Toate resursele minerale disponibile pentru nivelul modern de dezvoltare tehnică și principala cantitate de resurse energetice sunt concentrate în corpul planetei noastre. Obiectul dezvoltării industriale actuale îl constituie straturile litosferice apropiate de suprafață. Tot restul este încă inaccesibil din punct de vedere tehnic și, prin urmare, reprezintă baza de resurse minerale a generațiilor viitoare.
23.10.2019 Subiect: Fundamentele mineritului Autor: Paxey
În acest articol:
Structura scoarței terestre
Toate resursele minerale disponibile pentru nivelul modern de dezvoltare tehnică și principala cantitate de resurse energetice sunt concentrate în corpul planetei noastre.
În general, Pământul are o structură simetrică centrală și este un geoid cu o rază de 6378 km la ecuator și 6356 km la meridian (Rср= 6371,11 km). La nivelul actual al cunoștințelor noastre, este general acceptat faptul că Pământul are un nucleu interior, un nucleu exterior, o manta și o crustă (litosferă).
Pământul este înconjurat de două învelișuri: atmosfera și hidrosfera. Oceanele acoperă 361,1 milioane km 2 , adică 70,8 % din suprafața Pământului, în timp ce pământul acoperă 149,1 milioane km 2 , adică 29,2 %.
Volumul pământului fără atmosferă este de 1083,4 × × 10 18 m 3 , iar masa pământului este de 5976 × 10 21 kg.
În prezent, obiectul dezvoltării industriale îl constituie straturile litosferice apropiate de suprafață. Tot restul este încă inaccesibil din punct de vedere tehnic și, prin urmare, reprezintă baza de resurse minerale a generațiilor viitoare.
Conținutul principalelor elemente chimice din scoarța terestră este prezentat în tabelul 2.1.
Compușii chimici cristalini ai elementelor care alcătuiesc scoarța terestră se numesc minerale. Asociațiile de minerale formează rocile. Mineralele sunt studiate prin mineralogie, în timp ce rocile sunt studiate prin petrografie, care include studiul mineralelor care formează rocile.
Există trei grupe principale de roci: ignoase (magmatice), sedimentare și metamorfice.
Rocile eruptive se formează prin cristalizarea topiturilor (magmei) care se ridică de la mari adâncimi. Magma se revarsă la suprafață atunci când vulcanii erup. O mare parte din topitură se cristalizează în scoarța terestră.
Rocile sedimentare se formează în mări ca urmare a degradării și depunerii rocilor preexistente.
Rocile metamorfice se formează ca urmare a transformărilor rocilor ignoase și sedimentare atunci când acestea sunt afectate de temperaturi și presiuni ridicate.
Scoarța terestră este formată în proporție de 95 % din roci ignoase, reprezentate în principal de granite. Pe continente, la o adâncime de 15-30 de kilometri, granitele se află într-un strat continuu. O medie de 8 tone de aluminiu, 5 tone de fier, 540 kg de titan, 80 kg de mangan, 30 kg de crom, 18 kg de nichel, 9 kg de cupru, 4,5 kg de tungsten și 1,8 kg de plumb sunt conținute în 100 tone de roci granitice. Sedimentele sunt așezate pe suprafața planetei noastre. Acestea conțin petrol, gaze, cărbune, săruri.
Până în prezent, societatea a exploatat acele elemente ale scoarței terestre, care în condiții naturale sunt concentrate sub formă de resurse minerale și de altă natură. Toate aceste resurse pot fi sistematizate în clase, grupuri și tipuri.
Conform ideilor academicianului M.I. Agoshkov, resursele subsolului terestru sunt împărțite în șase grupe principale.
Grupa I . Depozite de minerale . Acest grup include două tipuri principale.
Tipul I.1. Zăcăminte de minerale solide, lichide sau gazoase cu compoziție omogenă, reprezentate de un singur zăcământ sau de un grup de zăcăminte situate foarte aproape, cu compoziția chimică și mineralogică monocomponentă (monominerală) sau multicomponentă de minerale, aceeași sau similară, pentru a căror prelucrare primară se poate aplica o singură tehnologie.
