СПОСОБ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСВОЕНИЯ ОБВОДНЕННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БУРОЖЕЛЕЗНЯКОВЫХ РУД ООЛИТОВОГО СТРОЕНИЯ
METHOD OF DEVELOPMENT OF WATER-BEARING DEPOSIT OF IRONSTONE ORES OF OOLITIC STRUCTURE

Изобретение относится к области горного дела, к геотехнологическим способам добычи твердых полезных ископаемых, в частности, методом подземного выщелачивания (ПВ). С позиций физико-химической геотехнологии ПВ может применяться при освоении: месторождений в сильно обводненных и неустойчивых осадочных породах; руд зон окисления сульфидных месторождений; забалансовых участков; глубокозалегающих залежей с бедной рудой; отвалов и хвостозранилищ (Порцевский А.К., Катков Г.А. Геотехнология (физико-химическая). - М.: МГОУ, 2004. - С.20).
Методы ПВ получили развитие при организации процессов добычи урана, золота и меди (см., например, Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. - М.: Изд. МГГУ, 2001. - 656 С; Подземное выщелачивание полиэлементных руд / Под ред. Н.П. Лаверова. - М.: Изд. АГН, 1998. - 446 с.; Толстов Е.А. Физико-химическая геотехнолгия освоения месторождений урана и золота в Кызылкумском районе. - М.: Изд. МГГУ, 1999. - 314 с.).
Железорудное сырье имеет более низкую рыночную стоимость, чем стоимость урансодержащего, золотосодержащего или медьсодержащего минерального сырья. Однако, существуют варианты рентабельной добычи железа методом ПВ и из такого сырья. Технологические реализации этих вариантов представлены, например, в таких источниках информации как Вогман Д.А. Железорудная база и геотехнологические методы добычи / Тез. докл. 11-й Всесоюзн. конф. по геотехнологическим методам добычи. - М., 1976. - С. 39-42; а.с. СССР SV1218082. Способ подземного выщелачивания железосодержащих руд / Авт.: В.П. Небера, И.Г. Абдульманов, К.И. Мусейнов. - Опубл. 15.03.1986; Вогман Д.А., Иванов C.B., Коробков Ю.И. Подземное выщелачивание железа из недр / Семинар №19 МГГУ «Перспективы развития физико-химических способов добычи полезных ископаемых // http://science.msmu.ru.
Известный способ-аналог по SU 1218082 включает вскрытие скважинами обводненной железорудной залежи, подачу в технологические скважины сернистого газа одновременно с насыщенной кислородом воды, образующие серную кислоту в качестве выщелачивающего реагента, сбор и транспортировку продуктивных растворов, кислотность которых поддерживается в диапазоне ph=1,5-2,5. Недостатками этого технического решения является необходимость на месте добычи железа иметь три компонента для получения выщелачивающего реагента, эффективность и качество смешивания которых зависят от температуры и давления.
Известны и другие способы-аналоги освоения обводненного железорудного месторождения методом ПВ, например, по а.с. №1320418, а.с. №1234598, заявке RU 2001122130. Особенностью способа по а.с. №1320418 является использование подземного источника воды для добычи твердого полезного ископаемого при основном условии реализации этого способа - наличии над пластом полезного ископаемого мощного водоносного горизонта. Отличительная особенность способа по а.с. №1234598 заключается в том, что в пределах контура рудного тела осуществляют регулирование напора подземных вод путем подачи или отбора воды из водоносных горизонтов через вспомогательные скважины. Недостатком этих двух способов-аналогов является весьма сложная и дорогостоящая технологическая реализация. Наиболее близким способом-аналогом может быть признано техническое решение по RU 2001122130, выбираемое за прототип.
Способ-прототип добычи твердого полезного ископаемого выщелачиванием заключается в том, участок месторождения, подлежащий разработке, разбуривают технологическими скважинами по определенной сетке, скважины подготавливают к добыче полезного ископаемого, затем через устья скважин в пласт полезного ископаемого закачивают выщелачивающий агент, после чего из выдачных скважин отбирают продуктивные растворы.
