Перспективы использования новой конструкции трала для разработки полезных ископаемых Мирового океана

А.С. Каширский¹, М.Г. Рахутин², Ю.В. Кириченко², Е.А Кузин^3
1 Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, г. Москва, Российская Федерация
² Горный институт НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
³ Комитет государственного строительного надзора г. Москвы, г. Москва, Российская Федерация

Горная Промышленность №6 / 2019 стр.123-127

Резюме: Наиболее перспективным видом твердых полезных ископаемых дна Мирового океана являются железомарганцевые конкреции, имеющие размеры от миллиметров до десятков сантиметров. Наиболее изучены железомарганцевые конкреции рудоносной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане, которые содержат такие полезные ископаемые, как железо, марганец, никель, медь и др. Освоению глубоководных месторождений, кроме природных условий, также препятствует отсутствие оборудования и эффективных технологий для крупномасштабного опробования, позволяющего оценить запасы, плотность залегания и, в конечном итоге, рентабельность разработок. Для решения данной проблемы разработан кассетный трал с самовсплывающими емкостями. Он предназначен для отбора крупнообъемных проб с целью установления на месторождении технологических типов и сортов руд и установления технологической и экономической возможности добычи железомарганцевых конкреций. В статье дается описание конструкции кассетного трала и принципы его работы, а также приводится анализ его сравнения с существующими способами и средствами оценки подводных месторождений.

Ключевые слова: трал, полезные ископаемые, Мировой океан, железомарганцевые конкреции, провинция КларионКлиппертон, железо, марганец, никель, медь

Для цитирования: Каширский А.С., Рахутин М.Г., Кириченко Ю.В., Кузин Е.А Перспективы использования новой конструкции трала для разработки полезных ископаемых мирового океана. Горная промышленность. 2019;(6):123–127. DOI 10.30686/1609-9192-2019-6-148-123-127.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 15.10.2019
Поступила после рецензирования: 25.11.2019
Принята к публикации: 05.12.2019

Информация об авторах

Каширский Алексей Сергеевич – эксперт Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, г. Москва, Российская Федерация.
Рахутин Максим Григорьевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горных машины Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Кириченко Юрий Васильевич – доктор технических наук, профессор кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация.
Кузин Евгений Александрович – начальник Управления по контролю и надзору за объектами метрополитена Комитета государственного строительного надзора г. Москвы, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Месторождения дна Мирового океана являются последним доступным источником полезных ископаемых для нашей цивилизации. Причем, если месторождения углеводов (нефти и газа) в настоящее время активно осваиваются, то твердые полезные ископаемые (ТПИ) добываются эпизодически и в малых объемах. В то же время исследования глубоководных сульфидов (ГПС), в состав которых входят конкреции икорки, а также глубоководных илов свидетельствуют, что они содержат практически весь спектр полезных ископаемых в объемах, которые по многим полезным компонентам значительно превышают запасы континентальной суши [1].

Особую ценность представляют месторождения полиметаллических сульфидов, которые распространены во всех океанах и внутренних морях и даже водоемах и водотоках [2–6].

Наиболее изучены конкреции Тихого океана из рудной провинции Кларион-Клиппертон. Глубоководные железомарганцевые конкреции (ЖМК) представляют собой, в основном, округлые стяжения черного и буровато-черного цвета с шероховатой поверхностью. Средний их размер составляет 3–8 см, хотя встречаются экземпляры диаметром до 20 см и более. Принято подразделять конкреции по размерам на два класса [4–6]:

а) микроконкреции;

б) собственно конкреции, которые в свою очередь делятся на весьма мелкие (2–4), мелкие (4–6), средние (6–8), крупные (8–12) и весьма крупные (12–20) см.

