Сегодня это может казаться парадоксальным, но первые идеи физико-химических способов добычи полезных ископаемых родились, по меньшей мере, 6-8 веков назад[1] - в эпоху, как часто пишут, «мрачного и непросвещенного» средневековья. Удивительно, ведь не было еще ни физики, ни химии в современном понимании этих наук, а человек уже попробовал добывать соль и металл через скважины, растворяя их залежи прямо под землей и поднимая рассолы и растворы на поверхность.
С другой стороны, еще свежа в памяти конференция по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых, где не только слушали и обсуждали результаты наиболее интересных исследований, экспериментов, испытаний, но старались точно определить сам термин «геотехнология», найти основы ее собственного языка. Это ли не свидетельство молодости научно-технического направления?
Какие исторические обстоятельства породили необходимость создания новой отрасли горной науки и техники на месте разрозненных идей и попыток их практического использования? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно хотя бы бегло напомнить некоторые из основных проблем горнодобывающей промышленности, горного дела, на продукции которого зиждется почти семьдесят процентов всего, что производит человечество.
В последнее время много пишут об ограниченности минеральных ресурсов Земли. С достаточной степенью точности известны геологические запасы минерального сырья и топлива в земной коре. Выявлены и промышленные запасы, экономически целесообразные для освоения.
Вместе с тем сегодня можно, по существу, говорить о взрыве потребности в минеральном сырье и топливе. Взрывной характер этот процесс стал приобретать в основном только в последние тридцать лет.
1. Отраслевые особенности природопользования
До 1970 года на всей планете было добыто 7 миллиардов тонн условного топлива - угля, нефти, газа. По прогнозам для 2010 года эта цифра возрастает до 25 миллиардов.[2]
Наша страна, как известно, обеспечена собственными ресурсами всех основных видов полезных ископаемых. В ее недрах сосредоточено более половины мировых запасов каменного угля, железных и марганцевых руд, природного газа, различного горнохимического сырья.
В мировом хозяйстве масштабы вовлечения в хозяйственный оборот полезных ископаемых по сравнению с другими видами природных ресурсов - земельных, лесных, водных - растут гораздо быстрее. В нашем хозяйстве эта тенденция еще заметнее: рост общественного производства происходит более быстрыми темпами.
Соотношение между общим объемом добычи и содержанием в ней полезного вещества неуклонно изменяется, увы, в сторону накопления так называемых отходов. Это вынуждает увеличивать объемы добычи, а значит, и еще больше отходов. Отходы, если они остаются таковыми, - новые горы отвалов, терриконов, «хвостов» обогатительных фабрик, рудничные стоки и стоки обогатительных фабрик. Они отнимают десятки тысяч гектаров земельных угодий, загрязняют атмосферу и водоемы. И они растут, опережая по массе полезные компоненты.
Отходы и потери увеличивают энтропию минерально-сырьевых ресурсов, их бесполезное рассеивание.
Но здесь есть и некий оптимистический парадокс: во всевозрастающей массе отходов соответственно все больше полезного, подлежащего утилизации.
Уменьшение потерь и использование отходов - грандиозный резерв. Расчеты показывают: горное производство может повысить выход продукции за счет более рационального использования полезных ископаемых примерно на 20-25 процентов.[3]
Впервые в мире на Качканарском горно-обогатительном комбинате вовлечены в переработку бедные руды, в них 16-17 процентов железа.[4] Попутно стали извлекать ценнейший для народного хозяйства металл - ванадий. Оригинальный способ позволил вдвое увеличить извлечение редкого металла.
Следующим этапом должно быть извлечение из здешних руд еще и титана, платины, палладия. А замкнется цикл комплексной переработки производством строительных материалов из отходов обогащения. Количество отходов и солидная строительная база делают реальным и экономически оправданным создание такого комплексного предприятия.
Безотходным предприятием в отрасли черной металлургии РФ, по мнению специалистов, может стать Ковдорекий горно-обогатительный комбинат. Для этого есть все основания. В комбинате недавно, кроме железорудной, появилась апатитовая обогатительная фабрика.
Более 120 предприятий цветной металлургии используют промышленные стоки в системах, оборотного водоснабжения.[5] Это важнейший показатель безотходности и чистоты производства. Сброс даже очищенных стоков практически прекращен на двадцати двух предприятиях. Вода здесь циркулирует в полностью замкнутой системе.
Примером перехода к комплексному освоению газовых месторождений может служить Оренбургское. Здесь, помимо газа, уже извлекают серу, гелий и меркаптаны.