По первому варианту реализации способа-прототипа нагнетательными скважинами вскрывают нижезалегаемый напорный водоносный горизонт, а выдачные скважины проходят до кровли пласта полезного ископаемого, после этого все скважины крепят обсадными трубами и цементируют затрубное пространство, затем выдачные скважины углубляют до подошвы пласта полезного ископаемого и оборудуют фильтрами, а в водоподающих скважинах, в интервале залегания пласта полезного ископаемого, перфорируют обсадную колонну и зацементированное затрубное пространство, затем через устья всех технологических скважин в пласт полезного ископаемого закачивают выщелачивающий агент, после чего в водоподающих скважинах, в интервале напорного водоносного горизонта, перфорируют обсадную колонну и зацементированное затрубное пространство и заглушивают устья фонтанирующих водоподающих скважин, а из выдачных скважин производят отбор продуктивных растворов.
По второму варианту реализации способа-прототипа выдачные и водоподающие скважины проходят до кровли пласта полезного ископаемого, скважины крепят обсадными трубами, а затрубное пространство цементируют, затем скважины оборудуют фильтрами, через устья всех технологических скважин в пласт полезного ископаемого закачивают выщелачивающий агент, после чего в водоподающих скважинах в интервале вышезалегающего напорного водоносного горизонта перфорируют обсадную и зацементированное затрубное пространство и заглушивают устья фонтанирующих водоподающих скважин, а из выдачных скважин производят отбор продуктивных растворов.
По третьему варианту реализации способа-прототипа при добыче твердого полезного ископаемого по любой из двух вышеупомянутых последовательностей действий, скорость фильтрации выщелачивающего агента через пласт полезного ископаемого и вытеснения из него к выдачным скважинам продуктивных растворов регулируют путем дозированного отбора воды из фонтанирующих водоподающих скважин или закачки в них воды из наземных источников.
Недостатком прототипа является необходимость бурения и обустройства скважин, подающих в пласт полезного ископаемого воду из ниже- или вышезалегающего напорного водоносного горизонта. Повышенные в этой связи капитальные и эксплуатационные затраты, например, при освоении обводненного глубокозалегающего железорудного месторождения, увеличивают себестоимость получаемых продуктивных растворов.
Поставлена задача - упростить геотехнологическое освоение обводненного месторождения бурожелезняковых руд оолитового строения и удешевить получаемый промежуточный продукт в качестве исходного сырья для гидрометаллургического получения из него чистого железа.
Поставленная задача решена посредством сообразного использования физических свойств потока подземной воды, обводняющей продуктивный пласт, столбов жидкости в технологических скважинах, объемов сжатого и разреженного газа, нагретого и охлажденного атмосферного воздуха, солнечной и ветровой энергии.
Существо технического решения изложено в следующих пунктах формулы изобретения.
1. Способ геотехнологического освоения обводненного месторождения бурожелезняковых руд оолитового строения, заключающийся в том, что участок месторождения, подлежащий разработке, разбуривают технологическими скважинами по определенной сетке, скважины подготавливают к добыче полезного ископаемого, затем через устья закачных скважин в пласт полезного ископаемого закачивают выщелачивающий агент, после чего из выдачных скважин отбирают с использованием напора водоносного горизонта продуктивный раствор, отличающийся тем, что закачку выщелачивающего агента и выдачу продуктивного раствора осуществляют посредством использования потенциальной энергии, аккумулированной в газовом объеме, а именно, в емкости со сжатым газом на устье закачной скважины и в вакуумированной емкости на устье выдачной скважины, при этом закачку концентрированного выщелачивающего агента в пласт полезного ископаемого производят выше по течению обводняющего пласт полезного ископаемого потока, пропускание разбавленного до эффективной концентрации выщелачивающего агента через определенную толщу пласта полезного ископаемого в латеральном простирании осуществляют в гомогенном виде совместно с обводняющим пласт потоком в направлении его течения и с характерной для него естественной скорости фильтрации, а сбор и выдачу на дневную поверхность получаемого продуктивного раствора производят ниже по течению обводняющего пласт полезного ископаемого потока с использованием напора данного водоносного горизонта.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сетку технологических скважин образуют перемежающиеся параллельные ряды закачных и выдачных скважин, пробуренные вкрест направления течения обводняющего пласт полезного ископаемого потока.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что межрядные расстояния выбираются исходя из гидродинамических характеристик потока, обводняющего данный отрабатываемый участок пласта полезного ископаемого в конкретном месте его латерального простирания, учитывая, в первую очередь, фильтрационные параметры, гидродинамический градиент, гидравлический уклон, определяющие расстояние, на котором закачиваемый концентрированный выщелачивающий агент достигает разбавления до величины эффективной концентрации.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что межскважинные расстояния в ряду закачных скважин выбирают исходя из коэффициента фильтрации и гидродинамического градиента потока, обводняющего пласт полезного ископаемого вкрест направления его течения.
