CC BY
73
© Ю.В. Кириченко, A.C. Каширский, М.В. Щекина, В.В. Ческидов, 2015
УДК 622.275.5
Ю.В. Кириченко, А.С. Каширский, М.В. Щёкииа, В.В. Ческидов
САМОХОДНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКОВОДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Представлен краткий обзор современного состояния и проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых дна Мирового океана. Подчеркнута актуальность необходимости развития морской добычи в связи с истощением запасов и усложнением горнотехнических условий разработки минерального сырья. Представлен концептуальный проект самоходного комплекса для глубоководной разработки железомарганцевых конкреций и ферромарганцевых корок.
Ключевые слова: минеральные ресурсы океанического дна; конкреции и корки; подводные месторождения; глубоководный добычной комплекс; технология подводной разработки; саморасширяющаяся пена; прогноз эффективности.
Истощение месторождений суши, ухудшение и усложнение горнотехнических условий на карьерах, рудниках и шахтах вынуждает нашу цивилизацию обращать внимание на поистине неисчерпаемые запасы минерального сырья в Мировом океане [1—4].
Уже несколько десятилетий успешно осваиваются морские месторождения углеводородного сырья, россыпные месторождения черных и цветных, редких и благородных металлов в прибрежных зонах, производится добыча стройматериалов и фосфоритов и т.д. [4—7]. Но наибольший интерес представляют железомарганцевые образования (ЖМО) морского дна -конкреции и корки, содержащие в значительных количествах железо, марганец, медь, кобальт, никель, цинк, молибден и т.д. (практически все используемые в промышленности элементы таблицы Менделеева). Начиная с 70-х годов прошлого столетия разрабатываются и апробируются различные технологии и оборудование для добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) практически во всех развитых странах мира (США,
Япония, Китай, Австрия, Германия, Корея и многие другие). Достоверные данные о добычных комплексах, результатах разработки конкреций и способах их обогащения тщательно оберегаются, что свидетельствует о жизненной значимости этой проблемы в области существования и развития этих стран.
Как уже упоминалось, существуют несколько способов добычи конкреций; один из первых удачных промышленных опытов осуществила в 70-е годы Япония. Добыча производилась тралом и черпаками, заводимым с поверхностных судов. Такая технология применима практически на любых глубинах, однако имеет много недостатков, основным из которых является «слепое» черпание и переворачивание черпаков с прохождением их над забоем вхолостую. Поэтому многие черпаки поднимались на добычное судно пустыми или заполненными не более чем на треть. Повышенные требования предъявляются и к канату, к которому они крепились. Он должен иметь высокую прочность при минимальной массе, нейтральной или положительной плавучести. Изготовление в последнее время тросов из углеродных нанотру-бок, имеющих прочность более чем в 20 раз более стали, частично снимают данную проблему. Имеются так же разработки подводных самоходных аппаратов на гусеничном ходу, управляемых дистанционно или экипажем, находящимся на добычном механизме. Подъем конкреций на поверхность предусмотрен при помощи трубопроводов, преимущественно эрлифтами или напорной струей воды [6-8].
На современном этапе для добычи железомарганцевых конкреций исследования ведутся в области разработки ковшовых и гидравлических драг, гидравлических драг с эрлифтным подъемом, систем из непрерывной линии черпаков, прикрепленных к кабельной петле т.п. Проектная глубина разработки данных систем превышает 5000 м. Исследования ведутся в США, Китае, Канаде, ФРГ, Корее, Франции, Великобритании, Италии, Швеции, Японии, Дании, Нидерландах и некоторых других странах. Россия в данном списке серьезно не рассматривается, хотя, как известно, еще в 1967 г. решением Госкомитета по науке и технике Совмина СССР в Московском горном институте была создана научно-исследовательская лабора-
тория по подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов под руководством доктора технических наук, профессора Нурока Григория Аркадьевича. Инженерные разработки коллектива этой НИЛ вполне могут конкурировать с современными зарубежными работами в этой области. Восстановление и развитие этих исследований полностью зависит от политической воли руководства нашей страны. В противном случае в области освоения морских месторождений твердых полезных ископаемых мы можем оказаться в том же положении, что и в области рыболовства (потеря многих рыбных районов, беззастенчивое хозяйствование в наших территориальных водах Японии, Норвегии, Кореи и ряда других стран) и добычи углеводородного сырья.
Необходимо отметить, что практически все разработанные технологии имеют множество недостатков, в том числе: низкая производительность, сложность, высокая энергоемкость, невысокая эффективность, значительное негативное воздействие на океаническую среду.
При добыче конкреций или корок наиболее сложной операцией является подъем полезного ископаемого на поверхность к транспортному судну или ОФ. В данном контексте представляет интерес предложенная идея самостоятельного подъема конкреций посредством придания им положительной плавучести.