În funcție de condițiile de apariție, care predetermină o diferență semnificativă în metodele de dezvoltare, este posibil să se distingă zăcăminte care apar
- în măruntaiele pământului, aproape de suprafață sau la adâncime;
- în partea de coastă a terenului terestru;
- pe fundul și sub fundul corpurilor de apă, râurilor și mărilor.
Primul tip include majoritatea zăcămintelor de minereuri metalice feroase, neferoase, nobile, rare, radioactive, cărbune, șisturi bituminoase, materii prime miniere și chimice, materiale de construcții și tehnice, petrol, șisturi bituminoase, gaze naturale.
Tipul I.2 Zăcăminte complexe de minerale solide, lichide și gazoase, reprezentate de un grup de zăcăminte situate la mică distanță, cu o compoziție chimică și mineralogică semnificativ diferită. Este posibil și uneori necesar din punct de vedere tehnic să se exploateze astfel de zăcăminte în comun, dintr-o singură rețea de lucrări miniere, într-o singură mină sau câmp deschis, în timp ce prelucrarea mineralelor extrase de compoziții diferite trebuie efectuată separat sau în conformitate cu scheme diferite.
Condițiile de apariție, care predetermină metoda de dezvoltare a acestui tip de zăcăminte, sunt similare cu cele enumerate mai sus la elementele din primul tip.
Numărul și rolul zăcămintelor complexe în industria minieră crește în timp; diversitatea lor în ceea ce privește combinația diferitelor tipuri de minerale este, de asemenea, în creștere.
Dintre mineralele solide sunt cunoscute zăcăminte complexe reprezentate de zăcăminte de minereuri de metale neferoase — plumb-zinc, bauxită și minereuri de metale feroase — fier și mangan, situate la mică distanță; zăcăminte de minereuri cu zăcăminte de minerale nemetalice în imediata lor apropiere, în special materiale de construcție sub formă de paturi de cuarțit, diguri de roci eruptive puternice, masive de roci de tip granit-gneiss, care reprezintă în multe părți ale țării o lipsă acută de material valoros pentru obținerea resurselor minerale. Există un număr semnificativ de zăcăminte minerale ale căror roci gazdă conțin straturi de cretă, calcar, nisip și argilă. Un exemplu clasic al acestui tip de depozite complexe sunt, de exemplu, depozitele Lebedinskoye și Stoilenskoye din Anomalia magnetică Kursk.
Depozitele complexe de minerale lichide și gazoase includ multe câmpuri de condensat de gaze și de petrol și condensat de gaze.
Grupul II. Roci de acoperire depozitate în halde de steril în timpul exploatării în carieră, dintre care unele pot fi utilizate pentru producerea de materiale de construcție. Această grupă include, de asemenea, mineralele din afara bilanțului minier depozitate separat în gropi de gunoi. Gropile de steril și mineralele din afara bilanțului conțin o cantitate uriașă de produse din subsol, a căror utilizare reprezintă o provocare în viitorul foarte apropiat.
Grupa III. Deșeuri din producția minieră și metalurgică sub formă de depozite de roci provenite din excavații subterane (similare depozitelor de roci de acoperire), depozite de reziduuri de la instalațiile de concentrare și de spălare a nisipurilor aurifere, staniufere și a altor nisipuri, depozite de zgură metalurgică. În practică, masele semnificative de astfel de deșeuri și halde, care în timp dobândesc valoare industrială și sunt implicate în dezvoltare, sunt uneori denumite „depozite tehnogene”. Un loc special în acest grup de resurse este ocupat de apele reziduale provenite din îmbogățirea și producția metalurgică, care conțin componente utile. Utilizarea industrială — prelucrarea lor în unele cazuri poate fi fezabilă din punct de vedere economic.
Grupa IV. Surse profunde de ape dulci, minerale și termale. Ca urmare a penuriei tot mai mari a surselor de apă dulce de suprafață, sursele de apă subterane, care au adesea rezerve statice și fluxuri imense, au devenit exploatate în mod eficient. În ceea ce privește rentabilitatea și perspectivele de utilizare a apelor minerale și termale de adâncime, nu este necesară nicio explicație.
