Добыча урана методом скважинного подземного выщелачивания: технологии и используемое оборудование

Россия занимает третье место в мире по запасам урана (после Австралии и Казахстана). Добыча радиоактивного металла в нашей стране ведётся традиционным шахтным способом и современным методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ). На долю последнего уже приходится более 30% от общего объёма добычи. Однако технология СПВ имеет большое будущее, так как она практически исключает угрозу для жизни людей и воздействие на окружающую среду. Более того, после отработки участков земля остаётся пригодной для сельскохозяйственного пользования.


Подземное выщелачивание и его преимущества

Привычный способ добычи урана заключается в извлечении руды из недр, её дроблении и обработке для получения искомых металлов. В технологии СПВ, которая также известна как добыча растворением, порода остаётся на месте залегания, по площади месторождения прокалываются скважины, через которые потом прокачиваются жидкости для выщелачивания металла из руды. В общемировой практике в процессе СПВ используются растворы на основе кислот и щелочей, однако в России, так же, как в Австралии, Канаде и Казахстане, последние не применяют, отдавая предпочтение серной кислоте H2SO4.

По сравнению с шахтным методом добычи разработка урановых месторождений методом скважинного подземного выщелачивания оказывает меньшее отрицательное влияние на поверхность земли: отсутствуют оседания и нарушения почвы, отвалы забалансовых руд и пустых пород. В целях предотвращения ущерба от возможных разливов технологических растворов перед началом обработки запасов на участке производится снятие поверхностного плодородного слоя почвы по всей длине ряда эксплуатационных скважин на ширину 4-5 м и глубину 40-50 см. По завершении всех работ плодородный слой возвращают обратно, скважины ликвидируют, а загрязнённые участки восстанавливают. Эти меры позволяют передать земли в сельскохозяйственное пользование.

Благоприятное влияние на окружающую среду оказывает и отсутствие так называемых хвостов (радиоактивных отвальных отходов) и, как следствие, полигонов для их захоронений. Кроме того, на всех этапах добычи, включая вскрытие и подготовку рудных тел, исключается пылеобразование. В итоге при СПВ в десятки раз снижается выделение токсичных веществ в атмосферу.

Также стоит отметить, что скважинный метод вскрытия и отработки месторождения ещё и более экономичный с точки зрения стоимости эксплуатации, так как из процесса исключаются операции рудоприёмки и рудоподготовки.

Все указанные преимущества делают метод СПВ самым прогрессивным, экологически безопасным и доступным на сегодняшний день. Передовые представители атомной отрасли уже используют его на своих площадках. Так, ярким примером компании, ведущей добычу урана способом скважинного подземного выщелачивания, является предприятие «Хиагда», расположенное в Баунтовском районе Республики Бурятия.


История Хиагдинского месторождения

Добыча урана методом скважинного подземного выщелачивания началась на АО «Хиагда» ещё в 1999 году: было сооружено 30 скважин, 4 из которых предназначались для наблюдений и экологического мониторинга. В 2004 г. полигон расширили, и количество скважин увеличилось до 51. В 2008 г. АО «Хиагда» вошло в состав Уранового холдинга «Атомредметзолото» («АРМЗ») и начался новый виток развития предприятия. За три следующих года было сооружено 230 технологических скважин (из них 77 откачных и 11 эксплуатационно-разведочных) и выполнены геологоразведочные работы по пяти новым месторождениям.

Предприятие и сейчас продолжает наращивать свои мощности. Так, летом 2015 года были запущены I очередь нового технологического комплекса и объекты инфраструктуры – площадки основного производства. «Ввод в эксплуатацию всего комплекса означает поступательный рост объёмов производства металла. В настоящее время отрабатываются залежи Хиагдинского месторождения. С 2015 по 2018 г. мы будем последовательно вводить в эксплуатацию залежи Источного и Вершинного месторождения. В 2015 г. объём производства готовой продукции должен составить 508 т. К 2018 г., надеюсь, сможем полностью загрузить новое оборудование, производить 1000 т необходимого стране металла в год. Но и это не предел. Наши расчёты показывают, что объём производства можно довести до 1300 т в год», – поделился планами Алексей Дементьев, генеральный директор АО «Хиагда».

В сентябре 2015 года на предприятии планируется запуск собственного цеха по производству серной кислоты производительностью 110 тыс. т H2SO4 в год, что позволит полностью обеспечить нужды АО «Хиагда» и сократить себестоимость готовой продукции. Основным сырьём производства H2SO4 станет техническая сера – сыпучее вещество, перевозка которого более безопасна и экологична, чем транспортировка кислоты.

Однако на АО «Хиагда» понимают, что бурение новых скважин и строительство производственных площадок – лишь половина успеха. Метод СПВ – самый современный на сегодняшний день – требует использования инновационного и качественного оборудования на всех этапах.


