Подземное выщелачивание (ISL), также называемое подземным восстановлением (ISR) или добычей растворением , представляет собой процесс добычи, используемый для извлечения минералов, таких как медь и уран, через скважины, пробуренные в месторождении, на месте . Подземное выщелачивание работает путем искусственного растворения минералов, встречающихся в природе в твердом состоянии.
Первоначально процесс включает бурение скважин в рудном месторождении . Взрывной или гидравлический разрыв может использоваться для создания открытых путей в месторождении для проникновения раствора. Выщелачивающий раствор закачивается в месторождение, где он вступает в контакт с рудой. Затем раствор, содержащий растворенное содержимое руды, закачивается на поверхность и перерабатывается. Этот процесс позволяет извлекать металлы и соли из рудного тела без необходимости традиционной добычи, включающей буровзрывные работы , открытую или подземную добычу .
Добыча методом подземного выщелачивания подразумевает закачку выщелачивающего агента в рудное тело через скважину, который циркулирует через пористую породу , растворяя руду, и извлекается через вторую скважину .
Выщелачиватель варьируется в зависимости от месторождения руды: для соляных месторождений выщелачивателем может быть пресная вода, в которой соли легко растворяются. Для меди обычно требуются кислоты для повышения растворимости рудных минералов в растворе. Для урановых руд выщелачивателем может быть кислота или бикарбонат натрия .
Подземное выщелачивание широко используется для извлечения залежей водорастворимых солей, таких как поташ ( сильвин и карналлит ), каменная соль (галит) , хлорид натрия и сульфат натрия . Оно использовалось в американском штате Колорадо для извлечения нахколита ( бикарбоната натрия ). [1] Подземное выщелачивание часто используется для залежей, которые находятся слишком глубоко или пластов, которые слишком тонкие для обычной подземной добычи .
Подземное выщелачивание урана быстро развивалось с 1990-х годов и в настоящее время является преобладающим методом добычи урана, на долю которого в 2012 году пришлось 45 процентов урана, добытого во всем мире. [2]
В отличие от открытых и подземных горных работ, подземное выщелачивание не опирается на глубину залегания как на критерий, а основывается на свойствах уранового месторождения. Методы подземного выщелачивания систематически классифицируются на основе основных компонентов выщелачивающего раствора, охватывая кислотное выщелачивание, щелочное выщелачивание, нейтральное выщелачивание и биологическое выщелачивание [3] .
Кислотное выщелачивание применимо к низкокарбонатным месторождениям урана, при этом U(VI) растворяется в кислом растворе, а U(IV) растворяется в кислом растворе с окислителем; Щелочное выщелачивание эффективно для высококарбонатных месторождений урана, но непригодно для месторождений с высоким содержанием пирита, при этом U(VI) растворяется в щелочном растворе, а U(IV) растворяется в щелочном растворе с окислителем; Нейтральное выщелачивание, включая выщелачивание CO2-O2 и выщелачивание слабой кислотой, широко применимо; Биовыщелачивание также широко применимо, особенно идеально подходит для месторождений урана, богатых пиритом [3] .
Подземное выщелачивание урановых руд началось в Соединенных Штатах и Советском Союзе в начале 1960-х годов. Первое подземное выщелачивание урана в США было в бассейне Ширли в штате Вайоминг , которое работало с 1961 по 1970 год с использованием серной кислоты. С 1970 года все промышленные шахты подземного выщелачивания в США использовали карбонатные растворы. [4] [5]
В Австралии при добыче полезных ископаемых методом подземного выщелачивания используются кислотные растворы. [6]
Извлечение на месте залегания включает извлечение урансодержащей воды (содержание всего 0,05 %, или 500 ppm, U 3 O 8 ). Извлеченный раствор урана затем фильтруется через смоляные шарики. [5] В процессе ионного обмена смоляные шарики притягивают уран из раствора. Затем смолы, насыщенные ураном, транспортируются на перерабатывающий завод, где U 3 O 8 отделяется от смоляных шариков и производится желтый кек . Затем смоляные шарики можно вернуть на ионообменную установку, где они используются повторно.
