Шпаргалка по "Геодезии"

 

Билет №13

1. Геомеханические процессы при геотехнологических методах разработки полезных ископаемых.

 

2. Выбор системы разработки месторождения при геотехнологических методах добычи  полезных ископаемых.

 

Под системой разработки месторождений  полезных ископаемых геотехнологическими  методами понимается порядок расположения, проходки и включения в работу добычных и вспомогательных скважин. Система разработки может быть признана рациональной, если она выбрана в  результате комплексного анализа показателей  возможных вариантов залежи с  учетом геологических, гидрогеологических, технологических и экономических  факторов. 
В основу классификации систем разработки при традиционной технологии добычи закладываются самые разнообразные принципы. Так, например, системы подземной разработки рудных месторождений обычно классифицируются по способу управления горным давлением. Этот принцип классификации можно использовать и при некоторых геотехнологических методах, например при скважинной гидродобыче, где можно выделить следующие системы: с открытым очистным пространством (рис. 7.1), которые эффективны при устойчивых покрывающих породах; с обрушением вмещающих пород или их плавной посадкой (рис. 7.2); с закладкой выработанного пространства (рис. 7.3).

В основу других классификаций положены способы подготовки залежи к ведению  технологического процесса, порядок  разработки месторождений, его геологическая  характеристика, порядок ведения  подготовительных, нарезных и очистных работ, метод воздействия на пласт, схема движения рабочих агентов и продуктивных флюидов и т. д. 
По некоторой аналогий с нефтяниками классифицировать системы разработок геотехнологическими методами добычи можно по форме расположения добычных и вспомогательных скважин: линейными рядами (рис. 7.4) или ячейками.

В свою очередь системы  разработки рядами могут подразделяться по: форме рядов (замкнутые и незамкнутые), взаимному расположению рядов и  скважин (с выдержанным расстоянием  между скважинами и с уплотнением  в центральной части), степени  уплотнения (малая, средняя, большая), темпу  ввода скважин в эксплуатацию (одновременный ввод целого блока  скважин или постепенный рядами), порядку ввода скважин в эксплуатацию в отношении структуры залежи (по простиранию, падению, восстанию) и т. д. 
Не всегда геотехнологические методы осуществимы через скважины. В ряде случаев геотехнологические процессы перевода полезных ископаемых в подвижное состояние используют при традиционных способах разработки месторождений, а также при сочетании их со скважинами. 
Если классифицировать системы разработки при геотехнологических методах добычи по способу подготовки месторождения (табл. 7.1), то можно выделить: 
системы разработки месторождений отдельными скважинами-камерами (например, разработка месторождений калийной соли через отдельные скважины; 
системы разработки месторождений взаимодействующими скважинами (подземная выплавка серы, подземное выщелачивание металлов, сплошная разработка месторождений каменной соли, подземная газификация угля и т. д.); 
системы разработки месторождений, сочетающие традиционную технологию добычи со скважинной (подземное выщелачивание металлов); 
системы разработки характерные для традиционных методов добычи полезных ископаемых, но использующие геотехнологический принцип перевода полезных ископаемых в подвижное состояние (подземное лугование при шахтной добыче соли, подземное выщелачивание металлов).

3. Пути интенсификации процесса и методика расчета основных параметров подземного выщелачивания фосфорного сырья.

