Физико-химическая геотехнология

Московскому 
горному 
институту, 
где автор 
учился 
и преподавал 

с о 

V.J. Averts 

PHYSICAL 
AND CHEMICAL 
GEOTECHNOLOGY 

5 A 

MOSCOW 

PUBLISHING NOUS 

OF MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY 

D 2 0 0 1 

В.Ж. 
Лренс 

ФИЗИКОХИМИЧЕСКАЯ 
ГЕОТЕХНОПОГИЯ 

Допущено 
Учебно-методическим 
объединением 
вузов Российской Федерации по горному образованию в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям 
'Горное дело», «Геология и разведка 
месторождений полезных ископаемых» (бакалавры и магистры), 
по всем специальностям подготовки горных инженеров 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УШЕРСИТЕТА 

2 0 0 1 

УДК 622.277 
А 79 

Рецензенты: 

Кафедра геотехнологии руд Московской государственной 
геологоразведочной академии 
(проф. КГ. малухин, проф. Д.П. Лобанов) 

Проф. Ю.В. Шувалов 
(Санкт-Петербургский государственный горный институт (ТУ)) 

Автор благодарит 
СП «Сееероншель» за содействие 
в подготовке книги 

Арене В.Ж. 

д 79 
Физико-химическая геотехнология: Учеб. пособие. — М.: 
Издательство Московского государственного горного университета, 2001. — 656 с. 

ISBN 5-7418-0003-3 (в пер.) 

В монографии изложены основные вопросы теории физико-химической геотехнологии, даны основные понятия и представления физико-химических методов 
добычи полезных ископаемых. Рассмотрены геологические, гидрогеологические и 
другие факторы, определяющие эффективность методов физико-химической геотехнологии. Описаны вскрытие, подготовка и системы разработки месторождений, 
средства добычи полезных ископаемых, специфика проектирования геотехнологических предприятий, методика расчета параметров добычи, а также экономика и вопросы 
охраны 
окружающей 
среды. Обобщен 
опыт 
использования 
физикохимических методов в горнодобывающих отраслях промышленности. 

Для специалистов горняков, геологов, а также студентов н аспирантов горных 
и геологических вузов. 

УДК 622.277 

Arens V.J. 

Physical and chemical geotechnology. — M . : Publishing hous of 
Moscow state mining university, 2001. — 656 p. 
ISBN 5-7418-0003-3 

The fundamental quotient of the theory of in-situ technology are stated. The basic concept! and ideaa about physical and chemical mining methodi are given. The geological, hydrogeological, chemical and other baaea of in-aitu processes, factor! dinning their efficiency are considered. The specificity of enterprise* projecting, also economy of their work, calculating methods 
of mining parametrea, problems of environment protections are given. In the second part of the 
monograph the experience of the in-situ methods of geology in mining industry in generalized. 
The book is intended for mincers, geologata and can be used as a manual by the students and postgraduate students of mine and geological high schools. 

ISBN 5-7418-0003-3 
©В.Ж. Арене, 2001 
© Издательство МГГУ, 2001 

К ЧИТАТЕЛЯМ 

Предлагаемая читателю монограф h i интересна с двух точек зрения. Прежде всего - это попытка представить картину состояния одного из новых разделов горной науки, сложившуюся к настоящему времени. С другой стороны, это, 
пожалуй, наиболее полное собрание сведений, полученных в течение несколько 
десятков лет существования геотехнологии. В то время как некоторые скважинные способы добычи полезных ископаемых стали разрабатываться и применяться 
еще в прошлом веке (метод Фраша, подземное растворение галита), систематическое развитие этого направления началось после второй мировой войны, в 60-х 
годах. Масштабы и интенсивность освоения недр к этому времени стали столь 
велики, что перед горным делом возникли проблемы экономической эффективности разработки месторождений, минимизации ущерба окружающей среде, а 
также решение задач безопасности горного производства. 

Совершенствование технологий открытой и подземной добычи не может 
решить все отмеченные проблемы. Не секрет, что за всю многотысячелетнюю 
историю развития горного дела технологические принципы, лежащие в его основе, не претерпели сколько-нибудь заметных изменений. Усовершенствовались 
только орудия производства: от кайла, лопаты, лошади - к экскаватору, взрывному разрушению, механизированным комплексам, автомобилям, погрузчикам и 
другим механизмам, не изменив при этом тяжелые и опасные условия труда горняков. 

