Будущее добычи полезных и базовых металлов на месте

Будущее добычи полезных и базовых металлов на месте

Глобальная горнодобывающая промышленность находится под растущим давлением, чтобы уменьшить свое воздействие на окружающую среду, удовлетворяя растущий спрос на металлы, необходимые для энергетического перехода, электроники и инфраструктуры. Добыча на месте - также называемая добычей растворов - предлагает радикальный отход от обычных открытых и подземных операций. Вместо перемещения огромных объемов горных пород, добыча на месте извлекает металлы непосредственно из рудного тела, растворяя их химическим раствором и накачивая полученное в результате беременное решение на поверхность для восстановления. Этот подход обещает более низкие капитальные затраты, значительно меньше поверхностных нарушений и возможность доступа к месторождениям, которые слишком глубоки или низкосортны для традиционных методов. Тем не менее, он также вводит различные технические, экологические и нормативные проблемы, которые должны быть решены, прежде чем его полный потенциал может быть реализован.

Что такое In-situ Mining?

Горная добыча на месте (ISM) - это метод извлечения металлов из рудного месторождения без физического выкапывания породы. Химически модифицированный раствор выщелачивания - известный как ликсивиант - вводится через скважины в минерализованную зону. Ликсивиант реагирует с целевыми видами металлов, растворяя их. Богатый металлом раствор затем извлекается через производственные скважины и транспортируется на перерабатывающий завод, где металл извлекается, часто путем осадков, экстракции растворителем или электрообработки.

Концепция не нова. Выщелачивание in-situ (ISL) десятилетиями использовалось для извлечения урана, соли и калия. Однако его применение к драгоценным и базовым металлам, таким как медь, золото, серебро, никель и цинк, относительно недавно, обусловлено достижениями в области химической формулировки, гидрогеологического моделирования и проектирования скважин. Например, операции по извлечению меди in-situ (ISR) в Аризоне и Нью-Мексико продемонстрировали коммерческую жизнеспособность на оксидных и вторичных сульфидных месторождениях.

Как добыча на месте отличается от обычных методов

Традиционная добыча включает в себя три этапа: добыча руды (пылесос, копание или блок-погребение), транспортировка руды и обработка (дробильная, шлифовальная, флотация, выщелачивание). Только дробление и шлифовка могут потреблять 50-60% энергии шахты. Добыча на месте полностью обходит этапы раскопок и горения. Раствор выщелачивания проходит через естественные трещины и поровые пространства в рудохранилище, мобилизуя металл, никогда не перемещая отработанную породу. Это устраняет необходимость в хвостохранилищах, сваях отработанных пород и огромных грузовиках, резко изменяя экологический профиль добычи металла.

Ключевые компоненты системы майнинга In-situ

Преимущества In-situ Mining

Горнодобывающая промышленность на месте обеспечивает неоспоримые преимущества в экологическом, экономическом и социальном аспектах. Однако эти преимущества не являются автоматическими — они зависят от тщательного планирования, надежного проектирования и строгого оперативного управления.

Экологические преимущества

Поскольку ISM избегает копания и дробления, он устраняет крупномасштабную расчистку земель, связанную с открытыми ямами и подземными порталами. Поверхностное возмущение ограничено колодцами, трубопроводами и обрабатывающим оборудованием - часто занимающим менее 10% площади сопоставимой обычной шахты. Не образуется перегрузок или свалок отработанных пород, а хвостохранилища избегают. Это значительно снижает пыль, шум и визуальное воздействие.

Оценка жизненного цикла МСР меди по сравнению с обычными открытыми горными работами показала, что МСР производит на 60-80% меньше эквивалентных выбросов CO2 на тонну меди, в первую очередь потому, что взрыв, перевозка и шлифование устраняются. Потребление воды может быть ниже, если ликсивиант перерабатывается, хотя требуется тщательное управление балансом грунтовых вод.

Эффективность затрат

Добыча на месте устраняет необходимость в крупном землеройном оборудовании, больших парках грузовых автомобилей, дробилок и шлифовальных мельниц. Капитальные затраты (CapEx) для работы ISM могут быть на 30-50% ниже, чем для обычной шахты эквивалентной мощности, согласно исследованиям Национальной горной ассоциации США. Эксплуатационные расходы также снижаются, потому что нет транспортировки руды, управления хвостохранилищами и меньше труда для обслуживания и добычи. Энергетические затраты резко снижаются - например, потребность в энергии для урана ISL составляет около одной трети от обычной добычи урана.

