Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 4. Добывающая промышленность и разработка карьеров
План лекции:
1. Характеристика способов разработки месторождений
2. Бактериальное выщелачивание металлов
3. Переработка промышленной воды
ДОБЫЧА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ — процессы извлечения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. Исчисление добытых полезных ископаемых ведётся в абсолютных цифрах полученного из месторождения полезных ископаемых с учётом потерь (т.н. товарный продукт) и в пересчёте на полезный компонент (металл или оксид). Последнее делает сопоставимыми данные по добыче конкретного полезного ископаемого из различных месторождений (т. е, учитывает % содержания ценного компонента в полезных ископаемых).
Добыча полезных ископаемых насчитывает многотысячелетнюю историю. Процесс добычи полезных ископаемых состоит в извлечении ценного компонента в относительно чистом виде (например, нефть, природный газ, каменный уголь, каменная соль, драгоценные камни и др.) или в виде горной массы (например, руды металлов), которая в дальнейшем подвергается переработке.
На суше добыча полезных ископаемых ведётся шахтами, карьерами и буровыми скважинами; в морских акваториях — буровыми скважинами, драгами и специальными автономными подводными аппаратами, которые осуществляют сбор конкреций со дна.
1. Характеристика способов разработки месторождений
В зависимости от условий залегания месторождений и мощности залежей их разработку осуществляют открытым, подземным и комбинированным способами.
При открытом способе разработки полезное ископаемое добывают из недр при использовании открытых горных выработок, которые примыкают непосредственно к земной поверхности и имеют незамкнутый контур поперечного сечения (в отличие от подземных горных выработок). Добыча полезных ископаемых открытым способом осуществляется карьерами, представляющими собой совокупность горных выработок, предназначенных для разработки месторождений. Под термином «карьер» понимают также и горное предприятие, ведущее добычу полезного ископаемого открытым способом. Горные предприятия, разрабатывающие открытым способом месторождения угля, называют разрезами, а россыпи - приисками.
При подземном способе разработки полезное ископаемое добывают из недр посредством сооружения специальных подземных выработок. Добыча подземным способом осуществляется шахтой - самостоятельной производственной единицей, входящей в состав горного предприятия. Традиционно шахтой называется предприятие по подземной добыче каменного угля или горючих сланцев, в России существуют шахты для подземной добычи тяжёлой нефти (Ярега). При добыче подземным способом руды шахту называют рудни́к (в шахтёрских регионах распространено произношение с ударением на первый слог — ру́дник).
Шахта включает наземные сооружения:
копры (копер — надземное сооружение шахтного ствола, служит частью подъёмной установки),
надшахтные здания,
главные вентиляторные установки,
дробильно-сортировочные фабрики,
склады
совокупность подземных горных выработок, предназначенных для разработки месторождения в пределах шахтного поля – (шахтное поле — месторождение или его часть, отведенная для разработки одной шахтой).
Шахта — механизированное и автоматизированное предприятие, оснащенное производительными машинами и механизмами для добычи и транспортировки полезного ископаемого, проведения горных выработок, водоотлива и вентиляции. Срок службы шахт, отрабатывающих мощные месторождения, достигает 50-70 лет и более. Глубина отдельных шахт по добыче золота и алмазов достигает 4 километров.
В равнинной местности чаще всего вскрытие производится вертикальными стволами, реже — наклонными, от которых на разных горизонтах (этажах) проводятся квершлаги до встречи с залежью ископаемого. Квершлаг (нем. Querschlag) — горизонтальная, реже наклонная, подземная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и пройденная по вмещающим породам в крест простирания пласта полезного ископаемого. Квершлаг предназначается для вскрытия полезного ископаемого, транспортирования грузов (самоходным, рельсовым или конвейерным транспортом), а также для передвижения людей, вентиляции, стока воды и т. д. В гористой местности основные вскрывающие выработки — штольни. Штольня (от нем. Stollen — столб) — горизонтальная или наклонная горная выработка, имеющая выход на земную поверхность и обычно предназначенная для добычи полезных ископаемых или обслуживания горных работ. Является основной вскрывающей выработкой при разработке месторождений в районах с гористым рельефом. Иногда неосведомленные люди ствол или штольню называют собственно шахтой.