Таким образом, прогресс человеческого общества поставил перед горной 
наукой фундаментальную проблему: 
привести 
в соответствие 
техникоэкономические и экологические показатели горных технологий, а также условия 
труда шахтеров с современными требованиями. 

Путем решения этой задачи стало направление, связанное с заменой карьера и шахты скважинами, через которые производится вскрытие, подготовка и 
разработка месторождений полезных ископаемых. Первоначально это направление, одним из основоположников которого является профессор В.Ж. Арене, развивалось в Московском горном институте на кафедре физико-химических методов добычи (зав. кафедры акад. Н.В. Мельников). 

Главный принцип методов этого направления - осуществление добычных 
работ с поверхности земли, через развитие новых дистанционных способов воздействия на массив. К сожалению, имеющиеся результаты фундаментальных 
исследований естественных и горных наук не позволяют в настоящее время использовать геотехнологию повсеместно, а лишь в отдельных наиболее благоприятных условиях. Тем не менее, стремительное развитие науки позволяет думать, 
что эти трудности будут преодолены. 

Предлагаемая читателям книга как раз свидетельствует об этом. 

Член-корреспондент РАН Л.А. Пучков 

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ 

Общность отдельных сторон изучаемых горной наукой объектов притягивает к ним самые различные науки, происходит процесс взаимопроникновения и 
обогащения горных наук, более того, привычные для нас горные науки выходят 
за пределы сложившихся представлений о них, образуя новый конгломерат знаний. Именно поэтому в горных науках необходимо должное внимание уделить 
вопросам понятийно-терминологического плана. 

Некоторую пестроту в терминологии горного дела устранит сама жизнь и 
дальнейшая работа. Но все же хочу высказаться по термину «геотехнология». 
Термин определяет отношение к предмету, может укорениться в "кровеносных 
сосудах" науки. Чем лучше сформулирован каркас основных понятий, тем легче 
их усвоить, оценить и удержать в памяти. Вот почему в математике и физике 
придается важное значение аксиоматической формулировке определений. Вне 
аксиоматических систем остается мало надежд на установление порядка и в горной науке. 

В частности, это касается термина "геотехнология". Все знают, что в последние годы под этим понимается новый раздел горной науки (3, 4, 5, 6, 7, 8), но 
есть и другое мнение. Еще в 60-е годы И.П. Кириченко, Р.Н. Питкин, И.П. Фарберов (1, 2). а в конце 80-х годов акад. В.В. Ржевский (9, 10) предлагали этот термин для замены термина "горная наука". В последней работе под руководством 
акад. РАН К.Н.Трубецкого (11) слову "геотехнология" дается новая трактовка, 
которая относит его к "группе горных наук, изучающих технологические процессы, технические средства, технологии, способы и горные объекты, позволяющие 
извлечь георесурсы из недр или использовать их, например, в виде подземных 
полостей". 

Вся научная общественность сейчас признает понятие "горная наука", она 
достойно представлена в горных вузах и в РАН, РАЕН, АГН. В этой связи, думаю, большинство горняков будут настаивать на этом общепринятом наименовании, а термину "геотехнология" можно оставить его привычное понимание, тем 
более что оно уже прижилось в России: имеется кафедра в МГРИ, где готовятся 
горные инженеры-геотехнологи. В принципе, думаю, геотехнологи не будут возражать и против названия "физико-химическая геотехнология", которое не 
противоречит общепринятому понятию "геотехнология", даже как бы дополнительно раскрывая его сущность, тем более что ранее И.П. Кириченко назвал геотехнологические методы - химическими, а Н.В. Мельников создал в середине 60х годов в МГИ кафедру физико-химических методов разработки месторождений 
полезных ископаемых, на которой сформировались основные определения геотехнологии (4). В частности практически все геотехнологические процессы как 
бы вторят природе, но идут в обратном направлении. 

Сейчас под термином "геотехнология", или "физико-химическая гсотехнология" (ФХГ) понимается раздел горной науки, изучающий методы в основном 

б 

бесшахтной добычи твердых полезных ископаемых, основанные на переводе их в 
подвижное состояние в недрах земли. 

Цель ФХГ - развитие методов активного воздействия на полезное ископаемое, геологическую обстановку горной среды и процессы добычи, расширение области эффективного применения геотехнологических методов добычи на 
месторождениях со сложными горногеологическими условиями. Изучая процессы и средства бесшахтной добычи полезных ископаемых и воздействуя на их 
параметры, геотехнология использует данные и методы физики, химии, математики, микробиологии, геологии, горного дела. 