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что межскважинное расстояние в ряду выдачных скважин выбирают исходя из обеспечения возможности перехвата всего ареала распространения готового продуктивного раствора, его напора и приемистости скважин.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подготовку закачных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем герметичного присоединения к устью каждой скважины емкости с выщелачивающим агентом, находящимся под давлением сжатого газа, при этом емкость оснащена запорно-регулирующей арматурой для подачи внутрь жидкого агента и рабочего газа, а также для закачки агента в пласт полезного ископаемого.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подготовку выдачных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем герметичного присоединения к устью каждой скважины вакуумированной емкости, оснащенной запорно-регулирующей аппаратурой для вакуумирования и засасывания продуктивного раствора из пласта полезного ископаемого.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве выщелачивающего агента применяют концентрированную соляную кислоту.
9. Способ по пп. 1, 8, отличающийся тем, что разбавление концентрированной соляной кислоты водой напорного горизонта производят до величины эффективной концентрации 15-20%, обеспечивающий оптимальное растворение бурожелезняковых руд оолитового строения.
10. Способ по пп. 1, 8, 9, отличающийся тем, что выданный на дневную поверхность продуктивный раствор хлористого железа подвергают сгущению на месте его добычи.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в зимнее время сгущение хлористого железа производят вымораживанием.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в летнее время сгущение хлористого железа производят выветриванием с нагревом.
13. Способ по пп. 1, 11, 12, отличающийся тем, что сгущенное хлористое железо выпаривают до сухого остатка на добычном участке.
14. Способ по пп. 1, 11-13, отличающийся тем, что посредством продувки сухого хлористого железа газообразным водородом получают товарный продукт в виде порошка железа на добычном участке.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что получаемая в процессе восстановления железа соляная кислота возвращается в геотехнологический процесс в качестве выщелачивающего агента.
16. Способ по пп. 2-5, отличающийся тем, что разбуривают универсальную сетку технологических скважин с постоянными межрядовыми и межскважинными расстояниями и при обработке добычного участка ряды закачных и выдачных скважин поочередно меняют свое функциональное назначение с соответствующим переоборудованием устьев скважин закачными и отсасывающими емкостями.
17. Способ по пп. 1, 6, отличающийся тем, что в закачной емкости со сжатым газом, герметично соединенной устьем закачной скважины, создают противодавление напору воды обводняющей пласт полезного ископаемого, величина которого, с учетом гидростатического давления столба жидкого выщелачивающего агента в закачной скважине, достаточна для обеспечения режима диффузной инжекции концентрированного агента в отрабатываемый межрядный участок пласта бурожелезняковых руд оолитового строения.
18. Способ по пп. 1, 7, отличающийся тем, что в отсасывающей вакуумированной емкости, герметично соединенной с устьем выдачной скважины, создают разрежение, достаточное для постоянного поддерживания самоизлива продуктивного раствора под напором воды обводняющей пласт полезного ископаемого.
19. Способ по пп. 1, 7, 18, отличающийся тем, что создают разрежение, достаточное для обеспечения газлифтного режима подъема продуктивного раствора по выдачной скважине.
