Способ подземного выщелачивания полезных компонентов Советский патент 1992 года по МПК E21B43/28 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в различных областях наук о Земле для извлечения металлов из минеральных растворов при бурении глубоких скважин.

Известен способ извлечения металлов из растворов, полученных методом гидрометаллургии - выщелачивания руд и концентратов.°

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, требует больших энергозатрат и необходимым этапом его является выщелачивание.

Известен также способ извлечения металлов из растворов, включающий бурение в массив основных и дополнительных скважин, размещение в рсновной скважине электродов, нагнетание в дополнительные скважины

реагентов, подачу на электроды постоянного тока, откачку продуктивных растворов и извлечение из полезных компонентов.

Известный способ позволяет успешно извлекать металлы из растворов только в хорошо проницаемых породах, причем КПД полезного компонента невелик из-за трудности обеспечения миграции реагента по рудному телу без вибрационных воздействий в выбранном диапазоне частот в зависимости от размеров рудного тела, глубины его залегания и горного давления.

Цель изобретения - повышение эффективности выщелачивания за счет улучшения гидро- и аэродинамических связей путем увеличения трещиноватости и изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.

Х|

00

2

ел

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу предварительно определяют векторы максимального и минимального главных напряжений в локальном массиве, подлежащем обработке, в массиве размещают виброисточники, которые ориентируют в направлении действия минимального главного напряжения и возбуждают вибрационные колебания в диапазоне частот 60 - 500 Гц, при этом нагнетают в скважину с источниками воду с добавками ПАВ 3 - 5%, в процессе обработки колебаниями измеряют деформации горных пород и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения частоту вибровоздействия устанавливают равной частоте собственных колебаний горного массива, после чего нагнетают в дополнительные скважины под давлением инертный газ, который предварительно нагревают до 400°С и смешивают с расклинивающими агентами с размерами частиц 0,01 - 0,09 мм. Виброисточники размещают на расстоянии 10-15 длин волн основной частоты источника при этом оси виброисточников ориентируют в направлении размещения основной скважины. Определяют химический состав ми- неральных растворов в основной скважине, выявляют в них последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов, размещают начиная с основания скважины электроды по глубине скважины в порядке возрастания их электродных потенциалов с шагом, который зависит от притока минеральных растворов в скважину извне. Скважину в центре разлома подвергают вибровоздействиям с частотой 60 - 150 Гц в совокупности с нагнетанием в дополнительные скважины раэупрочняющих растворов, причем вибровоздействия производят из скважин, пробу- ренных по периметру окружности с центром, где расположена основная скважина с шагом 10 - 15°.

На фиг.1 приведена схема реализации способа; на фиг.2 и 3 - схема проведения натурных измерений при извлечении металлов4 из растворов.

На схеме показаны горный массив 1, основная скважина 2 с размещенными в ней виброисточниками 3 заполненными упруго- вязким телом 4, компрессор 5 высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7, электронный пульт 6 управления для синхронизации работы группы виброисточников, рудное тело, представленное на фиг.2 границей 9, где расположены основные скважины 7 и 8 с размещенными в них электродами (в скважине 7 анод, в скважине 8 катод). На фиг.З

показано расположение электродов 10 и 11 в двух параллельных скважинах 7 и 8, в устьях которых размещают на обсадной трубе электропроводящие втулки 12 и 13, источник 14 постоянного тока, источник 15 импульсного тока, выключатель 16 для изменения полярности постоянного тока, насос 17 для нагнетания реагента 19. Рядом пробурена дополнительная скважина 18 для на0 гнетания реагента 19.

Трещины и разрывы создают в рудном теле искусственным путем, т.е. с использованием вибровоздействий. Для этого размещают на глубине скважины 2 невзрывные

5 пневматические источники 3, определяют поле напряжений и главные векторы максимального и минимального напряжений датчиками давления горных пород. Скважину бурят диаметром 500 - 700 мм и глубиною

0 до первого водоносного слоя 30 - 50 м, источники в ней размещают с шагом через 7 - 12 м по глубине скважины, причем направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в горном массиве 1,

5 т.е. источники 3 устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения. Максимальный диаметр скважины 2 и глубину размещения в ней источников 3 выбирают

0 исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60 - 500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в рудное тело, составляющая 3-9% энергии,

5 поступающей в источник 3 от компрессора 5 высокого давления (от 60 до 300 атм. и более). Глубину скважины 2 для размещения в ней виброисточников выбирают из условия, чтобы давление на источник, обеспечи0 ваемое материалом упруго-вязкого тела 4,

определенное экспериментально в морской

сейсморазведке на акваториях, составляла

для диапазона 60 - 500 Гц от 7 до 50 м.

