Физико-химическая геотехнология

Москва  2019

МИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра геотехнологий освоения недр

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ 
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

Учебник

Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»

УДК  622.234 
Ф48

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. зав. каф. геотехнологий и строительства  
подземных сооружений ТулГУ Н.М. Качурин, 
д-р техн. наук, проф. В.А. Атрушкевич 

Авторы:
В.В. Мельник, В.Г. Виткалов, 
Н.И. Абрамкин, Ю.М. Максименко

Ф48  
Физико-химическая геотехнология: учебник / В.В. Мельник 
[и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 272 с.
ISBN 978-5-906953-12-4

Рассмотрены физико-химические свойства массива горных пород, физикохимические основы и производственные процессы при подземной геотехнологии. Приведены схемы вскрытия и системы разработки геотехнологическими 
способами. Изложены основы организации и описаны технические средства 
скважинной добычи твердых полезных ископаемых. Обобщен передовой опыт 
применения геотехнологических способов при разработке месторождений в 
России и за рубежом. Рассмотрены основные принципы проектирования физико-химических методов разработки.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальности 
25.04.01 «Горное дело», специализации «Подземная разработка пластовых месторождений», «Подземная разработка рудных месторождений», а также может представлять интерес для аспирантов, научных сотрудников, инженеровпроектировщиков и инженерно-технического персонала горных предприятий.

УДК 622.234

 Коллектив авторов, 2019
ISBN 978-5-906953-12-4
 НИТУ «МИСиС», 2019

Содержание

Введение ....................................................................................................7
Классификация геотехнологических методов ........................................9
Глава 1. Основы геотехнологических способов разработки 
месторождений полезных ископаемых .................................................17
1.1. Физико-химические свойства массивов горных пород .............. 17
1.1.1. Гидравлические свойства массива горных пород ................ 17
1.1.2. Тепловые свойства горных пород  ......................................... 21
1.1.3. Электромагнитные и радиационные свойства массива 
горных пород ...................................................................................... 22
1.1.4. Некоторые механические и акустические свойства  
массива горных пород ....................................................................... 23
Технологические свойства и классификация каменных углей..... 26
1.2. Физико-химические основы геотехнологических  
процессов ................................................................................................ 29
1.2.1. Основы процессов растворения и выщелачивания  
полезных ископаемых  ...................................................................... 30
1.2.2. Термические и термохимические методы воздействия  
на массив горных пород .................................................................... 35
Технология теплового воздействия на пласт .................................. 36
Расчет технологических показателей при закачке  
в пласт пара ......................................................................................... 43
1.2.3. Принцип диспергирования горных пород  ........................... 49
1.2.4. Воздействие электромагнитных полей  
на массив горных пород .................................................................... 50
1.2.5. Гидравлические процессы при геотехнологических 
способах разработки .......................................................................... 50
1.3. Производственные процессы при геотехнологии ....................... 53
1.3.1. Сооружение добычных скважин ............................................ 53
1.3.2. Производство рабочих агентов при геотехнологии ............. 61
1.3.3. Поверхностное обслуживание скважин  ............................... 67
1.3.4. Процесс добычи полезного ископаемого 
геотехнологическими способами ..................................................... 68
1.3.5. Процессы управления массивом горных пород  
при геотехнологии  ............................................................................ 73

1.3.6. Процесс транспортировки полезного ископаемого  
от места добычи до места переработки .......................................... 78
1.3.7. Комплексная автоматизация производственных  
процессов геотехнологии  ................................................................. 79
1.4. Вскрытие и системы разработки месторождений 
геотехнологическими способами ......................................................... 79
1.4.1. Геотехнологические способы вскрытия  
месторождений  .................................................................................. 79
1.4.2. Геотехнологические системы разработки  
месторождений ................................................................................... 87
1.4.3. Основы выбора геотехнологических систем  
разработки  .......................................................................................... 95
1.4.4. Оценка эксплуатационных потерь полезного  
ископаемого при геотехнологии  ...................................................... 96
Глава 2 Технологические схемы скважинной добычи твердых 
полезных ископаемых .............................................................................99
2.1. Подземное растворение полезных ископаемых .......................... 99
2.2. Подземная выплавка полезных ископаемых  .............................110
2.3. Подземная газификация углей ......................................................115
2.3.1. Исторический обзор подземной  
газификации угля ..............................................................................115
2.3.2. Физико-химические основы подземной  
газификации углей ........................................................................... 122
2.3.3. Технологические схемы подземной  
газификации углей ........................................................................... 125
2.3.4. Расчет теплоты сгорания газа от условной  
скорости потока ................................................................................ 130
2.3.5. Тепловой баланс подземного газогенератора  .................... 134
2.4. Гидрогенизация ............................................................................. 139
2.4.1. Краткий обзор процесса гидрогенизации ........................... 139
2.4.2. Требование к исходному сырью ........................................... 141
2.4.3. Геотехнологический способ подземной  
гидрогенизации угля ........................................................................ 143
2.5. Подземное сжигание угля ............................................................ 145
2.5.1. Основные понятия о технологии ПСУ ................................ 145
2.5.2. Технологические схемы подготовки отработанных  
участков к подземному сжиганию ................................................. 148