20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сжатого газа используют атмосферный воздух.
21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сжатого газа используют водород.
22. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сжатого газа используют кислород.
23. Способ по пп. 13, 21, 22, отличающийся тем, что сжигают водород и кислород, а полученное тепло используют для нагрева сгущенного продуктивного раствора при его выпаривании.
24. Способ по пп. 21, 22, отличающийся тем, что водород и кислород получают непосредственно на месторождении из местной подготовленной пресной воды.
25. Способ по п. 14, отличающийся тем, что полученный на месторождении товарный продукт в виде химически чистого порошка железа герметично упаковывают в прочной таре, удобной для переноса и транспортировки.
Описание способа геотехнологического освоения обводненного месторождения бурожелезняковых руд оолитового строения целесообразно сделать на примере конкретного геологического объекта, планируемого к освоению. В качестве такового может быть рассмотрено Бакчарское проявление железных руд в Томской области, входящее в состав Западно-Сибирского железорудного бассейна (Фиг. 1).
2
1
2
1
2
Бакчарское проявление является составной частью Бакчарского рудного узла, расположенного в Бакчарском административном районе в 200 км к западу от г. Томска. Площадь месторождения 1200 км. Проявление открыто в 1957 г. Прогнозные ресурсы проявления различными исследованиями оцениваются от 18,3 млрд т [Западно-Сибирский железнорудный, 1964; Горюхин и др., 2000] до 28 млрд т по категориям Р+Р [Геология…, 2000]. По оценке Е.В. Черняева [Черняев и др., 1997 ф] прогнозные ресурсы составляют 28,6 млрд т по категории P при среднем содержании Fe 34,12% и по категории Р - 23,6 млрд т.
Рудное тело Бакчарского проявления сложено бакчарским, колпашевским и нарымским горизонтам, достигающими совокупной мощности до 50 м, в составе которых имеются крепкие сцементированные руды и так называемая «рудная сыпучка». По данным Томской геологоразведочной экспедиции [Никонов и др., 2006] мощность «рудной сыпучки» бакчарского горизонта - 6,8 м, колпашевского - 8,5 м; общая мощность сыпучей бурожелезняково оолитовой руды составляет 15,3 м; в нарымском горизонте сыпучие руды отсутствуют (Фиг. 2). Эти рыхлые оолитовые гетитгидрогетитовые руды, в первую очередь, пригодны для применения таких геотехнологических методов как скважинная гидродобыча (СГД) и ПВ.
Минприроды России в период 2004-2014 гг. проводило геологоразведочные работы на Бакчарском проявлении, в том числе и с целью выявления возможности использования геотехнологий при его освоении [Тепляков и др., 2005; Лунев и др., 2009; Лунев и др., 2001; Тепляков и др., 2001].
Другой геотехнологической особенностью, кроме наличия «рудной сыпучки», является обводненность Бакчарского проявления. По сложности геолого-гидрологических и горно-геологических условий участок недр проявления относится ко 2-ой группе сложности (классификация запасов и прогнозных ресурсов питьевых, технических и минеральных подземных вод).
Гидрогеологические условия Бакчарского железорудного проявления могут быть представлены на основе материалов региональной оценки ресурсов пресных и маломинерализованных подземных вод южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна и результатов гидрогеологических исследований для организации централизованного водоснабжения населенных пунктов южных районов Томской области.
з
Характерной особенностью залегания железорудных горизонтов проявления и их обводнения является согласованное падение горизонтов с ЮЮЗ на ССВ и направление грунтового потока по А=18° (Фиг. 3).
В региональном плане гидрогеологический разрез характеризуется двухэтажным строением, объединяющим две гидродинамические зоны: интенсивного и замедленного водообмена. Максимальная мощность зоны активного водообмена контролируется глубиной вреза гидрографической сети. При залегании рудной толщи на глубинах близких к 200 м, участок проявления, планируемый к первоочередной отработке, попадает в пределы нижней части активного водообмена. Гидрогеологический разрез характеризуется наличием нескольких выдержанных в плане и в разрезе мощных водоносных горизонтов, часть из которых используется для организации централизованного водоснабжения населенных пунктов. Подземные воды этих горизонтов являются частью единой гидродинамической системы Западно-Сибирского артезианского бассейна.