Проведенный авторами опыт напыления простой монтажной пены «Макрофлекс» на гравий показал практическую осуществимость такой технологии. Всплытие частиц гравия диаметром 10^35 мм началось через 2^5 секунд. Исключение составили только те отдельности, поверхность которых была смазана увлажняющим кремом, что должно было имитировать загрязненность поверхности конкреций донными отложениями органического (осадочного) характера. В этих случаях пена на гравийных частицах в основном не закреплялась и всплывала самостоятельно.
С учетом вышеизложенного, в качестве специальной технологии разработки осадочных морских месторождений твердого минерального сырья (конкреций и корок) предлагается использовать самоходный подводный аппарат, принципиальная схема которого представлено на рис. 1.
Аппарат конструктивно состоит из двух частей (тележек):
— передней ведущей с двумя колесными парами и узлом поворота;
— задней, оснащенной энергоблоком, емкостями с само-клеющейся расширяющейся пеной и выносными консолями для очистки поверхности рудных образований от донного ила и нанесения на них пены.
Колеса аппарата целесообразно изготавливать по принципу колес «Лунохода», хорошо зарекомендовавших себя в советских самоходных дистанционно управляемых лунных аппаратах. Такая конструкция колес позволяет при необходимости оснащать тележки металлокомпозиционными гусеницами для снижения удельного давления на грунт и увеличения проходимости. Привод на ведущие колеса может осуществляться посредством цепной передачи раздельно на каждую сторону от двигателей, установленных на поперечную балку передней части аппарата. Автономный привод увеличивает надежность аппарата и позволяет ему производить маневрирование посредством затормаживания или увеличения оборотов на одной из сторон. При необходимости с целью улучшения маневренности и увеличения проходимости можно предусмотреть привод на все колеса. Связующим звеном между частями служит блок управления аппарата, установленный на шарнирно скрепленных трапециевидных деталях ведущей и ведомой тележек. Основное управление (повороты) аппарата осуществляется одновременным увеличением или уменьшение оборотов ведущих двигателей и через цепную передачу, концы цепи которой закреплены на поперечной балке, а средняя часть на оси поворотного двигателя с реверсом.
Ведомая тележка оснащена двумя продольными и двумя поперечными упругими балками, на которых смонтированы емкости для пены, насосная группа для нагнетания воды и выдавливания пены и несущая консоль для удержания рабочих трубопроводов в заданном положении.
Аппарат оборудуется видеокамерами с прожекторами, позволяющими освещать как путь движения добычного агрегата, так и забойное пространство, или (и) специально разработанными сканерами.
Рис. 1. Принципиальная схема глубоководного добычного аппарата:
(а - вид сверху; б - вид спереди): 1 - энергоблок и блок управления; 2 - емкости для саморасширяющейся клеющей пены; 3 - насосы для забора и подачи воды в зону разработки; 4 - двигатели с приводом на ведущую колесную тележку; 5 - ведущие колеса; 6 - устройство поворота; 7 - трубы для подачи пены; 8 - трубы для подачи воды; 9 - поперечная несущая рама; 10 -продольная несущая рама; 11 - несущая консоль; 12 - блок подъема и опускания рабочего органа; 13 - положение трубопроводов в поднятом (транспортном) положении; 15 - трос; 16 - обзорные видеокамеры; 17 - выпускные волочащиеся патрубки; 18 - конкреции; 19 - шарнирное соединение; 20 -рулевые тяги (цепи); 21 - выпускные водоводные патрубки; 22 - ведомые колеса (свободного хода)
Разработка подводного карьера может осуществляться продольными и поперечными заходками. Одна из схем предполагаемого порядка отработки представлена на рис. 2. При такой схеме разработки добычной аппарат опускает трубопроводы в рабочее положение с помощью лебедки регулировки высоты и подъема. Ширина захвата (отрабатываемой части блока) каждого из вскрышных добычных трубопроводов равна ширине аппарата. Предложенная схема позволяет более производительно и эффективно разрабатывать месторождения без холостых заходок.
Добыча осуществляется следующим образом (рис. 2). При прямой заходке отрабатываются части блока (1 и (Г , причем аппарат проходит по оси левой части блока (2 , отрабатываемой обратной заходкой. Далее после поворотов операция повторяется для блоков (3 -(3 и (4 -(4 .
При захождении добычного аппарата на карьерное поле включаются насосы, которые под давлением подают забортную воду через передний трубопровод и выпускные патрубки на поверхность конкреций. Струи воды направлены вперед и в стороны, чем достигается очистка поверхности конкреций от донных отложений и улучшается сцепление пены с рудными образованиями. Возможна очистка специальными щетками или свободным всасыванием. Через параллельно подвешенные сзади трубопроводы с волочащимися патрубками подается клеящая саморасширяющаяся пена, которая прилипает на конкреции и, расширяясь, поднимает их на поверхность океана. Обслуживающее судно собирает плавающие конкреции и транспортирует руду в порт назначения.