Микроконкреции обычно рассеяны в толще осадков, их диаметр около 1 см, они имеют шероховатую поверхность и черный цвет. Их доля в различного вида осадках может достигать 10–25% от общей массы, что позволяет с технологической точки зрения отрабатывать участки распространения микроконкреций, как металлоносные песчаные отложения. Они образуют, в основном, одиночные стяжения, но встречаются и столбчатые или гроздевидные срастания. В восточной части северной приэкваториальной зоны Тихого океана в бескарбонатных пелагических глинах концентрация микроконкреций в среднем составляет не менее 10–20%.

Химический состав конкреций весьма разнообразен, для ЖМК Мирового океана содержания колеблются (%): железо – 0,3–50,0; марганец – 0,07–50,3; никель – 0,08-2,48; медь – 0,003–1,9; кобальт – 0,001–2,53; цинк – 0,01–9,0; свинец – 0,01–0,75. Средний состав конкреций Тихого океана (%): марганец – 24; железо – 14; кремний – 9,4; алюминий – 2,9; натрий – 2,6; калий – 1,9; магний – 1,7; никель – 0,99; кальций – 0,18; титан – 0.67; медь – 0,52; кобальт – 0,35; барий – 0,18; свинец – 0,09; стронций – 0.081; цирконий – 0,063; ванадий – 0,054; молибден – 0,052 [1–8]. Кроме железомарганцевых конкреций известны и фосфоритовые конкреции, общие запасы которых оцениваются в 3–1011 т.

Комплекс для разработки донных залежей конкреций

Основным препятствием освоения подводных месторождений является их труднодоступность вследствие глубоководного залегания. Отсюда возникают сложности их обнаружения, оценки и промышленной разработки. Причем, если в настоящее время имеется множество открытых месторождений глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС), железомарганцевых конкреций (ЖМК), кобальтомарганцевых корок (КМК), полиметаллических илов (ПМИ) и т.д. в Тихом, Индийском, Атлантическом и Северном Ледовитом океанах, то степень их разведанности (запасы, условия залегания и т.п.) достаточно низка. Это вызвано отсутствием надежного и технологичного оборудования для крупнообъемного опробования и систем подводной ориентации и привязки [4–6].

Повышение эффективности крупнообъемного опробования нами предлагается осуществлять с использованием разработанной конструкции кассетного трала, новизна которого под-тверждена патентом России № 2562304 РФ, МПК Е21С50/00 [9].

Он предназначен для технологического изучения залежей железомарганцевых образований с целью:

– ведения на месторождениях технологических типов и сортов руд;

– установления принципиальной возможности промышленного использования каждого технологического типа минерального образования;

– разработки оптимальной технологической схемы, обеспечивающей высокие технико-экономические показатели переработки руд за счет извлечения основных и попутных компонентов;

– определения показателей переработки технологических типов руд.

Комплекс для разработки донных залежей конкреций (кассетный трал) состоит из буксируемого ковша-черпака, оборудованного всплывающими тралами (сетчатыми емкостями), буксирного судна с лебедкой и комплектов тралов-кассет, буксирного троса и судна-сборщика (рис. 1).

Рис. 1 Принципиальная схема разработки месторождений ЖМК кассетным тралом: 1 – кассетный трал (ковш-черпак); 2 – буксирное судно; 3 – буксирный трос; 4 – судно-сборщик; 5 – всплывающие тралы (сетчатые емкости); 6 – сигнальное устройство; 7 – залежь конкреций
Fig. 1 General layout of FMN mining with a cassette-type sweeper: 1 – cassette-type sweeper (scoop); 2 – towing vessel; 3 – tow rope; 4 – collecting vessel; 5 – self-surfacing sweeper (meshed containers); 6 – signalling device; 7 – nodule deposit