2
Для данного технического решения интерес представляет четвертый водоносный горизонт, приуроченный к отложениям ганькинской свиты (Kgn). Он образован обводненными песками и обладает большим гидростатическим напором и без разделяющего водоупора переходит непосредственно в железорудную толщу, обладающую пониженными фильтрационными параметрами. Воды ганькинской свиты пресные.
По данным источника «Гидрогеология СССР, т. XVI, Западно-Сибирская равнина» [Булыгин и др., 1970] воды рудной толщи имеют напор 160-200 м. Пьезометрические уровни устанавливаются на глубине от -6 м ниже поверхности земли до +4,5 м выше ее. Дебиты скважин составляют 9,5-4,8 л/сек, удельные дебиты 0,95 л/сек·м. Коэффициенты фильтрации по лабораторным данным 1,64 м/сут, по данным откачки из скважин 1,56 м/сут.
Другой характерной особенностью рассматриваемого геологического объекта является его расположенность в труднодоступной таежно-болотистой местности в зоне крупнейшего в мире Васюганского болота, в условиях отсутствия развитой транспортно-энергетической инфраструктуры малозаселенной территории. Из опыта освоения нефтегазовых месторождений Томской области (60-е - 90-е годы) известно, что доставка грузов на месторождения возможна с середины ноября по февраль по зимникам, два месяца весной по половодью и круглогодично вертолетами. Это обстоятельство существенно удорожает освоение месторождений, практически, строительство одного километра дороги, ЛЭП, трубопровода обходилось стоимостью не менее одного миллиона долларов США (в ценах тех лет). Еще дороже обходится доставка грузов по воздуху.
Таким образом, громадные запасы бакчарских бурых железняков, до трети объема которых находится в рыхлом, слабосвязанном состоянии, обводненных напорным потоком, и необходимость минимизации транспортно-энергетических затрат инициирует применение автономного ПВ с получением товарного продукта непосредственно на добычном участке месторождения.
Сетку технологических скважин с ячейкой D×d (Фиг. 4) ориентируют вдоль направления течения потока 1, обводняющего пласт «рудной сыпучки». При этом сетку образуют перемежающиеся параллельные ряды 1-7 закачных 2 и выдачных 3 скважин, пробуренных вкрест направления течения 1. Параметры ячейки D - межрядное расстояние и d - межскважинное расстояние выбираются исходя из гидродинамических условий поведения флюидов в пласте «рудной сыпучки» с целью обеспечения оптимальных условий взаимодействия скважин 2 и 3 в межрядном промежутке и закачных скважин 2 в межскважинных промежутках а-ж, а также выдачных скважин 3 в межскважинных промежутках а-ж.
12
34
56
23
45
67
12
23
34
45
56
67
В зависимости от производительности переработки продуктивных растворов на добычном участке сетка технологических скважин может эксплуатироваться по параллельной или по последовательной схемам. При параллельной (интенсивной) схеме добычи отрабатываются сначала межрядные интервалы D, D, D, а затем D, D, D. При последовательной (экстенсивной) схеме добычи по порядку отрабатываются межрядные интервалы D, D, D, D, D и D. Следует отметить, что в этих схемах происходит попеременное чередование функционального назначения технологических скважин, из закачных они становятся выдачными и наоборот.