Рис. 1. Штольня
Рис. 1. Угольная шахта в разрезе: 1 — штреки; 2 — угольный пласт; 3 — бремсберг; 4 — ходки; 5 — надшахтные здания стволов; 6 — административно-бытовой комбинат; 7 — склад; 8 — угольный склад; 9 — террикон.
Штрек - горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, лежащая в горизонтальной плоскости и проходящая по простиранию рудного тела, служащая для проветривания и транспортировки.
Горная выработка — искусственная полость, сделанная в недрах земли или на поверхности.
Бремсберг (нем. Bremsberg, от Bremse — тормоз и Berg — гора), подземная наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и служащая для спуска полезного ископаемого в вагонетках или конвейерами с вышележащего на нижележащий горизонт. Синоним Б. — термин "спуск".
Открытый способ разработки отличается, прежде всего, большой возможностью в применении мощной техники для отбойки, погрузки и транспортирования горной массы, что позволяет обеспечить высокую производительность труда и низкую себестоимость добычи полезного ископаемого. Важное значение имеет и более полное извлечение при этом способе полезного ископаемого, а также лучшие по сравнению с подземным способом санитарно-гигиенические условия труда для горнорабочих. Все это способствует во все расширяющихся масштабах использовать открытый способ разработки месторождений. Основным препятствием для его повсеместного применения является большая глубина залегания рудных тел от поверхности или малая их мощность, при которой доступ к полезному ископаемому может быть обеспечен только после удаления большого количества вмещающих пород. Основные недостатки открытого способа разработки сводятся в основном к необходимости выемки, перемещения и складирования в отвалы больших объемов пустых пород, для размещения которых требуются значительные площади, что приводит в отдельных районах к потерям плодородных земель. В карьерах большой глубины создаются трудности в удалении газов и пыли после взрывных работ, что ухудшает санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих и загрязняет окружающую среду. Существующие инженерные методы газо- и пылеподавления при производстве массовых взрывов на карьерах пока отличаются малой эффективностью. Определенное влияние на эффективность открытой разработки оказывают климатические и атмосферные условия. Следует, однако, указать, что отмеченные достоинства открытого способа разработки во многих случаях преобладают над недостатками, что определяет его перспективность.
Подземным способом разрабатывают месторождения различных полезных ископаемых на разных глубинах: от 15 - 20 м при разработке россыпей длиной до 3 - 4 км при разработке золоторудных залежей. Большая толща пород, покрывающих месторождения, сложный рельеф земной поверхности, суровые климатические условия - вот те основные факторы, которые являются решающими при выборе подземного способа разработки. При этом способе разработки имеются технические возможности для значительного уменьшения выбросов газов и пыли в окружающую среду. Кроме того, объемы перемещаемых пустых пород незначительны по сравнению с открытым способом разработки, что требует небольших площадей для их размещения. Во многих случаях подземная разработка позволяет полностью сохранить поверхность. К недостаткам подземного способа разработки следует отнести большую, чем при открытом способе, опасность работ, меньшую возможность для применения мощной высокопроизводительной техники, более низкие показатели извлечения.
При комбинированном способе разработки верхняя часть месторождения отрабатывается открытым способом, а нижняя - подземным. Комбинированный способ применяют при разработке, как правило, мощных крутых глубоко залегающих месторождений, перекрытых сравнительно небольшой толщей наносов. Так как этот способ включает открытую и подземную разработку, то ему присущи их достоинства и недостатки. Стремясь использовать основные преимущества открытого способа разработки и устранить его недостатки, связанные прежде всего с транспортированием вскрышных пород, в определенных условиях его сочетают с подземной откаткой. Выбор способа разработки, как правило, производят методом технико-экономического сравнения производственных расходов по открытому и подземному способам и предпочтение отдают тому, при котором обеспечивается минимальная стоимость добычи (или концентрата). Иногда выбор способа разработки решается без каких-либо расчетов ввиду явного преимущества одного из этих способов.