Кассетный трал состоит из нескольких частей (рис. 2): передней рабочей части-отвала с узлом для крепления противовеса-заглубителя, который непосредственно разрабатывает залежь конкреций и направляет их в приемную емкость из высокопрочной сети, качающейся плиты, шарнирно прикрепленной к отвалу, и кассеты с комплектом тралов (ёмкостей). Противовес-заглубитель служит для создания оптимального угла наклона буксирного троса относительно дна и способствует лучшему сцеплению передней (рабочей) части с забоем. Он может устанавливаться с опережением до 100 м. Основной буксирный трос изготавливается из полимеров или углеродистых нанонитей и имеет нейтральную плавучесть. Трал оснащается следящими и контролирующими устройствами, а также гибким фартуком сзади для ограничения распространения мути (эти узлы на рисунках не показаны). При сцеплении параллельно нескольких тралов роль утяжелителя выполняет соединительная балка.

Рис. 2 Схема работы кассетного трала: а – спускание в забой (начало работы); б – разработка залежи; в – смена заполненного конкрециями трала и подготовка к всплытию; 1 – ковш-черпак (отвал); 2 – узел крепления буксирного троса с противовесом заглубителем; 3 – буксирный трос;4 – конкреции; 5 – качающаяся плита; 6 – кассета (основная горизонтальная часть); 7 – тралы (приемные емкости); 8 – высокопрочная сеть трала; 9 – гибкий каркас проходного сечения трала; 10а – верхний каток-держатель с баллоном сжатого воздуха; 10б – нижний каток-держатель; 11 – шарнир качающейся плиты; 12 – пружинная тяга; 13 – жесткий упор-держатель; 14 – пружинная за-щелка; 15 – наклонная (подающая) часть кассеты; 16 – упругая тросовая тяга-фал, 17 – подъемные баллоны-емкости; 18 – баллоны со сжатым воздухом; I – рабочее положение плиты; II – разгрузочное положение плиты

Fig. 2 Cassette-type sweeper workflow: а – lowering to the working face (start of operation); b – mining of nodules; c – replacement of the sweeper filled with nodules and preparation for surfacing; 1 – scoop (mouldboard); 2 – tow rope fixing assembly with a penetrating counterbalance; 3 – tow rope; 4 – nodules; 5 – swing-ing plate; 6 – cassette (main horizontal part); 7 – sweepers (intake vessels); 8 – extra strong sweep-er net; 9 – flexible frame of the sweepers’ internal cross section; 10a – top holding roller with a com-pressed air bottle; 10b – bottom holding roller; 11 – swinging plate hinge; 12 – spring link; 1 3 – rigid supporting rod; 14 – spring latch; 15 – inclined (feeding) part of the cassette; 16 – elastic pulling rope; 17 – cylinders for surfacing; 18 – compressed air bottles; I – operational position of the plate; I I – unloading position of the plate

Комплекс работает следующим образом: кассетный трал ковшами-черпаками, изготовленный в виде четырех-угольной призмы без оснований, опускается лебедкой с буксирного судна на дно так, чтобы отвал находился перед залежью конкреций (рис. 1 и 2). При этом кассета укомплектована тралами из высокопрочной сети с ячейками менее диаметра добываемых ЖМК, закрепленной на гибком каркасе прямоугольной формы с двумя разновеликими парами катков-держателей по углам. На (рис. 2) показана одна правая по ходу движения половина каркаса с катками-держателями, причем катки трала (сетчатой емкости) в рабочем положении затушеваны. Качающаяся плита, закрепленная на шарнире в нижней части ковша, находится в крайнем верхнем положении I. Это положение обеспечивается пружинной тягой и задним скосом под углом 5–9° (рис. 2а). Верхние рабочие катки фиксируются в горизонтальной (основной) части кассеты жестко закрепленными на тягах упорами и пружинными защелками, а нижние катки в наклонной (подающей) части, (жестко закрепленной на бортах отвала), фиксируются поверхностью плиты (рис. 2а).

