Способ экологического освоения железорудного месторождения
METHOD FOR ENVIRONMENTAL DEVELOPMENT OF IRON-ORE DEPOSIT

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 ГА. 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.
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 геотехнология 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 SV 1218082. Способ подземного выщелачивания железосодержащих 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.
Известный способ-аналог по SU 1218082 включает вскрытие скважинами обводненной железорудной залежи, подачу в технологические скважины сернистого газа одновременно с насыщенной кислородом водой, 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. Способ добычи твердого полезного ископаемого выщелачиванием по заявке RU 2001122130 заключается в том, что 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.
Недостатком способа 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.
В качестве аналога может быть выбран также способ геотехнологического освоения обводненного месторождения бурожелезняковых руд оолитового строения по патенту RU2600229, 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, 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 скоростью 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, сетку технологических скважин образуют перемежающиеся параллельные ряды закачных и выдачных скважин, пробуренные вкрест направления течения обводняющего пласт полезного ископаемого потока.
В качестве недостатков прототипа можно отметить необходимость иметь на добычном участке возобновляемые запасы потенциальной энергии, аккумулируемой в газовом объеме и затрудненность работы в условиях зимы.
Наиболее близким аналогом-прототипом является техническое решение по патенту RU 2594912.
Способ 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 выдачных 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 выдачные 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, включающей 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 канала выдачной скважины в период земного прилива и включения клапана закачной скважины в период земного отлива.
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточную экологичность технического решения, обусловленную необходимостью проведения с поверхности большого объема буровых работ в труднодоступной местности; необходимостью приготовления на дневной поверхности больших объемов выщелачивающего агента и затрудненностью работы в зимний период, а также относительно высокий удельный вклад в стоимость получаемого товарного продукта капитальных затрат на обустройство добычного промысла.
Поставлена задача - преодолеть отмеченные недостатки прототипа, связанные с деятельностью на дневной поверхности земных недр железорудного месторождения.
Решение поставленной задачи отражено в представленной ниже совокупности пунктов, усовершенствующих известные ранее технические решения.
1. Способ экологического освоения железнорудного месторождения, включающий разбуривание эксплуатационными скважинами добычного участка по сети, образуемой параллельными рядами скважин, пробуренных вкрест направления течения обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока, подготовку скважин к добыче полезного ископаемого путем присоединения к устью каждой скважины у дневной поверхности резервуара, оснащенного запорно-регулирующей арматурой, закачку выщелачивающего агента в пласт полезного ископаемого, растворение полезных компонентов руд с образованием продуктивного раствора, выдачу к дневной поверхности получаемого продуктивного раствора, для подачи жидкого выщелачивающего агента в пласт полезного ископаемого и выдачи продуктивного раствора к дневной поверхности используют регулярное суточное действие приливной волны земной поверхности над месторождением путем включения выдачного вентильного клапана в период земного прилива и включения закачного вентильного клапана в период земного отлива, отличающаяся тем, что перед началом освоения месторождения создают на базе имеющихся сведений о природных ресурсах месторождения геотехнологическую модель эксплуатации месторождения, корректируемую в процессе эксплуатации месторождения, на основе которой определяют конструктивное оформление каждой добычной ячейки сети и режим ее работы, причем добычную ячейку сети образуют одной эксплуатационной скважиной, выполненной универсальной и содержащей вертикальный ствол большого диаметра, пробуренный до подошвы продуктивного пласта с оборудованием опорного башмака из твердеющего материала, имеющий выше кровли продуктивного пласта кондуктор, посредством которого продуктивный пласт в латеральном простирании разбуривают горизонтальными стволами малого диаметра для одновременной закачки выщелачивающего агента и выдачи продуктивного раствора, а резервуар у дневной поверхности покрывают не промерзающим слоем торфа и выполняют из двух емкостей - нижней и верхней, причем нижняя емкость предназначена для сбора, хранения и закачки в продуктивный пласт выщелачивающего агента, в качестве которого используют болотную воду из перекрывающих месторождение торфяных отложений, а верхняя емкость предназначена для сбора продуктивного раствора и извлечения из него полезных компонентов руды, при этом обе емкости оборудованы автономными контрольно-измерительными приборами и регулирующими устройствами, позволяющими дистанционно контролировать и управлять работой добычными ячейками сети универсальных эксплуатационных скважин.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что геотехнологическую модель эксплуатации месторождения создают на базе ранее разведанных и обновляющихся в процессе освоения месторождения сведений о горно-геологических условиях залегания в земных недрах полезного ископаемого.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что геотехнологическую модель эксплуатации месторождения создают на базе ранее разведанных и обновляющихся в процессе освоения месторождения сведений о гидрологических условиях нахождения подземных и поверхностных вод.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что геотехнологическую модель эксплуатации месторождения создают на базе ранее разведанных и обновляющихся в процессе освоения месторождения сведений о климато-метеорологических факторах.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что закачные горизонтальные стволы малого диаметра разбуриваются против и вкрест направления течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выдачные горизонтальные стволы малого диаметра разбуриваются по направлению и вкрест направления течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вертикальный ствол большого диаметра универсальной эксплуатационной скважины обсаживается от устья до подошвы продуктивного пласта толстостенной трубой из долговечного крепкого кислото-щелоче упорного материала, например, пластмассы.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горизонтальные стволы малого диаметра универсальной эксплуатационной скважины обсаживаются трубами из долговечного гибкого кислото-щелоче упорного материала, например, пластмассы.
9. Способ по п.п. 1, 8, отличающийся тем, что обсадные трубы горизонтальных стволов малого диаметра по мере выработки верхних слоев продуктивного пласта становятся сначала наклонно-горизонтальными, а в завершающей стадии выработки нижних слоев продуктивного пласта - прогибаясь, становятся наклонными и направленными квазиортогонально направлению течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока.
10. Способ по п.п. 1, 8, 9, отличающийся тем, что обсадные трубы горизонтальных стволов малого диаметра перфорируются от свободного конца трубы на длину трубы, равную мощности пласта полезного ископаемого.
11. Способ по п.п. 1, 8, 9, 10, отличающийся тем, что перфорация стенок обсадных труб горизонтальных стволов малого диаметра производится под углом 45° к оси трубы, обеспечивая эжекционный захват выщелачивающего агента попутным течением, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока и создавая дополнительный напор при выдаче продуктивного раствора в сборную емкость.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устьевой резервуар выполняется из долговечного прочного кислото-щелоче упорного материала с герметическим разделением нижней и верхней емкости.
13. Способ по п.п. 1, 12, отличающийся тем, что нижняя емкость устьевого резервуара размещается своей верхней кромкой на уровне или ниже подошвы болотных торфяных отложений, а боковая поверхность нижней емкости окружается дренажно-сборным отстойником болотных вод.
14. Способ по п.п. 1, 12, отличающийся тем, что нижняя емкость устьевого резервуара размещается своей верхней кромкой на уровне дневной поверхности, а верхняя часть боковой поверхности верхней емкости оборудуется дренами в виде перфорированных труб малого диаметра, при этом верхняя емкость снабжается съемной герметичной крышкой.
15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что освоение железорудного месторождения начинают от того борта, из которого выходит обводняющий пласт полезного ископаемого напорный поток, далее продолжают отработку по направлению течения этого потока и завершают процесс у того борта, в который входит обводняющий поток.
16. Способ по п.п. 1, 15, отличающийся тем, что осуществляют однородное и равномерное движение фронта забоя подземной отработки как в латеральном простирании, так и по мощности пласта полезного ископаемого - от кровли до подошвы.
17. Способ по п.п. 1, 16, отличающийся тем, что производят дистанционное регулирование физических и химических параметров процесса подземного выщелачивания во взаимодействующих добычных ячейках сети.
18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что добычной процесс организуется посредствам циркуляции водного рабочего раствора, целенаправленно и периодически изменяющего свои свойства на разных стадиях геотехнологии, а именно, сначала болотная вода из поверхностных торфяных отложений аккумулируется в нижней емкости устьевого резервуара, затем ежесуточно, во время земного отлива, она из нижней емкости через вертикальный ствол скважины большого диаметра и горизонтальные стволы малого диаметра подается в пласт полезного ископаемого, где смешиваясь с обводняющим пласт потоком оказывает выщелачивающие действие на железную руду и превращается в продуктивный раствор, которой ежесуточно, во время земного прилива, выдается по горизонтальным и вертикальным стволам малого диаметра в верхнюю емкость устьевого резервуара, где из него извлекается полезные компоненты, а освобожденная от металлов вода дренируется на непромерзающую поверхность торфяной залежи в окрестностях устья скважины и, проходя всю мощность торфяных отложений, снова становится болотной водой, которая повторно аккумулируется в нижней емкости устьевого резервуара и поступает в добычной процесс.
19. Способ по п.п. 1, 18, отличающийся тем, что извлечение полезных компонентов из продуктивного раствора производят в приоритетном порядке, определяемом регулярно на очередном этапе освоения месторождения исходя из потребности в конкретном полезном компоненте железной руды, а именно, сначала посредством гидрометаллургии извлекают наиболее ценный в текущий период времени полезный компонент, затем, в порядке убывания ценности, селективно извлекают остальные полезные компоненты, если оказывается, что селективное извлечение средствами гидрометаллургии остальных полезных компонентов неэффективно, то продуктивный раствор, после извлечения самого ценного полезного компонента, в качестве промежуточного продукта, направляется на получение коллективного концентрата полезных компонентов для последующего селективного извлечения полезных компонентов, при этом концентрирование промежуточного продукта и его хранение осуществляют вблизи от устья универсальной эксплуатационной скважины.
20. Способ по п.п. 1-4, 16, 17, отличающийся тем, что дистанционное управление режимом работы добычной ячейки сети универсальных эксплуатационных скважин осуществляется путем регулирования концентрации выщелачивающего агента в пласте полезного ископаемого.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что болотную воду укрепляют жидким концентратом местной микрофлоры, обсеменяющей болотную воду.
22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что болотную воду укрепляют жидким концентратом гуминовых кислот, полученных из местных болотных вод и/или из вытяжек местных торфяных отложений.
23. Способ по п. 20, отличающийся тем, что болотную воду укрепляют путем барботирования собранного в нижней емкости устьевого резервуара водного раствора кислотообразующим газом.
24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что в качестве газа используют сжатый хлор.
