способ подземного выщелачивания полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ подземного выщелачивания полезных ископаемых, включающий подачу с поверхности через скважины в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора и газообразного реагента, диспергирование его и механических взвесей в выщелачивающем растворе в акустическом поле с интенсивностью 1÷70×10⁴ Вт/м ², собственно выщелачивание и откачку продуктивного раствора, отличающийся тем, что диспергирование и подачу в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора осуществляют при гидростатическом давлении Р_РАСЧ., определяемом по формуле

P_расч.=Q_Г/Q _A×P_A,

где Q _Г - необходимая концентрация газообразного реагента в выщелачивающем растворе, кг/м³;

Q _A - количество газообразного реагента, растворяющегося в выщелачивающем растворе при атмосферном давлении, кг/м ³;

P_A - атмосферное давление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют предварительное диспергирование с полным возвратом выщелачивающего раствора в начало цикла при давлении 0,2-0,3 МПа и использовании одного и более узлов диспергирования.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после последнего диспергирования осуществляют частичный возврат выщелачивающего раствора в начало цикла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых способом подземного выщелачивания (ПВ) с использованием газообразных окислителей.

Известен способ приготовления раствора для ПВ полезных ископаемых, включающий предварительную дегазацию нагнетаемого раствора с последующей подачей газообразного кислорода в растворонагнетательную часть скважины (фильтр) в количестве, которое обеспечило бы нахождение этого кислорода в растворенном состоянии при гидростатическом давлении в зоне ввода кислорода (А.С. СССР №1548417, кл. Е 21 В 43/28, 1990 г.).

В этом способе количество подаваемого кислорода ограничено гидростатическим давлением в зоне ввода кислорода, что может оказаться недостаточным для эффективного ведения процесса ПВ в случае неглубоких скважин. К числу факторов, неблагоприятно отражающихся на процессе ПВ, относится кольматация закачных скважин механическими взвесями, содержащимися в выщелачивающих растворах, следовательно, в этом случае существуют проблемы, связанные с необходимостью поддержания уровня раствора в скважине ниже деаэратора, т.к. для этого потребуется вести непрерывный контроль за уровнем расхода выщелачивающего раствора и постоянно регулировать расход выщелачивающего раствора и кислорода при изменении приемистости скважины вследствие механической кольматации. Кроме того, в этом способе не учитывается то обстоятельство, что процесс растворения газа в выщелачивающем растворе, как и любой другой процесс массопереноса не происходит мгновенно. Скорость растворения газа зависит от многих факторов, в том числе и от степени дисперсности газовой фазы. Крупные пузыри газа при низких скоростях движения выщелачивающего раствора в скважине будут всплывать, покидая область с достаточными барометрическими условиями для растворения газа. Поэтому для технического осуществления известного способа необходимо обеспечение специальных условий.

Известен способ газонасыщения выщелачивающего раствора в нагнетательной скважине, при котором смешивание диспергированного газа и выщелачивающего раствора осуществляется в слое инертного фильтрующего материала между фильтром скважины и устройством для ввода газа и раствора, либо в слое инертного фильтрующего материала, находящегося в "псевдокипящем" состоянии между фильтром и раствороподводящей трубой (А.С. СССР №1571225, кл. Е 21 В 43/28, 1990 г.).

Такой способ также не позволяет избавиться от проблем, обусловленных кольматацией прифильтровой части скважины механическими взвесями, что приводит к необходимости проведения мероприятий по восстановлению приемистости нагнетательных скважин. В этом случае потребуется разработка специальных способов декольматации скважин, т.к. фильтровая часть скважины имеет достаточно сложную конструкцию, не позволяющую использовать существующие технические средства для восстановления приемистости скважин (например, пневмоимпульсную обработку фильтров).

При таком способе для перевода слоя гравия в режим "псевдокипения" потребуются достаточно высокие скорости потока газожидкостной смеси, что в случае полного поглощения газожидкостной смеси в продуктивном горизонте накладывает определенные требования к фильтрационным характеристикам пород продуктивного горизонта. При невысокой приемистости скважин в породах с невысокими фильтрационными свойствами данный способ технически не осуществим.

Наиболее близким по технической сущности и большинству общих признаков к заявляемому является способ подземного выщелачивания полезных ископаемых, включающий подачу с поверхности через скважины в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора и диспергированного в нем газообразного реагента, собственно выщелачивание и откачку продуктивного раствора. Одновременно с диспергированием газа осуществляют и диспергирование механических взвесей в выщелачивающем растворе воздействием акустического поля с интенсивностью 1÷70×10 ⁴ Вт/м². При этом часть выщелачивающего раствора после диспергирования возвращают в начало цикла (Патент UZ IDP 05216, МПК⁷ Е 21 В 43/28, 2001 г.).