Grupul V . Internă — căldura profundă din interiorul pământului reprezintă, pe termen lung, una dintre sursele inepuizabile și, probabil, cele mai ieftine de energie termică; utilizarea sa se află încă într-un stadiu foarte incipient, necesită dezvoltarea unor cercetări științifice multifațetate și realizarea de experimente de producție.
Grupa VI . Cavități naturale și artificiale (tehnogene) în subsolul pământului, adecvate pentru instalații industriale, economice și medicale, pentru îngroparea deșeurilor industriale și în alte scopuri. Utilizarea acestui grup de resurse ale subsolului se află, de asemenea, în stadiul inițial, are perspective mari și necesită o dezvoltare largă a cercetării științifice.
Resursele minerale și zăcămintele lor
Resursele minerale sunt substanțe minerale naturale care, la un anumit nivel tehnologic, pot fi utilizate în economia națională în starea lor naturală sau după o prelucrare preliminară.
Mineralele pot fi găsite în interiorul Pământului în stare solidă, lichidă sau gazoasă.
O acumulare de minerale solide îngropate între roci se numește corp de minereu. Minereurile apar în scoarța terestră sub formă de corpuri geologice de diferite forme.
Principalele tipuri de minerale:
- Combustibil și materii prime energetice, care includ petrolul, gazul, cărbunele, șisturile bituminoase, minereul de uraniu. La începutul secolului, principalii combustibili erau huila și lignitul. La sfârșitul anului 2005, cărbunele reprezenta 33,8 % din balanța energetică mondială, petrolul 35,9 %, gazul 24,9 %, energia hidroelectrică 2,9 %, energia nucleară 2,2 %, iar energia geotermală și alte surse regenerabile de energie 0,2 %.
- Minereurile de metale feroase și aliaje sunt materia primă de bază a metalurgiei feroase și neferoase. Metalurgia feroasă este consumatoare de minereuri de mangan, cromit, nichel, cobalt și molibden-vanadiu. Producția acestora crește, de asemenea, într-un ritm ridicat.
- Metalele neferoase sunt cupru, plumb, zinc, staniu și altele. În cei 70 de ani ai secolului XX, în lume au fost extrase 94,3 milioane de tone de metale neferoase. În 2000, producția lor s-a dublat. Producția de aluminiu crește cu cea mai mare rată, în timp ce producția de cupru crește cu cea mai mică rată (din cauza rezervelor exploatate limitate).
- Metalele nobile includ aurul, argintul și platinoidele. Principalul producător de aur este Republica Africa de Sud.
- Materiile prime nemetalice includ apatita, rocile fosfatice, sărurile de potasiu, azbestul, sulful, grafitul, diamantele, mica, fluorura, materialele de construcție.
O acumulare naturală a unui mineral (mineral sau agregat de minerale) în scoarța terestră, a cărui exploatare este economică, se numește zăcământ mineral. Depozitele pot fi primare sau aluvionare.
Depozitele aluvionare s-au format în urma procesului de alterare fizică a rocii de bază și a impactului chimic al diferiților factori asupra acesteia. Depozitele aluvionare se împart în eluviale (apărute în locul distrugerii rocii de bază), dealluviale (deplasate la o anumită distanță de depozitul de rocă de bază și, în majoritatea cazurilor, fiind o continuare a depozitelor eluviale), aluviale (deplasate la distanțe considerabile de fluxurile de apă), de coastă, glaciare și eoliene (placeri eluviale deplasate de forța vântului).
Depozitele de minereuri și depozitele nemetalice se disting prin mineralul extras. Minereul este o substanță minerală naturală din care metalele și mineralele utile conținute sunt extrase prin prelucrare corespunzătoare (tabelul 2.2).
Fiecare zăcământ mineral este situat în litosfera planetei noastre și, prin urmare, reprezintă un obiect litosferic cu limite exprimate fizic sau convenționale, a cărui proprietate principală și caracteristică de identificare este valoarea economică a substanței litosferice din interiorul acestor limite.