25. Способ по п. 23, отличающийся тем, что в качестве газа используют сжатый диоксид серы.
26. Способ по п. 23, отличающийся тем, что в качестве газа используют сжатый диоксид азота.
27. Способ по п.п. 1, 23-26, отличающийся тем, что применяемый сжатый газ используют для создания противодавления при эжекции выщелачивающего агента в напорный поток, обводняющий пласт полезного ископаемого.
28. Способ по п.п. 1-4, 16, 17, отличающийся тем, что дистанционное управление режимом работы добычной сети универсальных эксплуатационных скважин осуществляется путем регулирования давления в нижней и верхней емкостях устьевого резервуара.
29. Способ по п. 28, отличающийся тем, что разряжение атмосферного воздуха в верхней емкости устьевого резервуара создается посредством вакуумированного баллона, открываемого по мере необходимости.
30. Способ по п. 28, отличающийся тем, что повышенное давление атмосферного воздуха в нижней емкости устьевого резервуара создается посредством баллона со сжатым воздухом, открываемого по мере необходимости.
31. Способ по п. 28, отличающийся тем, что давление в емкостях устьевого резервуара регулируется перекачкой воздуха из одной емкости в другую воздушным насосом.
32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что воздушный насос приводится в действие посредством ветровой энергии.
33. Способ по п. 31, отличающийся тем, что воздушный насос приводится в действие посредством солнечной энергии.
34. Способ по п.п. 1-4, 16, 17, отличающийся тем, что дистанционное управление режимом работы добычной сети универсальных эксплуатационных скважин осуществляется путем регулирования температуры процесса выщелачивания.
35. Способ по п. 34, отличающийся тем, что производят нагрев болотной воды в нижней емкости устьевого резервуара.
36. Способ по п. 35, отличающийся тем, что для нагрева используют непосредственно солнечное тепло, улавливаемое на дневной поверхности, аккумулируемое и переносимое теплоносителем в объем болотной воды.
37. Способ по п. 35, отличающийся тем, что для нагрева используют теплоэлектронагревательные элементы, помещенные в объем болотной воды, потребляющие электроэнергию от солнечных батарей.
38. Способ по п.п. 35, 37, отличающийся тем, что теплоэлектронагревательные элементы потребляют энергию от ветроэнергетической установки.
39. Способ по п. 35, отличающийся тем, что для нагрева болотной воды используют тепло, получаемое в процессе сжигания торфа, поверхностные отложения которого перекрывают железорудное месторождение.
40. Способ по п. 35, отличающийся тем, что для нагрева болотной воды используют тепло, получаемое в процессе медленного химического окисления торфа.
41. Способ по п. 35, отличающийся тем, что для нагрева болотной воды используют тепло, получаемое в процессе медленного микробиологического разложения торфа.
42. Способ по п. 35, отличающийся тем, что производят нагрев пласта полезного ископаемого.
43. Способ по п.п. 34, 42, отличающийся тем, что для нагрева пласта используют тепло подземных термальных вод.
44. Способ по п. 43, отличающийся тем, что пласт нагревают со стороны водонепроницаемой кровли.
45. Способ по п. 43, отличающийся тем, что пласт нагревают со стороны водонепроницаемой подошвы.
46. Способ по п. 43, отличающийся тем, что пласт нагревают непосредственно путем смешения термальных вод с обводняющим пласт напорным потоком.
47. Способ по п.п. 42-46, отличающийся тем, что вертикальную скважину большого диаметра добуривают от подошвы железорудного пласта до водоносного горизонта термальных вод, обсаживают и оборудуют пакерами ниже подошвы, на уровне подошвы и кровли.
48. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выемку из верхней емкости устьевого резервуара извлеченных из продуктивного раствора полезных компонентов руды производят, преимущественно, с воздуха соответствующими воздушными аппаратами, например, дистанционно управляемыми роботизированными комплексами типа ДРОН, вертолетами, дирижаблями.
49. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дистанционный контроль и управление работой добычных ячеек сети универсальных эксплуатационных скважин осуществляют посредством средств околоземного космического базирования, например, группировки спутников и/или обитаемой орбитальной станции.
50. Способ по п. 49, отличающийся тем, что производят наблюдение за изменениями ландшафта и рельефа дневной поверхности железорудного месторождения в течении всего времени его освоения и в постэкплуатационный период.
51. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят комплексный региональный мониторинг природной среды до, во время и после освоения железорудного месторождения.
52. Способ по п.п. 1, 42-47, отличающийся тем, что в состав болотной воды, подаваемой в подземное пространство, добавляют органический субстрат, обсемененный метангенерирующими бактериями; образуемую смесь направляют в прогретую до температуры 28-40°С обводненную горную выработку; генерируемый метан выдают в виде газа и/или в составе газовой фазы газированной жидкости в герметичную верхнюю емкость устьевого резервуара, оттуда производят его отбор.
53. Способ по п. 52, отличающийся тем, что органический субстрат производят из возобновляемых биологических ресурсов, востребованных на территории осваиваемого месторождения и в его окрестностях.
54. Способ по п. 52, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют торф.
55. Способ по п. 52, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют древесные отходы лесопользования, получаемых в результате санитарных рубок ухода за лесом и заготовки древесины.
56. Способ по п. 53, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют древесные отходы деревообработки.
57. Способ по п. 53, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют отходы животноводческих производств.
58. Способ по п. 53, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют отходы растениеводства.
59. Способ по п. 53, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют отходы пищевой промышленности.
60. Способ по п. 53, отличающийся тем, что в качестве возобновляемого биологического ресурса используют органические отходы химической промышленности.
61. Способ по п. 53, отличающийся тем, что твердую фазу органического субстрата измельчают до размеров частиц, менее 30 микрометров.
62. Способ по п. 52, отличающийся тем, что базовую часть контаминанта составляют метангенерирующие бактерии местных болотных систем на территории осваиваемого месторождения и его окрестностей.
63. Способ по п. 52, отличающийся тем, что метан, после его отбора из устьевого резервуара, подвергают комплексной подготовке к транспортировке и использованию.
64. Способ по п. 63, отличающийся тем, что газ очищают от механических примесей.
65. Способ по п. 63, отличающийся тем, что производят осушку газа.
66. Способ по п.п. 63-65, отличающийся тем, что газ сжимают.
67. Способ по п.п. 63-65, отличающийся тем, что газ ожижают.
68. Способ по п.п. 63-67, отличающийся тем, что газ используют для производства электроэнергии, в том числе непосредственно на месторождении.
69. Способ по п.п. 63-67, отличающийся тем, что газ используют для производства тепла, в том числе непосредственно на месторождении.
70. Способ по п.п. 1, 52, 53, отличающийся тем, что в начале добычных работ геотехнология реализуется путем генерации продуктивного железосодержащего раствора, затем в получаемых горных выработках начинают генерировать метан параллельно с получением продуктивного раствора, и, после отработки всего железосодержащего пласта, генерация метана производится во всем объеме выработки.
71. Способ по п.п. 1, 52, 53, отличающийся тем, что в приподошвенном пространстве горной выработки формируют минеральный осадок.
72. Способ по п.п. 1, 52, 53, отличающийся тем, что в приподошвенном пространстве горной выработки формируют органический осадок, надлежащий над минеральным осадком.
73. Способ по п.п. 1, 52, 53, 71, 72 отличающийся тем, что формируют органоминеральный осадок илово-сапропелевого типа.
74. Способ по п. 73, отличающийся тем, что посредством скважинной гидравлической добычи органоминерального осадка выдают на дневную поверхность илово-сапропелевый субстрат.
75. Способ по п.п. 1, 52, 70, 73, отличающийся тем, что экологическую геотехнологию освоения железорудного месторождения реализуют циклично, в первом цикле посредством подземного выщелачивания железной руды в качестве товарного продукта получают ее полезные компоненты, во втором цикле посредством подземной генерации метана получают товарный газ в качестве энергетического, химического сырья и моторного топлива, в третьем цикле посредством подземного формирования илово-сапропелевого субстрата получают товарный продукт в виде высококачественных органоминеральных удобрений.
Методологический основой предлагаемого технического решения являются достаточно давно сформировавшиеся воззрения некоторых мыслителей об организменной природе Земли, которые в конце двадцатого века получили развитие в научных работах ученого-эколога Лавлока и других авторов. Главным тезисом этой гипотезы/теории является признание планеты Земля, со всеми ее оболочками и ядром, единым организмом, взаимодействующим с Космосом на информационном, энергетическом и вещественном уровнях. Согласно такой модели, в части, касающейся геологической среды, добыча твердого полезного ископаемого открытым способом сравнима с травматичной полостной операцией в теле человека, существенно сокращающая жизнь всего организма. А скважинная гидродобыча (СГД) твердого полезного ископаемого сравнима с менее травматическим вмешательством, типа лапароскопии или цистоскопии, в организм человека. И только подземное выщелачивание (ПВ), в этом контексте, может соответствовать терапевтическому вмешательству - самому экологическому из всех выше перечисленных. В случае ПВ в «организме» Земли происходят достаточно медленные и контролируемые изменения, позволяющие геологической среде, в щадящем этот «организм» режиме, адаптироваться к новым условиям его функционирования.
Имея ввиду приведенное обстоятельство, дадим описание экологической геотехнологии освоения железорудного месторождения 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 как непосредственно самого невозобновляемого природного ресурса - БЖРМ, так и возобновляемых природных ресурсов в зоне БЖРМ, которые используются в предлагаемом техническом решении. Сведения об энергетическом потенциале природных возобновляемых ресурсов Томской области (торфа, солнца, ветра и геотермальных вод) заимствованы из коллективного труда томских ученых Данченко A.M., Задде Г.О.,  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.
Невозобновляемый природный ресурс - БЖРМ
1
2
1
2
БЖРМ является составной частью Бакчарского рудного узла (Фиг. 1), расположенного в Бакчарском административном районе в 200 км к западу от г. Томска. 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 Р при среднем содержании Fe 34,12% и по категории Р - 23,6 млрд т.
Рудное тело БЖРМ сложено бакчарским, колпашевским и нарымским горизонтами, 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. 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.
Характерной особенностью залегания железорудных горизонтов проявления и их обводнения является согласованное падение горизонтов с ЮЮЗ на ССВ и направление грунтового потока по А3=18° (Фиг. 2 и 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 (Фиг. 4 по Н.А. Ермашовой) 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.