Подавляющее число месторождений твёрдых полезных ископаемых разрабатывается с помощью шахт и карьеров, а также буровых скважин, путём искусственного перевода ряда твёрдых полезных ископаемых в подвижное (жидкое, газообразное) состояние (самородная сера, фосфаты, каменная соль, уголь и др.). На карьерах добывается около 90% бурых и 20% каменных углей, 70% руд металлов, 95% нерудных строительных материалов. Жидкие и газообразные полезные ископаемые (нефть, рассолы, подземные воды, природный газ) добываются с помощью буровых скважин, ряд нефтяных месторождений разрабатывается с помощью шахт, для выемки нефтенасыщенных песков ("тяжёлых" нефтей) используют разработку открытым способом. На ряде месторождений применяется комбинация способов добычи (открытого и шахтного, шахтного и скважинного). Выбор способа добычи полезных ископаемых определяется главным образом горно-геологическими условиями залегания полезных ископаемых, экономическими расчётами. По величине истинных мощностей угольные пласты подразделяются на следующие категории: весьма тонкие (h<0,5 м), тонкие (h=0,51- 1,3 м), средней мощности (h=1,31 -3,5 м), мощные ( h =3,51 - 15 м) и весьма мощные (h>15 м).
Ежегодные объёмы добычи твёрдых полезных ископаемых в мире составляют около 20 млрд. т (в т.ч. неметаллических полезных ископаемых — 13 млрд. т), нефти — около 3 млрд. т, газообразных — 1,5 трлн. м3. Масштабы добычи полезных ископаемых возрастают по мере развития промышленного производства, технического прогресса и роста народонаселения. Из всего количества полезных ископаемых, извлечённых из земных недр за всю историю человеческой цивилизации, преобладающий их объём добыт в 20 веке (1901-80), в т.ч. нефти 99,5%, угля 90%, железных руд 87%, медных руд свыше 80%, золота 70%. Рост добычи полезных ископаемых обеспечивается за счёт открытия новых месторождений, вовлечения в эксплуатацию месторождений глубокого залегания, разработки руд с низкими содержаниями полезного компонента.
Важный резерв увеличения объёмов потребления промышленностью минеральных ресурсов — совершенствование технологий переработки полезных ископаемых, внедрения малоотходных и безотходных технологий с утилизацией всех компонентов добытой горной массы.
Наибольшие объёмы добычи полезных ископаемых приходятся на машинные (в ряде случаев автоматизированные) системы, возрастает значение наиболее прогрессивных физико-химических и биологических методов, позволяющих избирательно извлекать металлы из месторождений непосредственно в массивах горных пород, без существенного нарушения их сплошности (например, бактериальное выщелачивание). Добыча полезных ископаемых — энергоёмкий процесс. Основные источники энергии — электрическое, жидкое топливо, взрывчатые вещества. Потребление энергии при открытой разработке полезных ископаемых в 10-30 раз меньше, чем при шахтной.
Жидкие полезные ископаемые, и природный газ извлекают из земных недр с помощью скважин, по трубам. Этим же способом удается добыть часть каменной соли и серы. Соль предварительно растворяют под землей, накачивая в скважину воду, а серу расплавляют горячим паром. Иногда даже некоторые цветные металлы (литий, медь) извлекают из-под земли с водой. Легчайший металл литий, например, добывают из минеральных вод, в которых растворены его соединения. На Дегтярском руднике на Урале из подземных вод осаждают медь. Она растворилась в воде благодаря особым бактериям, превратившим нерастворимые соединения меди с серой в растворимую сернокислую медь - медный купорос. Еще в прошлом веке великий русский химик Менделеев выдвинул идею извлечения из-под земли по скважинам каменного угля, превращенного предварительно в горючий газ. Многолетние опыты, проведенные в советское время в угольных бассейнах, доказали, что в принципе это возможно. Германий считают выгодным добывать из золы тепловых электростанций. Этот сверхрассеянный металл был когда-то собран из почвы растениями, превратившимися потом в каменный уголь. Из года в год добыча полезных ископаемых растет. Особенно быстро развивается сейчас добыча открытым способом и добыча с помощью скважин. Сейчас человечество извлекает за год из недр Земли более 1 млрд. т железной руды, более 2 млрд. т нефти, более 2,5 млрд. т угля, миллиарды тонн строительных материалов и других полезных ископаемых.