Время воздействия (время синхронной

5 работы группы виброисточников для приведения локального участка горного массива в возбужденное состояние и повышения проницаемости в нем пород и руд и увеличения их трещиноватости) определяют по смене

0 деформаций сжатия деформациями растяжения и зависит от обводненности массива и глубины залегания горных пород - напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

5 При синхронной работе группы виброисточников амплитуду колебаний в знакопеременной упругой волне медленно поднимают от минимального до максимального значения, определяемого уровнем достижения напряжений в породном

массиве, равном 0,5 от разрушающих. Колебания вызывают в горном массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения колебаний и частичную дегазацию локального участка массива пород, т.е. истечение газовых компонент из пор и трещин, раскрывшихся в результате вибрации и нагнетания в поры и трещины расклинивающих агентов с размерами частиц 0,01 - 0,09 мм, и инертного газа, нагретого до 400°С. Эти явления имеются в горном массиве как при работе одиночного источника, так и при работе группы источников.

Работу группы источников контролируют геофизическими и геомеханическими методами оценки напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве. Воздействуя на массив вибрационными сжимающими и растягивающими нагрузками, изменяют его напряженно-деформированное состояние разупрочняющими растворами ПАВ и другими, приводят массив в возбужденное состояние на частотах 60 - 500 Гц и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости горных пород в месте подверженному вибрационным воздействиям, нагнетают в породы под давлением инертный газ при 400°С с расклинивающими агентами и вибровоздействия производят с частотой, равной частоте колебаний горного массива, т.е. воздействуют на массив в резонансном режиме. Это способствует .истечению из пор и трещин массива газовых компонент и флюидов и притоку их в основную скважину, где осуществляют электролиз осаждением металлов на катоде 8. Источник 14 постоянного тока обеспечивает постоянное напряжение, величина которого - плотность тока - достигает (5 - 15) 103 А/м2. Процесс идет при температуре рудного тела и может ускоряться, если реагент имеет температуру выше температуры рудного тела. Металл, осажденный на катоде 8, извлекается путем поднятия катода 8 из скважины и замены его другим, но выполненным из того же металла. Насос 17, подключенный к анодному и катодному пространству, периодически создает давление в скважинах и повышает способность электролиза. Пульсирующее постоянное напряжение, вырабатываемое источником 15 и изменяющее полярность посредством выключателя 16, вызывает изменение вещества на катоде 8, и постоянное напряжение накладывается на пульсирующее, результатом чего является повышение КПД извлечения металлов осаждением на катоде 8, что в свою очередь зависит от скорости выщелачивания, т.е. 5 степени концентрации полезного компонента в растворе. Реагент 19 тем интенсивнее взаимодействует с рудным телом, чем выше трещиноватость и проницаемость руд и пород в массиве. Возможность миграции

0 по рудному телу достигается воздействием вибрационных нагрузок в диапазоне 60 - 500 Гц, т.е. длины волны соизмеримы с размерами неоднородностей, слагающих рудное тело. В случае же, если имеют дело с

5 минеральными растворами, например, скважину бурят в зоне активного разлома, выявленного по сейсмическим и гидрогеологическим данным, определяют их химиче- ский состав и выявляют в них ряд

0 напряжений. Исходя из химического состава минерального раствора размещают по глубине скважины электрода в порядке возрастания их электродных потенциалов, начиная с основания скважины, и получа5 ют металлы осаждением на катоде, воздействуя на горные породы вокруг скважины вибрационными нагрузками в диапазоне 60 - 150 Гц, для чего скважины с размещенными с них виброисточника0 ми бурят по периметру окружности с центром, взятым в месте бурения основной скважины. Дополнительные скважины по периметру окружности бурят на удалении 100 - 150 длин волн основной частоты (60

5 - 150 Гц), что при скорости Р-волн в массиве, равной 3000 м/с, на частотах 60- 150 Гц составляет до 3 км при длинах волн 20 - 50 м, возбуждают упругие колебания одновременно всеми источниками и произ0 водят извлечение металлов из флюидов, вытекающих под воздействием мощных вибрационных нагрузок из напряженных горных пород в основную скважину.

Сущность способа состоит в том, что

5 для эффективного извлечения металлов из растворов в случае использования минеральных растворов-флюидов из скважины, пробуренной в зоне активного разлома или рудного тела, необходимо обеспечить усло0 вия миграции реагента по всему рудному полю, что достигается с использованием мощных вибрационных нагрузок, вызывающих на своем пути волны сжатия и разрежения, которые действуют как тектонический

5 насос в напряженных горных породах и способствуют миграции флюидов или реагента во много раз быстрей, чем в отсутствие упругой волны. Это явление названо упругим миграционным геоэффектом и его суть заключается в повышении скорости перемещения флюидов в порах, трещинах и разломах в напряженных горных породах в сово- купности с нагнетанием в массив разупрочняющих растворов ПАВ, что значительно повышает гидро- и аэродинамические связи горного массива и способствует тому, что реагент .взаимодействует со значительной площадью рудного тела, вследствие чего повышается КПД извлечения полезного компонента из раствора. Миграция флюидов в порах и трещинах горного массива сопровождается перераспределением поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов, истечением газовых компонент из пор и трещин - частичной дегазацией локального участка массива пород, подверженного вибровоздействиям, кавитирующими процессами при условии, что на пути распространения упругой волны встречаются нагретые свыше 40°С горные породы или руды.