На Фиг. 5 и 6 представлены разрез недр оценочного участка площади Бакчарского железорудного проявления в Томской области и литологическая колонка по скв. 9. Видно, что рудный пласт представлен достаточно выдержанной мощностью в пределах 560 кв. км площади всего проявления. На широтном разрезе, на расстоянии 25 км от угловой скв. 128 оценочного участка показана выемочная камера, выработанная из скв. 9 во время проведения пионерских опытно-методических работ по СГД бакчарских оолитов (ОМР СГД - 2007 г. ) на Восточном (Полынянском) участке, а на меридиональном разрезе, на расстоянии 7 км от угловой скв. 128 оценочного участка отмечена выемочная камера, выработанная из скв. 101 во время проведения ОМР СГД - 2008 г. В качестве крупнообъемной валовой геологической пробы бакчарской рыхлой оолитовой железной руды впервые, в том числе впервые методом СГД, было получено 1000 т и 700 т руды, соответственно.
Качество добытой руды оказалось существенно лучше материала керновой пробы, испытанной для целей ПВ в 70-х годах, и горно-геологические условия залегания оолитовой руды оказалось приемлемыми для использования геотехнологических методов.
Фиг. 7-8 свидетельствуют о подходящем для ПВ гранулометрическом составе рыхлой оолитовой руды. На Фиг. 7 представлены фотографии бакчарской руды, добытой методом СГД: а - россыпной материал; б - кусковой материал в форме скатанной пластины; в - кусковой материал в форме комка (кусковой материал составляет 0,25% веса всего состава руды). Данные по крепости, прочности и категорийности руды, с учетом удельного вклада кусков в состав руды, позволяют отнести руду к «довольно мягким породам». На Фиг. 8 в Таблице 1 представлен гранулометрический состав руды с распределением основных компонентов по классам крупности. Видно, что основной класс крупности Σ-1+0,25 мм содержит основное количество железа и имеет выход 81,82% - это ориентирует на выбор оптимального режима ПВ, обеспечивающего максимальное извлечение железа, равное 85,6%.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
5
2
3
Из Таблицы 2 на Фиг. 9, представляющей минеральный состав руды видно, что 70% руды представлено такими железосодержащими минералами как гетит и гидрогетит, растворимыми в соляной кислоте. При этом в руде, добытой методом СГД, общего железа (РегОз общ) содержится почти в два раза больше, чем в материале керновой пробы, использованной в 70-х годах - 62,82% против 36,30% (см. данные Таблицы 3 на Фиг. 10). Это обстоятельство способствует более эффективному проведению процесса двухстадийного химического процесса (FeO→FeCl→Fe) путем трехступенчатого агрегатного преобразования железосодержащего продукта: твердое состояние → жидкое состояние → пар → твердое. На Фиг 11 приставлено изображение в обратно-рассеянных электронах типичного бакчарского оолита гидрогетитового состава скорлуповатого ритмично-зонального концентрического строения. Концентр оолита состоит из глинисто-слюдистых минералов, чередование ритмов подчеркивается отложениями фосфатов РЗЭ (яркие белые вкрапления в концентрических слоях). Видно, что объем железосодержащего материала скорлупы оолита может достигать 25-40% от всего железосодержащего материала оолитов. По данным Центра экспертных систем технологического аудита и сертификации минерального сырья МИСиС среднее содержание РЗЭ в фосфатах бакчарских оолитов в исследованной технологической пробе руды, добытой методом СГД, составляет %: CeO - 19,40; LaO - 7,07; NdO - 7,55; PrO - 1,59 и SmO - 0,90 (и, справочно, PO - 22,97; VO - 0,15).
Полученный авторами Корабейников А.Ф., Пшеничкин А.Я., Колпакова Н.А., 1998, 2000, 2005 аналитический материал (Таблица 4 Фиг. 12) показывает, что руды БЖРМ обогащены благородными металлами: Pt - до 127 мг/т; Pd - до 16 мг/т; Au - до 1,80 г/т.
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 транспортноэнергетической 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 промежуточного и/или товарного продукта непосредственно на добычном участке месторождения.
Возобновляемые природные ресурсы
Земные приливы
-5
2
Приливы земные, морские, атмосферные - обусловлены силами притяжения Луны и Солнца в соединении с центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля-Луна и Земля-Солнце (Большой Энциклопедический словарь, http://dic.academic.ru). Большая из этих сил - лунная - определяет прилив и отлив воды в течение суток. Длина приливной волны достигает нескольких сотен километров, амплитуда волны в открытом океане составляет около 1 метра. Вертикальное смещение земной поверхности достигает на экваторе 0,5 м (на широте Москвы 0,35-0,40 м). Изменение силы тяжести достигает величины 0,25*10 м/с (0,25 мгал) на экваторе.
Максимальное поднятие воды при приливах называют «полной водой», минимальное - «малой водой». Приливы ежесуточно обходят Землю с востока на запад, как и видимое движение Луны. Приливная деятельность на нашей планете достаточно изучена и широко представлена в научной литературе (см., например, Мельхиор П. Земные приливы / Пер. с англ. - М.: МИР, 1968. - 482 с.).
Следует заметить, что субширотные размеры Западно-Сибирского железорудного бассейна по направлению движения приливной волны, близки к длине приливной волны (Фиг. 2). Этот факт дает основание для предположения о квазирезонансном воздействии приливной волны на толщу горных пород, налегающих на рудный пласт, по аналогии с теорией взаимодействия волн де Бройля, связанных с любыми материальными объектами волновой природы (Фейнман Р, Лейтон Р, Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 3-4, - 3-е изд. - М.: Мир, 1976. - С. 221, 222, 412). Увеличению амплитуды земной приливной волны над железорудным бассейном будет способствовать разобщение монолитности толщи горных пород мощными водоносными горизонтами с ослабленной связностью твердых частиц.
Действие приливной волны земной поверхности над железорудным бассейном - толщи горных пород в 150-250 м, налегающих на рудный пласт - подобно действию перистальтического насоса, увеличивающего напор и дебит самоизливающихся скважин во время прилива.
Торф
Томская область почти целиком находится в лесной зоне, которую из-за широкого распространения болот, придающих ландшафту неповторимое своеобразие, часто называют лесоболотной. Среди леса разбросаны островами разных размеров «ржавые пятна» болот. Леса занимают около 59% общей площади Томской области, болота - 36%. В отдельных районах, например в Васюганье, на главном Обь-Иртышском водоразделе, леса распространены только неширокими полосами вдоль рек, а все плоские междуречные пространства целиком заняты болотами, на которых лишь изредка встречается чахлая сосновая поросль. В текущих среди болот небольших речках вода, содержащая большое количество органических кислот, имеет характерный бурый оттенок.
Подтайга заболочена значительно слабее, чем более северные территории. Болота в основном низинного и переходного типа. Такие болота размещаются в недренированных понижениях на террасах речных долин и в древних ложбинах стока. Питаются подземными и поверхностными водами, поступающими с окружающей местности. Минеральные вещества поступают в достаточно большом количестве, поэтому эти болота еще называют евтрофными (или многопитательными) и мезотрофными (среднепитательными). Первые из них чаще всего древесные или травяные осоково-гипновые, вторые - бере-зово-осоково-сфагновые. Изредка встречаются верховые сфагновые торфяники - «рямы» с выпуклой поверхностью.
Наибольшую площадь занимает в Томской области южная заболоченная тайга, северная граница которой проходит на левобережье Оби почти по широтному отрезку Васюгана, а на правобережье - по реке Кеть. Подзона отличается некоторым недостатком тепла при избытке влаги, поэтому биопродуктивность здесь несколько снижается, зато ведущим процессом, определяющим облик ландшафта, стало прогрессирующее заболачивание. В левобережье Оби на междуречьях расположены болотные массивы колоссальных размеров, в том числе отроги крупнейшего в мире Большого Васюганского болота, занимающего только в Томской области 2,3 млн га. Мощность торфа здесь достигает местами 10 м. Речные бассейны Васюганья заболочены на 70-90%. Торф накапливается в течение почти десяти тысяч лет после окончания последнего ледникового периода по причине, что растительные остатки (при отсутствии доступа к ним кислорода из-за застойного переувлажнения) разлагаются медленнее, чем происходит прирост растительной массы (Фиг. 13).
Согласно В.А. Земцова, Г.М. Татьянина, 2006, в случае Бакчарского месторождения ситуация отличается определенной спецификой, которая охарактеризована на основании режимных наблюдений Гидрометеорологической службы (на постах р. Икса - с. Плотникове р. Бакчар - с. Полынянка, р Ключ - с. Полынянка, р. Андарма - с. Панычево и др.), исследований кафедры гидрологии Томского госуниверситета и Сибирского НИИ торфа РАСХН.
Как следует из представленных на Фиг. 13 направлений использования торфяных месторождений Томской области в пределах контура БЖРМ располагаются запасной, земельный и неиспользуемый фонды - это открывает перспективу использования болотных вод этих торфяных отложений для освоения БЖРМ.
Экспедиционные гидрологические работы на периферии Бакчарского болотного массива (отрога крупнейшего в мире Васюганского болота) были организованы в 1965 г. с целью экспериментального изучения условий формирования стока рек лесоболотной зоны. В качестве типичного заболоченного бассейна выбран малый речной водосбор р. Ключ с типичной для верховых болот совокупностью микроландшафтов. Проведены подробные снегомерные съемки на разных болотных микроландшафтах, в приречных лесах и на открытых суходольных участках. Измерялась динамика снеготаяния, стока р. Ключ, температуры воздуха, осадков, уровней болотных вод в микроландшафтах болот, уровней воды в краевых топях на периферии болотного массива, уровней верховодки в приречной дренированной полосе леса. Результатами работы стали модели формирования стока западносибирских рек, используемые для гидрологических прогнозов и расчетов для строительного проектирования и мелиорации земель (лесомелиорация, осушение для добычи торфа).
Исследования на этом водосборе продолжаются и в настоящее время. В 1972 г. на р. Ключ у пос. Полынянка открыт болотный гидрологический пост Западно-Сибирского управления Гидрометслужбы, а в 1995 г. - болотный стационар Сибирского НИИ торфа. В бассейне р. Ключ и осушенных для лесного хозяйства и торфодобычи соседних болот работали многие российские и зарубежные гидрологи, болотоведы, почвоведы и ботаники (Программа РАН «Васюганское болото»).
