Способ обогащения водного продуктивного раствора в период летнего сезона и роботизированное устройство для реализации способа
METHOD OF ENRICHING AQUEOUS PRODUCT SOLUTION DURING SUMMER SEASON AND ROBOTIC DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области горного дела, к геотехнологическим способам добычи твердых полезных ископаемых, в частности, методом подземного выщелачивания (ПВ), с последующим обогащением получаемого водного продуктивного раствора и его гидрометаллургических переделом. 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 хвостохранилищ (Порцевский А.К., Катков Г.А. Геотехнология (физико-химическая). - М.: МГОУ. - 2004. - С. 20).
Предлагаемое техническое решение целесообразно применять для освоения глубокозалегающего обводненного железорудного месторождения в болотистой местности в условиях неразвитой транспортно-энергетической инфраструктуры и континентального климата, находящегося, например, в составе Западно-Сибирского железорудного бассейна.
Принципиальная возможность такого применения показана 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 SV 1218082. Способ подземного выщелачивания железоносных руд / Авт.: В.П. Небера, И.Г. Абдульманов, К.И. Мусейнов. - Опубл. 15.03.1986; Вогман Д.А., Иванов С.В., Коробков Ю.И. Подземное выщелачивание железа из недр./ Семинар №19 МГГУ «Перспективы развития физико-химических способов добычи полезных ископаемых» http://science.msmu.ru.
Известен способ - аналог по патенту RU2594912 освоения глубокозалегающего обводненного месторождения бурожелезняковых оолитовых руд посредством подземного выщелачивания полезных компонентов руд путем разбуривания геотехнологическими скважинами добычного участка по сетке, образуемой перемежающимися параллельными рядами закачных и выданных скважин, пробуренных вкрест направления течения обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока, подготовки геотехнологических скважин к добыче полезного ископаемого, закачки выщелачивающего агента через закачные скважины в пласт полезного ископаемого, растворения полезных компонентов руд с образованием продуктивного раствора, выдачи на дневную поверхность получаемого продуктивного раствора через выданные скважины, при этом подготовку закачных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем присоединения к устью каждой скважины емкости с выщелачивающим агентом, которая оснащена запорно-регулирующей арматурой, включающей вентильный клапан, работающий на впуск жидкого выщелачивающего агента через скважину в пласт полезного ископаемого, подготовку выдачных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем присоединения к устью каждой скважины порожней сборной емкости, которая оснащена запорно-регулирующей арматурой, включающий вентильный клапан, работающий на выпуск продуктивного раствора из пласта полезного ископаемого через скважину в сборную емкость, а для подачи жидкого выщелачивающего агента в пласт полезного ископаемого и выдачи продуктивного раствора на дневную поверхность используют регулярное суточное действие приливной волны земной поверхности над месторождением путем включения вентильного клапана выдачной скважины в период земного отлива.
К недостатку аналога можно отнести отсутствие обогащения водного продуктивного раствора непосредственно на добычном участке.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) следует указать источник информации RU 2600229 С2, 20.10.2016, Е21В 43/28, 24 с, из которого известен способ обогащения водного продуктивного раствора в период летнего сезона, включающий сбор водного продуктивного раствора, в устьевом резервуаре эксплуатационной скважины добычного участка подземного выщелачивания полезных компонентов руд выщелачивающим агентом на основе болотной воды из перекрывающих месторождений руды торфяных отложений, подачу по трубопроводу водного продуктивного раствора после извлечения, при необходимости, самого ценного полезного компонента руды в открытый бассейн на дневной поверхности земли вблизи от устья эксплуатационной скважины, стратификацию путем отстоя жидкости в бассейне на водную фракцию у зеркала бассейна и фракцию коллективного концентрата полезных компонентов руды у дна бассейна, удаление воды с поверхности зеркала бассейна, выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение.
Недостатком прототипа является низкий темп обогащения водного продуктивного раствора на добычном участке месторождения.
Поставлена задача - предложить способ ускоренного обогащения водного продуктивного раствора в условиях летнего сезона.
