Специальные способы разработки месторождений

СПЕЦИАЛЬНЫЕ 
СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Москва
ИНФРА-М
2024

В.И. ГОЛИК

Допущено  
Учебно-методическим объединением вузов России  
по образованию в области горного дела в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки 21.05.04 «Горное дело»  
и по направлению подготовки 21.05.05 «Физические процессы  
горного или нефтегазового производства»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Г60

ISBN 978-5-16-005551-0
© Голик В.И., 2014

Р е ц е н з е н т ы:
Ю.И. Кондратьев — д-р техн. наук, проф.;
Т.Т. Исмаилов — д-р техн. наук, проф.

УДК 622.2(075.8) 
ББК 33.3я73 
 
Г60

Подписано в печать 25.07.2013.  
Формат 60×88/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.  
Печать офсетная. Усл. печ. л. 8,085. Уч.-изд. л. 8,98
ПТ10.

ТК 443550-11300-250713

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Голик В.И.  
Специальные способы разработки месторождений : учебное 
пособие / В.И. Голик. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 132 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/656 (www.doi.org).

ISBN 978-5-16-005551-0
Изложены аспекты добычи полезных ископаемых в рамках учебных 
программ для студентов горных и геологических специальностей. Приводятся сведения об истории и дается общая характеристика специальных 
способов разработки полезных ископаемых. Излагаются теоретические 
основы и практика использования специальных технологий. Описываются 
технологии шахтного, кучного и скважинного выщелачивания металлов. 
Рассматриваются способы и перспективы комбинирования традиционных 
и специальных технологий разработки месторождений. Рассматриваются 
вопросы истории, развития и перспектив совершенствования технологии 
газификации угля, возгонки ртути и перегонки углеводородов, выпаривания и растворения соли, гидровымывания и скважинной гидродобычи 
минерального сырья, добычи полезных ископаемых со дна моря и с континентального шельфа, использования ядерных взрывов в горном деле, 
извлечения металлов из растворов природного выщелачивания.
Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей вузов, 
горных инженеров и широкого круга читателей. 

УДК 622.2(075.8) 
ББК 33.3я73

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВЕДЕНИЕ

Основными закономерностями развития сырьевой базы госу
дарств мира являются рост объемов добычи и снижение содержания 
металлов в рудах. Для удовлетворения спроса на продукцию горного 
производства осваиваются глубокие горизонты действующих рудников, месторождения со сложными горно-геологическими условиями, 
упорные для переработки и бедные руды.

Глобальные проблемы разработки месторождений полезных ис
копаемых включают в себя: комплексное освоение недр, воспроизводство ресурсов в недрах, максимальное извлечение ценных элементов и рациональное использование подземного пространства. 
Одним из направлений развития горного дела является освоение 
специальных методов добычи полезных ископаемых.

Специальные способы разработки месторождений имеют свою 

историю, прошли определенные этапы и характеризуются динамичностью развития. Успех в немалой мере зависит от комбинирования 
традиционных и специальных технологий разработки месторождений.

Специальные способы разработки месторождений включают в 

себя технологии газификации угля, возгонки ртути и перегонки углеводородов, выпаривания и растворения соли, гидровымывания и 
скважинной гидродобычи минерального сырья, добычи полезных 
ископаемых со дна моря и с континентального шельфа, с использованием ядерных взрывов и гидрометаллургические технологии переработки сырья и минеральных отходов.

Основу специальных методов разработки месторождений состав
ляют физико-химические геотехнологии, целью которых является 
установление возможности фазового превращения полезного ископаемого, оптимизация параметров технологии, выбор вида рабочих 
агентов и дальнейшая переработка полезного ископаемого.

Освоение физико-химических методов добычи и переработки 

полезных ископаемых как комплекса взглядов, представлений и 
идей, направленных на объяснение основных процессов и явлений 
технологии, происходит в направлении упорядочения накопленного 
экспериментального опыта. Специальные методы разработки месторождений используют при добыче полезных ископаемых с ограничением или без присутствия людей в подземных выработках. 