На Фиг. 14 показан продольный профиль залежи типичного для территории месторождения верхового болота (по В.А. Земцову, Г.М. Татьянину).
Видно, что уровень болотных вод достаточно высок и это свидетельствует об обильности запасов. Наличие трех типов залежи -верховой, переходной и низинной - свидетельствует о качестве болотных вод, характеризуемых широким диапазоном изменения средних значений общей минерализации (7-15 мг/л) и окисляемости (25-108 мгО/л), определяющей сумму водорастворимых органических веществ. За характерный цвет заваренного чая, одна из рек, протекающих в томских болотах, была названа р. Чая, а в Томской области есть Чаинский район.
Гелиоэнергетические ресурсы
В Томской области имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для потребителей, особенно в сельской местности. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов, но и позволит смягчить экологическую ситуацию.
2
2
2
2
2
Детальный анализ режима характеристик солнечной радиации, облачности, солнечного сияния на территории Томской области, выполненный на основе многолетних климатических материалов, позволил выявить особенности структуры и динамики полей исследуемых показателей в годовом ходе, обусловленном устойчивым радиационным и циркуляционным факторами. Облачность увеличивается в направлении с северо-запада на юго-восток, продолжительность солнечного сияния увеличивается с северо-востока на юго-запад. Приход суммарной радиации увеличивается также в юго-западном направлении. При этом происходит увеличение радиационных показателей с северо-востока на юго-запад от 1500 до 1800 ч для солнечного сияния и от 3400 до 3900 МДж/м для суммарной радиации за год. Исследование межгодовой изменчивости характеристик солнечной радиации показало, что в целом их распределение по территории подобно распределению их средних значений. Наибольшей изменчивостью показатели солнечной радиации отличаются в летние месяцы (90-115 МДж/м), наименьшей изменчивостью - в зимние (5-15 МДж/м). На территории Томской области можно выделить три зоны с различными потенциальными гелиоэнергетическими ресурсами (Фиг. 15). Видно, что в пределах контура БЖРМ этот ресурс составляет 1100-1130 кВт*ч/м за год. На квадратный метр земной поверхности в районе Томска приходится в среднем 4,5 кВт*ч солнечного излучения в день или 1643 кВт*ч/м за год.
2
По результатам эксперимента установлено, что для региона Сибири наиболее благоприятное время использования солнечных батарей с марта по сентябрь с 10 до 18 ч. В течение года солнечная батарея произвела электрической энергии около 150 кВт*ч/м. Солнечная батарея была установлена неподвижно под углом 45° к горизонту и ориентирована на юг. Если применить системы ориентирования солнечной батареи на Солнце, то это позволит повысить среднюю мощность батареи в течение дня на 10-20%, а в мае-июле эта величина увеличится до 30%.
Проведенный эксперимент убедительно показал возможность и целесообразность использования солнечных батарей для выработки электрической энергии для маломощных потребителей в пределах Томской области (Таблица 5 Фиг. 16).
Выполненные расчеты повторяемости непрерывной продолжительности солнечного сияния 6 ч и более и возможной месячной продолжительности работы гелиоустановок показали, что с увеличением широты возрастает годовая амплитуда продолжительности работы гелиоустановок. В июне и июле на широте 60° возможная продолжительность работы гелиоустановки может превышать 450 ч. Непрерывная продолжительность солнечного сияния более 6 ч в весенне-летний период может достигать на территории Томской области 50-60%. Следовательно, использование солнечной энергии для горячего водоснабжения целесообразно для сезонных потребителей (Таблица 6 Фиг. 16).
За счет солнечной радиации в летний период можно создавать запасы тепла для обогрева объектов, снабженных аккумуляторами энергии, в октябре и даже в ноябре.
Современное развитие полупроводниковой техники позволило создать новые материалы, позволяющие значительно повысить КПД солнечных элементов до 10-12%. Это сделало реальностью создание высокоэффективных солнечных электрических станций, способных вырабатывать достаточное количество энергии в умеренных и даже высоких широтах.
Ветроэнергетические ресурсы
Ветровой режим над Западной Сибирью связан с особенностями циркуляции атмосферы. В течение всего года здесь преобладают южные и юго-западные ветры (20-33%). Значительно реже бывают ветры северные и восточные (5-11%)
Наибольшее число южных и юго-западных ветров приходится на осенне-зимний период (до 48%), когда весь юго-восток Западной Сибири находится под влиянием Азиатского антициклона. Менее устойчиво направление ветра в весеннее время, когда начинается сезонная перестройка барического поля, и летом, когда преобладают менее активные циркуляционные процессы. В этот период года повторяемость преобладающих направлений меньше (не более 29%).
Максимумы удельной мощности ветра приурочены к переходным сезонам. Основной минимум относится к летнему периоду, а вторичный - к зимнему.
2
2
По территории Томской области распределение удельной мощности ветра N аналогично распределению средней скорости ветра, т.е. в области выделяется две зоны: южная часть и пойма р. Оби, здесь N изменяется, в среднем за год, в пределах 150-200 Вт/м, а на остальной территории N меньше 100 Вт/м (Фиг. 17).
2
ф
ф
Видно, что в пределах контура БЖРМ среднегодовая удельная мощность ветра составляет до 150 Вт/м, при средней скорости ветра на высоте флюгера Н=Н, равной V=3,6 м/с.
ф
ф
2
Параметры томского ветроэнергетического ресурса в пределах контура БЖРМ позволяют использовать ветроэнергетические установки малой (до 1,5 кВт) и средней (до 15 кВт) мощностей, соответственно, у дневной поверхности земли и на высоте флюгера Н=10÷30 м (ветроколесо) во все сезоны года. Например, для станции Бакчар параметры V, м/с / N, Вт/м имеют следующие значения: зима - 3,6/146; весна - 4,0/187; лето - 2,9/69; осень - 4,2/223 (Таблица 7 Фиг. 18).
Геотермальные ресурсы
8
В недрах Земли сосредоточенно колоссальное количество глубинной возобновляемой тепловой энергии - до 4,5*10 трлн. т.у.т. Из них до 1,4 трлн т.у.т.(или до 30 млн МВт) приходится на гидротермальные ресурсы - термальные воды, пароводяные смеси и сухой пар (газ). В России до 90% гидротермальных ресурсов связаны с пластовыми минерализованными термами (<100°С) артезианских бассейнов молодых платформ с устойчивым геотермическим градиентом 2-4°С/100 м и более. Около 70% общих российских запасов вмещает Западно-Сибирский нефтегазоводоносный мегабассейн. Годовая теплоэнергетическая мощность термальных (40-70°С) вод Западной Сибири достигает 150-193 млн Гкал при насосном и около 50 млн Гкал при фонтанном способах эксплуатации скважин. При этом на долю Томской области приходится не менее 40-50%.
Из представленных на Фиг. 19 перспективных зон использования термальных вод Томской области видно, что БЖРМ попадает в перспективную зону - ЗП, где на северо-западе контура БЖРМ, между изотермами J 1-2 2,5 км 100°С и K1V 2,2 км 75°С, рекомендовано строительство МикроГеоТЭС. Для целей освоения БЖРМ перспективу представляет изотерма J 1-2 2,5 км 75°С у южной - юго-восточной части контура БЖРМ. В этом месте тепловая энергия, полученная через скважины на термальные воды, может существенно увеличить производительность процесса ПВ.
Все ускоряющаяся динамика изменений условий использования технических решений в различных отраслях хозяйства, в том числе, в горном деле и металлургии, по мнению авторов, стимулирует новаторов уделять должное внимание формированию адаптационных механизмов при создании технических усовершенствований, которое позволяет продолжать применять новацию, созданную в прежних условиях промышленной деятельности, и в новых, быстроизменившихся реалиях. Например, развал СССР в начале 90-х существенно обеднил минерально-сырьевую базу страны с уходом рудных месторождений под юрисдикцию Казахстана, Украины и других бывших союзных республик, а адаптация российских металлургических производств до сих пор происходит весьма болезненно. Еще более стремительны и пагубны «металлургические войны» (стальные, алюминиевые, никелевые и др.), развязанные экономическими санкциями США и стран Европы (май 2018 года) и которые приводят, фактически, к форс-мажору в деятельности таких крупнейших мировых металлургических гигантов, как КМК, АЛРОСА, Норникель и других российских производств, включая и их источники рудного сырья.
И, в этой связи, в новое техническое решение предлагается включить операцию создания модели адаптивной эксплуатации осваиваемого месторождения, оперативно реагирующей на быстроменяющуюся ситуацию и целесообразно управляющей добычным промыслом. Такое моделирование предполагает (Фиг. 20) на базе исходных данных и условий создать виртуальный промысел, определить последовательность действий промысла, реализовать геотехнологическую модель в современных условиях, при отклонении данных и условий от исходных, посредством обратных связей внести уточняющие поправки в новые исходные данные, а корректирующие поправки - в виртуальный промысел, и сгенерировать новую последовательность действий промысла, адаптированную к измененным условиям реализации процесса.
В состав исходных данных и условий включены потребности в компонентах полезного ископаемого, природные ресурсы месторождения (невозобновляемые и возобновляемые); существующий уровень техники и технологий освоения проектируемой деятельности.
Определение потребности промышленности в компонентах полезного ископаемого связана с оценкой потребительского тренда прошлых, современных и будущих технологий. В контексте освоения БЖРМ такой тренд выглядит следующим образом.
Прошлая технология - доменный процесс в 60-е - 70-е годы ориентировала освоение месторождения на получение руды, ее обогащение, окомкование и использование в доменной шихте для выплавки чугуна, а затем и стали. Обращалось внимание на перспективность использования макропримесей V и Р в ванадиевых и фосфористых шлаках. Реалии нулевых годов состоят в том, что экономически целесообразно является потребление бакчарской руды в количестве 10-14% от состава доменной шахты Западно-Сибирского металлургического комбината (г. Новокузнецк).
Современная технология - внедоменная металлургия (электросталь и др.) предполагает вовлечение в плавку металлолома 20-40% восстановленного бакчарского железа, а гидрометаллургический предел бакчарской руды может обеспечить порошковую металлургию качественным железным порошком. Обращается внимание на перспективность использования благороднометальных микропримесей.