Существо нового технического решения целесообразно рассмотреть на конкретном примере, типичном для возможного применения предлагаемого изобретения. В качестве объекта применения технического новшества может быть использовано Бакчарское железорудное месторождение (БЖРМ) в Томской области Сибирского Федерального Округа Российской Федерации.
Представим краткое описание характеристики климатических условий в зоне БЖРМ, которые используются в предлагаемом техническом решении. Сведения заимствованы из коллективного труда томских ученых Данченко A.M., Задде Г.О., Земцов А.А., Земцов В.А., Инишева Л.И., Лукутин Б.В., Мезенцев А.В., Маслов С.Г., Назаров А.Д., Обухов С.Г., Севостьянов В.В., Севостьянова Л.М., Слуцкий В.И. Кадастр возможностей / Под ред. Б.В. Лукутина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2002. - 280 с.
В состав характеристики климатических условий, влияющих на интенсивность протекания процесса удаления воды с поверхности бассейна-отстойника, включены: радиационный режим; атмосферная циркуляция; температура воздуха; ветровой режим и осадки.
В пределах контура БЖРМ (охватываемая площадь 560 кв.км.) в период демисезонья реализуются следующие климатические условия.
2
Радиационный режим. Приход солнечной радиации определяется продолжительностью дня и высотой Солнца. Среднее солнечное время восхода и захода Солнца и продолжительность дня (ч, мин.) на 15-е число месяца: июнь - 2, 56/21,04/18,08; июль - 3,19/20,53/17,34; август - 4,21/19,49/15,28. Высота Солнца (градусы) в истинный полдень на 15-е число месяца: июнь - 55,3; июль - 53,6; август - 46,2. Летний приход прямой солнечной радиации составляет до 1 МВт *ч/м.
Атмосферная циркуляция. Основной климатообразующей воздушной массой является континентальный умеренный воздух, формируемый из морского умеренного воздуха, поступающего с Атлантического океана и трансформируемый в континентальный, более теплый и сухой. Летом из районов Средней Азии поступает континентальный тропический воздух, а проникновение холодного и сухого континентального арктического воздуха приносит прохладную, облачную без осадков погоду. Циклоны, выходящие с юга при высоком влагосодержании воздушных масс часто приносят увеличение облачности, выпадение дождей, нередко с грозами. Летние циркуляционные процессы протекают медленнее, чем зимние. Циклоны летом менее глубокие, а антициклоны менее мощные.
Температура воздуха. Среднегодовая температура воздуха - 1,4°С, а летняя среднемесячная (°С): за июнь +14,9; за июль +17,9; за август +14,2. Средняя максимальная (дневная) температура воздуха (°С) составляет: в июне +20,7; в июле +23,6; в августе +19,8. Средняя минимальная (ночная) температура воздуха (°С) составляет: в июне +9,8; в июле +12,5; в августе +9,8. Даты наступления положительных суточных температур выше и ниже определенных пределов и число дней с температурой, превышающих ее пределы: для предела +5°С - 7.05/2.10/147; для предела +10°С - 26.05/10.09/106; для предела +15°С -14.06/13.08/59.
2
Ветровой режим. Преобладают южные и юго-западные ветра (20-33%), значительно реже бывают ветра северные и восточные (до 14%). Повторяемость (%) направлений ветра и штилей в центральный месяц летнего сезона составляет: с-14; св-14; в-8; юв-12; ю-16; юз-10; з-12; сз - 15; штиль - 32. Среднемесячная скорость ветра (м/с) составляет: в июне - 3,5; в июле - 2,7; в августе - 2,8. Среднее число дней с сильным ветром (более 15 м/с): в июне - 2,4; в июле - 1,1; в августе - 0,4. Удельная мощность ветра составляет 69 Вт/м.
Осадки. Основное направление осадков - до 400 мм - выпадает в теплый период года, когда приходят циклоны с Атлантического океана. В июле выпадения дождя часто сопровождается грозами.