Технология подземного выщелачивания  фосфатов во многом аналогична технологии подземного выщелачивания руд металлов. Она включает вскрытие залежи скважинами, их обсадку коррозионно-стойкими колоннами труб (чаще всего полиэтиленовыми или стеклопластиковыми), оборудование забойной части скважин фильтрами. Технология подготовки залежи к выщелачиванию также аналогична подготовке залежей руд металлов. Для плотных скальных пород (например, хибинских апатитов) необходимо применять схемы с предварительным дроблением руды и подготовкой блоков выщелачивания. Для осадочных месторождений с достаточно высоким коэффициентом фильтрации можно применять более простые схемы с выщелачиванием через скважины без специальной подготовки пласта. 
Метод апробирован в опытных масштабах во Флориде (США) и в Кировской области (Россия). Сведений о промышленном применении метода не имеется. 
Скважинный метод ПВФ разработан в 1983-87 гг. МОНИЛГео ГИГХС В.Ж. Аренсом, О.М. Гридиным, Г.Х. Хчеяном, Л.И. Курициной, А.О. Гоциридзе, С.А. Митейко и другими. В качестве объекта для разработки технологии подземного выщелачивания фосфоритов было выбрано Верхнекамское месторождение желваковых фосфоритов (Кировская область), залегающих на глубине от 10 до 100 м при мощности продуктивного слоя 0,3-1,5 м, представленного фосфоритными конкрециями средней крупности 50 мм в глауконитовом песке крупности до 1 мм. Коэффициент фильтрации желвакового слоя 2-6 м/сут при пористости 5-87%. Продуктивный слой перекрывается сверху плотными глинами и сцементированным глауконитом с коэффициентом фильтрации 0,8 м/сут; снизу желваковый слой подстилают черные плотные глины с линзами мергеля. 
В качестве выщелачивающего агента была выбрана азотная кислота, наиболее активная по отношению к фосфатам в сильнокислотной среде и позволяющая при переработке растворов получить безбалластное удобрение. 
Определение селективности азотной кислоты в диапазоне концентраций от 0,01 до 14% показало, что наиболее рациональной является концентрация 5-10%. При больших концентрациях резко возрастает газовая кольматация руды и извлечение полуторных окислов железа и алюминия, при меньших - значительно падает содержание полезного компонента в растворе. Процесс выщелачивания протекает, главным образом, в диффузионной области.

Исследования производились на лабораторных моделях - линейных многосекционных (рис. 21.1), щелевых и радиальных. Каждая из моделей частично воспроизводила те или иные особенности процесса выщелачивания. На линейной модели исследовались  закономерности изменения концентрации продукционных растворов вдоль  «трубки тока». На щелевой модели изучалось распределение твердой, жидкой и газообразной фаз по мощности пласта, а также особенности взаимодействия кислоты с кровлей и подошвой пласта. На радиальной модели, воспроизводящей  ячейку добычных и наблюдательных скважин, изучались закономерности распределения  потока кислоты между скважинами и процесс образования геохимических  барьеров.

Величина извлечения Р2О5 в моделях  составляла 78-80%, коэффициент использования  кислоты 75-62%, кратность смены порового раствора и критерий Нуссельта составляли 10,6 и 81 для 5%-ной кислоты и 5,75 и 231 для 10%-ной кислоты. Максимальная концентрация P2O5 в моделях достигала на 5%-ной  кислоте 7,5 г/л, на 10%-ной кислоте -20 г/л. Установлена значительная роль газовой  кольматации и переосаждения вторичных фосфатов на течение процесса выщелачивания. Отложения фосфатов образуют вокруг зоны выщелачивания подвижный малопроницаемый геохимический барьер. После достижения кислотной сбойки в канале выщелачивания продолжается растворение наиболее крупных конкреций и стенок канала, сцементированных вторичными фосфатами. Установлена также своеобразная роль примесей пирита в фосфатных рудах. Его выщелачивание азотной кислотой приводит к образованию серной кислоты, которая, в свою очередь, взаимодействует с карбонатными минералами с образованием гипса 
Опытные работы на месторождении проводились на участке, вскрытом гексагональными ячейками скважин глубиной 15-16 м по сетке 10x10 м и 20x20 м (рис 21.2, 21.3). В центре гексагональных ячеек располагались откачные скважины, углубленные в подстилающие породы на 10 м для обеспечения эрлифтной откачки раствора. Между закачными и откачными скважинами, а также за пределами участка располагались наблюдательные скважины.

В общей сложности опытный участок  включал 48 эксплуатационных и наблюдательных скважин. Наземная часть опытного участка  включала шесть кислотостойких емкостей для приготовления выщелачивающего  раствора, сбора продукционных растворов  и их нейтрализации, систему трубопроводов  с запорной арматурой для распределения  выщелачивающего раствора по скважинам, кислотные насосы, нутч-фильтры, амбары-накопители продукционных растворов. Основные характеристики процесса ПВФ в натурных условиях приведены в таблице 1. Распределение показателя рН в пласте между скважинами приведено на рис. 21.4, изменение содержания Р2О5 с объемом пропущенного через пласт выщелачивающего раствора - на рис. 21.5.