Pentru a utiliza proprietățile utile ale acestui obiect, este necesară separarea sa de rocile înconjurătoare și aducerea sa la suprafață prin intermediul unui set de lucrări, denumite în mod obișnuit operațiuni miniere. Prin urmare, într-o astfel de capacitate, proprietățile miniere și geologice ale acestei secțiuni a litosferei, adică acele caracteristici de care va depinde alegerea soluțiilor pentru extragerea mineralului din litosferă, dobândesc o importanță determinantă.
Dar, deoarece în economia modernă condiția principală și obligatorie pentru realizarea oricăror acțiuni este rentabilitatea acestora, fiecare zăcământ poate fi considerat un obiect economic, a cărui proprietate principală este o diferență pozitivă între valoarea substanței litosferice obținute din litosferă și costurile de extracție a acesteia. În cele din urmă, orice zăcământ, fiind o parte a litosferei, face parte din abiota (componenta nevie) a întregului ecosistem al planetei Pământ și a fiecăreia dintre părțile sale. Prin urmare, utilizarea substanței zăcământului în scopuri economice modifică condițiile de existență ale ecosistemelor de la toate nivelurile ierarhice și poate fi considerată un obiect ecosistemic, a cărui principală cerință este conservarea biotei (partea vie) a ecosistemelor.
Esența profesiei de inginer minier este de a extrage resursele minerale necesare din scoarța terestră, cu asigurarea obligatorie a unui echilibru optim între cerințele și constrângerile rezultate din semnificațiile multiple ale conceptelor de zăcământ mineral și dezvoltare a zăcământului.
Este destul de evident că extragerea unei părți de substanță din subsolul Pământului duce la perturbarea echilibrului stabilit și, prin urmare, schimbă proprietățile și starea anumitor părți ale litosferei cu formarea unui nou obiect în acesta — subsolul modificat tehnogenic. Acest obiect poate fi imaginat ca un anumit volum înconjurat de litosferă intactă, în interiorul căruia există o zonă de distrugere tehnogenă a litosferei și o zonă a stării de tensiune-deformare a masivelor de roci provocate de această distrugere.
Deoarece conceptul de „subsol modificat antropogenic” include, de asemenea, zone ale litosferei afectate de modificări concomitente, menținând în același timp densitatea masivelor muntoase, problema limitei exterioare a acestor modificări concomitente ale stării, adică limitele unui nou obiect litosferic antropogenic, devine de o importanță fundamentală.
Problema tranzițiilor între două sisteme cu proprietăți diferite este luată în considerare și în ecologia teoretică, unde este formulat conceptul de ecotonă — o zonă de tranziție între diferite comunități biologice, în care se manifestă influențele lor contrare. După cum se poate observa din figura 2.2, ecotonul este o fâșie pe suprafață în interiorul căreia proprietățile sistemelor aflate în contact degenerează până la zero. Legea de degenerare a proprietăților în fiecare caz specific este determinată de proprietățile sistemelor și de natura interacțiunii lor. Un astfel de model descrie în mod adecvat procesele de interacțiune dintre subsuprafața modificată din punct de vedere tehnogen și litosfera neperturbată. Acesta este tridimensional: subsuprafața modificată tehnogen apare ca un obiect litosferic volumetric închis, delimitat în spațiu de două suprafețe condiționate de influența „zero” a sistemelor în contact; suprafața interioară nu prezintă influența litosferei neperturbate, iar suprafața exterioară nu prezintă influența subsuprafeței modificate tehnogen (fig. 2.2).
Starea masivului de roci din zona de impact tehnogen direct este determinată de particularitățile proceselor de extracție a mineralelor, adică de setul de acțiuni inevitabile necesare în acest scop. Dacă facem abstracție de particularități, atunci pentru a realiza principala funcție țintă a extracției minerale — includerea unei părți a resurselor litosferei în circuitul de substanță și energie a tehnosferei — este necesar să se asigure: accesul de la suprafața Pământului la locul de apariție a unei componente utile, să se dea mobilitate acestei componente și să se elibereze la suprafața Pământului. Acestea sunt trei etape obligatorii ale modelului funcțional generalizat de modificare tehnogenă a subsolului la extracția materiilor prime minerale.
