание металла в продуктивных растворах в функции от времени;
• расход реагентов в функции от времени;
• оптимальный размер куска рудной массы в штабеле кучного выщелачивания металлов;
• оптимальная высота штабеля кучного выщелачивания металлов;
• себестоимость, капитальные затраты, прибыль и т.д.
При уже заданных (реализованных) конструктивных параметрах и характеристиках горно-добывающих предприятий и при изменяющихся условиях для всех технологий (подземные горные работы, открытые горные работы, подземное скважинное выщелачивание и кучное выщелачивание металлов) производится обоснованный расчет оптимальных по ряду критериев (включая критерии адаптации) траектории поведения любых подсистем
горно-добывающих предприятий в реальном масштабе времени по пунктам 1^11.
В этой связи Институт горного дела им. Д.А. Кунаева в лице лаборатории основ теории технологии добычи полезных ископаемых может выполнить любую заказную научно-исследовательскую работу по любой из перечисленных выше проблем в кратчайшие сроки и с максимальной гарантией качества её на уровне не ниже мировых стандартов.
Все обоснования и расчеты производятся на базе самых последних достижений и результатов в области горных наук и основываются на оптимизационных математических моделях и моделях взаимодействия технологических систем горно-добывающих предприятий со стохастической внешней средой.
Исполнители гарантируют получение реальной прибыли, повышение надежности и безопасности горных работ, включая экологию, от оптимизации параметров и характеристик горно-добывающих предприятий при проектировании, особенно за счет адаптации их к среде на интервале функционирования.
1. Рогов Е.И., Грицко Г.И., Вылегжанин В.Н. Математические модели адаптации процессов и подсистем угольной шахты. — Алма-Ата, 1979. — 208 с.
2. Аренс В. Ж. Физико-химическая геотехнология. — М.: Изд. МГГУ, 2001. — С. 655.
3. Перельман А.И. Геохимия. — М.: Высшая школа, 1979.
4. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хче-ян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. — М.: МГРА, 1995.
5. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. М.: МГРИ, 1981.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Фролов П.А., Либер Ю.В. Опытно-промышленные испытания скважинной гидротехнологии на титаноциркониевых месторождениях. Горный журнал, № 1, 1995.
7. Бабичев Н.И., Николаев А.Н. Сква-жинная гидравлическая технология — основа высокоэкономичных малых предприятий по добыче твердых полезных ископаемых. — Горный журнал. — № 4. — 1996.
8. Рогов Е.И., Рогов С.Е., Рогов А.Е. Начала основ теории технологии добычи полезных ископаемых. — Алматы, 2001. — С. 224.
9. Язиков В.Г., Забазнов В.Л., Петров Н.Н., Рогов Е.И., Рогов А.Е. Геотехнология
урана на месторождениях Казахстана. — Алматы, 2001. — 442 с.
10. Рогов Е.И, Язиков В.Г., Рогов А.Е. Математическое моделирование в горном деле (Геотехнология металлов). — Алматы, 2007. — С. 214.
11. WORLD — MJNJNG — DATA WELT — BERGBAU — DATEN L. Weber, G. Zsak Volume/ Heft 19, Vienna/ Wien 2005, 251 p.
12. Горные науки. Освоение и сохранение недр земли. Под редакцией академика РАН К.Н. Трубецкого. — М.: Издательство Академии горных наук, 1997. — 478 с.
13. Язиков В.Г., Абакумов А.А. Урано-добывающая промышленность Республики Казахстан. «Мировой рынок ядерного топлива». Тезисы докладов XX ежегодной встречи международной организации урановых производителей. — Сиэтл, США, 1993. — С. 51—64.
14. Язиков В. Г. Урановые ресурсы Республики Казахстан. «Уран и ядерная энерге-
тика». — Лондон: Изд. Уранового института, 1993. — С. 132—137.
15. Водолазов Л.И., Дрободенко В.П., Лобанов Д.П., Малухин Н.Г. Геотехнология. Кучное выщелачивание бедного минерального сырья. — М.: МГГА, 2000. — 300 с.
16. Толстов Е.А. Физико-химические геотехнологии освоения месторождений урана и золота в Кызылкумском регионе. — М.: МГГУ, 1999. — 313 с.
17. Язиков В.Г., Рогов Е.И., Забазнов В.Л., Рогов А.Е. Геотехнология металлов. Алматы, 2005. — 457 с.
18. Рогов А.Е., Рыспанов Н.Б. Математические основы геотехнологий. — Алматы, 2007. — 368 с.
19. Рогов А.Е. Имитационное математическое моделирование. — Алматы, 2007. — 96 с.
20. Рогов А.Е., Жатканбаев Е.Е. Кинетика подземного скважинного выщелачивания урана. — Алматы, 2009. — 203 с. ГТГТТ?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Рогов Евгений Иванов — доктор технических наук, профессор, академик HAH PK, Рогов Андрей Евгеньевич — доктор технических наук, профессор, академик Международной экологической академии, Институт горного дела им. Ä.A. Кунаева.