В конце 2008 года в США действовало четыре [7] рудника по подземному выщелачиванию урана , которыми управляли компании Cameco , Mestena и Uranium Resources, Inc., все они использовали бикарбонат натрия. Метод подземного выщелачивания обеспечивает 90 % урана, добываемого в США. В 2010 году корпорация Uranium Energy начала операции по подземному выщелачиванию на своем проекте Palangana в округе Дюваль, штат Техас . В июле 2012 года компания Cameco отложила разработку своего проекта Kintyre из-за сложной экономики проекта, основанной на 45,00 долларах США за U 3 O 8 . По состоянию на 2009 год также действовал один проект по рекультивации методом подземного выщелачивания. [8]
Крупные рудники по добыче полезных ископаемых методом подземного выщелачивания действуют в Казахстане и Австралии .
Примерами подземных урановых рудников являются:
Существуют технологии попутного извлечения рения из продуктивных растворов подземного выщелачивания урановых руд. [10]
Выщелачивание меди на месте производилось китайцами в 907 г. н. э., а возможно, и в 177 г. до н. э. [4] Медь обычно выщелачивают с использованием кислоты ( серной или соляной ), а затем извлекают из раствора методом электролиза растворителем (SX-EW) или химическим осаждением.
Руды, наиболее поддающиеся выщелачиванию, включают карбонаты меди малахит и азурит , оксид тенорит и силикат хризоколлу . Другие минералы меди, такие как оксид куприт и сульфид халькоцит, могут потребовать добавления окислителей, таких как сульфат железа и кислород , в выщелачивающий раствор до того, как минералы растворятся. Руды с самым высоким содержанием сульфидов, такие как борнит и халькопирит, потребуют больше окислителей и будут растворяться медленнее. Иногда окисление ускоряется бактериями Thiobacillus ferrooxidans , которые питаются сульфидными соединениями.
Подземное выщелачивание меди часто осуществляется методом выщелачивания в забоях , при котором битая низкосортная руда выщелачивается в действующей или бывшей обычной подземной шахте. Выщелачивание может происходить в засыпанных забоях или обрушенных областях. В 1994 году выщелачивание меди в забоях было зарегистрировано на 16 рудниках в США.
На руднике Сан-Мануэль [11] в американском штате Аризона метод ISL изначально использовался для сбора полученного раствора под землей, но в 1995 году он был преобразован в метод извлечения из скважины в скважину, что стало первой крупномасштабной реализацией этого метода. Этот метод из скважины в скважину был предложен для других месторождений меди в Аризоне.
Подземное выщелачивание не использовалось в коммерческих масштабах для добычи золота. В 1970-х годах была проведена трехлетняя пилотная программа по подземному выщелачиванию золотой руды на руднике Аякс в районе Крипл-Крик в США с использованием раствора хлорида и йодида . После получения плохих результатов, возможно, из-за сложной руды теллурида , испытания были прекращены. [12]
По данным Всемирной ядерной организации:
В законодательстве США требуется, чтобы качество воды в затронутом водоносном горизонте было восстановлено, чтобы сделать возможным его использование до добычи. Обычно это питьевая вода или стоковая вода (обычно менее 500 ppm общего количества растворенных твердых веществ), и хотя не все химические характеристики могут быть возвращены к тем, что были до добычи, вода должна быть пригодна для использования в тех же целях, что и раньше. Часто ее необходимо очищать методом обратного осмоса, что приводит к проблеме утилизации концентрированного потока рассола из этого.