Анализируя приведенную выше характеристику климатических условий в контуре БЖРМ следует отметить, что в период летнего сезона (три месяца в году) техническое решение по прототипу не обеспечивает эффективного обогащения водного продуктивного раствора. Это объясняется тем, что предлагаемые концентраторы солнечной радиации и ветра не обеспечивают высоких удельных нагрузок, необходимых для более интенсивного испарения воды с зеркала бассейна, а также наличием технологических лакун в суточном испарительном процессе из-за двукратного (до 10°С) понижения температуры воздуха и отсутствием солнечной радиации ночью и частичного (до 15°С) понижения температуры воздуха и частичного отсутствия солнечной радиации днем во время облачности.
В рассматриваемом случае, поставленная задача по усовершенствованию прототипа может быть решена путем использования новых технических решений в виде способа и реализующего его устройства, позволяющих кратко увеличить производительность удаления воды из водного продуктивного раствора и ускорить получение коллективного концентрат полезных компонентов железной руды.
1. Способ обогащения водного продуктивного раствора в период летнего сезона, включающий сбор водного продуктивного раствора в устьевом резервуаре эксплуатационной скважины добычного участка подземного выщелачивания полезных компонентов руд выщелачивающим агентом на основе болотной воды из перекрывающих месторождение руды торфяных отложений, подачу по трубопроводу водного продуктивного раствора после извлечения, при необходимости, самого ценного полезного компонента руды, в открытый бассейн на дневной поверхности земли вблизи от устья эксплуатационной скважины, стратификацию путем отстоя жидкости в бассейне на водную фракцию у зеркала бассейна и фракцию коллективного концентрата полезных компонентов руды у дна бассейна, удаление воды с поверхности зеркала бассейна, выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение, отличающийся тем, что подачу водного продуктивного раствора производят автоматически пропорционально падению уровня зеркала бассейна, удаление воды из бассейна производят автоматически посредством иницириванного локального парообразования с зеркала бассейна путем выветривания и двухстороннего нагрева выделенного участка приповерхностного слоя воды, сверху из атмосферы посредством линз, фокусирующих падающий прямой и отраженный солнечный свет и снизу из воды посредством помещенной под уровень зеркала бассейна нагревательной платформы, иницированой направленной вытяжки образованных водных паров в приземную атмосферу с последующим возвращением воды в процесс подземного выщелачивания после выпадения атмосферных осадков на болотные торфяные залежи, перекрывающие месторождение руды, выдачу коллективного концентрата производят автоматически при достижении заданного уровня коллективного концентрата в объеме жидкости бассейна.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направленную вытяжку образованных водных паров в приземную атмосферу производят путем разрежающего воздуха понижения атмосферного давления над выделенным участком приповерхностного слоя воды.
3. Роботизированное устройство для реализации способа по п. 1, включающее открытый бассейн на дневной поверхности земли, заполненный водным продуктивным раствором, трубопровод подачи водного продуктивного раствора, снабженный запорной арматурой и трубопровод выдачи коллективного концентрата полезных компонентов руды, снабженный запорной арматурой, концентратор солнечной энергии и ветроулавливатель, отличающееся тем, что содержит автоматически управляемые линзы и ветроулавливатель с сопловидным профилем, нагревательную платформу, трубопровод подачи водного продуктивного раствора оснащен запорно-регулирующей арматурой, сервоприводом, датчиком уровня зеркала бассейна, трубопровод выдачи коллективного концентрата оснащен запорно-регулирующей арматурой, сервоприводом, датчиком уровня коллективного концентрата.
4. Роботизированное устройство по п. 3, отличающееся тем, что нагревательная платформа выполнена из материала сильно поглощающего солнечный свет.
5. Роботизированное устройство по п. 3, отличающееся тем, что верхняя поверхность нагревательной платформы выполнена рифленой с направлением граней перпендикулярно падению солнечных лучей.
6. Роботизированное устройство по п. 3, отличающееся тем, что верхняя поверхность нагревательной платформы покрыты рифлениями, выполненными из материала, используемого для солнечной батареи.