Специфика переработки растворов  подземного выщелачивания фосфоритов заключается в невозможности  использования концентрированных  кислот и в необходимости перерабатывать сравнительно бедные по Р2О5 продукционные  растворы, содержащие, кроме того, значительное количество железа. 
Для переработки таких растворов была предложена и экспериментально обоснована технологическая схема (рис. 21.6), включающая постадийную нейтрализацию раствора щелочным агентом (известью, аммиаком) и регенерацию выщелачивающего раствора путем обработки растворов нитрата кальция серной кислотой.

Осадок первой ступени (до рН = 3) содержит до 40% Р2О5 в виде средних фосфатов железа с примесью фосфатов кальция  и алюминия, фторидов кальция и  может использоваться как удобрение. Осадок второй ступени при нейтрализации  известью или аммиаком представляет собой преципитат с незначительной примесью нитрата кальция и аммония  и является высококачественным агрохимическим удобрением. 
При регенерации азотной кислоты из растворов нитрата кальция используют концентрированную 96%-ю серную кислоту а стехиометрическом соотношении с нитратом кальция. Опыты показали, что из раствора выделяется до 60-70% кальция в виде гипса. Остальной гипс в растворенном виде вместе с регенерированной кислотой направляется на выщелачивание. 
В опытных работах была показана эффективность постадийной нейтрализации, а также получены удобрения пролонгированного действия на базе природных цеолитов. В общей сложности в пласт было закачано 900 м3 раствора и получено около 5 т удобрений, из них 2 т преципитата и 3 т удобрения с повышенным содержанием фосфата железа. В результате опытных работ был подтвержден вывод о трех основных стадиях процесса выщелачивания. Кривые изменения содержания P2O5 в растворе в зависимости от объема пропущенного раствора (рис. 21.5) имеют три четко выраженные участка, соответствующие стадиям сбойки, проработки крупных конкреций и постепенной проработки стенок канала и его расширения. 
Значительной оказалась роль газовой кольматации пласта, приводившей на начальном этапе к полному запиранию некоторых скважин. В связи с этим, проработка новых участков пласта проводилась с пониженной концентрацией кислоты. В результате контрольного бурения после опытов установлено, что на контакте с кровлей и подошвой пласта образовались плотные зоны вторичных фосфатов толщиной от 10 до 70 мм. Между эксплуатационными скважинами в зоне кислотной сбойки наличия желваковых конкреций не обнаружено.

 

4. Приведите пример расчета технологических параметров подземного выщелачивания фосфорного сырья.

 

Данные опытных работ явились  основанием для создания инженерной методики расчета технологических  параметров подземного выщелачивания  желваковых фосфоритов (табл. 21.2).

Методика расчета технологических  параметров базировалась на математической модели процесса с учетом следующей  его схематизации. 
- Выщелачивание желваковых фосфатных конкреций происходит по реакции первого порядка. 
- Всю фосфатную руду в залежи можно условно разделить на два класса по крупности - мелкую и крупную. В первую очередь выщелачивается мелкая фракция, имеющая большую реакционную поверхность. Когда фронт выщелачивания мелкой фракции достигает откачной скважины, между ней и закачной скважиной образуется канал выщелачивания повышенной проницаемости. В дальнейшем происходит выщелачивание стенок канала и его расширение. 
- На каждом этапе выщелачивания выбирается своя концентрация кислоты в выщелачивающем растворе, определяемая селективностью выщелачивания фосфатов по отношению к полуторным окислам и карбонатам, а также масштабом газовой кольматации пласта углекислым газом при выщелачивании карбонатов. На начальном этапе концентрация кислоты должна соответствовать пределу растворимости углекислого газа в растворах при пластовом давлении, в дальнейшем она может повышаться.