Основы новой технологии разработки грунтов шельфа на больших глубинах

В.Е. Кисляков, профессор; П.В. Катышев, аспирант; И.А. Баранова, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

В статье рассматривается возможность разработки месторождений полезных ископаемых со дна акватории с помощью автономного подводного комплекса в виде грейферного ковша. Построена физическая модель опускания и всплытия добычного устройства, разработаны математические зависимости поведения добычного оборудования в жидкой среде от различных гидрогеологических условий.

096 1

В последние годы Мировой океан активно исследуется экономически развитыми странами, рассматривающими его как основную сырьевую базу будущего, как потенциальный источник снабжения минеральным сырьем различных отраслей экономики на долгосрочную перспективу. Политики ведущих мировых держав прекрасно осознают – кто будет первым в изучении ресурсов Мирового океана, создании и технологии для их добычи, тот станет хозяином ресурсов в будущем [1].

Еще задолго до нашей эры на побережьях морей и океанов добывалась пищевая соль, многие века славился янтарь с пляжей Прибалтики, более 100 лет производят добычу нефти и газа со дна морей и океанов. Однако лишь в последние десятилетия в связи с общим развитием науки и техники стали выявляться серьезные перспективы добычи твердых полезных ископаемых подводным способом. Интерес к полезным ископаемым морей и океанов в наши дни связан:

  • с истощением континентальных месторождений;
  • с быстрым ростом населения в мире, а вместе с ним и потребностей в производстве средств производства и предметов потребления;
  • с гигантским скачком в развитии науки и техники в последние годы;
  • с большей выгодностью добычи некоторых видов полезных ископаемых со дна морей и океанов, чем из континентальных месторождений.

Так, для разработки пляжевых и россыпных залежей, затопленных морем, на практике используется три основных метода: метод канатной добычи; применение многоковшовых драг; гидравлическое драгирование либо применение землесосных снарядов. К канатным методам разработки принадлежат приемы использования многочерпаковых экскаваторов и грейферных драг, а к гидравлическим методам – приемы использования землесосных и эрлифтных устройств. Некоторое время тому назад с нашим участием разработаны технологии добычи полезного ископаемого на россыпных месторождениях золота и олова, основанные на использовании физических процессов намораживания воды на твёрдые частицы [2]. В подводный забой подается хладагент, под действием которого на частицы россыпи намораживается лед.

Частица находится в забое до тех пор, пока масса льда, намороженного на неё, не будет достаточной для того, чтобы под действием выталкивающей силы и разности плотностей грунтоледяного тела и воды транспортировать его на поверхность.

Основная цель таких исследований – создание экономичных и надежных систем подъема, осуществляющих транспортирование полезного ископаемого от подводного забоя до водной поверхности к транспортному средству. В качестве системы подъема горной массы весьма перспективными представляются автономные модули. К неисследованным вопросам, непосредственно связанным с возможностью создания автономных камер, относится расчет параметров вертикального подъема горной массы с больших глубин.

Поскольку методы разработки минерального сырья в океане основываются на иных принципах добычи, чем процессы добычи полезного ископаемого на суше, они должны быть полностью автоматизированы. Иными словами, создание нового оборудования не будет ограничено рамками традиций [3]. Новое оборудование должно соответствовать высокой транспортабельности и универсальности и быть устойчивым к различным гидрогеологическим и погодным условиям.

В данной статье рассматривается запатентованный в РФ [4] новый способ добычи россыпных месторождений полезных ископаемых со дна акватории с помощью автономного подводного комплекса в виде грейферного ковша (рис. 1). Физические основы данного процесса, позволяющие рассчитывать технические параметры комплекса, состоят в следующем.096 2

Рис. 1 Устройства для подводной разработки месторождений полезных ископаемых в порожнем (а) и загруженном (б) состоянии:
1 – грейферный ковш с армированными челюстями (2); 3 – порода (руда); 4 – ось; 5 – крюки; 6 – гибкие тяги; 7 – крепления; 8 – контейнер; 9 – рычаги; 10 – упор; 11 – механизм полного закрытия ковша; 12 – перфорированная часть ковша; 13 – рама; 14 – подъемная секция; 15 – газогенератор; 16 – эластичная полость для газа; 17 – автоматический датчик; 18 – грузовая секция; 19 – гибкие тяги – звенья; 20 – перегородки; 21 – петли; 22 – радиомаяк; 23 – шипы

На месте добычи руд опускают ёмкость 1, выполненную в виде грейферного ковша 1 (перфорированного в верхней части 12 во избежание опрокидывания), который увлекает за собой посредством гибких тяг 6 контейнер 8. В грузовой секции 18 установлены две перегородки 20 для предотвращения залома и повреждений рычагов 9 вследствие ударных нагрузок.