Эта дисциплина изучает химию и физику явлений, протекающих 

в недрах земли при технологическом вмешательстве. Важным элементом технологий является скважина, пробуренная в месте залега

ния полезного ископаемого, обеспечивающая доступ рабочих агентов к полезному ископаемому в недрах и выдачу нужного компонента полезного ископаемого на поверхность. Основой дисциплины 
является исследование процесса добычи и изменений горной среды 
под влиянием технологий с целью перевода полезного ископаемого 
в подвижное состояние и извлечения его на поверхность. В комплексе рассматриваемой науки выделяются направления: изучение 
влияния горной среды на процесс перевода полезного ископаемого 
в мобильное состояние, изучение превращений химического и физического характера, развитие технических средств для обеспечения 
добычных процессов, прогнозирование хода процессов и оптимизация его параметров. Комплекс научных, технических и экономических вопросов обеспечивает высокую технологическую эффективность и экономическую рентабельность специальных методов разработки месторождений.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность про
фессорам В.И. Комащенко, О.Н. Полунину и Ю.И. Разоренову за 
участие в подготовке книги к изданию.

1. 
ОБЩИЕ сВЕДЕНИя О спЕцИальНых  
спОсОБах РаЗРаБОТКИ

1.1. 
аКТуальНОсТь НОВых ТЕхНОлОгИй

С начала XVI в. из недр Земли извлечено более 50 млрд т угле
рода, 2 млрд т железа, 20 млн т меди, 20 тыс. т золота. Только за последние 30 лет цветных и редких металлов добыто больше, чем за всю 
предыдущую историю человечества. Потребность в сырье удваивается 
каждые 10 лет. Переработка сырья химическими способами требует от 
10 до 20 млрд т/год кислорода, 2,5 млрд т угля и столько же нефти. 

Для сохранения природных ресурсов возникает необходимость 

перехода от технологии химически открытой системы потребления 
минерального сырья к технологии замкнутого цикла [3]. Конверсия 
производства по технологии замкнутого цикла позволяет использовать все вещества, изымаемые из природы, без исключения. Примером является коксохимическое производство, при котором из каменного угля получают кокс, горючий газ и другие продукты перегонки. 

Нефть Северного моря давно является сырьем для промышлен
ности европейских стран. В настоящее время активно разрабатывается шельф Северной Америки. Начата добыча серы со дна Мексиканского залива. В России разрабатывают шельфовые месторождения нефти и газа Каспия. В рамках общей задачи освоения и 
рационального использования богатств Мирового океана ведутся 
поиски путей извлечения из морской воды ценных элементов, запасы основных из которых в океане оцениваются следующими значениями (т): фтора — 2 ⋅ 1012; иода — 93 ⋅ 109; цинка — 16 ⋅ 109; олова, 
свинца и ртути — 50 ⋅ 106; золота — 6 ⋅ 106. 

Приповерхностные залежи полезных ископаемых стремительно 

вырабатываются, бурение в поисках нефти и газа ведется уже на отметке 15 км. Современные шахты имеют глубину 1500 м. 

Активно развиваются технологии бесшахтной добычи сырья. 

К подземному пласту, содержащему, например, уран, цинк, или другие металлы и неметаллы, через пробуренную скважину подводится 
растворитель или окислитель [1]. В прилегающей к скважине части 
минерального массива происходят химико-физические процессы 
растворения. Насыщенные ценными компонентами растворы выкачиваются на поверхность, где они перерабатываются химическими 
методами. Способы подземного выщелачивания позволяют резко 
увеличить эффективность эксплуатации месторождений полезных 
ископаемых.

Выщелачиванием или экстрагированием называют извлечение 

компонентов твердого материала с помощью растворителя, например гидрометаллургическое извлечение металлов из руд, щелочное 
извлечение лигнина из древесины, бактериальное выщелачивание 
урана из руд. 

В широком смысле выщелачивание — это процесс, в результате 

которого посредством жидкости, в том числе воды, из твердых тел 
извлекают растворимые составные части. К выщелачиванию можно 
отнести, например, приготовление поташа посредством извлечения 
углекалиевой соли из древесной золы, извлечение азотно-натриевой 
и калиевой солей из селитряниц, свекловичного сока из свеклы, 
квасцов из выветрившегося квасцового сланца. 

В промышленном производстве стараются достигнуть максималь
ного извлечения растворимого вещества с получением максимально 
насыщенного раствора при условии непрерывности производства. 
Для этого используют ряд перколяторов на одинаковой высоте с 
двойным дном, на которое помещают выщелачиваемый материал. 
Раствор переходит из резервуара в резервуар, последовательно насыщаясь растворимыми частицами. 