БУРОВАЯ СКВАЖИНА — горная выработка преимущественно круглого сечения (диаметр 59-1000 мм), образуемая в результате бурения.
Буровые скважины разделяют на мелкие — глубиной до 2000 м (из них подавляющее большинство — до нескольких сотен метров), средние — до 4500 метров, глубокие — до 6000 метров, сверхглубокие — свыше 6000 метров. В буровых скважинах выделяют устье, ствол и дно (забой). По положению оси ствола и конфигурации буровые скважины разделяют на вертикальные, горизонтальные, наклонные; неразветвлённые, разветвлённые; одиночные и кустовые.
|
Рис. 5. Конструкция разработочной скважины: 1 - направляющая колонна; 2 - кондукторная колонна; 3 - буровой раствор; 4 - цементный камень; 5 - эксплуатационная колонна; 6 - продуктивный пласт; 7 - перфорированные отверстия; 8 - колонная головка; 9 - задвижки; 10 - крестовина. |
ДРАГА (от английского drag * а. dredge; н. Schwimmbagger; ф. drague, noria de reprise; и. draga) — плавучий горно-обогатительной комплекс для разработки обводнённых месторождений полезных ископаемых (преимущественно россыпных).
Рис. 2. Общий вид 380-литровой драги ОМ-431: 1 — понтон; 2 — черпаковая рама; 3 — черпаковая цепь; 4 — нижний черпаковый барабан; 5 — поддерживающий барабан; 6 — подвес черпаковой рамы; 7 — передняя мачта; 8 — главная ферма (суперструктура); 9 — задняя мачта; 10 — сваи; 11 — отвалообразователь (стакер); 12 — хвостовые колоды; 13 — береговой мостик; 14 — надстройка.
Драга оснащена рабочим органом для добычи продуктивных пород из-под воды, промывочно-обогатительными агрегатами для их обогащения, извлечения ценных минералов и транспортно-отвальным оборудованием для укладки пустых пород (хвостов промывки) в отвал. Использование драги для добычи золота (одночерпаковой рычажно-ковшевого типа) впервые начато в 1863 в Новой Зеландии.
Современные драги подразделяются на два класса — континентальные и морские. Состоят они из плавающего судна, на котором размещены жёстко связанные с ним массивные фермы остова и надпалубная надстройка, а также передняя и задняя мачты, черпающее и маневровое устройство, обогатительное оборудование и др.
Континентальные драги предназначены для разработки материковых россыпей, обычно приуроченных к зоне распространения современных либо древних (погребённых) речных систем. Эти драги монтируются, как правило, на плоскодонном судне (понтоне).
Морские драги используются для разработки россыпных (рыхлых осадочных) месторождений, залегающих в прибрежной или глубинной зоне акваторий морей и крупных озёр. Они обычно монтируются на килевых (реже плоскодонных) самоходных либо буксируемых судах. В отличие от континентальных драг у морских отсутствуют отвалообразователь (стакер) и сваи.
Драги обоих классов оснащают стационарным промывочно-обогатительным оборудованием (наиболее распространённый вариант), смонтированным непосредственно на судне, или эксплуатируют их в комплексе с обособленной береговой либо плавающей обогатительной установкой.
Классифицируют драги :
по роду энергии приводных механизмов
электрические,
дизель-электрические,
дизельные,
паровые;
по способу передвижения (маневрирования) в забое
канатные,
канатно-свайные,
канатно-якорные;
по возможной глубине выемки пород ниже уровня воды
мелкого черпания (до 6 м),
средней глубины черпания (до 15 м),
глубокого черпания (до 50 м),
сверхглубокого черпания
по роду драгирующего агрегата
черпаковые с жёсткой рамой (одночерпаковые типа мехлопаты, многочерпаковые роторные и шарнирно-цепные со сплошной и прерывистой черпаковой цепью),
черпаковые канатные (одночерпаковые с грейферным или драглайновым ковшом, многочерпаковые канатно-цепные),
гидро- и пневмовсасывающие (землесосные, землесосные с механическим или гидравлическим разрыхлителем, эжекторные, эрлифтные, землесосные с погружными насосами).