Вибрации вызывают раскрытие пор и трещин, а нагнетаемые в совокупности с технологическими растворами расклинивающие агенты не дают порам и трещинам закрыться, служат новыми концентраторами напряжений и способствуют увеличению трещиноватости и проницаемости горного массива, что в конечном итоге повышает эффективность способа и увеличивает КПД извлечения полезного компонента из раствора.

Предлагаемый способ создает оптимальные условия для закачки упругой энергии в сейсмическом диапазоне частот в режиме накопления при неизменных контактных условиях в выбранном диапазоне частот, повышает КПД передачи упругой энергии, реагента и флюидов в напряженных горных породах без взрывного или другого механического вмешательства в недра Земли, не нарушая экологию региона, создает условия для активного взаимодействия реагента путем его миграции в зоне рудного тела или активного разлома, повышает эффективность за счет дополни- тельного извлечения металлов из растворов.

Использование изобретений позволит повысить эффективность способа, избегая стадии процесса выщелачивания, за счет увеличения проницаемости и изменения напряженно-деформированного-состояниягорных пород в массиве по Сравнению с известными способами, не использующими при извлечении металлов из растворов действие упругого миграционного геоэффекта в выбранном диапазоне частот исходя из структурных особенностей горного массива.

Формула изобретения

1.Способ подземного выщелачивания полезных компонентов, включающий бурение в массив основных и дополнительных

скважин, размещение в основной скважине электродов, нагнетание в дополнительные скважины реагентов, подачу на электроды постоянного тока, откачку продуктивных растворов и извлечение из них полезных

0 компонентов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности выщелачивания за счет улучшения гидро- и аэродинамических связей путем увеличения трещиноватости горных пород и изменения

5 напряженности деформированного состояния горных пород, предварительно определяют векторы максимального и минимального главных напряжений в локальном массиве, подлежащем обработке, в

0 массиве размещают виброисточники, которые ориентируют в направлении действия минимального главного напряжения и возбуждают вибрационные колебания в диапазоне частот 60 - 500 Гц, при этом в скважину

5 с виброисточником нагнетают воду с добавками ПАВ в количестве 3 - 5%, в процессе обработки колебаниями измеряют деформации горных пород и при смене деформации сжатия деформациями растяжения

0 частоту вибровоздействия устанавливают равной частоте собственных колебаний горного массива, после чего нагнетают в допол- нительные скважины под давлением инертный газ, который предварительно на5 гревают до 400°С и смешивают с расклинивающими агентами с размерами частиц 0,01 - 0,09 мм.

2.Способно п. 1,отличающийся тем, что, виброисточники размещают на

0 расстоянии 10 - 15 длин волн основной частоты источника, при этом оси виброисточни- ков ориентируют в направлении размещения основной скважины.

3.Способ по п. 1, отличающейся 5 тем, что определяют активные разломы горных пород и направление их простирания в земной коре, в области центра разлома бурят скважину, герметизируют ее верхнюю часть, размещают в скважине электроды,

0 подают на них постоянный ток и извлекают металлы из продуктивных растворов осаждением.

А. Способ по п.З, отличающийся тем, что по периметру активных разломов по

5 окружности центра разлома бурят дополнительные скважины с шагом через 10 - 15° и производят из них вибровоздействие на центр разлома с частотой 60 - 150 Гц, при этом в дополнительные скважины нагнетают разупрочняющие растворы.

i

i о

/о

ч.-VX

Способ подземного выщелачивания полезных компонентов. Бурят в массив основные и дополнительные скважины. После определения векторов максимального и минимального главных напряжений в массиве размещают виброисточники. Последние ориентируют в направлении действия минимального главного напряжения. Размещают в основные скважины электроды и подают на электроды постоянный ток. При этом в дополнительные скважины подают реагенты. Виброисточниками возбуждают вибрационные колебания в диапазоне частот 60 - 500 Гц. В скважину с виброисточником нагнетают воду с содержанием 3 - 5% ПАВ. В процессе обработки колебаниями измеряют деформации горных пород и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения частоту вибровоздействия устанавливают равной частоте собственных колебаний горного массива. Затем нагнетают в дополнительные скважины под давлением инертный газ. При этом газ предварительно нагревают и смешивают с расклинивающими агентами с размером частиц 0,01 - 0,09 мм. 3 з.п.ф-лы, 3 ил:

1 гпф

ft

9Ю6Ш

гН И

Фаг.З