При полном опускании ёмкости 1 на дно акватории гибкие тяги 6, будучи в натяжении между креплениями 7 и крюками 5, начинают ослабевать и отцепляются от крюков, срабатывает механизм полного закрытия ковша 11. В подъемной секции 14 срабатывает автоматический датчик 17, оповещая судно о местонахождении устройства, и включает газогенератор 15, который в свою очередь заполняет эластичную полость 16 газом. Возникает выталкивающая сила Fв, под действием которой контейнер 8 начинает подниматься и посредством гибких тяг 19, соединенных с рамой 13 и рычагами 9, происходит закрытие ёмкости 1 между осью 4 и внедрение армированных челюстей 2 в породу 3. При полном закрытии ёмкости 1 под действием силы Fв устройство поднимается на поверхность и, в случае работы в зимних условиях, шипы 23 фиксируют установку, втыкаясь в нижнюю поверхность льда, и включается радиомаяк 22. После этого с ледовой поверхности делают пропилы, и с помощью петель 21 производится погрузка всей установки на судно. Для определения расположения технологических площадок (места запуска и места всплытия установки) необходимо оценить расстояние между ними на основе действия физических законов [5]. Все расчеты производились на основе сил, действующих на комплекс, в соответствии с вторым законом Ньютона [6], а также с помощью современных информационных технологий, позволяющих смоделировать данные процессы при различных внешних и внутренних параметрах.

Для определения технологических параметров и производительности устанавливается расстояние между точкой входа комплекса в воду и местом его всплытия. Для этого необходимо оценить скорость и время опускания (подъёма) комплекса (движение вдоль оси Y) в жидкости (рис. 2).096 3

Рис. 2 Расчётная схема отклонения комплекса от прямолинейного движения с учетом боковой скорости течения водного потока

Скорость равномерного опускания комплекса на дно водоёма определяется по формуле:

096 f1где: ρк – условная плотность комплекса; η – коэффициент динамической вязкости воды, Па·с; S – площадь миделева сечения тела (перфорированной поверхности), м2; ρж – плотность жидкости, г/см3; mк – масса комплекса, кг; Vк – объём комплекса, м3.

В нашем случае объем системы Vравен собственному объёму комплекса Vк и объёму необходимого газа для его подъёма:

V = Vк + V0 . (2)

Скорость равномерного всплытия комплекса определяется по формуле:

096 f3где: μ – поправочный коэффициент, зависит от формы комплекса, шероховатости его поверхности; m – масса гружёного комплекса, кг.

Необходимый для всплытия гружёного комплекса объем газа находится из выражения:096 f4

Зная скорость течения водного потока υ, глубину водоёма H и время t опускания (всплытия) комплекса, можно определить отклонение комплекса по горизонтали от первоначального положения

hx = υ·t . (5)

С использованием вышеприведенных формул были построены графики (рис. 3–4).

Также был произведен расчет производительности добычных комплексов по формуле:

096 f6где: tсм – продолжительность рабочей смены, ч; tц – продолжительность полного цикла опускания-подъёма добычной установки, включающего все технологические операции, ч; Т – объём породы (руды), зачерпываемый грейферным ковшом, м3.

Таким образом, предложенная физическая модель позволила разработать четыре модели автономных комплексов на базе существующих грейферных ковшей различной вместимости (см. табл.) и определить их возможную производительность в зависимости от геологических условий.096 t1

На рис. 5 представлены графики изменения расчётной производительности добычных автономных комплексов (за 12-часовую смену) от глубины водоёма при скорости течения воды 3 м/с. Из графиков видно, что при использовании ковшей объемом свыше 6,7 м3 производительность подводного добычного комплекса уменьшается, что связано с увеличением силы бокового сопротивления.096 4

Рис. 3 Графики зависимости необходимого для всплытия груза массой 1000 кг объема газа от глубины нахождения под водой месторождения

096 5

Рис. 4 Графики зависимости необходимого для всплытия груза с глубины 100 м объема газа

096 4

Рис. 5 Примеры изменения производительности комплексов в зависимости от глубины акватории (при скорости подводного течения 3 м/с)

Технология применения автономных подводных комплексов более безопасна в эксплуатации в условиях отрицательных температур, по сравнению с ранее существовавшими схемами освоения месторождений в зимний период.

Автономные комплексы обеспечивают полностью независимое и безопасное ведение работы при добыче полезных ископаемых со дна акватории в условиях плохой видимости и различных погодных ситуациях, с наименьшим расходом энергии, без привлечения вспомогательных аппаратов.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Краковский, И.И. Суда технического флота – Л.: Судостроение, 1968.

2. Кисляков В.Е., Корзун О.А., Лакин Д.А., Новая технология освоения шельфовых россыпных месторождений в зимний период. – Геология и геофизика / Том 51/2010. с. 181–184.

3. Давидович А.П. Подводная добыча песка и гравия за рубежом / А.П. Давидович, А.А. Капустин, В.И. Михайлов – М.: ВНИИЭСМ, 1975.

4. Кисляков В.Е., Катышев П.В., Бурояков А.Ю. Патент РФ №2426883 «Устройство для подводной разработки месторождений полезных ископаемых» – Опубл. 2011.08.20

5. Белавин Н.М. Экранопланы / Н.М. Белавин. – Л.: Судостроение, 1968.

6. Гудилин Н.С. Гидравлика и гидропривод / Н.С. Гудилин, Е.М. Кривенко, Б.С. Маховиков, И.Л. Пастоев – Издательство Московского государственного горного университета, 1996.

Ключевые слова: добычного, разработки, всплытия, устройства, опускания, модель

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.96