Насыщенная жидкость проходит через свежую порцию вещества, 

между тем как свежая вода пропускается через истощенный остаток 
выщелачиваемого материала. После того как остаток в перколяторе 
истощается, его удаляют и помещают свежий материал. Рабочие растворы из-под ложного дна перекачивают в следующий резервуар. 

Методом подземного выщелачивания из руд извлекают металлы, 

их соли и оксиды. В качестве выщелачивающих агентов используются кислородсодержащие (серная, азотная, фосфорная, сернистая) 
и бескислородные (соляная, сероводородная) кислоты, а также растворы солей (соды, сульфида натрия, сульфитов щелочных металлов 
и др.) [8]. 

1.2. 
ОсНОВНыЕ ТЕРмИНы

К специальным технологиям разработки месторождений по
лезных ископаемых относятся технологии, использующие перевод 
полезных компонентов из связанного состояния в подвижное состояние с помощью воздействия на рудный массив реагентами.

Специальные процессы добычи полезных компонентов включают: 

растворение минералов водой или реагентом; разрушение струей 
воды; подземную выплавку; газификацию угля;гидравлическое перемещение полезных компонентов и другие процессы, отличающиеся от обычных процессов добычи [20].

Специальные методы основаны на растворении ископаемых во
дой или реагентами, гидродинамическом перемещении, выщелачи

вании, плавлении, возгонке и т.п. Инструментом активизации процессов добычи служат энергетические агенты, вводимые в рабочую 
зону: растворы, электрический ток, вода, теплоносители и т.д. Под 
воздействием агентов полезное ископаемое изменяет исходное агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, 
газ или гидросмесь), которые способны перемещаться к местам переработки в горных выработках или на поверхности.

Сущность выщелачивания — избирательный перевод полезного 

компонента из естественного состояния в жидкую фазу на месте залегания руд в недрах с последующим извлечением из растворов путем переработки. 

Выщелачивание подземное — избирательный перевод полезного 

компонента в жидкую фазу на месте залегания в недрах с последующей переработкой металлосодержащих растворов гидрометаллургическими методами.

Выщелачивание скважинное — вскрытие, подготовка и перевод 

полезных компонентов в подвижное состояние с выдачей к местам 
переработки через скважины.

Выщелачивание бактериальное — вскрытие, подготовка и перевод 

полезных компонентов в подвижное состояние с извлечением химических элементов из руд, концентратов и горных пород при помощи 
специализированных штаммов бактерий.

Газификация углей подземная — перевод угля в газообразное со
стояние на месте залегания посредством высокотемпературного нагрева без предварительной подготовки массива.

Выплавка подземная — метод с переводом полезного компонента 

в жидкое состояние на месте залегания посредством высокотемпературного теплоносителя с выдачей продуктов по скважинам.

Возгонка подземная — перевод полезных компонентов из твердой 

фазы в газообразную на месте залегания посредством высокотемпературного нагрева.

Перегонка подземная — перевод горючих ископаемых в газообраз
ное и жидкое состояние на месте залегания высокотемпературным 
нагревом без доступа кислорода.

Разработка морских месторождений — добыча полезных ископа
емых со дна морей и океанов с помощью специальных технологических приемов и оборудования.

Солеварение — получение пищевых и других солей из природных 

и технологических растворов путем выварки и последовательного 
выпаривания воды температурным нагревом.

Растворение подземное — перевод полезных ископаемых в водный 

раствор с выдачей на поверхность и извлечением из растворов с помощью специальных технологических процессов. 

Гидродобыча — разрушение и перевод твердого полезного ископа
емого в подвижное состояние гидродинамическим воздействием 
водовоздушной струей с выдачей на поверхность в виде смеси и последующим обезвоживанием.

Гидрометаллургия — извлечение металлов из руд водой или рас
творами химических реагентов и металлов из растворов с помощью 
специальных технологических процессов типа сорбции, электрохимии и т.п.

Ядерный взрыв — взрывное выделение внутриядерной энергии, 

используемое в целях подготовки массивов к выщелачиванию полезных компонентов.

Растворимость зависит от минералогического состава вмеща
ющих пород, структурно-текстурных их особенностей и физикохимических свойств среды, в которой происходит растворение. Чем 
крупнее минеральные отдельности, монолитнее и менее окислена 
порода, тем хуже растворимость. 