При движении буксирного судна отвал также приходит в движение, конкреции поступают на качающуюся плиту и затем наполняют сетчатую емкость. По мере заполнения и увеличения массы конкреций в емкости, под их весом плита, удлиняя пружинную тягу, начинает отклоняться на шарнире вниз до положения II (рис. 2в). При этом упор совместно с тягой также отклоняется вниз, открывая отверстие в основной кассете и освобождая верхние катки, имеющие положительную плавучесть. Катки всплывают, создавая приемную способность сетчатой емкости за счет гибкого каркаса, и одновременно выдергивают упругой тросовой тягой-фалом следующую сетчатую емкость в рабочее положение (рис. 2б). Первая пара катков, имеющая положительную плавучесть и больший диаметр, не позволяющие ей попасть в наклонную (подающую) часть кассеты, смещается в крайнее заднее положение и удерживается в нем пружинной защелкой. Связанная с ней вторая пара катков с отрицательной плавучестью имеет меньший диаметр и начинает смещаться по наклонной части вниз, раскрывая приемное сечение тралаемкости. Во время движения ковша-черпака происходит наполнение конкрециями двух тралов, масса их возрастает, а, следовательно, возрастает давление на качающуюся плиту (рис. 2).

Следующим этапом добычи конкреций является освобождение нижней пары катков в результате отклонения плиты в крайнее нижнее положение, вследствие чего освобождается закрываемая ею прорезь в наклонной части кассеты (рис. 2б, в). Наполненная сетчатая емкость за счет силы трения о дно залежи сползает с плиты, уменьшая давление на нее, чем позволяет пружинной тяге вернуть плиту в верхнее положение, перекрыв прорезь в наклонной части кассеты своей поверхностью. При этом жестко закрепленные на тягах упоры надежно фиксируют в рабочем положении верхние катки. Дальнейшее движение отвала растягивает упругую тросовую тягуфал, которая соединяет емкости, до расчетной длины жесткой составляющей. Жесткая часть тяги выдергивает запорный клапан баллонов со сжатым воздухом и те начинают наполнять подъемные емкости из высокопрочной специальной воздухонепроницаемой ткани, соединенных между собой воздушной связью, пока трал не начинает всплывать. Давление воздуха в емкостях рассчитано таким образом, чтобы оно превышало на 0,01 МПа давление воды, а его объем позволял поднять на поверхность трал с конкрециями. Емкости оборудованы предохранительными клапанами, рассчитанными на превышение внутреннего (в емкостях) давления над забортным на 0,01 МПа. Эти клапаны позволяют стравливать лишний воздух по мере подъема емкости и уменьшения давления водной толщи.

После всплытия срабатывает сигнальное устройство и производится подъем трала с конкрециями на судносборщик (см. рис. 1). Также возможно оборудование тралов радиомаяком, что значительно облегчит поиск тралов с ЖМК в открытом море.

При небольших глубинах разработки (до 200–300 м), как в условиях Российской Арктики, на Черном и Каспийском морях, целесообразно оборудовать тралы не баллонами со сжатым воздухом, а всплывающими саморазматывающимися катушками-барабанами с высокопрочными наноуглеродными тросами (по образцу минрепа), за который и будет подниматься трал с конкрециями на судносборщик. Такая конструкция значительно повысит полезную вместимость трала и, следовательно, производительность комплекса, а также упростит саму его конструкцию и удешевит изготовление. Сетчатая емкость тралов позволяет освободить конкреции от иловых осадков еще в природной части, что значительно уменьшает негативное воздействие добычных работ на экосистему океана. Комплекс в зависимости от назначения, инженерногеологических свойств вмещающих донных отложений и глубины разработки может изготавливаться в различных вариантах с использованием во всех до 90% основных составляющих (узлов):

– при небольших глубинах разработки (до 1000 м) и слабых мягких (от жидкотекучих до мягкопластичных) глинистых вмещающих и подстилающих донных осадках к буксирному тросу прикреплен один трал (ковш-черпак с комплектом кассет, смена которого происходит при заходе буксирного судна на следующую заходку;