Доступ к удаленным и сложным депозитам

Многие высокосортные рудные тела расположены на глубинах 500 м и более, за пределами экономической досягаемости добычи в открытых карьерах. Другие находятся в экологически чувствительных районах, в рамках существующей инфраструктуры или в юрисдикциях, где разрешить большую яму политически невозможно. Добыча на месте может получить доступ к этим месторождениям, потому что поверхностный след невелик, и скважины могут быть пробурены в направлении, чтобы достичь отдаленных зон. Например, NRC NRC отмечает, что операции ISL в Вайоминге добывают уран из глубоких песчаниковых водоносных горизонтов, которые иначе не могли бы быть добыты экономически.

Сокращение отходов

Обычная добыча генерирует огромные объемы отработанных пород и хвостохранилищ. Производство одной тонны меди может генерировать 200 тонн перегрузки и хвостохранилищ. На месте добыча не производит твердых отходов; все отходы либо содержатся в схеме обработки раствора, либо повторно вводятся в пласт. Это устраняет риск катастрофических отказов хвостохранилища, что вызывает растущую обеспокоенность после таких инцидентов, как обрушение плотины Fundão в Бразилии.

Проблемы и риски добычи на месте

Несмотря на свои обещания, добыча на месте сталкивается с несколькими критическими препятствиями, которые ограничивают ее принятие для драгоценных и базовых металлов. Эти проблемы должны решаться с помощью технологических инноваций, строгого регулирования и прозрачного участия сообщества.

Потенциал загрязнения подземных вод

Ликсивантные и мобилизованные металлы могут мигрировать за пределы целевой зоны, если гидравлическая очистка не удаётся. Этот риск наиболее высок в трещинах горных пород или проницаемых образованиях, где барьеры неполны. Закрытие в 1990-х годах нескольких урановых рудников ISL в Техасе подчеркнуло, как плохо спроектированные скважинные месторождения могут привести к загрязнению грунтовых вод ураном, радием и мышьяком, требуя долгосрочного восстановления. Хотя современные операции ISM используют сложные системы мониторинга и управления давлением, общественный скептицизм остается сильным. Строгие правила защиты грунтовых вод, такие как программа EPA ’s Underground Injection Control, налагают строгие требования к базовому тестированию и мониторингу, которые могут задержать разрешение.

Геотехнические и гидрогеологические ограничения

Добыча на месте работает только в рудных телах с достаточной проницаемостью, чтобы обеспечить поток раствора. Многие месторождения драгоценных металлов встречаются в породах с низкой проницаемостью, где ограничен транспорт жидкости. Кроме того, руда должна быть химически поддающейся растворению - оксидные и вторичные сульфидные минералы, как правило, легко выщелачиваются, но первичные сульфиды часто требуют условий высокой температуры или давления, которые трудно достичь in situ. В результате ISM в значительной степени ограничивается конкретными типами месторождений (например, уран, оксид меди и золото в богатых карбонатом породах, где цианид может использоваться).

Регуляторные и социальные проблемы принятия

Во многих юрисдикциях добыча на месте подвергается такому же бремени разрешений, как и обычная добыча, плюс дополнительные требования, связанные с закачкой скважин и защитой подземных вод. Получение разрешений может занять 5-10 лет, и общественная оппозиция часто возникает из-за опасений загрязнения водоносного горизонта. В Соединенных Штатах несколько предлагаемых проектов по добыче меди на месте в Аризоне столкнулись с юридическими проблемами со стороны экологических групп и индейских племен. Построение доверия требует прозрачных базовых исследований, постоянной связи и независимого надзора.

Темпы восстановления и потери металла

Добыча на месте редко достигает 90-95% металлообработки, типичной для обычных мельниц. Фактические извлечения для медных проектов ISM варьируются от 50% до 75% в зависимости от проницаемости, минералогии и времени проживания. Часть металла остается в тупиковых порах или нереактивных зернах. Кроме того, сам ликсивант со временем деградирует, требуя замены и утилизации отработанных растворов. Эти факторы снижают экономическую привлекательность ISM для низкосортных месторождений, если цены на металл не высоки или другие затраты значительно ниже.