7. Роботизированное устройство по п. 3, отличающееся тем, что нагревательная платформа снабжена аккумуляторами тепловой и электрической энергии.
Предлагаемый способ включен в водооборотную схему (Фиг. 1) экологической геотехнологии освоения железорудного месторождения, осуществляя операции обогащения водного продуктивного раствора и утилизации воды после обогащения возвращая ее в процесс подземного выщелачивания полезных компонентов железной руды. Новое техническое решение локально интенсифицирует естественный кругооборот воды в природе и ускоряет ход испарительного процесса, организованный в способе-прототипе, за счет более полного использования гелиоэнергических и ветроэнергетических ресурсов, имеющихся в зоне БЖРМ.
Количество энергии, посылаемое Солнцем на Землю, огромно - мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь 10 кв. км, составляет в летний безоблачный день (с учетом ослабления атмосферы) 7-9 млн.кВт. Эта величина больше, чем мощность Красноярской ГЭС (Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоздат,1976. - 639 с). Лучистая энергия, поступающая на площадь БЖРМ в 560 кв.км за год, достигает 535 млрд. кВт*ч.
2
Еще в древнем Вавилоне ветровые установки применяли для осушения болот, в России энергия ветра используется с XVIII века, в Сибири (по данным Сибирской энциклопедии) с XIX века, а в Томской области имеются документальные свидетельства о работе ветряков с начала XX века (Земля асиновская: Сборник научно - популярных очерков к 100-летию г. Асина / Под ред. Я.А. Яковлева. - Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1995. - 224 с; Фонд Томского краеведческого музея, №717). В настоящее время для территории Томской области составлен ветроэнергетический кадастр, реализующий Закон «Об основах энергоснабжения на территории Томской области». Зона БЖРМ может быть отнесена к местности с умеренным запасом ветровой энергии -потенциальный ветроресурс летом достигает 100 Вт/м (Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 4: Климатические ресурсы экономических районов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989, - 76 с.)
2
2
В способе - прототипе, как и в предлагаемом способе, естественный баланс воды в летнее время для водоемов типа озеро/пруд, не имеющих стока и питания, в зоне БЖРМ определяется количеством испарившейся в атмосферу воды с зеркала водоема и количеством выпавшего дождя. В среднем за летний день с 1 кв. м водоема испаряется 3-4 мм воды, и среднедневное количество осадков имеет близкие значения 3,5-4 мм. Закрывая зеркало бассейна - отстойника продуктивного раствора на время дождя, можно сдвинуть баланс в сторону испарения на 4 мм/м*день. Производя, по прототипу, односторонний нагрев зеркала бассейна прямыми и отраженными лучами солнца при одновременном обдуве ветроосушителем 1000 кв.м водной поверхности можно достичь производительности испарительного процесса до 6-8 мм/м* день увеличением концентрации гелиоветроресурсов на 15-20%.
А, применяя новое техническое решение, можно, с большей эффективностью используя гелиоветроресурсы, увеличить суточный объем удаляемой в виде пара воды с зеркала бассейна до необходимых по геотехнологии 30 куб. м.
Общая последовательность операций, усовершенствующих способ - прототип, принята в следующем виде.
Подачу по трубопроводу водного продуктивного раствора и/или промпродукта в бассейн-отстойник производят автоматически в объемах, компенсирующих падение уровня зеркала бассейна из-за испарения воды в атмосферу.
Выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение производят автоматически в объемах, определяемых установленным уровнем термодиффузии водной фракции в отстоянную фракцию коллективного концентрата в объеме жидкости бассейна.
Удаление воды из бассейна происходит естественным путем за счет прихода солнечного тепла и ветра, искусственным путем (по прототипу) за счет увеличения солнечной и ветровой нагрузки на всю водную поверхность бассейна и автоматическим образом путем увеличения удельной тепловой и ветровой нагрузки посредством инициированного локального парообразования с зеркала бассейна и инициированной направленной вытяжки образованных водных паров в приземную атмосферу.