Такой способ позволяет повысить эффективность подготовки выщелачивающего раствора за счет повышения количества растворяемого газа и использования продуктов сонолиза в качестве дополнительных окислителей, а также снизить кольматацию скважин механическими примесями.

К недостаткам этого способа относятся:

- количество диспергированного газа, существующего в выщелачивающем растворе в виде достаточно стабильных мелких пузырьков, может достигать 0,04 м ³ в 1 м³ выщелачивающего раствора. В этом случае, например, для кислорода при давлении 0,2÷0,3 МПа (рекомендуемое гидростатическое давление в диспергаторе) концентрация в выщелачивающем растворе составляет не более 120÷180 г/м³, что может оказаться недостаточно для эффективного проведения ПВ;

- при гидростатическом давлении в диспергаторе 0,2÷0,3 МПа диспергирование механических взвесей с высокой кавитационной устойчивостью происходит недостаточно эффективно.

Задачей изобретения является разработка способа повышающего эффективность выщелачивания за счет увеличения концентрации газообразного реагента в выщелачивающем растворе при исключении эффекта газовой кольматации продуктивного горизонта и повышении качества диспергирования механических взвесей для предотвращения механической кольматации прифильтровой области нагнетательных скважин.

Поставленная задача решается за счет использования новых отличительных признаков в способе подземного выщелачивания полезных ископаемых, включающем подачу с поверхности через скважины в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора и газообразного реагента, диспергирование его и механических взвесей в выщелачивающем растворе в акустическом поле с интенсивностью 1÷70×10 ⁴ Вт/м², собственно выщелачивание и откачку продуктивного раствора.

Эти признаки заключаются в том, что диспергирование и подачу в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора осуществляют при гидростатическом давлении P _расч, определяемом по формуле:

Р_расч =Q_Г/Q_A×P _A, где

Q_Г - необходимая концентрация газообразного реагента в выщелачивающем растворе, кг/м ³;

Q_A - количество газообразного реагента, растворяющегося в выщелачивающем растворе при атмосферном давлении;

P_A - атмосферное давление.

Кроме того, могут осуществлять предварительное диспергирование с полным возвратом выщелачивающего раствора в начало цикла при давлении 0,2-0,3 МПа и использовании одного и более узлов диспергирования.

Кроме того, после последнего диспергирования могут осуществлять частичный возврат выщелачивающего раствора в начало цикла.

Осуществление диспергирования газообразного реагента и механических взвесей, а также подача в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора при гидростатическом давлении Р_расч , определяемом по формуле:

P_расч=Q _Г/Q_A×P_A (см. экспликацию выше)

позволяет получить необходимую концентрацию газообразного реагента в виде стабильных высокодисперсных пузырьков газа (достаточно устойчивую газожидкостную эмульсию) без увеличения объема свободного газа в выщелачивающем растворе, а также обеспечивает более благоприятные условия для диспергирования кавитационно-устойчивых механических взвесей при повышенном гидростатическом давлении. В этом случае гидростатическое давление Р _расч, обеспечивает полное растворение диспергированного газообразного реагента, предотвращение дегазации выщелачивающих растворов при подаче их в продуктивный горизонт и предотвращение газовой кольматации последнего, что является существенным при реализации способа.

Осуществление предварительного диспергирования с полным возвратом выщелачивающего раствора в начало цикла при давлении 0,2-0,3 МПа и использовании одного и более узлов диспергирования, позволяет вести эффективное диспергирование неустойчивых механических взвесей с попутным накоплением продуктов звукохимических реакций в выщелачивающем растворе при невысокой скорости их образования за счет многократного циклического пропускания выщелачивающих растворов через диспергатор.

Кроме того, такое выполнение процесса при использовании двух и более узлов диспергирования позволяет использовать разные газообразные реагенты для наработки продуктов звукохимических реакций (например, азот для наработки HNO₂, HNO₃) и для проведения собственно выщелачивания (например, кислород).

Осуществление после последнего диспергирования частичного возврата выщелачивающего раствора в начало цикла также позволяет повысить эффективность диспергирования газа и механических примесей с попутным накоплением продуктов звукохимических реакций в выщелачивающем растворе.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема осуществления способа при двух узлах диспергирования.

Способ осуществляется следующим образом.