Будущая технология - так называемого класса хай-тэк, вероятно, востребует в первую очередь полезные микрокомпоненты бакчарской железной руды: редкоземельные элементы (РЗЭ) и редкоземельные металлы (РЗМ) для создания, например, элементов микроэлектроники или суперсильных магнитов; благородные металлы (Pd, Pt, Au) в качестве катализаторов/ингибиторов химических процессов; вместе с другими компонентами (V, Mn, Ni, Cr, Al…) в качестве добавок для производства специальных сплавов.
Затем, скорее всего, будут востребованы макрокомпоненты как по нетрадиционному назначению (например, использование ванадия для создания суперсильных мышц роботов-андроидов), так по традиционному назначению (например, использование фосфора в составе удобрений при выращивании агрокультур в космических поселениях). И, в последнюю очередь, может быть востребован главный компонент руды - собственно железо - в его высокотехнологической форме в качестве основного расходного материала для 3D-принтеров, печатающих различные изделия.
Таким образом, видно, что с течением времени освоения БЖРМ (десятки лет) приоритет добычи полезного компонента руды может измениться как вследствие технического прогресса (эволюции или революции техники и технологий), так и вследствие политических и экономических причин (изменение социального строя, санкции, войны).
Предусматривая возможную динамику этого приоритета и, соответственно, оперативно перенастраивая геотехнологическую модель, можно обеспечивать устойчивое освоение БЖРМ.
Кроме учета, упомянутых выше, природных ресурсов и потребностей в полезных компонентах необходимо отслеживать уровень технических решений в разрабатываемый области промышленной деятельности.
Большая часть поверхности Западно-Сибирского железорудного бассейна представлена болотами и лесоболотным покрытием. Обводненные железорудные залежи расположены на глубинах 150-250 м и труднодоступны для традиционных (карьер) и геотехнологических (скважинная гидродобыча) способов их освоения. К тому же, реализация этих способов потребует существенных затрат на компенсацию экологического ущерба от нарушения природного рельефа местности и других негативных воздействий на окружающую среду.
За прошедшие с середины двадцатого века более чем шесть десятилетий со времени открытия БЖРМ было предложено четыре способа его освоения:
• традиционный: сухоройный карьер (СК);
• нетрадиционный: заводненный карьер (ЗК);
• геотехнологический: скважинная гидродобыча (СГД);
• геотехнологический: подземное выщелачивание (ПВ);
а также их комбинации.
К основным проблемам освоения БЖРМ способом СК можно отнести:
1) большой объем вскрышных работ - на 1 т добытой руды будет приходиться до 3,6 куб. м пород вскрыши;
2) длительное время производства вскрышных работ - карьер не будет поставлять руду в течение 5-7 лет с начала его эксплуатации;
3) громадные объемы откачиваемой для осушения карьера воды - на рельеф будет выдаваться поток до 270 тыс. куб. м/сут.;
4) добываемая руда будет разубоживаться пропластками глины и песка;
5) негативные экологические последствия, связанные с нарушениями недр, рельефа, гидрологических режимов подземных и наземных вод, болотно-лесных биоценозов, воздействием на атмосферу и микроклимат;
6) строительство карьера сопряжено с большими капитальными затратами, со значительно отодвинутым сроком возврата инвестиций в проект и с существенными затратами на компенсацию негативных экологических последствий.
Главным достоинством реализации проекта СК является обеспечение полной выемки всего пласта железной руды в составе его рыхлой, слабосцементированной и крепкосцементированной частей.
К основным проблемам освоения БЖРМ способом ЗК можно отнести:
1) большой объем вскрышных работ;
2) длительное время производства вскрышных работ;
3) значительный объем откачивания заводняющей карьер воды;
4) существенный удельный вклад эксплуатационных затрат на обеспечение работы земснарядов и подъемных насосных пульпоподающих и водоподающих станций;
5) затруднения в проведении добычных работ в зимних условиях;
6) значительные площади отчуждаемой под карты намыва руды поверхности земли;
7) посредством наплавных земснарядов возможна разработка только рыхлого и слабосцементированного слоев руды;
8) негативные экологические последствия аналогичны проекту СК;
9) негативные экономические последствия аналогичны проекту СК.
Технологическими преимуществами реализации проекта ЗК по сравнению с проектом СК является отсутствие необходимости монтажа и демонтажа в карьере мощного высокопроизводительного роторного экскаватора, а также получение на картах намыва отмытой РУДЫ.
К основным проблемам освоения БЖРМ геотехнологическим способом СГД можно отнести:
1) неполное извлечение руды из залежи - в настоящее время посредством скважинных гидродобычных снарядов может быть отработана только рыхлая часть руды;
2) необходимость оставления рудных целиков между выемочными камерами из-за возможной просадки пород кровли в отрабатываемое пространство также снижает объемы извлекаемой из залежи руды;
3) необходимость бурения сотен эксплуатационных скважин на добычном участке в условиях труднодоступной таежно-болотистой местности;
4) затрудненность эксплуатации карт намыва руды при отрицательных температурах атмосферного воздуха ниже -20°С;
Преимуществом реализации проекта СГД являются: минимизация экологического ущерба; возврат вложенных инвестиций уже с первого года эксплуатации добычного участка; получение отмытой руды с более высоким содержанием железа.
К основным проблемам освоения БЖРМ геотехнологическим способом ПВ можно отнести:
1) необходимость оптимизации крепости выщелачивателя, коэффициента извлечения металла, времени обработки руды и допустимых объемов диффузии выщелачивателя в подземные воды за пределами добычного участка;
2) необходимость бурения сотен эксплуатационных скважин на добычном участке в условиях труднодоступной таежно-болотистой местности;
3) по эколого-экономическим соображениям в приемлемые сроки могут быть отработаны только рыхлые и слабосцементированные руды;
4) существует риск загрязнения подземных вод выщелачивающим и продуктивным растворами.
Достоинством реализации проекта ПВ является получение сразу промежуточного продукта - металлоносного раствора, который пригоден для селективной высокотехнологической переработки на извлечение различных полезных компонентов бакчарской руды.
Вопросом геотехнологического решения проблемы освоения залежей оолитовых бурых железняков Западно-Сибирского железорудного бассейна уделялось внимание специалистов со времени открытия бассейна до настоящего времени (см., например, Новохатский И.П. Некоторые особенности оолитовых железных руд. // Изв. Ан КазССР, Серия геол., - Вып. 11, 1949; Титков Н.П. Технология обогащения окисленных железных руд. / Тр. ин-та Механобр. - Вып. 122, 1959; Столяров А.С. К вопросу использования месторождения оолитовых железных руд Томской области. / Сообщения о работах междуведом, пост. Комиссии по железу. - АН СССР, - Вып. 2/4, 1958; Паровинчак М.С., Лунев В.И., Зыков В.М. и др. Оценка конкурентоспособности новейших технологий добычи, обогащения и переработки железной руды Бакчарского месторождения / Труды 2-й Международной научно-практической конференции «Геотехнологии: проблемы и перспектива», 25-28 сент.2001 г. - Тула: Тул. гос.ун-т, 2001 - с. 133-137; Технологические проблемы и перспективы освоения Бакчарского проявления железных руд. / Сб. статей, посвящ. 50-летию открытия Зап.-Сиб. железоруд. басе, и Бакчарского проявления железных руд (296 стр.) // Под ред. В.И. Лунева. - М.: Изд-во МГГУ. - Библиограф, описание опубл. в «Горном информ.-аналит. бюллетене», №29, 2008; Решение проблемы освоения Бакчарского железорудного месторождения Томской области в изобретениях / Сб. избр. техн. решений, запатентованных в Российской Федерации // Под ред. проф. М.А. Шустова. - Составители: И.М. Иванюк, Н.Н. Ильин, В.И. Лунев, А.И. Усенко. - Томск, 2014. - 343 с. и др.). Открытый способ (карьерный) и метод СГД получили современное оформление применительно в Восточному (Полынянскому) и Западному (Бакчарскому) участком месторождения, и только метод ПВ, предложенный во время интенсивного освоения урановых и золотоносных месторождений, не получил должной модернизации с учетом накопленного опыта СГД рыхлой бакчарской руды (2006-2010 гг.).
Оценивая технический уровень способов освоения месторождений, подобных БЖРМ, можно, по мнению авторов, способ СК отнести к реализации прошлых технологий, способ СГД - к попытке осуществления современных технологий, а способ ПВ - к технологиям будущего.
Исходные экологические требования к реализации проекта освоения БЖРМ также могут быстро и довольно радикально изменяться. Например, недавний ввод Васюганского болота под юрисдикцию охранных документов всемирной организации ЮНЕСКО существенно ограничил возможности хозяйственной деятельности в контурах охраняемого объекта - в части касающейся недропользователей, например, обозначено требование сохранения природного ландшафта и биоты болота, а также неприкосновенности территорий заказников, заповедников, опытных полигонов и наблюдательных станций.
Несмотря на то, что каждый проект хозяйственной деятельности, в том числе и проект освоения БЖРМ, законодательно обязан иметь раздел ОВОС - оценка воздействия на окружающую среду - надо иметь ввиду, что эта оценка будет сделана с позиций вчерашнего знания ситуации. Ведь сами проектные работы производятся в течение нескольких лет, капитальное строительство промысла и ввод его в эксплуатацию еще потребует несколько лет, а за это время экологические требования изменятся и, скорее всего, в сторону ужесточения. Например, уже сейчас, в течение последних десяти лет, кроме традиционных требований по сохранению объектов атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы стали актуальны требования по контролю деятельности болотных систем в части генерации в атмосферу болотного газа, способствующего созданию парникового эффекта; разубоживания пресных вод поверхностных водоемов концентрированными болотными водами; экспансии болот (со скоростью более 1 метра в год) на территории земельных и лесных угодий.
