Содержание статьи:
- Мировая карта урановых месторождений: где и как добывают
- Способы и методы добычи урана: карьерные, шахтный и подземное выщелачивание
- Карьерный (открытый) метод добычи урана
- Современное оборудование для открытой добычи урановых руд
- Экономическая эффективность: когда карьерный метод оптимален
- Преимущества и ограничения карьерного метода в 2025 году
- Шахтный (подземный) метод добычи урана
- Системы вентиляции и радиационного контроля в урановых шахтах
- Современные методы крепления выработок при добыче урана
- Метод подземного выщелачивания
- Заключение
Мировая карта урановых месторождений: где и как добывают
В России уран является стратегически важным ресурсом для атомной промышленности и энергетики. Страна занимает одно из ведущих мест в мире по запасам урана и имеет хорошо развитый комплекс добывающих предприятий.
Урановая сырьевая база России характеризуется значительным разнообразием типов месторождений, что позволяет применять все основные методы добычи. Основные урановые провинции страны расположены в Забайкалье, Курганской области, Республике Бурятия и Якутии.
В последние годы в России наблюдается существенное увеличение доли добычи урана методом подземного выщелачивания. Этот тренд связан как с экономическими преимуществами метода, так и с его меньшим воздействием на окружающую среду.
Перспективным направлением развития урановой отрасли России является освоение Эльконского урановорудного района в Якутии, где сосредоточены крупнейшие запасы урана в стране. Для разработки этих месторождений планируется применение подземного способа добычи с использованием современных автоматизированных комплексов.
Россия активно развивает инновационные технологии добычи урана. В частности, ведутся работы по совершенствованию метода подземного выщелачивания для его применения в сложных геологических условиях, разрабатываются энергоэффективные и экологически безопасные технологии извлечения урана из руд. Большое внимание уделяется цифровизации производственных процессов, внедрению систем геотехнологического мониторинга и интеллектуального управления добычей.
Важной особенностью российской урановой отрасли является её интеграция в полный технологический цикл атомной промышленности — от добычи сырья до производства ядерного топлива и электроэнергии. Это позволяет оптимизировать производственные цепочки и повышать общую эффективность использования урановых ресурсов.
Способы и методы добычи урана: карьерные, шахтный и подземное выщелачивание
Подходы к добыче урана, в том числе и выбор оборудования, обусловлен разными факторами. В том числе и экономическими. Там, где рентабельно проводить способ шахтный, не совсем подойдет карьерный. Ниже мы рассмотрим подробно, как применяется тот или иной способ добычи.
Карьерный (открытый) метод добычи урана
Карьерный метод применяется для разработки приповерхностных месторождений урана, залегающих на глубинах до 300-400 метров. Технологический процесс начинается с детального геологического изучения месторождения и проектирования горных работ. Производится расчет оптимальных параметров карьера – глубины, углов наклона бортов, количества и высоты уступов, расположения транспортных коммуникаций.
Первым этапом горных работ является удаление вскрышных пород, перекрывающих рудное тело. Для этого используются мощные экскаваторы, погрузчики и самосвалы. Вскрышные породы размещаются во внешних отвалах, а по мере развития горных работ может применяться и внутреннее отвалообразование в выработанном пространстве карьера.
После обнажения рудного тела производится его селективная выемка с учетом содержания урана в различных участках. Современные карьеры оснащаются системами оперативного радиометрического опробования, позволяющими в режиме реального времени определять содержание урана в добываемой руде. Это дает возможность разделять потоки горной массы в зависимости от содержания полезного компонента.
Добытая руда транспортируется на рудосортировочные комплексы, где происходит ее разделение на сорта и, при необходимости, первичное обогащение. Затем кондиционная руда направляется на гидрометаллургический завод для химической переработки и извлечения урана.
По мере отработки запасов проводится постепенная рекультивация территории карьера. Современные подходы предусматривают создание устойчивых ландшафтов, предотвращающих эрозию почв и миграцию радионуклидов. Рекультивация включает засыпку выработанного пространства, покрытие поверхности отвалов чистым грунтом, нейтрализацию кислотности почв и восстановление растительного покрова видами, характерными для данной местности.