Рис. 3. Конструктивные типы драг, применяемых для разработки континентальных и морских россыпей различной глубины залегания: 1 — многочерпаковая (с прерывистой или сплошной цепью черпаков); 2 — землесосная с механическим разрыхлителем; 3 — землесосная с гидравлическим разрыхлителем; 4 — эрлифтная; 5 — грейферная; 6 — драглайновая; 7 — эжекторная и землесосная с погружными насосами и перекачными станциями.
Рациональная область применения драг различных типов (по максимальной глубине выемки продуктивных пород ниже уровня воды): для многочерпаковых роторных и жёсткорамных со сплошной и прерывистой цепью черпаков — 50 м; землесосных с механическим или гидравлическим разрыхлителем — 80 м; эрлифтных (пневмовсасывающих) — 200 м; грейферных — 250 м; драглайновых и многочерпаковых канатно-цепных — 1500 м; эжекторных (гидровсасывающих) и землесосных с многоступенчатым подъёмом погружными насосами — 4600 м.
Таблица 1.
Краткая техническая характеристика многочерпаковых драг
2. Бактериальное выщелачивание металлов
Бактериальное выщелачивание - избирательное извлечение химических элементов из многокомпонентных соединений посредством их растворения микроорганизмами в водной среде. Благодаря бактериальному выщелачиванию появляется возможность извлекать из руд, отходов производства и т. д. ценные компоненты (медь, уран и др.) или вредные примеси (например, мышьяк в рудах чёрных и цветных металлов). Впервые запатентовано в США (1958) применительно к извлечению меди и цинка.
Рис. 4. Схема подземного бактериального выщелачивания медной руды: 1 — прудок для выращивания и регенерации бактерий; 2 — насосная для перекачки бактериального раствора к руде; 3 — трубопровод; 4 — задвижка; 5 — коллектор; 6 — полиэтиленовый шланг; 7 — скважина для орошения рудного тела бактериальным раствором; 8 — орошаемый участок рудной залежи; 9 — горизонтальные горные выработки для сбора бактериального раствора, обогащенного медью; 10 — насос; 11 — отстойник для насыщенных медью растворов; 12 — цементационная ванна для получения порошкообразной меди; 13 — сушка цементной меди; 14 — транспортировка меди потребителям; 15 — компрессорная для обогащения бактериального раствора кислородом.
Орошение руды в отвале или в рудном теле осуществляется водными растворами Н2SO4, содержащими Fe3+ и бактерии. Раствор подаётся через скважины при подземном или путём разбрызгивания на поверхности при кучном выщелачивании. В руде в присутствии О2 и бактерий идут процессы окисления сульфидных минералов и медь переходит из нерастворимых соединений в растворимые. Раствор, содержащий медь, поступает на цементационную или другие установки (сорбция, экстракция) для извлечения меди, затем на отвал или рудное тело (схема замкнутая). Интенсификация выщелачивания достигается активизацией жизнедеятельности тионовых и других сульфидокисляющих бактерий, присутствующих в самой руде и адаптированных к конкретным условиям среды (тип руды, химический состав растворов, температура и т.д.). Для этого необходимы pH 1,5-2,5, высокий окислительно-восстановительный потенциал (Eh 600-750 мВ), благоприятный и стабильный химический состав растворов, что достигается путём их регенерации и режима аэрирования и увлажнения (орошения) руды. В отдельных случаях следует добавлять соли азота и фосфора, а также бактерии, выращенные на оборотных растворах в прудах-регенераторах. Число клеток бактерий в выщелачивающем растворе и руде должно быть не ниже 106-107 соответственно в 1 мл или 1 г. Себестоимость 1 т меди, полученной этим способом, в 1,5-2 раза ниже, чем при обычных гидрометаллургических или пирометаллургических способах.