И, конечно же, будет актуальна «экология постфактум» - сохранение устойчивого равновесия окружающей природной среды после реализации проекта освоения БЖРМ - в первую очередь, поддержания прежнего уровня пластового давления в горной выработке для предотвращения образования одиночных мульд, локальных депрессий или даже общей деформации рельефа в пределах контура БЖРМ, а также решение «судьбы» большого фонда добычных скважин (с плотностью до 60-80 скв./кв. км). Пример негативного экологического отношения к имеющемуся в регионе фонду поисковых, разведочных, эксплуатационных глубоких (разбуренных и обсаженных на глубину 1,5-3,5 тыс.м) скважин на нефть и газ уже имеется (см. Карта техногенной нагрузки нефтегазовым комплексом Томской области (по состоянию на 01.09.1990 г.) / Сост.: А.С. Захарченко, Н.В. Коптева, В.И. Лунев, В.Н. Ростовцев; Гл. редактор Ю.П. Похолков. - Томск, 1991). Эти скважины не используются, несмотря на имеющиеся разносторонние предложения (см. Кадастр возможностей, 2002 - с. 207; Пат. 208142 РФ. 7МПК В 43/25, 36/04 / Бюл. №19 - 10.07.2003; Лунев В.И. Новые возможности использования территориального фонда скважин для поиска, разведки и освоения месторождений полезных ископаемых // Томская горнодобывающая компания. Сборник публикаций к 5-летию ТомГДК: 2001-2005 гг. / Сост.: В.И. Лунев // Под общ. ред. В.Г. Емешева, М.С. Паровинчака. - Томск: STT, 2006. - с. 104-111 и др.). На базе упомянутых выше исходных данных и условий создается виртуальный промысел - интеллектуальная система автоматизации процессов и производств, используемых при освоении БЖРМ, а также управления ими посредством программирования промышленных котроллеров и применения SCADA-систем. Виртуальный промысел генерирует последовательность действий, необходимых для реализации процесса освоения БЖРМ, целесообразных в текущий отрезок времени. Если во время реализации предложенного алгоритма поступает новая вводная информация, то посредством обратной связи производится его корректировка, что своевременно обеспечивает адаптацию геотехнологии к изменяющимся условиям. Предлагаемая экологическая технология освоения железорудного месторождения далее иллюстрируется Фиг. 21-33.
Фиг. 21
Осуществление подземного выщелачивания реализуется путем разбуривания эксплуатационными скважинами добычного участка по сети, образуемой параллельными рядами скважин, пробуренных вкрест направления течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока.
Сеть универсальных эксплуатационных скважин имеет обозначения:
1 - направление течения, обводняющего пласт полезного ископаемого потока; 2 - скважина; d - межскважинное расстояние в ряду скважин; D - межскважинное расстояние в сети скважин.
Определяющим параметром такой сети является мощность М, разбуриваемого пласта полезного ископаемого: d ~ М и D ~ 2М.
В отличие от сетей с традиционно рекомендуемыми параметрами d и D при ПВ (Грабовников В.А., 1978; 1983; Порцевский А.К., Катков Г.А., 2004; Тепляков И.М., Домаренко В.А., Молчанов В.И., 2005), такая сеть приводит к существенному снижению эксплуатационных затрат при разбуривании площади месторождения геотехнологическими скважинами и капитальных затрат при обустройстве добычного помысла. Так, при рекомендуемых для БЖРМ в качестве оптимальных расстояний d=D=10 м (Тепляков И.М., Домаренко В.А., Молчанов В.И., 2005) на 1000 пог. м ряда придется 100 скв., а на 1 кв. км площади БЖРМ - нереальное число скважин в количестве 10000 скв. Это обстоятельство потребует подготовки 100 га поверхности болота для передвижения бурового станка, а при площади БЖРМ в 560 кв. км - 56 тыс.га. В случае же применения предлагаемой сети универсальных эксплуатационных скважин - на 1000 пог.м ряда придется 10 скв., на 1 кв. км - 100 скв., что снизит в несколько раз эксплуатационные и капитальные затраты (при d~M=50 м и D~2M=100 м). При этом с помощью одной универсальной скважины будет выщелочено до 55 тыс.т железной руды.
Фиг. 22
Универсальная эксплуатационная скважина - добычная ячейка сети: 3 - пласт полезного ископаемого (железной руды) мощностью М; 4 - подошва пласта 3; 5 - кровля пласта 3; 6 - налегающие на пласт 3 горные породы; 7 - отложения болотного торфа; 8 - дневная поверхность железорудного месторождения; 9 - горизонтальный ствол малого диаметра для закачки в пласт 3 выщелачивающего агента; 10 - ось симметрии вертикального ствола скважины большого диаметра; 11 - горизонтальный ствол малого диаметра для выдачи продуктивного раствора; 12 - устьевой резервуар; 13 - нижняя емкость устьевого резервуара 12; 14 - дренажно-сборный отстойник болотных вод; 15 - запорно-регулирующая арматура емкости 13; 16 - болотная вода / выщелачивающий агент; 17 - манжета крепления резервуара 12 к устью скважины 2; 18 - дренируемая болотная вода; 19 - дренируемая оборотная вода; 20 - дрены; 21 - верхняя емкость устьевого резервуара 12; 22 - атмосферные осадки; 23 - селективный извлекатель полезного компонента железной руды; 24 - съемная крышка верхней емкости 21; 25 - продуктивный раствор; 26 - запорно-регулирующая арматура верхней емкости 21; 27 - рым-болт; 28 - непромерзающий слой торфа; 29 - кондуктор; 30 - опорный башмак. Существенным отличием предлагаемой добычной скважины является придание ей универсального функционала - одновременной закачки выщелачивающего агента в пласт и выдачи продуктивного раствора на дневную поверхность.
Поочередная закачка и откачка посредством одной скважины в рядных системах разработки известа (Порцевский А.К., Катков Г.А. Геотехнология (физико-химическая). - М.: МГОУ, 2004. - С. 22). Сначала в скважину закачивается выщелачивающий агент в течение 15-20 суток, а затем из нее же откачивают в течение 30-40 суток продуктивный раствор. Однако, при наличии течения обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока 1, как в случае с БЖРМ, такая схема не применима, так как по времени откачки продуктивный раствор будет унесен напорным потоком подземной воды на расстояние до 32-х метров. Поэтому предлагается совместить по времени в работе одной скважины оба процесса -закачку и выдачу путем конструктивного решения скважинного оборудования и порядка его работы.
Атмосферные осадки 22 попадают на поверхность болота 8, проходя отложения торфа 7, они преобразуются в болотную воду 18, которая после отстоя в дренажно-сборном отстойнике 14, попадает в нижнюю емкость 13 устьевого резервуара 12 скважины 2, которая оснащена запорно-регулирующей арматурой 15. Нижняя емкость 13 устьевого резервуара 12 размещается своей верхней кромкой на уровне или ниже подошвы болотных торфяных отложений, а боковая поверхность нижней емкости 13 окружается дренажно-сборным отстойником 14 болотных вод. В период ежесуточного земного отлива закачной вентильный клапан 15 на дне нижней емкости 13 открывается, и выщелачивающий агент 16 сначала по вертикальному стволу большого диаметра 2, а затем по горизонтальному стволу малого диаметра 9 подается в пласт 3 с мощностью М. В латеральном простирании верхней части пласта 3 происходит выщелачивание железной руды, при этом получаемый продуктивный раствор сносится течением напорного потока подземных вод 1 по направлению с ЮЮЗ на ССВ к выдачным горизонтальным стволом малого диаметра 11.
В период ежесуточного земного прилива включается выдачной вентильный клапан 26 на устье ствола выдачной скважины малого диаметра 11 и продуктивный раствор 25 поступает в верхнюю емкость 21 устьевого резервуара 12. Селективный извлекатель 23 извлекает из продуктивного раствора 25 приоритетный в данный отрезок времени полезный компонент железной руды. Осветленная оборотная вода 19 по дренам 20 подается в отложения болотного торфа 7 и вновь преобразуется в болотную воду 18. Картридж с извлеченным из продуктивного раствора 25 приоритетным полезным компонентом 23 извлекается из верхней емкости 21 посредством рым-болтов 27 и съемной крышки 24 и заменяется очередным новым селективным извлекателем 23. Манжета крепления 17 резервуара 12, кондуктор 29 и опорный башмак 30 служат для закрепления скважинного оборудования в определенном положении. Термоизолирующий слой торфа 28 защищает зимой от замерзания продуктивный раствор 25.
Фиг. 23
з
з
в
Начальное положение горизонтальных стволов малого диаметра в латеральном простирании верхней части пласта полезного ископаемого: 31 - контур добычной ячейки; I - расстояние от контура добычной ячейки 31 до оси симметрии вертикального ствола скважины большого диаметра 10 по направлению течения, обводняющего пласт потока 1, определяющее площадь зоны закачки S выщелачивающего агента 16; l- расстояние от контура добычной ячейки 31 до оси симметрии вертикального ствола большого диаметра 10 против направления течения, обводняющего пласт потока 1, определяющее площадь зоны выдачи продуктивного раствора 25.
Такое положение горизонтальных стволов, в случае БЖРМ, позволяет эффективно отрабатывать в пределах контура 31 до 16 тыс.куб. м рыхлой руды.
Фиг. 24
Перфорация стенок обсадных труб горизонтальных стволов малого диаметра: 32 - ось симметрии обсадной трубы закачного ствола 9; 33 - ось симметрии обсадной трубы выдачного ствола 11.
Предложенная перфорация стенок труб под углом 45° к оси трубы повышает эжекционный захват выщелачивающего агента из трубы 9 и создает дополнительный напор при подаче продуктивного раствора в трубу 11.
Фиг. 25
Положение в вертикальной плоскости обсадных труб горизонтальных стволов малого диаметра по мере выработки пласта: 3-1 - верхняя часть пласта 3 рыхлой руды; 3-2 - средняя часть пласта 3 сцементированной руды; 3-3 - нижняя часть пласта 3 крепкосцементированной руды; а) начальная стадия выработки пласта 3; б) серединная стадия выработки пласта 3; в) завершающая стадия выработки пласта 3.
Вследствие того, что как показано на фиг. 23, закачные горизонтальные стволы малого диаметра 9 разбуриваются против и вкрест направления течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока 1, и выдачные горизонтальные стволы малого диаметра разбуриваются по направлению и вкрест направления течения, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока 1, а также вследствие того, что предложено стволы малого диаметра 9 и 11 обсаживать трубами из долговечного гибкого кислото-щелоче упорного материала, например, пластмассы, возникает возможность отрабатывать всю мощность М железорудного пласта 3 в контуре 31, используя изменения положения в вертикальной плоскости обсадных труб горизонтальных стволов малого диаметра 9 и 11 по мере выработки пласта 3. При этом однородное и равномерное движение фронта забоя подземной отработки осуществляется как в латеральном простирании, так и по мощности пласта полезного ископаемого - от кровли до подошвы. А именно, при отработке горизонта 3-1 (в случае БЖРМ оолитовая сыпучка бакчарского горизонта), обсадные трубы стволов 9 и 11 занимают горизонтальное положение; при отработке горизонта 3-2 (в случае БЖРМ слабосцементированная оолитовая руда колпашевского горизонта) - наклонно-горизонтальное положение; при отработке горизонта 3-3 (в случае БЖРМ крепкосцементированная оолитовая руда нарымского горизонта) - квазиортогональное положение обсадных труб стволов 9 и наклонно-горизонтальное положение обсадных труб стволов 11, что соответствует начальной стадии выработки пласта 3 (Фиг. 25а), серединной стадии (Фиг. 25б) и завершающей стадии (Фиг. 25в).