При добыче урана методом подземного выщелачивания применяются обычные меры радиационной безопасности, несмотря на то, что большая часть радиоактивности рудного тела остается глубоко под землей, и, следовательно, наблюдается минимальное увеличение выброса радона и отсутствие рудной пыли. Сотрудники контролируются на предмет альфа-радиационного загрязнения, а для измерения воздействия гамма-излучения используются персональные дозиметры. Проводится регулярный мониторинг загрязнения воздуха, пыли и поверхности. [13]
Преимущества этой технологии:
После завершения операции по выщелачиванию на месте, полученные отходы пульпы должны быть безопасно утилизированы, а водоносный горизонт, загрязненный в результате выщелачивания, должен быть восстановлен. Восстановление грунтовых вод является очень утомительным процессом, который еще не полностью изучен. [ необходима цитата ]
Наилучшие результаты были получены при использовании следующей схемы лечения, состоящей из ряда различных этапов: [14] [15]
Но даже при такой схеме лечения остаются нерешенными различные проблемы: [ необходима цитата ]
Большинство описанных экспериментов по восстановлению относятся к схеме щелочного выщелачивания, поскольку эта схема является единственной, которая используется в западном мире в коммерческих операциях на месте. Поэтому практически нет опыта восстановления грунтовых вод после кислотного выщелачивания на месте, схемы, которая применялась в большинстве случаев в Восточной Европе. Единственным западным участком выщелачивания на месте, восстановленным после сернокислотного выщелачивания до сих пор, является небольшой пилотный объект Nine Mile Lake около Каспера, Вайоминг (США). Поэтому результаты нельзя просто перенести на промышленные объекты. Примененная схема восстановления включала первые два шага, упомянутые выше. Оказалось, что необходимо было откачать объем воды, превышающий объем пор зоны выщелачивания более чем в 20 раз, и все же несколько параметров не достигли фоновых уровней. Более того, восстановление потребовало примерно столько же времени, сколько было использовано для периода выщелачивания. [16] [17]
В США объекты подземного выщелачивания Пони, Лампрехт и Замзов в Техасе были восстановлены с использованием шагов 1 и 2 вышеперечисленной схемы обработки. [18] На этих и других объектах были предоставлены смягченные стандарты восстановления грунтовых вод, поскольку критерии восстановления не могли быть выполнены. [ необходима цитата ]
Исследование, опубликованное Геологической службой США в 2009 году, показало, что «на сегодняшний день ни одна рекультивация после операции ПВ в Соединенных Штатах не привела к успешному возвращению водоносного горизонта к исходному состоянию». [19]
Базовые условия включают коммерческие количества радиоактивного U 3 O 8 . Эффективное извлечение на месте снижает значения U 3 O 8 водоносного слоя. Выступая на семинаре Агентства по охране окружающей среды региона 8 29 сентября 2010 года, доктор философии Ардит Симмонс из Национальной лаборатории Лос-Аламоса ( Лос-Аламос, Нью-Мексико ) на тему «Установление базовых значений и сравнение с показателями восстановления на участках добычи урана на месте» заявила: «Эти результаты показали, что восстановление водоносных слоев до среднего значения с помощью операций ISR может быть нереалистичным, поскольку в некоторых случаях это означает, что должно быть меньше урана, чем было до добычи. Достижение более консервативных концентраций приводит к значительному потреблению воды, и многие из этих водоносных слоев были непригодны для питьевой воды до начала добычи». [20]
EPA рассматривает необходимость обновления стандартов охраны окружающей среды для добычи урана, поскольку текущие правила, принятые в ответ на Закон о радиационном контроле хвостохранилищ урановых рудников 1978 года, не охватывают относительно недавний процесс подземного выщелачивания (ISL) урана из подземных рудных тел. В письме от февраля 2012 года EPA заявляет: «Поскольку процесс ISL влияет на качество грунтовых вод, Управление по радиации и воздуху в помещениях EPA запросило консультацию у Научно-консультативного совета (SAB) по вопросам, связанным с проектированием и реализацией мониторинга грунтовых вод на участках добычи ISL».
SAB дает рекомендации относительно мониторинга для характеристики базового качества грунтовых вод до начала горных работ, мониторинга для обнаружения любых отклонений фильтрата во время добычи и мониторинга для определения того, когда качество грунтовых вод стабилизировалось после завершения горных работ. SAB также рассматривает преимущества и недостатки альтернативных статистических методов для определения того, вернулось ли качество грунтовых вод после эксплуатации к условиям, близким к предшествовавшим добыче, и можно ли предсказать, что эксплуатация шахты не окажет отрицательного влияния на качество грунтовых вод после принятия решения о закрытии участка. [21]