3
Схема взаимодействующих геотехнологических скважин в пласте бурожелезняковых руд оолитового строения («рудной сыпучки») представлена на Фиг. 5, где 4 - ареал распространения рабочего флюида (выщелачивающего агента, смеси агента с продуктивным раствором, продуктивного раствора); 5 - эжекционная/инжекционная компонента ареала; 6 - диффузионная компонента ареала. Взаимодействие закачной скважины 3 может производиться в двух режимах, эжекционном или инжекционном, а межскважинное взаимодействие в ряду закачных скважин 2 и в ряду выдачных скважин 3 происходит, преимущественно, в дифузионном режиме. Эжекционный режим обеспечивается «подхватом» выщелачивающего агента из закачной скважины напорным потоком, обводняющим «рудную сыпучку», при этом условие вовлечения агента в водный подземный поток обеспечивается, в основном, гидростатическим противодавлением столба жидкого агента в скважине. Инжекционный режим обеспечивается и гидростатическим давлением, и давлением расширяющегося сжатого газа в закачной емкости на устье скважины 2. Учитывая упомянутые выше гидродинамические характеристики добычного участка Бакчарского проявления параметром D и d выбираются значения, равные D=10 м и d=5 м. Это значит, что при дебите выдачной скважины 3, равном дебиту самоизливающихся скважин 17-16 м/час, межрядовый целик D=10 м будет отработан за 1 неделю, и при наличии 7 выдачных скважин в ряду в 7-рядной сетке (Фиг. 4) добычный участок с размерами в плане 30 м × 60 м обеспечит:
3
- при последовательной схеме отработки получения за 6 недель 720 тыс. м продуктивного раствора с содержанием до 50 г/л железа при содержании железа в сыпучих оолитах 40% и разбавлении концентрированной соляной кислоты напорными водами рудного пласта до концентрации 17%;
- при параллельной схеме отработки сетки технологических скважин 30 м × 60 м, D=10 м и d=5 м это же количество продуктивного раствора будет получено всего за 2 недели.
На Фиг. 6 представлена схема вертикального разреза взаимодействующих геотехнологических скважин со следующими обозначениями позиций: 7 - закачная герметичная емкость; 8 - отсасывающая герметичная емкость; 9 - отрабатываемый межрядный участок пласта «рудной сыпучки»; 10 - налегающие на пласт «рудной сыпучки» породы кровли; 11 - подлежащие породы подошвы пласта «рудной сыпучки»; 12 - выщелачивающий агент; 13 - продуктивный раствор; 14 - объем верхней части закачной емкости, занятый сжатым газом; 15 - вакуумированный верхний объем отсасывающей емкости.
Схема на Фиг. 6 иллюстрирует новизну технического решения и его существенные отличия от аналога-прототипа, заключающиеся в том, что закачку выщелачивающего агента 12 и выдачу продуктивного раствора 13 осуществляют посредством использования потенциальной энергии аккумулированной в газовом объеме 14 закачной емкости 7 и в вакуумированном объеме 15 отсасывающей емкости 8, при этом закачку концентрированного выщелачивающего агента 12 в пласт полезного ископаемого 9 производят посредством закачной скважины 2, размещенной выше по течению обводняющего отрабатываемый межрядный участок пласта «рудной сыпучки» потока 1, пропускание разбавленного до эффективной концентрации выщелачивающего агента 7 через межрядную толщу «рудной сыпучки» D в латеральном простирании осуществляют в гомогенном виде совместно с обводняющим пласт потоком в направлении его течения 1 и с характерной для него естественной скоростью фильтрации (поз. 4-6 на Фиг. 5), а сбор и выдачу на дневную поверхность получаемого продуктивного раствора 13 производят посредством выдачной скважины 3, размещенной ниже по течению обводняющего толщу D потока 1 с использованием напора рудного водоносного горизонта.
Подготовку закачных скважин 2 к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем герметичного присоединения к устью каждой скважины емкости 7 с выщелачивающим агентом 12, находящимся под давлением сжатого газа 14, при этом емкость 7 оснащена запорно-регулирующей арматурой для подачи внутрь жидкого агента 12 и рабочего газа 14, а также для закачки агента 12 в отрабатываемый пласт полезного ископаемого 9. Рабочий газ 14 может подаваться от компрессора или из заправленных сжатым газов баллонов.