2.5.3. Тепловой баланс ПСУ ........................................................... 154
2.6. Комбинированная схема подземного сжигания угля ................ 160
2.6.1. Обоснование и расчет параметров пролета минилав  
и ширины межлавных целиков ...................................................... 171
2.6.2. Расчет тепловой мощности участка ПСУ ........................... 174
2.7. Подземное выщелачивание полезных ископаемых .................. 176
2.8. Скважинная гидродобыча угля гидроагрегатами ...................... 187
2.9. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых .................... 193
2.10. Современная концепция и методы повышения э 
ффективности разрушения угольного массива струями  
при скважинной гидродобыче ............................................................ 203
2.11. Аналитические исследования процесса формирования 
гидромониторных и тонких струй различными  
устройствами ........................................................................................ 212
2.12. Результаты стендовых исследований процессов подвода 
высоконапорной технологической воды к скважинным  
агрегатам ............................................................................................... 217
2.13. Скважинная гидродобыча угля с биообработкой 
 массива ................................................................................................. 223
Подземная скважинная гидродобыча угля (ПСГД) ..................... 234
2.14. Добыча и использование тепла Земли ...................................... 239
2.15. Применение «мирного» атома для разработки угольных 
месторождений ..................................................................................... 253
2.15.1. Ретроспективный анализ применения мирного атома  
в народнохозяйственных целях ...................................................... 253
2.15.2. Подземная газификация угля с использованием  
энергии «мирного» атома ................................................................ 255
2.15.3. Сравнительная оценка подземных химических 
взрывов и взрывов «мирного» атома ............................................. 256
2.15.4. Технология использования «мирного» атома  
для отработки угольных месторождений ...................................... 259
2.15.5. Изменение проницаемости горных пород в зонах 
механического воздействия при использовании  
«мирного» атома ............................................................................... 261
2.15.6. Анализ факторов, влияющих на возможность  
применения «мирного» атома......................................................... 261

2.15.7. Ограничения, влияющие на промышленное  
применение «мирного» атома ......................................................... 262
2.15.8. Возможность применения «мирного» атома  
при разработке угольных месторождений .................................... 263
Библиографический список .................................................................267

ВВЕДЕНИЕ

Главным направлением повышения эффективности горного производства, вывода его на уровень рентабельности и прибыльности 
является ускорение работ по техническому перевооружению шахт на 
основе перехода на высокопроизводительные технологические схемы 
подготовки и отработки запасов выемочных полей, а также внедрение 
горнодобывающей техники нового поколения.
На современном этапе функционирования отечественной экономики проблема технического перевооружения угледобывающей отрасли зависит главным образом от реальной инвестиционной политики. 
В то же время необходим поиск принципиально новых технологий 
подземной угледобычи, позволяющих без значительных капитальных 
вложений существенно улучшить технико-экономические показатели 
горного производства. 
Большая часть добытого угля в промышленно развитых странах 
используется для выработки тепловой и электрической энергии и эта 
тенденция в этом секторе экономики в потреблении угля сохранится 
на ближайшую перспективу.
Очевидно, что новая «эра угля» продлится до тех пор, пока человечество не изобретет другое, более эффективное и безопасное топливо. Угольная промышленность имеет среди других отраслей ТЭК 
наиболее обеспеченную сырьевую базу. Общие балансовые запасы 
угля в России составляют около 200 млрд т, что определяет его особую роль в российской энергетике. Он был и остается на перспективу 
базовым стратегическим топливом для электростанций, металлургии 
и децентрализованных потребителей. 
Развитие энергетики и промышленности неизбежно сопровождается увеличением потребления топлива и полезных ископаемых. Поэтому разработка и внедрение геотехнологических способов добычи 
полезных ископаемых, позволяющих избежать перемещения пустых 
пород и исключить присутствие человека под землей, является актуальной задачей.
Физико-химические и микробиологические способы добычи полезных ископаемых в современных условиях приобретают все большее значение, так как очень остро стоит вопрос об отработке бедных 
месторождений и месторождений, залегающих на больших глубинах. 
Они позволяют коренным образом упростить и удешевить добычу 
минерального сырья.