Фиг. 26
Схема циркуляции водного рабочего раствора.
Данная схема обращает внимание на то, что предлагаемая геотехнология освоения месторождения, по сути, является водным процессом, в котором природная вода, в качестве водного рабочего раствора, в разных формах участвует в добыче и получении полезных для человека продуктов в недрах земли и на ее поверхности. Так, в первом цикле освоения месторождения в роли рабочего раствора выступают: атмосферные осадки; болотная вода; выщелачивающий агент; подземная вода; разбавленный выщелачиватель; промежуточный продукт; коллективный концентрат и оборотная вода.
Фиг. 27
Схема получения коллективного концентрата полезных компонентов железной руды: 34 - переливной трубопровод продуктивного раствора 25; 35 - открытая емкость сгустителя/концентратора; 36 - промежуточный продукт; 37 - сливная труба; 38 - коллективный концентрат; 39 - закрытая емкость для хранения коллективного концентрата.
2
Рисунок иллюстрирует течение геотехнологического процесса после извлечения из обогащенного полезными компонентами железной руды продуктивного раствора 25 приоритетного полезного компонента. Обедненный продуктивный раствор 25 через запорно-регулирующую арматуру 26 верхней емкости 21 устьевого резервуара 12 по переливному трубопроводу 34 попадает в открытую емкость (бассейн) 35, где из него удаляется вода HO. В процессе испарения влаги раствор 25 преобразуется в промежуточный продукт 36, а затем и доводится до состояния соляной рапы - коллективного концентрата полезных компонентов 38, затем по сливной трубе 37 концентрат поступает в закрытую емкость 39, где его хранят для последующего использования.
Фиг. 28
Схема нагрева пласта полезного ископаемого теплом подземных термальных вод: 40 - направление подачи подземных термальных вод; 41 - водоносный пласт надкровельной породы; 1к - направление течения, обводняющего прикровельную породу 41 потока; 42 - водоносный пласт подподошвенной породы; 1п - направление течения, обводняющего подподошвенную породу 42 потока; 43 - подподошвнные горные породы; 44 - водоносный горизонт термальных вод; 46 - термальная вода; 47 - запорно-регулирующая арматура подачи термальных вод: а) схема нагрева пласта 3 со стороны кровли 5; б) схема нагрева пласта 3 со стороны подошвы 4; в) схема непосредственного нагрева пласта.
Рисунок иллюстрирует возможность использования геотермального ресурса для повышения производительности ПВ. Как известно, повышение температуры реакционного объема на каждые 10°С приводит к возрастанию в 3-4 раза скорости химической реакции, что эквивалентно соответствующему увеличению времени реакции или повышению концентрации реагирующих веществ. Для случая ПВ бакчарской руды в течение полусуток земного отлива, по оценке авторов, процент извлечения полезных компонентов из нагретого до 75°С железорудного пласта может достигать 60-75% (до 50-65 г/л железа в продуктивном растворе).
Для реализации упомянутой возможности вертикальную скважину большого диаметра 2 добуривают от подошвы 4 железорудного пласта 3 до водоносного горизонта термальных вод 44, глубокую скважину 45 обсаживают, перфорируют в четырех местах и оборудуют запорно-регулирующей арматурой 47. Использование тепла подземных термальных вод 44 для нагрева пласта 3 может быть произведено по трем базовым вариантам (Фиг. 28а; Фиг. 28б; Фиг. 28в) и четырем комбинированным.
По базовому варианту Фиг. 28а - пласт 3 нагревают со стороны водонепроницаемой кровли 5. Термальная вода 44 через запорно-регулирующую арматуру 47 подается напорным потоком 40, совпадающим с направлением течения, обводняющего прикровельную породу 41 потока 1к, в надкровельное пространство 41.
По базовому варианту Фиг. 28б - пласт 3 нагревают со стороны водонепроницаемой подошвы 4. Термальная вода 44 через запорно-регулирующую арматуру 47 подается напорным потоком 40, совпадающим с направлением течения, обводняющего подподошвенную породу 42 потока 1п, в подподошвенное пространство 42.
По базовому варианту Фиг. 28в - пласт 3 нагревают непосредственно путем смешивания термальных вод 44 с обводняющим пласт напорным потоком 1. В зависимости от физико-химических свойств термальных вод 44, влияющих на процесс ПВ, более эффективными могут оказаться комбинированные варианты нагрева пласта 3: нагрев со стороны кровли 5 + нагрев со стороны подошвы 4; нагрев со стороны кровли 5 + непосредственный нагрев; нагрев со стороны подошвы 4 + непосредственный нагрев; нагрев со стороны кровли 5 + непосредственный нагрев + нагрев со стороны подошвы 4.
Геотермальные ресурсы в контуре БЖРМ позволяют обеспечивать нагрев пласта до температур 50-75°С, существенно увеличивая производительность добычного промысла.
Фиг. 29
Схема использования гелиоэнергетического ресурса: а) солнечная батарея: 48 - солнце; 49 - несущая опора; 50 - платформа крышки 24 верхней емкости 21 устьевого резервуара 12; 51 - панель приема солнечного изучения; б) солнечный радиатор: 52 - теплоотводящая панель; в) солнечный концентратор: 53 - отражающая поверхность; 54 - бассейн-испаритель; 55 - испаряемый раствор.
Здесь обозначены варианты реализации энергии солнца в геотехнологии освоения месторождения, например, для нагрева болотной воды в нижней емкости устьевого резервуара с целью повышения производительности ПВ. По варианту Фиг. 29а - для нагрева используют теплоэлектронагревательные элементы, помещенные в объем болотной воды, потребляющие электроэнергию от солнечных батарей 51. По варианту Фиг. 29б - для нагрева используют непосредственно солнечное тепло, улавливаемое теплоотводящей панелью 52, аккумулируемое и переносимое теплоносителем в объем болотной воды.
В варианте Фиг. 29в - представлена возможность использования отражающей поверхности 53 солнечного концентрата для упаривания промежуточного продукта 55 (обедненного продуктивного раствора) до кондиции коллективного концентрата полезных компонентов железной РУДЫ.
Фиг. 30
Схема использования ветроэнергетического ресурса: а) ветряной генератор 56 в потоке ветра 57; б) ветряной движитель 58 с валом отбора мощности 59; в) ветряной осушитель 60, концентрирующий поток воздуха 61.
Показаны варианты применения энергии ветра в предлагаемой геотехнологии освоения месторождения: для генерирования электроэнергии на промысле (Фиг. 30а); для применения механической энергии в процессах, идущих в устьевом резервуаре (Фиг. 30б); для осушения промежуточного продукта 55.
Фиг. 31
Схема использования горной выработки для генерации метана
Данная схема обеспечивает, фактически, вторую жизнь осваиваемого месторождения. В этих целях используется обводненная горная выработка, прогретая до температур 28-40°С, в которую закачивается, приготовленная на поверхности специальная органическая смесь - источник нового полезного продукта. Эта смесь включает органический субстрат, обсемененный метангенерирующими бактериями и болотную воду. Попадая в комфортные для себя условия горной выработки (водная среда, питательная среда, тепловая среда) бактерии начинают размножаться и интенсивно перерабатывать органику, генерируя при этом газ метан, который газирует жидкость и/или скапливается в верхней части выработки. Этот газ после его отбора поступает на установку комплексной подготовки газа (УКПГ), где ему придают товарное качество и доставляют потребителю. В результате применения такой схемы получают второй товарный продукт - газ метан.
Фиг. 32
ж
н
м
Пример последовательного освоения месторождения: БЖРМ - Бакчарское железорудное месторождение; а) начальная стадия: З - зона генерации продуктивного железосодержащего раствора; З - неотрабатываемая зона, находящаяся в процессе подготовки к промысловым работам; б) средняя стадия: З - зона генерации метана в горной выработке; в) заключительная стадия - генерация метана во всем объеме отработанного пласта 3.
Рисунок иллюстрирует возможный порядок ввода режима газогенерации в работу добычного промысла. Видно, что на заключительной стадии освоения БЖРМ искусственное газовое месторождение может иметь самостоятельное значение, определяемое неистощимостью используемых ресурсов - органического вещества, подземных вод, горной выработки.
Фиг. 33
Циклическая схема экологической геотехнологии освоения железорудного месторождения
На схеме показана процедура обеспечения третьей жизни осваиваемого месторождения в циклическом процессе его освоения. I цикл: подземное выщелачивание железной руды (ПВЖР) сопровождается получением продуктивного раствора (ПР) и минерального осадка (МО). ПР содержит железо и полезные компоненты железной руды, а МО образуют частицы песка; глины; цемента, скрепляющего оолиты в руде и затравки/зародыши оолитов, нерастворенные выщелачивающим агентом при ПВ. Конечным товарным продуктом являются полезные компоненты железной руды (ПКЖР).
II цикл: процесс генерации метана (ГМ) сопровождается получением пластового метана (ПМ) и органического осадка (ОО), как результата жизнедеятельности бактерий и остатков органики. Конечным товарным продуктом цикла является подготовленный газ (ПГ).
III цикл: после работы добычного промысла по I-му и II-му циклам освоения месторождения получают новый исходный продукт - органо-минеральный осадок (ОМО), который в процессе его скважинной гидравлической добычи (СГД) преобразуется в илово-сапрапелевый субстрат (ИСС), на основе которого и получают конечный товарный продукт в виде удобрений (У).