Подготовку выдачных скважин 3 к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем герметичного присоединения к устью каждой скважины отсасывающей вакуумированной емкости 8, оснащенной запорно-регулирующей арматурой для вакуумирования и засасывания продуктивного раствора 13 из отрабываемого пласта полезного ископаемого 9. Вакуумирование емкости 8 может осуществляться как непосредственно вакуумным насосом, например, типа VE-180 ("www.amplika.ru) или посредством подключения вакуумированных баллонов.
В качестве материала обсадных колонн скважин 2 и 3, а также емкостей 7 и 8 должны использоваться кислотоупорные полиэтилен, титановые сплавы, сталь гуммированная и т.п.
3
2
Положительные результаты лабораторных опытов по полному растворению бакчарской бурожелезняковой руды оолитового строения (Казанский, Усов, 1960; Чинакал и др., 1967) в соляной кислоте позволяют предложить ее в качестве выщелачивающего агента и при ПВ участков Бакчарского проявления. Так в 1965-1966 гг. в Институте горного дела СО АН СССР (г. Новосибирск) в лабораторных условиях было изучено влияние на растворение железа концентрации соляной кислоты, отношения Ж : Т, времени контакта растворителя с рудой, температуры раствора и крупности руды на керновом материале, полученном при колонковом бурении поисково-оценочных скважин. Опытным путем установлены следующие оптимальные параметры для ПВ: концентрация соляной кислоты 17,5% (достигается извлечение 93,0% Fe); отношение Ж : Τ=3:1; время контакта кислоты с рудой 5 часов; температура раствора +80°С; крупность руды -1+0 мм. С целью решения проблемы извлечения полезных компонентов из продуктивных растворов (Чинакал и др., 1966; Тепляков и др., 2005) экономически целесообразным образом путем сокращения потребных капитальных затрат на строительство выпарных аппаратов (для выпаривания больших суточных объемов растворов FeCl, FeCl) предлагается на обычном участке производить сгущение растворов, используя сибирские климатические ресурсы: в зимнее время сгущение производят вымораживанием, а в летнее - выветриванием с нагревом.
Рисунки на Фиг. 7-9 иллюстрируют эти возможности. На Фиг. 7 представлена схема сгущения продуктивного раствора 13 в зимних условиях: 16 - ванна; 17 - льдоудаляющая решетка; 18 - лед; 19 - сгущенный раствор. На Фиг. 8 представлена диаграмма состояния «соль-вода» - зависимость массовой доли соли в растворе от понижения температуры при морозе.
На Фиг. 9 представлена схема сгущения продуктивного раствора 13 в летних условиях: 20 - «земляная» ванна; 21 - солнечная инсоляция; 22 - ветровой поток; 23 - концентратор энергии.
Для сгущения продуктивного раствора 13 зимой в кислотоупорную ванну 16, заполненную раствором, погружают в приповерхностный слой жидкости льдоудаляющую решетку 17 (Фиг. 7а) и подвергают снаряженную емкость действию мороза (Фиг. 7б). При температурах от -10°С до -37°С происходит вымораживание воды в составе льда 18 в ячеях решетки 17 с получением массовой доли соли в растворе 20-30% (Фиг. 8), вынимая решетку из ванны (Фиг. 7в) получают сгущенный раствор 19.
Для сгущения продуктивного раствора 13 летом в «земляную» ванну 20, устланную кислородоупорным материалом, заливают добытый раствор и оставляют его для естественного сгущения под действием солнечной инсоляции 21 и ветра 22 (по аналогии с получением рапы на мелких водоемах с поваренной солью).
Для интенсификации процесса используют концентратор 23 солнечной и ветровой энергии, выполненной по образу и подобию с аэродромным ветроукзателем, например, типа TWI 10, производимым фирмой TRANSCON (www.transcon.cz). Модернизируя ветровой усеченный конус диаметром 0,9 м и длиной 3,75 м, выполненный из текстильного материала с минимальным пределом прочности 667 Н и установленный на мачте высотой 6,5 м, путем устройства обруча входной корзины под углом 45° к мачте и покрытия внутренней поверхности конуса отражающим солнечные лучи напылением, получают простое устройство 23 для совместной концентрации и ускорения ветрового потока и потока солнечных лучей. Нагретый воздушный поток будет более интенсивно испарять влагу продуктивного раствора, сгущая последний. В условиях Бакчарского проявления бурожелезняковых руд в середине лета (июль) ориентируя обруч входной корзины на юг при типичном юго-западном направлении ветра на выходе концентратора 23 может быть получен поток нагретого до 30-35°С воздуха, движущегося со скоростью 28 км/час.