– при значительных глубинах разработки и слабых и мягких донных осадках, вмещающих ЖМК, и большой протяженности залежи, а также при сгущении разведочной сети с целью сокращения непроизводственных простоев буксируемый трос изготавливается в виде бесконечной петли с закрепленными на нем через определенные промежутки тралами, которые попеременно заводятся в забойное пространство (этот вариант на рис. 1 не показан);

– в случае, если вмещающие и подстилающие железомарганцевые конкреции донные осадки представлены глинистыми, кремнисто-глинистыми и карбонатноглинистыми породами, ковш-черпак оборудуется разработанным нами плужно-барабанным рыхлителем с гравитационным грохотом валкового типа;

– для увеличения производительности кассетные тралы специальным устройством (балкой) скрепляются вместе и увеличение общей ширины заходки кратно количеству используемых тралов;

– возможно соединение кассетных тралов уступом – ступенчато друг другу, формой «журавлиный клин» и т.п.

Заключение

Основными преимуществами разработанного кассетного трала в сравнении с ковшовым тралом Масуда (Япония), драгой-волокушей, дночерпателем грейдерного типа, самовсплывающей драгой и другими подобными предложениями являются:

– минимизация потерь полезного ископаемого в забое за счет исключения холостых проходов ковшей над залежью ЖМК или при их смене;

– более высокая наполняемость сетчатых приемных емкостей за счет контроля заполнения по массе добываемых ЖМК вне зависимости от плотности их залегания в заходке;

– независимость работы судна-буксировщика и транспортных судов, что позволяет более гибко планировать и увязывать горные и транспортные работы;

– наличие качающейся плиты исключает зацепление сетчатых емкостей о неровности дна.

Для обоснования работоспособности кассетного трала были произведены расчеты параметров и подъемного оборудования трала и параметры его работы по отбору проб и разработки залежи.

Список литературы

1. Безруков П.Л. (ред.) Железомарганцевые конкреции Тихого океана. М.: Недра; 1976.

2. Андреев С.И. (ред.) Минеральные ресурсы Мирового океана: концепция изучения и освоения (на период до 2020 г.). СПб.:ВНИИ Океангеология; 2007.

3. Козловский Е.А., Малютин Ю.С. Мировой океан как резерв минерального сырья в XXI веке. В: Мировая горная промышленность 2004–2005: история, достижения, перспективы. М.: Горное дело; 2005. Т. 1. С. 165–179.

4. Гальперин A.M., Кириченко Ю.В., Щекина М.В., Каширский А.С., Якупов И.И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. Ч. 1. Минерально-сырьевые ресурсы мирового океана. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014;(5):134–142.

5. Гальперин A.M., Кириченко Ю.В., Щекина М.В., Каширский А.С., Якупов И И. Оценка возможностей вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку Ч. 2. Перспективы разработки глубоководных месторождений твердого минерального сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014;(6):361–368.

6. Kirichenko U.V., Kashirsky A.S. Development of underwater fields of firm minerals for a solution of the problem of deficiency of the mineral raw materials. In: Scientific Reports on Resource Issues. Vol. 1: Innovations in Mineral Ressource Value Chains: Geology, Mining, Processing, Economics, Safety, and Environmental Management. Freiberg: Medienzentrum der TU Bergakademie Freiberg; 2014. P. 239–247.

7. Задорнов М.М., Романчук А.И., Болотов Л.А. Минеральное сырье. Железомарганцевые образования. М.: Геоинформмарк; 1998.

8. Мурдман И.О., Скорнякова Н.С. (ред.) Железомарганцевые конкреции центральной части Тихого океана. М.: Наука; 1986.

9. Кириченко Ю.В., Щекина М.В. Наука о Земле. Ч. 2. М.: Горная книга; 2009.

10. Кириченко Ю.В., Каширский А.С., Иващенко Г.С., Якупов И.И. Способ добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение № 2562304 от 11.08.2015.