Насосы для подземного выщелачивания

Основную роль в процессе скважинного подземного выщелачивания играют насосы. Они используются уже на самой первой стадии – откачивания грунтовых вод, в которые потом добавляются кислый реагент и окисляющий компонент на основе перекиси водорода или кислорода. После при помощи скважинного оборудования раствор закачивается в геотехническое поле. Обогащённая ураном жидкость поступает в добывающие скважины, откуда вновь при помощи насосов отправляется на перерабатывающую установку, где в процессе сорбции уран оседает на ионообменной смоле. Затем металл отделяется химическим способом, суспензия обезвоживается и осушается до получения конечного продукта. Технологический раствор вновь насыщается кислородом (при необходимости – серной кислотой) и возвращается в цикл. «Очевидно, что насосы – один из ключевых элементов технологии СПВ: они задействованы на всех стадиях добычи. Именно поэтому на первое место при подборе оборудования выходят его качество и долговечность – перерывы в работе недопустимы, так же, как и слишком малое количество часов наработки. Ведь в последнем случае насосы придётся часто менять, а это дополнительные финансовые и временные затраты», – говорит Юрий Мурашко, руководитель службы по связям с общественностью Уранового холдинга «АРМЗ».

Раствор серной кислоты, который впоследствии ещё и обогащается радиоактивным ураном, – агрессивная среда, а значит, насосы и их элементы должны быть устойчивыми к коррозии.

 Ещё один важный критерий – надёжность систем уплотнений. «Исходя из указанных требований, для перекачивания продуктивных растворов из сборников в главный производственный корпус на АО «Хиагда» были выбраны скважинные насосы GRUNDFOS серии SPM. Они разработаны специально для работы с растворами в процессах выщелачивания: насосы изготовлены из высококачественной нержавеющей стали 1.4539 по стандартам DIN, что делает их невосприимчивыми к воздействию кислот, содержащихся в перекачиваемой среде», – рассказывает Александр Колмаков, региональный представитель пермского филиала компании «ГРУНДФОС», ведущего мирового производителя насосного оборудования.

Ещё большую надёжность моделей линейки SPM обеспечивает соединение электродвигателя с насосной частью шпильками с высокопрочными титановыми гайками. Также для повышения устойчивости насосов к кислоте держатель внутреннего кольца торцевого уплотнения впрессован в кольцо из нержавеющей стали. Наряду с высокой надёжностью, оборудование способствует повышению рентабельности производства – ведь насосы GRUNDFOS оснащены современными энергоэффективными двигателями с высоким КПД.

Рис. 1. Скважины на АО «Хиагда»
Как показывает опыт использования оборудования SPM на добывающих предприятиях, насосы GRUNDFOS отличаются от аналогов высоким сроком наработки – 6000-8000 часов против стандартных 700-800 часов. «Всего на нашем предприятии задействовано 195 скважинных насосов GRUNDFOS. Они эксплуатируются уже несколько лет, и за это время никаких нареканий работа оборудования не вызывала», – говорит Юрий Мурашко (Урановый холдинг «АРМЗ»).


Зарубежный опыт использования технологии СПВ

На долю скважинного подземного выщелачивания приходится около 20% всего мирового уранового промысла. Лидерство пока что удерживают подземные рудники (40%) и открытые карьеры (30%). Однако много говорит тот факт, что методу СПВ отдают предпочтение такие развитые уранодобывающие страны, как США, Узбекистан и безусловный лидер отрасли – Казахстан. Например, добычей радиоактивного металла методом подземного выщелачивания занимаются на крупнейшем месторождении республики – руднике Инкай, принадлежащем «Казатомпром». Его потенциальные запасы урана оцениваются в 41 тыс. тонн, что, по подсчётам экспертов, позволит эксплуатировать участок более 30 лет.

Так же, как и на АО «Хиагда», для закачивания и откачивания выщелачивающего и продуктивного растворов в скважинах установлены насосы серии SPM (1 для закачки, 6 для откачки).

Наряду со скважинным оборудованием, на руднике «Инкай» широко применяются и другие модели насосов GRUNDFOS. В частности, в процессах приёмки и перекачки серной кислоты установлены вертикальные многоступенчатые центробежные насосы серии CRN с магнитными муфтами MAGdrive. Последние заменяют стандартные торцевые уплотнения, которые восприимчивы к агрессивным жидкостям. Магнитные муфты повышают надёжность оборудования, позволяя без проблем работать с раствором H2SO4, а также являются гарантом отсутствия утечек химических растворов.

Подобные насосы с магнитными муфтами только во взрывозащищённом исполнении применяются на руднике для заполнения топливных цистерн. Кроме того, насосы CRN, оснащённые частотно-регулируемыми приводами (ЧРП) и двойным торцевым уплотнением, установлены для подачи серной кислоты в трубопроводную трассу на полигон для доведения раствора до требуемой концентрации. Использование ЧРП позволяет оптимизировать затраты электроэнергии на данном участке производства.

Сегодня скважинное подземное выщелачивание применяет большинство российских и зарубежных уранодобывающих предприятий. Накопленный опыт будет полезен другим компаниям при организации процессов и выборе надёжного и долговечного оборудования.