Для избежания разубоживания сгущаемого продуктивного раствора осадками, ванны на время выпадения осадков укрываются укрывным материалом, а выпадающие осадки отводятся дренажной системой.
3
3
2
3
Следующим после сгущения продуктивного раствора этапом освоения месторождения является выпаривание полученного сиропа до образования сухого остатка непосредственно на добычном участке. Известно, что растворимость FeCl в воде с разложением в результате гидролиза составляет 91,9 г/100 г воды или 48% (Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И.Л. Кнунянц - М.: Сов. энцикл., 1983. - С. 201). Это значит, что для выделения из воды кристаллогидрата FeCl × 12ΗΟ необходимо удалить воду из сильно концентрированных сиропов выпариванием. Выпариватели достаточно хорошо разработаны (см., например, Бакластов A.M. и др. Промышленные теплообменные процессы и установки. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 327 с.). Так для выпаривания раствора 13 может быть применен выпарной аппарат группы 122, типа II, исполнения 2 с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубках для упаривания растворов, образующих на греющей поверхности осадок FeCl, удаляемый механическим способом (расход греющего до 650°С пара на 1 кг выпаренной воды составляет 1,1 кг/кг при скорости пара в трубках теплообменника 30-70 м/с с коэффициентом теплоотдачи 20-120).
Далее полученное сухое хлористое железо продувается газообразным водородом с получением порошка железа и соляной кислоты, которая возвращается в геотехнологический процесс в качестве выщелачивающего агента 12.
На добычном участке целесообразно иметь такие технологические газы как водород и кислород, которые можно получать дешевым способом, например, из воды по патенту RU 2142905 путем получения в незамкнутом пространстве перегретого до 500-550°С водяного пара и пропускания его в проточном устройстве со скоростью 2 м/с через межэлектродное пространство в поле тока высокого напряжения 6 кВ. Как и атмосферный воздух эти газы могут быть носителями потенциальной энергии в сжатом состоянии и после ее израсходования могут быть сожжены, а получаемое тепло - использовано в выпарном аппарате, при этом другая часть водорода будет восстанавливать железо из соли.
Регулируя степень ваккуумирования отсасывающей емкости можно обеспечить более экономичную (самоизлив) и более производительную (газлифт) выдачу продуктивного раствора 13 на дневную поверхность.
Герметично упаковывая получаемый железный порошок, склонный к интенсивному окислению кислородом воздуха, обеспечивают пожаробезопасность товарного продукта при хранении и транспортировке.
Таким образом, достигаемый технический результат от использования изобретения может быть представлен следующими положениями:
- предложенный способ позволяет эффективно отработать методом подземного выщелачивания глубокозалегающий пласт рыхлых бурожелезняковых руд оолитового строения, обводненный напорным потоком пресной воды;
- геотехнологическое освоение месторождения в труднодоступных условиях таежно-болотистой местности при отсутствии развитой транспортно-энергетической инфраструктуры завершается получением товарного продукта - железного порошка - непосредственно на добычном участке;
- в операциях, реализующих предложенный способ, используются вещественно-энергетические ресурсы природной среды - земных недр и надземного пространства, в том числе пресной подземной воды и ее напора; атмосферного воздуха; ветра; солнечной инсоляции; мороза;
- примененные на этапе добычи полезного компонента руды технологические режимы обеспечивают экологическую безопасность на дневной поверхности (отсутствие мульд проседания кровли за счет постоянного поддерживания пластового давления) и в недрах (отсутствие загрязнения подземных вод выщелачивающим агентом и продуктивным раствором за пределами добычного участка).