Металлы растворяются после разрушения кристаллических ре
шеток акцессорных минералов и раскрытия образующих сростков. 
Наиболее быстро они растворяются в присутствии сильных окислителей: диоксида марганца, кислорода, оксидов железа и меди. При 
химическом растворении используются реагенты: FeCl2, Fe2 (SO4)3, 
CuCl2, CuSO4, NaCl, HCl, H2SO4, щелочи, цианид натрия или калия, 
кислые растворы тиомочевины и хлорная вода.

Система разработки с выщелачиванием металлов — совокупность 

устройств и выработок, используемых в определенном порядке во 
времени и пространстве для перевода металла из руды в раствор и 
извлечения металла из раствора [15].

1.3. 
ИсТОРИя РаЗВИТИя спЕцИальНых спОсОБОВ

Сведения о добыче соли подземным растворением на терри
тории России датируются II в. н.э. В Испании в XVI в. подземное 
выщелачивание применялось для добычи цветных металлов. 
Д.И. Менделеев предложил в 1888 г. идею подземной газификации 
угля, Г. Фраш в 1891 г. в США — метод подземной выплавки серы. 
В.А. Обручев выдвинул идею использования глубинного тепла Земли 
в конце XIX в. Специальные геотехнологии широко применяют в 
США, ФРГ, Бельгии, Великобритании, Чехии, Польше, Венгрии 
и других странах [38].

Промышленное освоение подземного выщелачивания медных 

руд начато в США в 1919 г., в СССР — в 1939 г. Начиная с 70-х гг. 
прошлого века в СССР, США, Канаде, Германии, Чехии, Болгарии 
и др. подземным выщелачиванием добыта значительная часть урана, 
меди и золота. 

Использование подземного выщелачивания было предсказано 

академиком А.Е. Ферсманом: «Сильные кислые растворы будут растворять тяжелые металлы, давая готовые соли для электролитических 
заводов. Вся земная кора будет пронизана миллионами стальных 
труб, извлекая из разных глубин нужные вещества». 

Применение выщелачивания для добычи цветных металлов из
вестно с ХVI в. (Испания). Широкое промышленное освоение его 
связано с добычей меди на руднике «Кананея» в Мексике (1924) и на 
Урале (1930–1942). Последнее время подземное выщелачивание применяют для добычи руд урановой группы [37]. 

В горнодобывающих отраслях технологически развитых стран 

получают развитие геотехнологические методы добычи металлов из 
техногенных месторождений химическим растворением. Реагентами 
выщелачивания являются химические реагенты и природные компоненты: вода, воздух и рудовмещающие породы.

По данным Мак-Грегора, на урановом руднике Стенброк забои с 

потерянными рудами промывали водой, ее рН снижался до 2,3 благодаря бактериальному окислению сульфидов. После первой промывки извлечение в раствор составило 70%. Так извлекали 6,5% добычи рудника.

Л.Ф. Мерс описал процесс выщелачивания потерянных руд водой 

на руднике Питч (США). Высота выщелачиваемого слоя достигала 
100 м.

На руднике Майами (США) водой выщелачивают содержащие 

медь породы после систем с массовым обрушением. Содержание 
меди в растворах 0,3%. 

На руднике Мегген (ФРГ) окисление сульфидов обеспечивается 

кислородом воздуха. Благодаря пириту шахтные воды растворяют 
цинк и железо, которые поступают с поверхности в объеме до 
15 тыс. м3 в сутки. За это время добывают около 3 т цинка и 2 т железа. 

Во Франции используют урансодержащие воды дебитом 20–

30 м3/ч с содержанием 100 мг/дм3. 

В США продуктивные растворы содержат до 20 мг/дм3 урана. На 

руднике Амброзия-Лейк в сутки добывали 70 кг U3O8. В 14 шахтах 
запада США получают до 150 м3/мин природных растворов с содержанием до 12 мг/дм3 U3O8.

Н.В. Шаншес и А.П. Юдицкий сообщают о выщелачивании меди 

водой на Дегтярском руднике из потерянных при технологии слоевого обрушения руд. Содержание меди в растворе за сутки достигало 
14 мг/дм3. 

Промышленное выщелачивание балансовых руд впервые в миро
вой практике осуществлено на урановом месторождении Восток 
(Северный Казахстан) (рис.1.1) [14]. 

а

б

Рис.1.1. Выщелачивание металлов из руд:  

а — подготовка и орошение; б — транспорт растворов