Основные области исследований, которыми занимается ФХГ: подземные 
процессы - растворение солей, выщелачивание металлов, газификации каустобиолитов, выплавки серы, битума, вязких нефтей, скважинной гидродобычи полезных ископаемых; извлечения глубинного тепла Земли. 

В ФХГ выделяются три основных направления: Первое связано с изучением горной среды. Цель его - определение возможности перевода извлекаемого полезного ископаемого или его ингредиентов в подвижное состояние (газ, 
раствор, расплав, подвижные смеси) непосредственно на месте залегания и изучение влияния на этот процесс физико-геологической обстановки. Перевод полезного ископаемого в подвижное состояние осуществляется следующими способами: физическим - плавление, перегонка (воздействие температуры, давления), гидро-пневморазрушение; химическим - окисление, разложение (частичное 
или полное сжигание, обжиг), выщелачивание и растворение с образованием 
молекулярных 
растворов, 
растворение 
связующего 
вещества, 
физикохимическими реакциями с участием физических полей, гидрогенизация, растворение и выщелачивание с участием физических полей, диспергирование поверхностно-активными веществами, химическими реагентами и физическими полями; 
микробиологическое - бактериальное воздействие, бактериальное выщелачивание, бактериальное растворение цемента. 

Второе направление - изучение физического и химического изменения 
полезного ископаемого и вмещающих пород (установление природы процесса и 
последовательности протекания отдельных стадий). 

Третье - изыскание и разработка способов и средств осуществления геотехнологических процессов добычи, выявление их зависимости от геологической 
обстановки. В процессе добычи направленное изменение состояния полезного 
ископаемого рассматривается в едином комплексе с физико-геологической обстановкой. 

Истоки геотехнологических методов на территории России восходят к добыче соли подземным растворением II в. В Испании в XVI в. для разработки 
цветных металлов применялось подземное выщелачивание. Большинство современных геотехнологических методов добычи полезных ископаемых разработано 
в конце XIX в. В 1888 г. Д.И. Менделеев предложил идею подземной газификации угля, в 1891г. Г. Фраш (США) опробовал метод подземной выплавки серы. В 
конце XIX - начале XX вв. В .А. Обручев выдвинул идею использования глубинного тепла Земли. Однако практическая реализация идей в области геотехнологии 
началась с XX в. В середине 70-х годов XX в. сформулированы основные понятия 
науки геотехнологии (ФХГ), дано определение ее предмета, области исследований, целей и задач (3, 4, S, 6, 7). Исследовательские работы по ФХГ ведутся в 

7 

США, ФРГ, Бельгии, Великобритании, Чехии, Польше, Венгрии и других странах. В наибольших объемах (среди зарубежных стран) и практически по всем 
разделам геотехнологии их осуществляют в США, там же с 1977 г. издается специальный геотехнологический журнал "In situ". 

Готовя монографию по физико-химической геотехнологии, автор стремился как можно шире раскрыть основные понятия новой науки, рассматривая 
свою работу как своего рода справочник по ФХГ. Основная цель издания дать 
широкому кругу геологов, горняков, химиков и физиков, а также студентам и 
преподавателям вузов сведения по наиболее часто встречающимся понятиям и 
терминам ФХГ. ФХГ - удивительно яркий пример прогресса, «точка роста» на 
стыке наук. В ФХГ своеобразно переплелись, завязались в тесный узел плодотворного сотрудничества почти все естественные и многие инженерные, технологические и общественные науки. Но надо помнить, что это не синтетическая наука, а творческий сплав наук с новыми свойствами, составом и строением. 

Соответственно своему содержанию физико-химическая геотехнология 
охватывает широкий круг вопросов и является на сегодня самым разносторонним 
предметом, в развитии которого будут участвовать не только технические, геолого-минералогические, экономические науки, но и физико-математические, химические и даже биохимические. Содружество всех этих наук в физико-химической 
геотехнологии сделает ее фундаментальной. 

Естественно, что данная монография просто не может объять всего множества вопросов, их, как всегда, бывает больше, чем ответов. Одна из основных 
целей книги - вовлечь читателя в творческий процесс познания, когда без привлечения фундаментальных наук невозможно решить большинство стоящих перед горными инженерами задач, ибо имеется пока множество непознанных наукой явлений. Автор стремился придать монографии творческий выход в мир знаний. Этим объясняется обилие ссыпок на литературные источники. Той же цели 
служит словарь терминов и понятий физико-химической геотехнологии, помешенный в конце книги. 

Монография дает целостную картину в рамках естественной, научной и 
гуманитарной парадигмы, понимания роли человека в природной, искусственной 
(техносфера) и социальной средах. 