Продуктивные растворы из откачных скважин 1 после переработки и добавления необходимых реагентов подают в прудок-отстойник 2. На первом узле осусществляют предварительное диспергирование неустойчивых механически взвесей с попутной наработкой продуктов звукохимических реакций в выщелачивающем растворе осуществляют путем его подачи с помощью насоса 3 в трубопровод 4 с врезанным патрубком 5 для подачи газообразного реагента, диспергирование осуществляется в кавитационной области генератора мощных акустических колебаний (первого узла диспергирования) 6, установленного на трубопроводе 4 (для этой цели можно использовать, например, гидродинамический пластинчатый генератор) при гидростатическом давлении 0,2-0,3 МПа, после чего выщелачивающий раствор с диспергированными механическими взвесями по трубопроводу 7 возвращается в прудок-отстойник 2, где происходит накопление продуктов звукохимических реакций. Стрелками на схеме показано направление движения растворов. Давление в системе на входе гидродинамического генератора, необходимое для его нормальной работы, устанавливают не менее 0,3÷0,4 МПа. Давление в резонаторе генератора за счет его достаточно высокого гидравлического сопротивления будет ниже, причем допустимый диапазон его изменения должен находится в пределах 0,2÷0,3 МПа. Для измерения давления и его регулирования, на входе и выходе генератора устанавливают манометры 8, 9 и регулировочные вентили 10, 11. Регулировочный вентиль 12, установленный на патрубке 5, предназначен для регулирования подачи газообразного реагента. При увеличении давления в резонаторе более 0,3 МПа резко падает выход таких продуктов звукохимических реакций, как Н ₂О₂, HNO₂, HNO₃, а при снижении давления менее 0,2 МПа, выход этих продуктов также снижается и падает эффективность диспергирования механических взвесей в выщелачивающем растворе. Расход газообразного реагента определяется по формуле:

Q_г.ц=(2÷3)×Q_A ×Q_в.р.ц (кг/час),

где Q _в.р.ц - расход выщелачивающего раствора в трубопроводе 7, определяющийся производительностью насоса 3, м ³/час;

Q_A - количество газообразного реагента, растворяющегося в выщелачивающем растворе при атмосферном давлении (Р_А), кг/м³ .

На последнем (в приведенном варианте - втором) узле диспергирования осуществляют диспергирование газообразного реагента и кавитационно-устойчивых механических взвесей путем подачи выщелачивающего раствора с помощью насоса 13 в трубопровод 14 с врезанным патрубком 15 для подачи газообразного реагента, и далее в кавитационную область генератора мощных акустических колебаний 16, установленного на трубопроводе 14 (для этой цели также можно использовать, например, гидродинамический пластинчатый генератор). Диспергирование проводят при повышенном гидростатическом давлении Р_расч , определяемом по формуле:

P_расч=Q _Г/Q_A×P_A , (МПа),

где Q_Г - необходимая концентрация газообразного реагента в выщелачивающем растворе, кг/м ³;

Q_A - количество газообразного реагента, растворяющегося в выщелачивающем растворе при атмосферном давлении (Р_А), кг/м³ .

После чего выщелачивающий раствор с диспергированным газообразным реагентом и механическими взвесями по трубопроводу 14 поступает в нагнетательные скважины 17 для проведения собственно выщелачивания продуктивного горизонта. Подачу в продуктивный горизонт выщелачивающего раствора для предотвращения дегазации последнего также осуществляют при повышенном гидростатическом давлении Р_РАСЧ, обеспечивающем полное растворение диспергированного газообразного реагента. Для этого нагнетательные скважины либо оборудуют герметичным оголовником 18, либо заглубляют раствороподающие шланги на глубину, обеспечивающую поддержание гидростатического давления на уровне Р_расч . Расход газообразного реагента определяется по формуле:

q_r=Q_Г×Q _в.р, (кг/час),

где Q_в.р - расход выщелачивающего раствора в магистрали, м³ /час.

Для измерения давления в системе и его регулирования, на входе и выходе генератора устанавливают манометры 19, 20 и регулировочные вентили 21, 22. Регулировочный вентиль 23, установленный на патрубке 15, предназначен для регулирования подачи газообразного реагента. При необходимости после последнего узла диспергирования часть выщелачивающего раствора из трубопровода 14 с помощью регулировочного вентиля 24 и трубопровода 25 может быть отведена в прудок-отстойник 2.

Частотный диапазон генерируемых колебаний для большинства существующих в настоящее время гидродинамических генераторов находится в интервале 0,3-35 кГц (6), в случае необходимости можно использовать более высокочастотные излучатели. Так, например, при частоте 400 кГц значительно увеличивается выход Fe ³⁺ (Fe³⁺ является хорошим окислителем при кислотном выщелачивании руд некоторых металлов) для реакции окисления железа в кислых растворах (4). Нижняя рекомендуемая граница частотного диапазона не должна быть менее 0,1 кГц, так как при дальнейшем понижении частоты происходит снижение степени дисперсности газовых пузырьков в выщелачивающем растворе. Верхняя граница частотного диапазона не должна превышать 3 МГц, так как при этом затрудняется возникновение кавитации и звукохимические реакции не идут.