În construcția structurilor subterane, atunci când componenta utilă este un gol (cavități create), schema rămâne în principiu aceeași, dar în a doua etapă mobilitatea nu este dată componentei utile, ci materialului litosferic care umple viitoarea cavitate utilă. Același material este distribuit la suprafață în etapa a treia.
În cadrul modelului funcțional de extracție a minereurilor, nu există diferențe calitative între mineritul la suprafață și cel subteran. Diferența dintre acestea constă doar în raportul dintre dimensiunea secțiunii orizontale a săpăturilor de acces (Sд) și suprafața litosferei care urmează să fie exploatată (Sот): Sд ≥ Sот — minerit de suprafață; Sд < Sот — minerit subteran (inclusiv extracția fluidelor din foraje).
O nouă proprietate a substanței litosferice — mobilitatea — poate fi asigurată în cadrul geotehnologiilor aplicate fie prin dezintegrarea acestei substanțe într-un anumit volum (majoritatea mineralelor solide), fie prin schimbarea stării sale agregate (de exemplu, topirea sulfului), fie prin crearea condițiilor de migrare a unei componente utile — fizice (petrol, gaze, apă, căldură) sau chimice (levigarea in situ a metalelor).
În ceea ce privește primul caz, întreaga varietate de soluții tehnice și tehnologice utilizate în dezvoltarea zăcămintelor de minerale solide poate fi grupată în mai multe grupe, fiecare dintre acestea afectând în felul său modificarea proprietăților obiectelor naturale ale litosferei, caracterizate prin anumiți parametri geomecanici, dinamica și amploarea consecințelor intruziunii antropice în litosferă.
Fiecare dintre grupuri se caracterizează prin propriile modalități inerente de alterare tehnogenă a proprietăților zonelor litosferei și prin consecințe specifice care se manifestă în restabilirea echilibrului în zonele subterane alterate tehnogen după finalizarea proceselor miniere. Trăsăturile caracteristice ale fiecărui grup pot fi utilizate cu succes pentru a dezvolta modele generalizate de intruziune tehnogenă în obiectele naturale ale litosferei, pentru a prevedea consecințele unei astfel de intruziuni și mecanismul de reproducere a structurilor dinamice stabile ale mediului după minerit.
Primul grup include soluții tehnice și tehnologice asociate cu formarea de cavități de diferite configurații în subsolul litosferei, care au capacitatea naturală de a rezista la perturbarea câmpului inițial de tensiuni cauzată de apariția cavităților. Tensiunile și deformațiile apărute pe conturul excavațiilor se relaxează în timp, fără a avea vreo influență notabilă asupra masivului înconjurător. Timpul de existență al unor astfel de excavații poate fi numărat în secole și nu provoacă modificări semnificative ale obiectelor naturale (formațiunilor) din litosferă din jur.
Aceasta include săpături în diverse scopuri în construcțiile subterane, săpături de curățare în extracția pietrei, a sării gemene, a minereurilor de metale feroase și neferoase, în special în dezvoltarea depozitelor de sub fundul mărilor și rezervoarelor, atunci când pilonii portanți sunt calculați pentru rezistență pe termen lung cu o rezervă mare. Această metodă de excavare se caracterizează printr-o recuperare minerală scăzută (aproximativ 30-40%); cea mai mare parte a rezervelor zăcământului este concentrată în piloni. Dezvoltarea perturbațiilor în litosferă în cadrul acestei metode de impact antropic se limitează la modificări de suprafață pe conturul săpăturilor și al suporturilor rămase, iar întreaga imagine a redistribuirii tensiunilor din câmpul inițial acoperă o mică parte a masivului imediat adiacent spațiului săpat. Comportamentul acestor excavații este bine descris de problemele clasice ale teoriei elasticității.
O trăsătură caracteristică a metodei exploatării la carieră deschisă este faptul că, în conformitate cu procedura acceptată, mineralul este extras numai după ce au fost îndepărtate rocile supraiacente, în care ar putea apărea modificări ale proprietăților geofizice. Prin urmare, modelul general de subsol modificat din punct de vedere tehnogen descris mai sus ia forma în care zona de distrugere completă și de îndepărtare tehnogenă a materialului litosferic absoarbe complet zona de modificare a proprietăților fizice, iar subsolul modificat din punct de vedere tehnogen include numai volumul real al gropii și zona de tranziție a proprietăților geofizice adiacente contururilor sale exterioare.