Время трехцикловой работы добычного промысла ограничено долговечностью скважинного оборудования и, например, для полиэтиленовых обсадных труб может превышать половину века. Далее опишем те пункты формулы изобретения, которые не проиллюстрированы фигурами. Емкости устьевого резервуара оборудуются автомными контрольно-измерительными приборами и автоматикой (КИПиА). Они измеряют такие технологические параметры как уровень жидкости в емкости, расход жидкости, температуру жидкости, содержание органических веществ, содержание полезных компонентов, рН, Eh, давление в емкости и автоматически их регулируют с помощью исполнительных устройств. Такие КИПиА позволяют дистанционно контролировать и управлять работой добычных ячеек сети универсальных эксплуатационных скважин.
В течение срока освоения месторождения (более пяти десятков лет) будут изменяться исходные условия: горно-геологические, гидрологические, климато-геологические и другие. Так, в процессе бурения эксплуатационных скважин могут обнаруживаться не установленные ранее структуры, например, в пласте рудной сыпучки-пропластки сцементированный руды или в рудном слое - линзы глины/песка, разубоживающие полезное ископаемое и т.п. Водный режим изменится в процессе изъятия рудного тела из подземного пространства, подачи растворов с поверхности и/или из артезианских глубин.
А климато-метеорологический фактор динамично изменяется уже сейчас, на всей планете. Все это, естественно, необходимо учитывать обратными связями геотехнологической модели эксплуатации месторождения, внося необходимые поправки и коррективы.
Срок работы добычного промысла, как уже упоминалось, определяется, в основном, долговечностью подземного скважинного оборудования, замена которого сопряжена с большими капитальными затратами. Поэтому обсадные трубы скважин должны быть выполнены из долговечного и кислото-щелоче упорного материала, например, пластмасса (как вариант из полиэтилена).
В процессе ПВ, для повышения его эффективности и производительности, все поперечное сечение, обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока, должно перекрываться активными частями закачных и выдачных устройств в течение времени отработки всей мощности пласта. Поэтому обсадные трубы горизонтальных стволов малого диаметра целесообразно перфорировать от свободного конца трубы на длину, равную мощности пласта. Тогда сечение, обводняющего пласт потока, будет перекрываться как при горизонтальном положении, так и при наклонном и квазиортогональном положениях закачных и выдачных труб.
Поскольку в устьевом резервуаре находятся два рода агрессивных жидкостей - выщелачивающий агент и продуктивный раствор, то материал из которого выполнен резервуар должен быть кислото-щелоче упорным и по долговечности должен соответствовать подземному скважинному оборудованию. А герметичное разделение нижней и верхней емкостей резервуара препятствует смешиванию этих жидкостей и позволяет усиливать действие земного прилива путем регулирования давления в емкостях, а именно: в период прилива - создавать разряжение в верхней емкости и усиливать всас продуктивного раствора; в период отлива - создавать напор в нижней емкости и усиливать закачку выщелачивающего раствора в пласт.
Размещение нижней емкости устьевого резервуара своей верхней кромкой на уровне дневной поверхности обеспечивает свободный доступ через съемную герметичную крышку в объем для извлечения картриджа-селектора приоритетного полезного компонента железной руды, установки и поверки КИПиА, ремонта оборудования. Оборудование верхней части боковой поверхности верхней емкости дренами в виде перфорированных труб малого диаметра позволяет обеспечить перелив оборотной воды в отложения торфа с последующим преобразованием в болотную воду.
Для более эффективного обеспечивания просачивания выщелачивающего агента через рудный пласт используют силу напора потока подземной воды. Поэтому освоение железорудного месторождения ведут по направлению напорного потока, например, для БЖРМ от борта на ЮЮЗ к борту на ССВ. При этом обеспечивают однородное и равномерное движение фронта забоя, в том числе за счет организации взаимодействия соседних добычных ячеек сети.
Как уже отмечалось выше, с течением срока освоения месторождения может изменяться приоритет добычи того или иного полезного компонента железной руды. Становится, в этом случае, целесообразно сначала селективно извлекать из продуктивного раствора приоритетный полезный компонент, а затем, в порядке приоритетности, другие полезные компоненты. И, если селективное извлечение менее приоритетных полезных компонентов из продуктивного раствора в верхней емкости устьевого резервуара существующими способами неэффективно, то обедненный продуктивный раствор целесообразно в качестве промпродукта направить на получение коллективного концентрата менее приоритетных полезных компонентов и обеспечить его хранение для будущей переработки другими способами. При этом концентрирование промежуточного продукта может производиться посредством процессов выветривания, выпаривания или вымораживания.
Для влияния на эффективность и производительность ПВ предлагается дистанционно, с использованием телеметрии и средств КИПиА, регулировать концентрацию выщелачивающего агента в пласте путем укрепления болотной воды концентратами бактериальных растворов и гуминовых кислот, полученных из местных торфов и болотных вод, а также путем барбатирования воды сжатыми газами, такими как хлор, диоксид серы, диоксид азота, образующими неорганические кислоты - соляную, серную и азотную. Кроме того, применяемый сжатый газ используют для создания противодавления при эжекции выщелачивающего агента в напорный поток, обводняющий пласт полезного ископаемого.
Предлагается управлять добычным процессом путем регулирования давления в нижней и верхней емкостях устьевого резервуара посредством барбатируемого газа, вакуумированного баллона в верхней емкости, баллона со сжатым воздухом в нижней емкости, перекачки воздуха из верхней емкости в нижнюю воздушным насосом, приводимым в действие с помощью энергии ветра и/или энергии солнца.
Предложен широкий спектр приемов регулирования температуры процесса выщелачивания путем нагрева пласта полезного ископаемого. В первом случае используются такие источники тепла как солнце; теплоэлектронагревательные элементы, потребляющие электроэнергию от солнечных батарей и/или от ветроэнергетической установки; торф, который сжигают, подвергают химическому окислению или микробиологическому разложению в объемах, окружающих устьевой резервуар. Во втором случае используют тепло подземных термальных вод для нагрева пласта в следующих вариантах: со стороны водонепроницаемой кровли; со стороны водонепроницаемой подошвы; непосредственно путем смешивания термальных вод с обводняющим пласт потоком, а также в комбинациях этих вариантов. Для этого вертикальную скважину большого диаметра добуривают через башмак от подошвы до глубины 1500-2500 м залегания водоносного горизонта термальных вод (с температурой в пределах контура БЖРМ - 50-75°С), обсаживают глубокую скважину и оборудуют запорно-регулирующей арматурой выше кровли, ниже подошвы и в середине железорудного пласта.
В связи с труднодоступностью к устьевым резервуарам эксплуатационных скважин и отсутствием экономической целесообразности в создании постоянной транспортной инфраструктуры на болотистой поверхности месторождения предлагается выемку извлеченных из продуктивного раствора полезных компонентов и полученного коллективного концентрата производить с воздуха с помощью вертолетов, дирижаблей, дистанционно управляемыми роботизированными комплексами типа ДРОН (грузоподъемность которых уже в настоящее время достигает 300 кг). По этой же причине к осуществлению дистанционного контроля и управления добычным промыслом предлагается привлекать средства космического базирования (группировка спутников и/или обитаемой орбитальной станции).
Оценка воздействия добычного промысла на окружающую среду производится посредством комплексного регионального мониторинга природной среды до, во время и после освоения железорудного месторождения, включая наблюдения за изменениями ландшафта и рельефа дневной поверхности и гидросферой.
Для обеспечения возможности использования горной выработки в целях генерации метана предлагается закачиваемый в пласт органический субстрат производить из возобновляемых биологических ресурсов: торфа; древесных отходов лесопользования и деревообработки, в том числе получаемых в результате санитарных рубок ухода за лесом и заготовки древесины; животноводческих производств; отходов растениеводства; отходов пищевой и химической промышленности. Все эти виды биологических ресурсов являются питательной средой метангенерирующих бактерий. При этом в приподошвенном пространстве горной выработки формируют минеральный осадок и органический осадок, надлежащий над минеральным осадком. Для удобства использования органического субстрата и повышения интенсивности генерации метана предлагается твердую фазу органического субстрата измельчать до размеров частиц, менее 30 микрометров (исходя из опыта приготовления водоугольного топлива), а в качестве базовой части контаминанта использовать метангенерирующие бактерии местных болотных систем на территории осваиваемого месторождения и его окрестностей (как наиболее приспособленных к потреблению местной питательной среды в виде торфоорганики - целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, гумусе и др.).
Выдаваемый на поверхность пластовый метан подвергают комплексной подготовке к транспортировке и использованию путем очистки от механических примесей, осушки, сжатия и/или ожижения по аналогии с подготовкой природного поликомпонентного пластового газа, например, на соседних с БЖРМ газовых промыслах.
Подготовленный газ предлагается транспортировать потребителю по следующим вариантам: по трубопроводу, в баллонах и цистернах, в том числе наземным, водным и воздушным транспортом и в мягких воздухоплавательных оболочках, в том числе дирижаблях.
Использовать подготовленный газ предлагается по следующим вариантам: в качестве рабочего тела подъемно-транспортного механизма на осваиваемом месторождении; для производства электроэнергии и тепла, в том числе непосредственно на месторождении; для производства химических продуктов, например, в случае БЖРМ на Томском нефтехимическом комбинате.
Третий тип товарного продукта (после получения полезных компонентов железной руды и газа метана) предлагается производить путем смешивания илово-сапропелевого субстрата с органическим субстратом и торфом с получением почво-грунтов и удобрений, жидких и гранулированных. Сибирским НИИ торфа (г. Томск) разработан широкий спектр рецептур подобных продуктов, прошедших успешную апробацию на полях местных агрохозяйств. Достигаемый технический результат от использования изобретения может быть представлен следующими положениями:
• предлагаемая геотехнология обеспечивает три жизни добычного промысла, в процессе которых из одного и того же подземного пространства извлекают через скважины последовательно растворенную в продуктивном растворе железную руду, произведенный газ метан, созданные иловые отложения в составе пульпы;
• экономический эффект обеспечивается разовыми капитальными затратами на обустройство добычного промысла при получении трех разных видов товарной продукции, используемой в промышленности (полезные компоненты железной руды, газ метан), в энергетике (газ метан) и в сельском хозяйстве (удобрения, почво-грунты);
• экологичность геотехнологии обеспечивается минимизацией вредного воздействия на окружающую среду и использованием неисчерпаемых природных ресурсов: гравитационного действия земных приливов; гели о ресурсов; ветроэнергетических ресурсов; геотермальных ресурсов; торфа и болотных вод; пространства подземной выработки и климатического фактора.