Наиболее активными являются культуры бактерий, адаптированные к комплексу факторов (pH, тяжёлые металлы, тип концентрата и т.д.) в условиях активного процесса бактериального выщелачивания. Примеры бактериального выщелачивания в чанах: из коллективных медно-цинковых концентратов за 72-96 ч извлекаются в раствор до 90-92% Zn и Cd при извлечении Cu и Fe соответственно около 25% и 5%; из свинцовых концентратов можно полностью извлечь Cu, Zn и Cd. В растворах достигаются концентрации металлов: Cu до 50 г/л, Zn до 100 г/л и т.д. В олово- и золотосодержащих мышьяковистых концентратах арсенопирит практически полностью разрушается за 120 ч, что позволяет в одних случаях очистить концентраты от вредной примеси мышьяка, в других — при последующем цианировании извлечь до 90% золота.
Простота аппаратуры для бактериального выщелачивания, возможность быстрого размножения бактерий, особенно при возвращении в процесс отработанных растворов, содержащих живые организмы, открывает возможность не только резко снизить себестоимость получения ценных полезных ископаемых, но и значительно увеличить сырьевые ресурсы за счёт использования бедных, забалансовых и потерянных (например, в целиках) руд в месторождениях, отвалов из отходов обогащения, пыли, шлаков и др. В перспективе бактериальное выщелачивание открывает возможности создания полностью автоматизированных предприятий по получению металлов из забалансовых и потерянных руд непосредственно из недр Земли, минуя сложные горнообогатительные комплексы.
В промышленных масштабах бактериальное выщелачивание применяется для извлечения меди из забалансовых руд в США, Перу, Испании, Португалии, Мексике, Австралии, Югославии и других странах. В ряде стран (США, Канада, ЮАР) бактерии используются для выщелачивания урана.
3. Переработка промышленной воды
ПРОМЫШЛЕННАЯ ВОДА — природный высококонцентрированный водный раствор (например, рассолы щелочных галогенидов, сульфатов, карбонатов, нитратов), используемый для получения соответствующих солей, а также металлов, микроэлементов (из озёрной рапы, из подземных источников).
В соляных озёрах представляет особый интерес межкристальная (донная) рапа, характеризующаяся постоянным составом, не зависящим от климатических и других условий (содержание солей свыше 350 г/л). Значение имеет промышленная вода борная (содержание В 300-500 мг/л), бромная (Br — свыше 250 мг/л), йодная (I — свыше 15 мг/л), содержащая Ba, Ra, Sr, Mo, Au, Ag, U, Re и другие микроэлементы. Промышленная вода перерабатывается методами упаривания, кристаллизации, химического осаждения, сорбции на ионообменных смолах, экстракцией органическими экстрагентами, электрохимическими методами. Аналогичные методы применяются для переработки растворов скважинного подземного растворения солей, получаемых на рассолепромыслах. Подобный высокоминерализованный состав имеет нефтяная вода, сопровождающая нефть и газ, относящаяся преимущественно к хлоридно-кальциево-натриевым, хлоридно-кальциево-магниевым и гидрокарбонатно-натриевым типам промышленных вод. Используется для получения Br, Ba, В, Ra, Sr. Содержит также органические вещества, газы (углеводороды, азот, сероводород, углекислоту).
В 80-е гг. уделяется внимание шахтным водам с целью извлечения Cu, Zn, Pb, U, Mo, W методами ионообменной сорбции, ионной флотации, цементации на железном скрапе. Повышенные промышленного содержания ценных элементов содержит сбросная вода горно-обогатительных и химико-металлургических предприятий.
Основная проблемой переработки концентрированных рассолов является утилизация сбросных вод перерабатывающих предприятий, возможность их использования в народном хозяйстве. Для горно-металлургических предприятий принимаются схемы внешнего водооборота (сбросная вода обогатительных фабрик для водоснабжения рудников и шахт, шахтные воды — для водоснабжения металлургических заводов и т.д.), разветвлённые схемы внутреннего поциклового водооборота (цикл дробления и измельчения, гравитационного обогащения, флотации). Потенциальным источником получения металлов являются воды морей и океанов. Промышленная переработка связана с применением новых видов сорбентов типа гидроксидов титана, ванадия. С использованием этих вод связано опреснение морской воды и умягчение жёстких вод (для промышленных целей и бытовых нужд).