В учебнике сделана попытка на основании работ, выполненных 
в России и за рубежом, в том числе проводимых авторами и сотрудниками университета, рассмотреть геотехнологические способы добычи 
полезных ископаемых и методы перевода их в другое агрегатное состояние. 
В развитие геотехнологии большой вклад внесли русские ученые. 
Д.И. Менделеев предложил идею подземной газификации углей, получившую в дальнейшем развитие в работах английского ученого 
Д. Рамсея. Академики В.И. Вернадский и Е.Н. Ферсман разработали 
теоретические основы ряда геохимических процессов. Впервые геотехнологические методы были обобщены И.П. Кириченко. Выдающуюся роль в становлении геотехнологии как науки сыграл академик 
Н.В. Мельников. Он создал в Московском горном институте специальную кафедру и много сделал – от определения основных понятий 
геотехнологии до практической реализации методов. 
В ряде научно-исследовательских и учебных институтов страны в настоящее время функционируют лаборатории, занимающиеся 
проблемами геотехнологии. Ведущие ученые нашей страны внесли значительный вклад в развитие геотехнологии. Это – В.В. Ржевский, Е.И. Шемякин, Д.М. Бронников, А.В. Докукин, В.И. Ревнивцев, 
Н.М. Проскуряков, В.Ж. Аренс, Ю.Ф. Васючков. 
Ряд глав и подразделов книги написаны в соавторстве:
Глава 2 – с заместителем президента «Винакомин», канд. техн. 
наук Ань Туан Нгуеном;
П. 1.2 – с д-ром техн. наук, проф. В.В. Агафоновым;
П. 1.3 – с канд. экон. наук К.С. Савиным;
П. 1.4 – с аспирантом Фам Дик Тхангом;
П. 2.6 – со студентом группы ТПУ-1-14 Г.А Голосовым.
Авторы выражают глубокую благодарность главному инженеру М.Н. Богданову за помощь в подготовке и оформлении рукописи 
и особенно д-ру техн. наук. проф. И.И Шаровару за ценные советы 
при рецензировании рукописи, а также студентам группы ТПУ-2-14 
И.О. Кочергину и А.А. Гуркову.

КЛАССИФИКАЦИЯ 
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Добыча угля в настоящее время осуществляется в основном подземным и открытым способами, которые предусматривают вскрытие 
и подготовку месторождения, выемку и выдачу его на поверхность. 
При этом добыча угля требует больших материальных и трудовых ресурсов и является небезопасной для рабочих, а также резко обостряет 
экологические проблемы.
Отработка угольных пластов в Европейской части страны, залегающих в благоприятных горно-геологических условиях, связана с исчерпанием так называемых кондиционных залежей. Геологические 
запасы некондиционных угольных залежей и пропластков, а также 
остаточные запасы угольных целиков отработанных шахт измеряются 
десятками миллиардов тонн. Дефицит кондиционных топлив и постоянно растущий спрос на энергию будут требовать поиска нетрадиционных (геотехнологических) технологий добычи угля.
На современном этапе развития науки и техники в горном деле используются в основном лишь механические способы добычи, что связано с работой машин и людей под землей.
Проводимая в стране экономическая реформа выявила кризисное 
состояние угольной промышленности, выражающееся в низком уровне средств комплексной механизации и, как следствие, в снижении 
технико-экономических показателей добычи.
Однако на данном этапе развития общества наука позволяет изменить технологию добычи полезных ископаемых и осуществлять эксплуатацию рудных и угольных месторождений без присутствия человека под землей. Такой подход к эксплуатации угольных и рудных 
месторождений должен сопровождаться качественными изменениями 
в горном деле: используя химические технологии на месте залегания 
угольных пластов, переводить их в жидкое или газообразное состояние, что позволяет через скважины выдавать продукты на поверхность.
Прогрессивность и перспективность нетрадиционных технологий бесспорны. Следовательно, внедрение малоотходных технологий 
добычи и переработки полезных ископаемых на месте их залегания 
позволит избежать выдачи пустой породы на поверхность, резко увеличить производительность труда и улучшить экологическую обстановку.