Современное оборудование для открытой добычи урановых руд
Специфика добычи урановых руд предъявляет особые требования к используемому оборудованию. Основными критериями при выборе техники являются производительность, экономичность, надежность, а также минимизация образования пыли и возможность защиты операторов от радиационного воздействия.
В современных урановых карьерах применяются экскаваторы с емкостью ковша до 30 кубометров, способные обеспечивать высокую производительность при селективной выемке руды. Широко распространены гидравлические экскаваторы, позволяющие более точно производить выборку рудного тела и снижать разубоживание. Для транспортировки горной массы используются карьерные самосвалы грузоподъемностью от 90 до 360 тонн.
Буровые работы осуществляются с помощью установок, оснащенных системами пылеподавления и дистанционного управления. Современные буровые станки имеют герметизированные кабины с фильтрацией воздуха и защитой от гамма-излучения. Они также оборудуются системами навигации и позиционирования, позволяющими точно соблюдать параметры буровзрывных работ.
Для первичного дробления руды применяются щековые и конусные дробилки, а также дробильно-сортировочные комплексы, оснащенные системами пылеподавления. Все большее распространение получают мобильные дробильные установки, позволяющие производить первичное дробление непосредственно в карьере, что снижает объем перевозок.
Важным элементом технологического оборудования являются системы радиометрического контроля и сепарации. Современные радиометрические сепараторы позволяют в автоматическом режиме разделять горную массу на продуктивную и пустую породу, что существенно повышает экономическую эффективность добычи и снижает объемы переработки.
Для защиты окружающей среды от пыления используются поливочные машины, системы орошения, пылеподавляющие добавки. Техника оснащается системами мониторинга выбросов и контроля радиационного фона. Кабины операторов современных машин оборудованы защитными материалами, снижающими дозу облучения персонала.
Экономическая эффективность: когда карьерный метод оптимален
Экономическая целесообразность применения карьерного метода определяется совокупностью геологических, технологических и экономических факторов. Ключевыми параметрами являются глубина залегания рудного тела, его мощность, содержание урана в руде, коэффициент вскрыши и инфраструктурные условия.
Карьерный метод наиболее эффективен при разработке крупных приповерхностных месторождений с относительно низким коэффициентом вскрыши (отношение объема вскрышных пород к объему добываемой руды). Экономически оправданным считается коэффициент вскрыши не более 10-12 для руд с содержанием урана от 0,1% и выше.
Основные экономические преимущества карьерного метода включают высокую производительность, меньшие удельные затраты на добычу тонны руды по сравнению с подземным способом, возможность селективной выемки и более полное извлечение запасов. Капитальные затраты на строительство карьера обычно ниже, чем на создание подземного рудника, а срок ввода в эксплуатацию короче.
Себестоимость добычи урана карьерным методом варьируется в широких пределах – от 30 до 80 долларов за килограмм урана в зависимости от горно-геологических условий и содержания полезного компонента. Наиболее рентабельными являются крупные месторождения типа Россинг в Намибии и Олимпик-Дам в Австралии, где уран добывается попутно с другими металлами.
Экономический анализ показывает, что карьерный метод становится нерентабельным при увеличении глубины разработки свыше 400-500 метров, когда резко возрастает объем вскрышных работ. Также метод теряет преимущества при разработке месторождений со сложной морфологией рудных тел и неравномерным распределением урана, когда затруднена селективная добыча.
Следует отметить, что в общую экономическую оценку необходимо включать и затраты на рекультивацию территории после завершения добычи, которые для карьерного метода значительно выше, чем для подземного выщелачивания.
Преимущества и ограничения карьерного метода в 2025 году
На текущем этапе развития технологий карьерный метод сохраняет свои позиции как один из основных способов добычи урана, обладающий рядом существенных преимуществ. К ним относятся высокая производительность, возможность применения мощного горнотранспортного оборудования, относительно низкие удельные затраты на добычу тонны руды, высокий коэффициент извлечения запасов, безопасные условия работы с точки зрения геомеханических рисков.