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена рассмотрению 
фундаментальных проблем физико-химической геотехнологии. Вторая знакомит 
с практическим опытом использования новых методов. 

Настоящая монография по существу является третьим изданием, переработанным и расширенным, ранее написанных автором книг: Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. М., Недра, 1975; Скважинная добыча 
полезных ископаемых (геотехнология). М., Недра, 1986. Кроме того автор счел 
целесообразным к выполнению ряда глав привлечь известных специалистов геотехнологов: А.С. Астахова, Н.И. Бабичева, Э.И. Богуславского, А.Д. Бошкатова, 
A. Е. Воробьева, О.М. Гриднна, И.Л. Демьянову, Ю.Д. Дядькина, Г.Г. Минеева, 
B. П. Неберу, А.Г. Калинина, И.А Клименко, Е.В. Крейнина, В.И. Смирнова, 
А.С. Хрулева, Г.Х. Хчеяна, АС. Черняка. 

Автор благодарит своих соавторов, согласившихся осветить часть проблемы, а также всех геотехнологов, вложивших труд в развитие этого нового 
научного направления в горном деле. 

8 

Литература 

1. 
Кириченко И.П. Химические способы добычи полезных ископаемых. М., Издво АН СССР, 1958. С. 98. 

2. 
Кириченко И.П., Питии Р.Н., Фарберов И.П., Федоров М.А. Некоторые проблемы безопасной добычи и переработки топлива и других полезных ископаемых. Научные 
труды ВНИИподэемгаз, вып. 8. М., Госгортехиэдат, 1962. 

3. 
Арене В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. М., 
Недра, 1975. С. 263. 

4. 
Мельников Н.В., Арене В.Ж. Некоторые понятия и определения гсотехнолсгии. Жури. ФТПРПИ, № 3,1977. С. 88-92. 

5. 
Хчсян Г X , Нафтулин И.С. Геотехнологические процессы добычи полезных 
ископаемых. М , Недра, 1983. 

6. 
Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). М., 
Недра, 1986. 279 с. 

7. 
Арене В.Ж. Состояние и задачи геотехнологии. Горн, жури., № 12., Недра, 
1987. С. 32-35. 

8. 
Агошков И.И. Состояние и перспективы развития горных наук. Известия 
РАН, Сер. геолог., №5 1983. 

9. 
Ржевский В.В. Методические рекомендации. Горные науки - структура, содержание, методы исследований. М., изд. МГИ, 1982. 

10. 
Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. 
Ладья, 1991. 

11. 
Трубецкой К.Н. и др. Горные науки. Освоение и сохранение недр земли. М., 
изд. МГА, 1997.' 

12. 
Арене В.Ж. О понятиях и структуре горной науки. Горн, журн., № 4, 1995. 

13. 
Арене В.Ж. Грани горной науки изд. МГИ, 1992. 

ЧАСТЫ 

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ 

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ 

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ КАК НАУКА 

Сегодня в горном деле создалось положение, когда общественная необходимость отработки бедных и глубокозалегающих месторождении, а также старых отвалов бедных руд и хвостохранилищ, содержащих 
многие полезные ископаемые, растет, а современный уровень науки и 
техники не позволяет решить поставленные задачи при одновременном 
повышении экономической и экологической эффективности производства. Разрешение этой кризисной ситуации связано с научно-технической 
революцией в горном деле, с поиском принципиально новых решении. 

Для выработки верных стратегических принципов развития горной науки - определения генерального направления исследований, а следовательно, перераспределения сил и средств - важно определить пути 
НТР в горнодобывающих отраслях промышленности. В этом плане одно 
из возможных принципиальных решений можно найти в соединении в 
недрах операций по добыче полезных ископаемых с их переделом, т.е. с 
физико-химической геотехнологией (ФХГ). В настоящее время утвердилось определение ФХГ как науки, изучающей условия, средства и 
способы разработки твердых полезных ископаемых путем перевода 
их на месте залегания в подвижное состояние посредством осуществления в недрах тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов, что позволяет производить добычу полезного 
ископаемого из недр или отвалов через специальные дренажные выработки-скважины (сюда же следует отнести извлечение тепла горных пород и создание в недрах земли инженерных сооружений методами ФХГ). Эта наука наряду с горной средой, геотехнологическими 
процессами добычи и средствами их осуществления изучает протекающие в недрах земли химические и физические явления. 

Связь ФХГ как науки с другими дисциплинами представлена в 
табл. 1.1. 
10