Горная наука – система научных знаний о природных условиях, 
геологической среде, технологии, технике и экономике извлечения из 
недр полезных ископаемых и их первичной переработке. 
Она подразделяется на геологические, физико-технические, экономические и горные дисциплины. Горные дисциплины связаны с технологией разведки, разработки и первичной переработки полезных 
ископаемых. Технология разработки полезных ископаемых включает три направления: открытая, подземная и скважинная технологии 
добычи. Скважинная технология добычи представляет собой технологию добычи воды, нефти, газа и твердых полезных ископаемых. 
Учение о добыче твердых полезных ископаемых через скважины получило название физико-химическая геотехнология (ФХГ). 
Физико-химическая геотехнология – это наука о физических, 
химических, биохимических и микробиологических методах воздействия на продуктивную залежь для перевода полезных ископаемых 
в подвижное состояние и последующее извлечение их через скважины, буримые с поверхности до месторождения.
В связи с этим большое значение приобретает дальнейшая разработка микробиологических и физико-химических способов добычи 
угля, термодинамическая отработка пластов, экстракция угля, гидрогенизация, скважинная гидродобыча, микробиологическое и химическое воздействие на угольный пласт.
Новые методы несут с собой более высокую культуру производства. Помимо повышения экономической эффективности производства, исключается необходимость отводов больших участков земли 
под горные предприятия. Не обезображивается лик Земли, как это 
бывает при обычных методах разработки месторождений с их терриконами пустой породы, пульпопроводами, загрязнением территории и водоемов промышленными стоками. Отпадает необходимость 
борьбы с вредными газами, горными ударами и пылью. И, наконец, 
новые методы позволяют значительно увеличить запасы полезных 
ископаемых в уже освоенных регионах, для отработки которых в настоящее время отсутствуют эффективная технология и технические 
средства выемки.
Геотехнологические методы, сущность которых заключается в переводе угля в подвижное агрегатное состояние, характеризуются следующими особенностями:
а) технология отработки угольных пластов ведется через скважины (или комбинированным способом), которые служат для вскрытия, 

подготовки подземных генераторов (реакторов) и добычи через продуктивные скважины; 
б) на угольный пласт воздействуют рабочие агенты – микробиологические штаммы, химически – активные реагенты, водяной пар, 
электрический ток, воздух;
в) под влиянием рабочих агентов уголь изменяет свое агрегатное 
состояние, превращаясь в горючий газ, жидкое синтетические моторное топливо, высокотемпературный газ, гидросмесь, сыпучие, которые могут быть извлечены на поверхность через продуктивные скважины;
г) управление геотехнологическим процессом осуществляется 
с помощью варьирования технологических параметров скважины, 
генератора (реактора), а также давления, температуры, расхода газовоздушной смеси, количества и качества катализатора.
Геотехнологические способы разработки угольных месторождений можно классифицировать по технологическим процессам 
(рис 1). 

Рис. 1. Классификация геотехнологических способов разработки 
угольных месторождений

Классификация геотехнологических способов по процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, приведена в табл. 1.

Таблица 1
Классификация геотехнологических способов разработки  
месторождений полезных ископаемых

Вид подвижного 
состояния полезного ископаемого

Способ перевода полезного ископаемого
в подвижное состояние

Физический
Химический

Комбинированный (комплекс физических, химических и биологических 
воздействий)

Газообразное

Воздействие 
температуры, давления 
(сублимация, 
перегонка)

Окисление, 
разложение 
(частичное или 
полное сжигание, обжиг)

Химические реакции с участием физических полей, 
микробиологического воздействия

Жидкотекучее 
(расплав, раствор)

Воздействие 
температуры, 
давления (плавление, перегонка, нагрев)

Выщелачивание 
и растворение 
с образованием 
молекулярных 
растворов)

Растворение, выщелачивание и гидрогенизация 
с участием физических 
полей, микробиологического воздействия
Гидромеханическая смесь
Гидропневморазрушение, 
воздействие 
физическими 
полями

Растворение 
связующего 
вещества

Диспергирование поверхностно активными 
веществами, химическими 
реагентами с участием физических полей, микробиологического воздействия