Сегодняшние успехи в комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов еще только самое начало решения этой крупнейшей проблемы.
«Ничего нет полезнее горного искусства...» - с этими словами знаменитого ученого XVI века Георгия Агриколы и сегодня трудно спорить. Почти все сделанное руками человека - от булавки до трактора и самолета - в своем первоначальном виде лежало под землей и добыто оттуда людьми, которых объединяет слово «горняк». Но Агрикола еще добавлял: «Горняку, кроме того, нельзя быть несведущим и во многих других искусствах и науках. Прежде всего, в философии, дабы он мог знать происхождение и природу подземного Мира, ибо он благодаря этому сможет находить более легкий и более удобный путь к недрам земли и получать из них более обильные плоды...»[6]
Современные шахты и карьеры ведут добычу только в самой верхней части земной коры. Глубинные богатства им недоступны. Твердое полезное ископаемое сегодня поднимают из недр в виде дробленой кусковатой массы. Все дороже будет извлечение этого «куска», который содержит неуклонно уменьшающееся количество полезного компонента. Затраты подчас не компенсируют даже ценность получаемого продукта...
Новое направление горного дела расширяет наше традиционное понятие и о самом полезном ископаемом. Это уже не только черные, цветные и благородные металлы, горючие ископаемые, но и тепло Земли во всех его проявлениях, подземные пресные воды, редкие и рассеянные элементы, скрытые в геотермальных водах, полезные элементы из рудничных, нефтепромысловых и других промышленных стоков.
Необычайно разнообразны объекты теплофизического воздействия - это сера, тяжелая нефть, битум, озокерит.
Здесь под землю уходит горячая вода, пар или электрический ток, а из скважины на поверхность поступает расплав ценнейших продуктов. Иногда не возникает необходимости даже в искусственном носителе тепла.
На Камчатке и островах Курильской гряды серу можно выплавлять, используя тепло Земли - имеющиеся там горячие подземные воды и пар. Экономичность такого способа не требует комментария. В два раза дешевле по сравнению с обычным шахтным методом будет и подземная выплавка озокерита.
Забрать сокровища недр, скрытые сотнями метров вечной мерзлоты, - еще одна важнейшая задача скважинной гидродобычи. Причем можно оттаивать только золотоносный пласт, практически не нарушая самой мерзлоты.
Возможность тонкого, селективного выщелачивания полезных элементов возвращает к жизни даже самые бедные месторождения со сложным строением, которые, ранее считались полностью непригодными к отработке.
В содружестве с микробиологами разработан биохимический способ - бактериальное выщелачивание. Здесь уже действуют «живыми», биологически активными растворами.
Оказалось, что интенсивное окисление пирита идет преимущественно не обычным химическим путем, а микробиологическим выщелачиванием, которое осуществляют, развивая жизнедеятельность, группы тионовых бактерий.[7]
Проведены первые полупромышленные испытания бактериального выщелачивания никеля, меди и других полезных компонентов из забалансовых, «бросовых» руд Кольского полуострова.
Наконец, термохимический способ осуществляют подземная газификация, возгонка угля и сланцев. Идея этого способа принадлежит еще Д. И. Менделееву, но в самое последнее время предложены новые заманчивые варианты.
Геотехнологические методы открывают принципиально новые возможности: разрабатывать месторождения с бедными рудами, брошенные или отработанные обычным способом участки месторождений. Даже металл из старых рудничных и карьерных отвалов экономически выгодно извлечь так называемым кучным выщелачиванием. А ведь такие отвалы - они считались практически пустыми - есть на любом горном предприятии.
Геотехнология расширяет минерально-сырьевую базу и бережно, полно, фактически безотходно извлекает из недр полезные ископаемые.
Новая технология уменьшает энтропию Земли, ее «распыление». Нет нарушений поверхности Земли, нет пыли, вредных отходов, терриконов и отвалов, отбирающих большие площади земельных угодий. Новые способы ничуть не нарушают естественного равновесия окружающей среды. Мало того, извлекая полезные элементы из промышленных стоков, они одновременно упрощают проблему очистки вод. Так уже в Казахстане извлекают из стоков молибден.
Геотехнология решает и важнейшую социальную задачу - полностью освобождает человека от подземной работы.
Конечно, нельзя считать, что геотехнология уже пришла на смену традиционным шахтам и карьерам. Пока она расширяет области своего применения, увеличивая возможности горной промышленности, улучшая ее экономику.