Современные карьеры по добыче урана характеризуются высоким уровнем автоматизации и цифровизации. Системы точного позиционирования горной техники, оперативного планирования горных работ, автоматического управления качеством руды позволяют оптимизировать производственные процессы и повышать экономическую эффективность.
Однако этот метод имеет и существенные ограничения, которые становятся все более значимыми в контексте ужесточения экологических требований. Открытая разработка связана с масштабным нарушением природных ландшафтов, большими объемами перемещаемой горной массы, образованием отвалов пустых пород, пылением и риском загрязнения поверхностных и подземных вод.
Карьерный метод требует значительных территорий для размещения производственной инфраструктуры, отвалов и хвостохранилищ. В условиях возрастающей ценности земельных ресурсов это становится существенным ограничивающим фактором, особенно в густонаселенных регионах.
Экономическая эффективность метода снижается при увеличении глубины разработки из-за роста затрат на транспортировку руды и вскрышных пород. Предельные глубины карьеров по добыче урановых руд редко превышают 400-500 метров, что ограничивает возможности их применения на глубокозалегающих месторождениях.
Современные тенденции развития карьерного метода направлены на минимизацию его негативных аспектов. Это достигается путем внедрения технологий предварительного обогащения руды непосредственно в карьере, использования конвейерного транспорта, применения циклично-поточных технологий, совершенствования методов рекультивации. Перспективным направлением является комбинирование открытого и подземного способов разработки на разных участках одного месторождения или на разных этапах его освоения.
Шахтный (подземный) метод добычи урана
Шахтный метод применяется для разработки глубокозалегающих урановых месторождений или в случаях, когда открытая добыча экономически нецелесообразна или экологически неприемлема. Технологический процесс начинается с проходки вертикальных стволов или наклонных штолен для доступа к рудным телам. Для вскрытия месторождения обычно проходят два ствола – главный (для подъема руды, спуска оборудования и материалов) и вспомогательный (для вентиляции и аварийного выхода).
После вскрытия месторождения производится проходка горизонтальных выработок – квершлагов, штреков, которые обеспечивают доступ непосредственно к рудным телам. Это сопровождается созданием инфраструктуры – водоотливной системы, электроснабжения, вентиляции, транспортных коммуникаций.
Особенностью подземной добычи урановых руд является необходимость четкого разделения выработок на чистые и грязные зоны в зависимости от радиационной обстановки. Грязные выработки, где ведется непосредственная добыча урансодержащей руды, оборудуются усиленной вентиляцией и системами пылеподавления.
Для отбойки руды применяются различные системы разработки, выбор которых зависит от формы рудного тела, устойчивости вмещающих пород, содержания урана. Наиболее распространены камерно-столбовая система с оставлением целиков, система с магазинированием руды, система с закладкой выработанного пространства. Последняя считается наиболее экологичной, поскольку минимизирует деформации земной поверхности и исключает контакт подземных вод с обнаженными урансодержащими породами.
Отбитая руда транспортируется по подземным выработкам с помощью самоходных погрузочно-доставочных машин, конвейеров или шахтных электровозов до околоствольного двора, откуда выдается на поверхность скиповыми подъемниками. На поверхности руда проходит процесс сортировки, дробления и складирования перед отправкой на гидрометаллургический завод.
Современные технологии позволяют производить предварительное обогащение урановой руды непосредственно в подземных условиях с помощью мобильных радиометрических сепараторов, что позволяет снизить объемы транспортируемой на поверхность горной массы и повысить экономическую эффективность добычи.
Системы вентиляции и радиационного контроля в урановых шахтах
Обеспечение безопасных условий труда в урановых шахтах требует создания комплексных систем вентиляции и радиационного контроля. Основные радиационные риски связаны с накоплением радона и его дочерних продуктов распада, а также с образованием радиоактивной пыли при проведении добычных работ.
Современные системы вентиляции урановых шахт проектируются с учетом необходимости поддержания концентрации радона ниже предельно допустимых уровней. Применяется нагнетательно-всасывающая схема вентиляции с обязательным обособленным проветриванием отдельных добычных участков. Это исключает переток воздуха из забоев с высоким содержанием урана в общешахтные выработки.