Особенностями геотехнологических способов разработки полезных ископаемых являются: 
 – разработка месторождения ведется через скважины, которые 
служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого; 
 – месторождение является и объектом, и местом добычи и переработки полезного ископаемого, так как технология предусматривает 
избирательное извлечение полезного компонента; 
 – геотехнологическое предприятие – промысел (станция) – включает три основных элемента: блок подготовки рабочих агентов, добычное поле, блок переработки продуктивных флюидов; 
 – инструментом добычи служат рабочие агенты – энергия или ее 
носители, вводимые в добычное поле; 
 – под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет свое агрегатное состояние или превращается в другое вещество, 
образуя продуктивные флюиды, которые обладают легкой подвижностью и начинают перемещаться; 

– разработка месторождения имеет зональный характер и перемещается во времени относительно скважин и контуров месторождения; 
 – управление добычей осуществляется с поверхности путем изменения характеристики и параметров подачи рабочих агентов. 
Физико-химическая геотехнология для добычи ряда полезных ископаемых уже широко используются. К ней относятся: соль, сера, 
уран, золото, медь и др. По другим полезным ископаемым ведутся полупромышленные, опытные, промышленные и лабораторные исследования. 
В табл. 2 приведены основные сведения о современном состоянии 
использования геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых.

Таблица 2
Современное состояние использования геотехнологических способов

Способ
Объекты промышленного 
освоения

Объекты полупромышленных 
и опытных исследований, разработки, предложения и патенты

Подземное 
растворение
Месторождения каменной, 
калийных солей
Месторождения бишофита, соды, 
глауберовой соли

Подземное 
выщелачивание

Зоны окисления сульфидных 
месторождений меди и никеля. Уран инфильтрационных 
и осадочно-инфильтрационных 
месторождений, а также забалансовые участки эндогенных 
месторождений

Месторождения марганца, сульфидные месторождения меди, 
свинца, цинка и никеля, золота, 
титана и известняка. Осадочные 
бурожелезняковые месторождения

Подземная 
выплавка
Месторождения самородной 
серы
–

Подземная 
газификация
Месторождения каменного 
и бурого угля

Осушенные месторождения серы. 
Известняк, месторождения горючих сланцев, руд, содержащих 
мышьяк и ртуть. Сера в непроницаемых рудах, битум и тяжелая 
нефть. Озокерит, сера вулканогенных месторождений, асфальтит, 
металлы

Скважинная 
гидродобыча
Месторождения фосфоритов, 
строительных песков

Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий. 
Титан, золото и алмазы, касситерит в погребенных россыпях, 
желваковые фосфориты, уголь, 
мягкие бокситы, железо и т.д.

Способ
Объекты промышленного 
освоения

Объекты полупромышленных 
и опытных исследований, разработки, предложения и патенты

Добыча 
полезных ископаемых из 
подземных 
вод

Месторождения йодобромистых 
вод, содержащих бор, уран, 
стронций

Сточные воды шахт, рудников и 
нефтепромыслов

Извлечение 
и использование тепла 
Земли

Природные парогидротермы
Тепло «сухих» горных пород

Основными проблемами физико-химической геотехнологии являются:
 – установление связи физико-геологической обстановки залежи, 
полезного ископаемого и вмещающих пород с рабочими агентами и 
средствами добычи на уровне молекул, ионов, атомов; 
 – совершенствование управления геотехнологическими процессами с целью повышения их производительности и селективности;
 – создание новых и совершенствование известных технологий 
прямого превращения ископаемого в целевые компоненты, основанных на малооперационности, поточности, простоте обслуживания и 
надежности, безотходности, малой энергоемкости, высокой производительности труда и низкой себестоимости; 
 – совершенствование технологии переработки и утилизации добытых продуктивных флюидов; 
 – охрана окружающей среды и социальные аспекты горного дела. 
Методы ФХГ можно классифицировать по процессам добычи, 
в основе которых – вид и способ перевода полезного ископаемого 
в подвижное состояние. Различают химические, физические и комбинированные методы добычи.
Химические методы:
– подземное растворение водой каменной, а также калийных, магнезиальных и урановых солей, сульфатов и сульфат карбонатов, буры 
и др.;
– подземное выщелачивание растворами: кислот – серной (целестин, азурит, куприт, некоторые урановые минералы и др.), соляной 
(сфалерит, молибденит, уранит и др.) и азотной (аргентит, висмутин, 

Окончание табл. 2