Глубина и ограничения по формации

Хотя ISM может получить доступ к глубоким месторождениям, на экстремальных глубинах (> 2000 м) нецелесообразно, когда затраты на бурение становятся непомерными, а гидравлический контроль становится затруднительным. Кроме того, рудный корпус должен быть относительно однородным и свободным от крупных неисправностей, которые могут привести к короткому замыканию системы потока. Залежи в сложных структурных условиях в настоящее время не жизнеспособны для ISM без обширной характеристики.

Текущие приложения и тематические исследования

Добыча урана в ситу-лич

Уран ISL является наиболее зрелым применением, на долю которого приходится более 50% мирового производства урана. В Казахстане, Австралии и Вайоминге для растворения урана из песчаников используются кислородсодержащие кислотные или щелочные ликвивианты. Эти проекты достигли последовательного восстановления 60-80% при сохранении строгих стандартов качества подземных вод посредством программ реинжекторной и восстановительной обработки. Всемирная ядерная ассоциация предоставляет исчерпывающие данные об этих операциях.

Медь в восстановлении in-Situ

Медная ISR была продемонстрирована в коммерческом масштабе в проекте Флоренс Медь в Аризоне, где кислотный железо-железный ликсивант вводится в месторождение оксида меди. После нескольких лет пилотных испытаний и нормативного обзора, проект получил окончательные разрешения в 2024 году и, как ожидается, будет производить 40 миллионов фунтов меди ежегодно с очень низким углеродным следом. Другие известные операции по медной ISR включают рудник Сан-Мануэль (теперь закрыт) в Аризоне и несколько проектов в Чили. Достижения в экстракции растворителей сделали извлечение меди из беременного раствора высокоэффективным (>99%), что позволяет проводить экономические операции на уровнях до 0,3% Cu.

Золото и серебро в ситу-личинге

Золото и серебро ISL гораздо сложнее, потому что эти металлы обычно требуют цианида или тиоуреи в качестве комплексных агентов. Цианид является токсичным и мобильным, что повышает риски острого загрязнения подземных вод. Однако несколько пилотных проектов в Неваде и Западной Австралии успешно выщелачивали золото из глубоких окисленных труб брекчии с использованием растворов разбавленного цианида с перекисью водорода в качестве окислителя. Экономический случай остается незначительным, но технологические усовершенствования - такие как использование биоразлагаемых ликсивиантов, таких как тиосульфат - могут открыть дверь для коммерческого золота ISL в будущем.

Новые приложения для критических минералов

В настоящее время ведутся исследования по применению добычи на месте к литию (из глубоких рассолов и глинистых отложений), редкоземельным элементам (из ионосорбционных глин) и никелю / кобальту (из латеритов). Министерство энергетики США финансировало исследования по использованию сверхкритического CO2 в качестве ликсивианта для редкоземельных элементов из глубоких осадочных отложений. Если эти методы окажутся жизнеспособными, они могут обеспечить внутренние источники критически важных минералов с меньшим воздействием на окружающую среду, чем обычная добыча.

Технологические инновации, которые движет будущее

Альтернативные ликвианы

Промышленность отходит от агрессивных кислот и цианид к более зеленым составам. Биоразлагаемые хелатирующие агенты, такие как этилендиаминадикуциновая кислота (ЭДДС) и тиосульфат, тестируются на золото и медь. Ферментное и микробное выщелачивание (биоочистка) использует микроорганизмы для катализирования окисления сульфидов in situ, генерируя серную кислоту естественным образом. Разработка дешевых, нетоксичных и перерабатываемых ликсивиантов является единственным наиболее важным фактором для расширения ISM на новые металлы и типы месторождений.

Продвинутое гидрогеологическое моделирование и датчики

Современные модели вычислительной гидродинамики могут имитировать реактивный транспорт растворенного вещества через трещинные носители с высокой точностью. Эти модели в сочетании с датчиками забойных скважин, измеряющими pH, температуру, давление и концентрации металлов в реальном времени, позволяют операторам оптимизировать скорости впрыска и динамические интервалы скважин. Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать ченнелинг и корректировать ликсивиантную композицию на лету, улучшая восстановление и сдерживание.