Воздух подается в шахту по вентиляционному стволу с помощью мощных вентиляторов главного проветривания. Для улучшения воздухораспределения используются вентиляционные перемычки, регуляторы воздуха, местные вентиляторы. Расход воздуха рассчитывается таким образом, чтобы концентрация радона даже в наиболее отдаленных выработках не превышала 100-200 Бк/м³.
Обязательным элементом системы вентиляции являются устройства для очистки исходящей из шахты воздушной струи. Применяются многоступенчатые системы фильтрации, включающие циклоны для крупной пыли, электростатические фильтры для мелкодисперсных частиц и угольные фильтры для улавливания радиоактивных газов.
Радиационный контроль осуществляется с помощью стационарных и переносных приборов. Стационарные системы включают датчики гамма-излучения, эквивалентной равновесной объемной активности радона, концентрации радиоактивной пыли, установленные в ключевых точках шахты. Данные с этих датчиков передаются в реальном времени на центральный пульт управления.
Каждый работник обеспечивается индивидуальным дозиметром, показания которого регистрируются в автоматической системе учета дозовых нагрузок. При превышении установленных пороговых значений система подает сигнал на эвакуацию персонала из опасной зоны.
Современные системы радиационного контроля интегрируются с автоматизированной системой управления горными работами, что позволяет оперативно корректировать график работ в случае ухудшения радиационной обстановки. Такой подход обеспечивает поддержание годовой дозы облучения персонала существенно ниже допустимого предела в 20 мЗв, установленного международными нормами радиационной безопасности.
Современные методы крепления выработок при добыче урана
Устойчивость горных выработок имеет особое значение при добыче урановых руд, поскольку обрушения могут приводить не только к производственным рискам, но и к высвобождению радиоактивных веществ. Современные методы крепления учитывают как горно-геологические условия, так и требования радиационной безопасности.
Анкерное крепление является наиболее распространенным методом для подземных урановых рудников. Применяются различные типы анкеров – стержневые, канатные, трубчатые, химические. Особенностью их использования в урановых шахтах является необходимость герметизации шпуров для предотвращения выделения радона из окружающего массива. Для этого применяются специальные составы, которые не только закрепляют анкер в породе, но и создают газонепроницаемый барьер.
Комбинированная крепь, сочетающая анкера с металлической сеткой и набрызг-бетоном, обеспечивает надежную изоляцию урансодержащих пород. Для набрызг-бетона используются специальные составы с добавлением барьерных компонентов (барит, свинцовый глет), снижающих гамма-излучение. Этот метод позволяет значительно уменьшить эманацию радона из стенок выработок.
В особо сложных горно-геологических условиях применяются тюбинговые и монолитные бетонные крепи. Их использование целесообразно в водоносных горизонтах, когда необходимо исключить контакт подземных вод с урансодержащими породами для предотвращения миграции радионуклидов.
Инновационным направлением является применение полимерных композитных материалов для крепления выработок. Эти материалы обладают высокой прочностью, химической стойкостью, не подвержены коррозии. Они могут формировать монолитную оболочку, полностью изолирующую выработку от окружающего массива.
Для повышения устойчивости массива применяются методы упрочняющей инъекции. В трещиноватые породы нагнетаются цементные, полимерные или силикатные растворы, которые заполняют пустоты и создают сплошной массив. Это не только повышает механическую прочность, но и снижает водопроницаемость пород, что важно для предотвращения распространения радионуклидов с подземными водами.
Метод подземного выщелачивания
Скважинное подземное выщелачивание (СПВ) основано на избирательном переводе урана из рудного тела в раствор непосредственно в недрах с последующей переработкой продуктивных растворов на поверхности. Процесс осуществляется через систему скважин без физического извлечения горной породы.
Технологический цикл СПВ включает несколько последовательных этапов:
1. Подготовка месторождения и бурение скважин
Процесс начинается с детального гидрогеологического изучения месторождения и проектирования системы скважин. Технологические скважины располагаются по определенной геометрической схеме (гексагональной, линейной или нерегулярной), обеспечивающей оптимальную гидродинамику потоков.