Al doilea grup include cele mai răspândite în industria cărbunelui, metalurgia feroasă și neferoasă și întreprinderile din industria chimică tehnologii de extracție a mineralelor cu prăbușirea straturilor de rocă supraiacente. Diferite modificări ale acestei metode miniere sunt utilizate pentru excavarea zăcămintelor plane, înclinate și abrupte de orice formă, începând de la suprafață și până la adâncimi de o mie sau mai mulți metri. Principala caracteristică distinctivă a acestor tehnologii este prăbușirea obligatorie a straturilor de rocă suprapuse după excavarea minereului. Zăcământul este exploatat sistematic de sus în jos atunci când se excavează corpuri de minereu (filoni) cu înclinare abruptă sau oblică de la centru spre flancuri sau de la un flanc la altul atunci când se excavează depozite (filoni) plane.
Ca urmare, pe măsură ce zăcământul este exploatat, spațiul excavat se umple cu roci gazdă prăbușite, se dezvoltă zone de deplasare inelastică dincolo de zona de slăbire directă a rocilor și se formează un mulci de forfecare la suprafață. Aceste procese se desfășoară în paralel cu dezvoltarea zăcământului, după care are loc o decădere treptată a deformațiilor ireversibile în rocile gazdă și compactarea rocilor prăbușite în interiorul văii de forfecare. În cazul în care un zăcământ se dezvoltă în roci foarte puternice și rigide, prăbușirea grosului rocilor supraiacente este întârziată, se formează un cantilever suspendat de roci monolitice din partea suspendată, care se poate deplasa apoi instantaneu spre spațiul excavat, generând vibrații seismice de mare energie, comparabile cu un cutremur natural (Apatity, Tashtagol).
În timpul excavației depozitelor de filon, formarea unui mușuroi de forfecare și a parametrilor săi are loc într-un mod similar; acest mecanism este bine studiat pentru anumite regiuni muntoase (Donbass, Kuzbass, bazinul carbonifer Pechora).
În general, un model de intruziune antropogenă de acest tip poate fi considerat ca un volum cu anumite dimensiuni, a cărui modificare este însoțită de procese ireversibile în zona apropiată și de compactarea ulterioară a acesteia datorită propagării expansiunii inelastice (fracturii) a rocilor în adâncimea masivului. Limitele zonei de modificare antropică a rocilor din litosferă sunt determinate de condiția realizării unui echilibru între valoarea reacției de propagare laterală a masivului intact și ricoșeul creat de rocile prăbușite și compactate din zona de colaps.
Al treilea grup de tehnologii pentru dezvoltarea zăcămintelor minerale este asociat cu umplerea spațiului excavat cu material produs artificial cu anumite proprietăți de rezistență și deformare. Uneori, pentru a reduce deformările straturilor de rocă suprapuse și pentru a reduce costurile de creare a materialului artificial, în spațiul excavat sunt lăsați piloni verticali obișnuiți care funcționează dincolo de limita de rezistență. Plasați în masivul de umplutură, aceștia acționează ca armătură, modificând proprietățile de deformare ale materialului care umple spațiul excavat.
În mod similar, deformarea rocilor gazdă are loc în timpul exploatării zăcămintelor de petrol și gaze, când, pe măsură ce petrolul și gazele sunt extrase, rezistența la presiune a rocilor suprapuse scade și acestea se prăbușesc ușor deasupra straturilor productive cu o cantitate proporțională cu volumul extras. Astfel, al treilea model de intruziune antropogenă în litosferă se caracterizează prin faptul că materialul litosferic este înlocuit cu material antropogen cu proprietăți de rezistență și deformare cunoscute (specificate), care determină scara zonei de tranziție care formează subsolul modificat din punct de vedere tehnogen ca un nou obiect litosferic. Prin natura proceselor de relaxare, acest model ocupă o poziție intermediară între cele două prezentate mai sus.