Направленное бурение и хорошо завершенные

Горизонтальное и отклонённое бурение позволяет одной скважине контактировать с большим объёмом руды, уменьшая количество необходимых скважин и улучшая распределение потока. Передовые методы завершения — такие как многоступенчатый разрыв и упаковка гравия — могут повысить проницаемость в плотных образованиях без создания гидравлических ярлыков для окружающих водоносных горизонтов.

Для месторождений, содержащих огнеупорные сульфиды (например, халькопирит), химическое растворение происходит медленно. Исследователи изучают электрический нагрев или электроокисление для ускорения реакции. Это будет включать применение низковольтного постоянного тока по всему телу руды или инъекцию горячих жидкостей для повышения температуры, ускорение выщелачивания кинетики без затрат на фрезерование.

Экологические и нормативные аспекты

Для того чтобы добыча полезных ископаемых на месте получила широкое признание, операторы должны продемонстрировать, что ресурсы подземных вод не подвергаются постоянному риску.

В США инъекционные скважины EPA&rsquo III класса для добычи требуют демонстрации того, что впрыскиваемые жидкости не будут мигрировать из зоны инъекций в течение 10 000 лет. Австралийский национальный совет по охране окружающей среды разработал руководящие принципы для ISL, которые подчеркивают адаптивное управление. Международный совет по горному делу и металлам (ICMM) призвал к гармонизированным глобальным стандартам для снижения нормативной неопределенности для инвестиций ISM.

Будущее Перспективы

Ожидается, что мировой спрос на медь удвоится к 2035 году, что будет обусловлено электрификацией и возобновляемыми источниками энергии. Литий, кобальт, никель и редкоземельные металлы будут наблюдать подобный рост. Добыча на месте может обеспечить значительную часть этих металлов без типичного экологического ценника обычной добычи. Прогнозы S&P Global предполагают, что ISM может составлять 10-15% мирового производства меди к 2040 году, по сравнению с менее чем 2% сегодня.

Однако темпы внедрения зависят от преодоления технических и нормативных препятствий, изложенных выше. Наиболее перспективными краткосрочными приложениями являются месторождения оксидной меди в проницаемых песчаниках или карбонатных породах, а также в существующих операциях по переработке урана, которые могут быть модернизированы для извлечения смешиваемых металлов, таких как ванадий, цинк и рений. В долгосрочной перспективе инновации в ликсивиантной химии, автоматизированное управление скважинами и окисление на месте разблокируют более глубокие и огнеупорные месторождения.

Социальные лицензии будут иметь не менее важное значение. Сообществам и регулирующим органам необходимо показать, что ИСМ не является краткосрочной добычей, которая оставляет за собой загрязненное наследие. Прозрачное раннее участие, независимые комитеты по мониторингу и обязательные обязательства по восстановлению подземных вод являются предпосылками. Несколько младших горнодобывающих компаний уже применяют эту практику, сотрудничая с экологическими группами и академическими учреждениями для совместной разработки критериев мониторинга.

Кроме того, горнодобывающая промышленность изучает интеграцию добычи на месте с системами возобновляемой энергии. Поскольку операции ISM потребляют электроэнергию в основном для перекачки и переработки, они могут питаться от солнечных или ветряных микросетей, что еще больше сокращает выбросы в течение жизненного цикла. Проект Florensces Copper, например, планирует получать 100% своей электроэнергии из солнечных ферм и аккумуляторов.

Заключение

Горная промышленность на месте представляет собой сдвиг парадигмы для металлургической промышленности - переход от движущихся гор к извлечению атомов с точностью. Устраняя массивные потоки отходов и поверхностные нарушения обычной добычи, она предлагает действительно более устойчивый способ удовлетворить растущий спрос на драгоценные и базовые металлы. Путь к широкомасштабному принятию не без препятствий: защита грунтовых вод должна быть усовершенствована, критерии отбора месторождений должны быть расширены, а нормативные рамки должны созреть. Тем не менее экономические и экологические факторы выравнивались, как никогда раньше. По мере накопления технологий и опыта добыча на месте готова стать краеугольным камнем добычи ресурсов 21-го века, обеспечивая металлы для энергетического перехода, минимизируя потери на планете.

Следующее десятилетие определит, использует ли горнодобывающая промышленность эту возможность или цепляется за методы, которые все чаще рассматриваются как неустойчивые.