Скважины бурятся с помощью специализированных буровых установок, оснащенных системами приготовления и очистки промывочных растворов. Для предотвращения загрязнения вышележащих водоносных горизонтов скважины оборудуются обсадными колоннами из коррозионностойких материалов (ПВХ, стеклопластик) с цементацией затрубного пространства. В интервале рудного тела устанавливаются фильтры особой конструкции с гравийной обсыпкой.
2. Обвязка скважин и создание технологического комплекса
Закачные и откачные скважины соединяются полимерными трубопроводами, устойчивыми к агрессивным средам. На поверхности создается технологический комплекс, включающий:
- узел приготовления выщелачивающих растворов;
- насосные станции для закачки растворов;
- узел приема продуктивных растворов;
- сорбционную установку для извлечения урана;
- систему регенерации растворов;
-
комплекс КИПиА для контроля параметров процесса.
3. Процесс выщелачивания
В закачные скважины подаются выщелачивающие растворы, содержащие окислитель и комплексообразователь. Наиболее распространены два типа растворов:
- кислотные (серная кислота концентрацией 5-15 г/л с добавлением окислителей);
-
карбонатные (растворы бикарбоната натрия с окислителями).
Выщелачивающие растворы фильтруются через рудный пласт, растворяя урансодержащие минералы за счет окисления четырехвалентного урана до шестивалентного состояния и образования растворимых комплексных соединений. Образующийся продуктивный раствор с концентрацией урана 30-250 мг/л извлекается через откачные скважины.
4. Извлечение урана на поверхности
Продуктивные растворы поступают на перерабатывающий комплекс, где уран извлекается с помощью:
- ионообменных смол (сорбционные колонны);
- жидкостной экстракции;
-
осаждения.
Обедненные растворы доукрепляются реагентами и возвращаются в цикл выщелачивания, формируя замкнутую систему циркуляции.
Технологическое оборудование
Современные буровые установки для СПВ представляют собой мобильные комплексы с гидравлическим приводом, обеспечивающие бурение скважин диаметром 120-300 мм на глубину до 600-800 м. Специализированные установки имеют герметизированную систему циркуляции бурового раствора, предотвращающую выбросы радиоактивных аэрозолей.
Для обустройства скважин применяются:
- обсадные трубы из ПВХ или стеклопластика диаметром 90-180 мм;
- фильтровые колонны с щелевыми или проволочными фильтрами;
- гравийная обсыпка из кварцевого песка определенной фракции;
- пакерные устройства для герметизации продуктивного горизонта;
- погружные насосы (эрлифты или электроцентробежные насосы).
Наземный технологический комплекс
Узел приготовления растворов включает:
- емкости для реагентов с системами дозирования
- реакторы-смесители с механическими или пневматическими перемешивающими устройствами
- насосы-дозаторы для окислителей (перекись водорода, нитраты)
- системы контроля концентрации и pH растворов
Насосное оборудование для закачки растворов в пласт представлено:
- центробежными многоступенчатыми насосами из коррозионностойких материалов
- системами частотного регулирования для поддержания оптимальных режимов
-
манифольдами для распределения потоков по скважинам
Откачное оборудование включает:
- погружные насосы в скважинах (обычно электроцентробежные)
- эрлифтные системы для скважин с большим газовыделением
- накопительные емкости продуктивных растворов с системами аэрации
Сорбционный комплекс для извлечения урана состоит из:
- колонн с ионообменной смолой (сорбционные, регенерационные)
- насосов для перекачки растворов и пульпы
- узла десорбции урана с ионита
- системы промывки и регенерации смолы
- узла осаждения концентрата урана
Система автоматизации и контроля включает:
- автоматические расходомеры на всех скважинах
- датчики давления, pH, окислительно-восстановительного потенциала
- пробоотборники с возможностью автоматического анализа содержания урана
- центральный пульт управления с визуализацией всех параметров процесса
- программное обеспечение для оптимизации режимов выщелачивания
Инновационные технологии в процессе СПВ
В современной практике СПВ применяется ряд инновационных решений, повышающих эффективность процесса:
1. Направленное бурение скважин
Технология горизонтальных и наклонно-направленных скважин позволяет значительно увеличить площадь контакта с рудным телом. Горизонтальные скважины длиной до 500 м могут проходить непосредственно по рудному телу, что существенно повышает коэффициент извлечения урана и сокращает количество необходимых скважин.