Ускорение хода испарительного процесса осуществляют путем фокусировки на выделенном участке приповерхностного слоя воды в бассейне падающего прямого и отраженного концентратором солнечного излучения, а также путем нагрева слоя снизу за счет аккумулируемой солнечной энергии. При этом в состав аккумулируемой солнечной энергии входят запасы теплового аккумулятора, отдаваемые слою воды днем во время облачности, и запасы электрического аккумулятора, преобразуемые в тепло и отдаваемые слою воды в течение ночи.
Известный факт закипания воды при более низких, чем 100°С, температурах в горных условиях также используется для ускорения хода испарительного процесса путем разрежающего воздух локального понижения атмосферного давления над выделенным участкам приповерхностного слоя воды специально сформированным потоком воздуха при направленной вытяжке образованных водных паров в приземную атмосферу.
Состав роботизированного устройства (Фиг. 2) и порядок его работы (Фиг. 3) иллюстрируют предложенное изобретение.
На Фиг. 2 изображено: 1 - линза; 2 - ветроулавливатель с сопловидным профилем; 3 - нагревательная платформа; 4 - отражательный концентратор; 5 - открытый бассейн на дневной поверхности земли, заполненный промпродуктом из устьевого резервуара эксплуатационной скважины; 6 -трубопровод подачи промпродукта; 7 - трубопровод выдачи коллективного концентрата на хранение; 8 - зеркало бассейна; 9 - датчик уровня коллективного концентрата.
Линзы 1, фокусирующие падающий прямой и отраженный солнечный свет, могут иметь площадь поперечного сечения до нескольких десятков квадратных метров и выполнены из армированной оптически прозрачной синтетической пленки, заполненной прозрачной водой. Ветроулавливатель с сопловидным профилем 2 также выполняется из легкого армированного ветроустойчивого материала. Нагревательная платформа 3 изготавливается из темного солнце-поглощающего материала, обладающего высокой теплоемкостью, рифленая поверхность которого способна вырабатывать электрический ток. Отражательный концентратор 4 солнечного света, например параболической формы, изготавливается из металлизированной армированной синтетической пленки и имеет площадь в несколько сотен квадратных метров. Все активные динамические элементы роботизированного устройства снабжены датчиками положения и с помощью исполнительных органов обеспечивают эффективную работу устройства.
Порядок работы рототизированного устройства, реализующего предложенный способ, иллюстрирует схема на Фиг. 3.
На Фиг. 3 изображено: 1 - линза; 2 - ветроулавливатель с сопловидным профилем; 3 - нагревательная платформа; 4 - отражательный концентратор; 5 - открытый бассейн на дневной поверхности земли, заполненный промпродуктом из устьевого резервуара экстуатационной скважины; 6 -трубопровод подачи промпродукта; 7 - трубопровод выдачи коллективного концентрата на хранение; 9 - датчик уровня коллективного концентрата; 10 -датчик уровня зеркала бассейна; 11 - сервопривод; 12 - запорно-регулирующая арматура.
Работа устройства организована одновременно по трем каналам: по первому производиться подача промпродукта из устьевого резервуара эксплуатационной скважины в бассейн - отстойник; по второму - выдача коллективного концентрата на хранение; по третьему - возврат воды после обогащения в процесс подземного выщелачивания руды. Опишем работу каналов роботизированного устройства.
Первый канал. Трубопровод 6 снабжен исполнительным механизмом 12, который приводится в действие сервоприводом 11 при поступлении сигнала от датчика 10 о снижении уровня 8 жидкости в бассейне 5. Механизм 12 открывает запор трубопровода 6 и производит регулируемый отпуск промпродукта в бассейн 5. При достижении установленного уровня зеркала 8 датчик 10 вырабатывает сигнал сервоприводу 11 на запирание трубопровода 6 посредством механизма запорно-регулирующей арматуры 12. Таким образом, бассейн-отстойник 5 автоматически снабжается промпродуктом в требуемых количествах.