Интенсивность генерируемых колебаний также влияет на скорость образования продуктов звукохимических реакций. До определенного предела скорость реакций растет пропорционально интенсивности колебаний, при достижении этого предела (так называемого второго порога кавитации) скорость резко падает.

Как правило, гидродинамические генераторы работают с максимальными интенсивностями порядка 1,5-2,5·10⁴ Вт/м ², что несколько ниже второго порога кавитации (при нормальных условиях для воды порог составляет около 70·10 ⁴ Вт/м²) и является вполне приемлемым для осуществления предлагаемого способа.

Использование гидродинамических генераторов позволяет диспергировать до 95% находящихся в растворах механических взвесей до размера менее 2·10^-6 м (по данным производителя гидродинамических генераторов ВГ5/60). Частицы такого размера свободно мигрируют с выщелачивающими растворами, не вызывая механическую кольматацию порового пространства. При этом наличие мелких гидрофобных твердых частиц оказывает стабилизирующее воздействие на газовые пузырьки в выщелачивающем растворе, значительно снижая скорость их всплывания по сравнению с теоретической, определяемой по известной формуле Стокса. Так, например, экспериментально наблюдаемая скорость всплывания пузырьков диаметром 0,001 м не превышает 0,25 м/с, что существенно ниже скоростей движения выщелачивающих растворов в скважине. Таким образом, наличие мелких диспергированных твердых частиц в выщелачивающем растворе приводит к положительному результату - стабилизации газожидкостной эмульсии в выщелачивающем растворе при отсутствии кольматации скважин.

Состав газообразного реагента, диспергируемого в выщелачивающем растворе, влияет на состав конечных продуктов звукохимических реакций следующим образом.

В атмосфере кислорода конечный результат можно свести к диффузии в раствор следующих частиц:

H₂O )))HO₂ , O₂, OH , H₂O₂ .

Суммарное уравнение для первичных продуктов звукохимических реакций в присутствии азота можно представить так:

H ₂O )))H , OH , N, N H, H₂, H₂ O₂, NO₂ ^-, NO₃ ^-, N ₂.

Поскольку выход продуктов звукохимических реакций в дегазированной жидкости резко падает, подача в выщелачивающий раствор газа и его диспергирование является необходимым условием для осуществления звукохимических реакций.

Способ подземного выщелачивания полезных ископаемых прошел опробование в течение 100 дней на одном из участков подземного выщелачивания урана, отрабатываемого с использованием газообразного окислителя (кислорода воздуха) по сернокислотной схеме. Количество добычных скважин на участке 13 шт., нагнетательных скважин - 45 шт., производительность участка по растворам - 59 м³/час. Нагнетательные скважины были оборудованы герметичными оголовниками. В качестве генератора мощных акустических колебаний использовался гидродинамический вибратор ВГ5/60, работающий на резонансной частоте 25 кГц с интенсивностью около 2,0·10⁴ Вт/м ².

Давление в гидравлической системе раствороподающих трубопроводов поддерживалось на уровне 0,6-0,8 МПа. Содержание определяемых механических взвесей в выщелачивающих растворах (с размерами более 2·10^-6 м) сократилось в 4-6 раз. В течение всего времени опробования приемистость нагнетательных скважин не менялась, в то время как до начала опробования ввиду развития механической кольматации интервал профилактических прокачек составлял 1 месяц. При проведении опробования была полностью прекращена подача на участок серной кислоты, а в качестве дополнительного реагента использовался кислород воздуха. При этом содержание урана в продуктивных растворах в процессе опробования стабилизировалась на уровне 71 мг/л, при стабильной остаточной кислотности маточных растворов на уровне 5-6 г/л. Исходное содержание урана в продуктивных растворах составляло 77 мг/л при кислотности выщелачивающих растворов 13-15 г/л.

На контрольном участке в тот же период времени была ограничена подача серной кислоты, при этом кислотность выщелачивающих растворов снизилась с 15 г/л до 10 г/л. На контрольном блоке наблюдалось постоянное падение содержания урана в продуктивных растворах, на момент завершения опробования оно составляло 50% от исходного значения.

Таким образом, положительный эффект заявляемого способа подземного выщелачивания полезных ископаемых заключается в повышении эффективности подготовки выщелачивающих растворов за счет повышения количества растворяемого газообразного реагента, в снижении эффекта механической кольматации скважин за счет повышения качества диспергирования механических взвесей в выщелачивающем растворе, обеспечении полного растворения диспергированного газообразного реагента, предотвращении дегазации выщелачивающих растворов при подаче их в продуктивный горизонт и предотвращении газовой кольматации последнего, а также в использовании продуктов звукохимических реакций в качестве дополнительных реагентов при выщелачивании (в случае выполнения предварительного диспергирования).