2. Пульсационные технологии выщелачивания
Вместо непрерывной подачи растворов применяется циклический режим с чередованием закачки и паузы, что создает эффект "гидравлической пульсации". Это способствует разрушению застойных зон, более равномерному распределению реагентов и интенсификации массообмена. Эффективность извлечения урана повышается на 15-20%.
3. Применение комплексных реагентов
Разработаны специальные композиции выщелачивающих растворов, включающие:
- основной растворитель (кислота или карбонат);
- окислитель (пероксид водорода, кислород, нитраты);
- поверхностно-активные вещества, улучшающие смачиваемость руды;
- комплексообразователи, стабилизирующие уран в растворе;
- реагенты для предотвращения кольматации.
4. Системы управления на основе цифровых двойников
Современные комплексы СПВ оснащаются интеллектуальными системами управления, использующими цифровые модели месторождения и процесса выщелачивания. Это позволяет:
- прогнозировать распространение растворов в пласте;
- оптимизировать режимы работы скважин;
- корректировать состав растворов в зависимости от изменения геохимических условий;
- максимизировать извлечение урана при минимизации расхода реагентов.
Мобильные модульные комплексы
Разработаны компактные модульные установки контейнерного типа, позволяющие быстро развернуть производство на новых участках. Такие комплексы включают все необходимое оборудование в транспортабельном исполнении, что особенно актуально для отработки небольших месторождений или флангов крупных рудных полей.
Внедрение комплекса инновационных технологий позволяет достигать большей степени извлечения урана при сокращении удельного расхода реагентов, и уменьшении общего времени отработки блоков.
Заключение
Урановая промышленность находится на важном этапе трансформации, обусловленной как растущим спросом на топливо, так и ужесточением экологических требований. Рассмотренные методы добычи урана — карьерный, шахтный и подземное выщелачивание, представляют собой комплексный технологический арсенал, позволяющий эффективно разрабатывать различные типы месторождений в зависимости от их геологических особенностей и экономических условий.
Сравнительный анализ показывает, что каждый метод имеет свою область оптимального применения. Карьерный способ остается наиболее эффективным для приповерхностных крупных месторождений с низким коэффициентом вскрыши. Шахтный метод незаменим при разработке глубокозалегающих месторождений с высоким содержанием урана. Подземное выщелачивание демонстрирует наилучшие экономические и экологические показатели для песчаникового типа месторождений и становится доминирующей технологией в мировой урановой промышленности.
Современные тенденции развития технологий добычи урана направлены на:
- Повышение безопасности работ и минимизацию радиационного воздействия на персонал за счет автоматизации и роботизации процессов;
- Снижение негативного влияния на окружающую среду путем внедрения замкнутых циклов водопользования, эффективных систем пылеподавления и современных методов рекультивации;
- Сокращение энергетических и материальных затрат благодаря оптимизации технологических процессов и применению ресурсосберегающих технологий;
- Повышение степени извлечения урана из недр за счет внедрения инновационных геотехнологий и реагентов нового поколения;
- Цифровизацию всех аспектов добычи с созданием интеллектуальных систем управления на базе цифровых двойников месторождений.
Россия обладает значительным потенциалом для развития урановой отрасли благодаря разнообразной ресурсной базе, развитой научно-технической школе и полной цепочке производства — от добычи сырья до выработки электроэнергии. Интегрированный подход, применяемый российскими компаниями, позволяет оптимизировать технологические процессы в масштабе всего ядерного топливного цикла.
В перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения доли подземного выщелачивания в структуре мировой добычи урана, особенно в регионах с ограниченными водными ресурсами и высокими экологическими требованиями. Одновременно традиционные методы будут совершенствоваться в направлении повышения автоматизации и экологической безопасности. Развитие комбинированных технологий, сочетающих различные методы добычи на разных участках одного месторождения, позволит достичь максимальной экономической эффективности при минимальном воздействии на окружающую среду.