Второй канал. Трубопровод 7 снабжен исполнительным механизмом 12, который приводится в действие сервоприводом 11 при поступлении сигнала от датчика 9 о достижении коллективным концентратором уровня термодиффузии на границе воды и отстоя в бассейн 5. Механизм 12 открывает запор трубопровода 7 и производит регулируемую выдачу отстоянного коллективного концентрата на хранение. При достижении установленного объема отпуска концентрата и опускании датчика 9 на соответствующий уровень, последний вырабатывает сигнал сервоприводу 11 на запирание трубопровода 7 посредством механизма запорно-регулирующей арматуры 12. Таким образом, из бассейна-отстойника 5 регулярно автоматически удаляется полезный продукт - отстой коллективного концентрата выщелаченных полезных компонентов железной руды для их последующего извлечения.
Третий канал. Бассейн - отстойник 5 оборудуется подводным 3, надводным 2 и наземным 1,4 оборудованием для испарительного удаления воды с зеркала 8 путем локального нагрева тонкого слоя воды (менее 1 см) и локальной вытяжки пара в атмосферу. Для этого под уровень зеркала 8 помещают платформу 3, площадью 10-15% от площади зеркала 8 (100-150 кв.м), на которую фокусируют с помощью линз 1 прямую и отраженную концентратором 4 солнечную энергию. Верхняя часть подтопленной платформы 3 покрыта рифлением с гранями рифлей, направленных под углом 45° градусов к горизонту (нормально к падающему прямому и отраженному солнечному излучению), и выполненных из материала, используемого для солнечных батарей, например, кремниевых пластин.
3
3)
2
Поступающая на платформу 3 солнечная энергия нагревает теплоемкий объем платформы, аккумулирующий тепло, а поверхность рифлей генерирует электричество, также аккумулируемое либо на платформе, либо на берегу бассейна 5, либо в аккумуляторе - якоре платформы на дне бассейна. Во время солнечного сияния, в условиях облачности днем и даже ночью тонкий слой воды над нагревательной платформой 3 будет прогреваться достаточно интенсивно для парообразования подающей сверху сфокусированной солнечной энергией, поступающим снизу аккумулированным платформой теплом и преобразованным в тепло платформы аккумулированным электричеством. Так расчет показывают, что для термических и радиационных условий широты БЖРМ, используя приемник с двойным остеклением, можно в течение 10 ч (период 7-17 ч при ясном небе) нагреть воду летом до 55-65°С. Дующий ветер улавливается на высоте флюгера (>=10 м) ветроуловителем 2, имеющем полупрофиль сопла Лаваля, и подается к нагретому слою воды над платформой 3, где захватывает в воздушный поток испарения и выносит их в атмосферу. Учитывая линейную зависимость удельной мощности ветрового потока N от плотности воздуха и кубическую - от скорости ветра V и приняв площадь воздухозаборного сечения ветроуловителя равной 48 кв.м, а площадь сечения самой узкой части сопла Лаваля над платформой 3 равной 12 кв.м., можно уменьшить локально над платформой плотность воздуха почти в два раза (с 1,9 кг/м до 1,0 кг/м и вызвать интенсивное кипение воды, нагретой до 60°С, в тонком слое воды толщиной 1 см над платформой 3 (для обычных значений параметров в зоне БЖРМ, равных N - 700 Вт/м и V-3 м/с).
Линзы 1 нагревают также входящий в ветроулавливатель 2 сухой воздух и выходящий из него влажный воздух, повышая эффективность испарительного процесса и летучесть водных паров. Испарения с зеркала бассейна -отстойника 5 включаются в естественный летний водооборот, конденсируются в облачных структурах, выпадают в виде дождей на земную поверхность, в том числе, на перекрывающий БЖРМ болотный торфяник, образуя болотную воду-основу выщелачивающего агента, используемого в подземном выщелачивании бакчарской железной руды.
Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении эффективного обогащения водного продуктивного раствора в континентальных климатических условиях летнего сезона при создании синтетического эколого-экономического эффекта за счет рециклинга технической воды в процесс подземного выщелачивания в геотехнологии освоения железорудного месторождения.