При разработке корок аппарат оснащается дисковыми или цепными пилами, которые нарезают ферромарганцевые корки перед подъемом на отдельности. Управление глубоководным добычным аппаратом может осуществляться оператором судна на поверхности, водолазами (при небольших глубинах) или экипажем, находящимся в специально оборудованной кабине с системами жизнеобеспечения, расположенной на подводной машине.
Рис. 2. Принципиальная схема разработки залежи конкреций: © —
номера обрабатываемых блоков за одну заходку; 1 - самоходнй глубоководный добычной аппарат; 2 - границы отрабатываемых блоков; 3 - направление движения аппарата при разработке залежи; 4 - рудное поле, сложенное конкрециями
Подъем и спуск аппарата может осуществляться лебедками или при помощи балластных цистерн (по принципу подводных лодок) в случае оборудования кабиной с экипажем. Энергопитание- от внешних источников аккумуляторное или комбинированное.
Разработанный комплекс не только может эффективно разрабатывать конкреционные залежи, но и обеспечить эколо-гичность добычи, так как исключает подъем мути в верхний слой океана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козловский Е.А., Малютин Ю.С. Мировой океан как резерв минерального сырья в XXI веке / Мировая горная промышленность 2004-2005. -Т.1. с. 165-179.
2. Ялтанец И. М., Бессонов Е. А. Состояние и перспективы развития добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. / Сборник докладов VI съезда гидромеханизаторов России. - М.: Изд-во ООО «Центр инновационных технологий», 2012. - с.21-27.
3. Задорнов М. М., Романчук А. И., Болотов Л. А. Минеральное сырье. Железомарганцевые образования / Справочник. - М.: ЗАО «Геоин-форммарк», 1998. 46 с.
4. Кириченко Ю. В., Щекина М. В. Освоение ресурсов Мирового океана - основа национальной безопасности России (современное состояние и пути решения). / Сборник докладов VI съезда гидромеханизаторов России. - М.: Издательство ООО «Центр инновационных технологий», 2012. - с.
5. Гальперин A.M., Кириченко Ю.В., Щекина М.В., Каширский А.С., Якупов И. И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. 4.I. Минерально-сырьевые ресурсы Мирового океана. - М: Горная книга, 2014, ГИАБ № 5, с. 134-142.
6. Гальперин A.M., Кириченко Ю.В., Щекина М.В., Каширский А.С., Якупов И.И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. п. II. Перспективы разработки глубоководных месторождений твердого минерального сырья. - М: «Горная книга», 2014, ГИАБ № 6, с. 361-368.
7. 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. I scientific Reports on Resource Issues 2014, vol.1, innovations in Mineral Resource Value Chains. — 2014, supported by the IVR Partner Universities, p.
8. Кириченко Ю.В. Глубоководный аппарат для разработки железо-марганцевых образований морского дна. - М.: Горный журнал, 2014, № 1.
С. 84-87.S2H
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кириченко Юрий Васильевич - доктор технических наук, профессор, Каширский Алексей Сергеевич - горный инженер,
Щёкина Марина Владмировна - кандидат технических наук, профессор, Ческидов Василий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, НИТУ «МИСиС» МГИ, e-mail: [email protected]
101-110.
239-247.
UDC 622.275.5
SELF-PROPELLED EQUIPMENT FOR DEEP SEA MINING OF FERROMANGANESE NODULE DEPOSITS
Kirichenko Yu.V. - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia, Kashirskiy AS. - Mining Engineer, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia,
Shchekina M.V. - Candidate of Engineering Sciences, Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia, Cheskidov V.V. - Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia.
The article gives a brief review of the state-of-the-art and challenges in the area of deep sea mining of hard minerals. The authors emphasize the currentness of expansion of the deep sea mining in view of depletion of mineral reserves and complication of minetechnical conditions. A conceptual design of self-propelled equipment for excavation of fer-romanganese nodules and ferromanganese crusts is presented.
Key words: ocean floor mineral reserves, nodules and crusts, seafloor deposits, deep sea mining equipment, underwater mining technology, self-extending foam, efficiency forecast.
REFERENCES
1. Kozlovskij E.A., Maljutin Ju.S. Mirovoj okean kak rezerv mineral'nogo syr'ja v HHI veke (World ocean as a reserve of mineral resources in the twenty-first century) / Mirovaja gornaja promyshlennost' 2004-2005. T.I. pp. 165-179.
2. Jaltanec I. M., Bessonov E. A. Sostojanie i perspektivy razvitija dobychi poleznyh iskopaemyh so dna morej i okeanov (Status and prospects of development of mining of the seabed and ocean floor) / Sbornik dokladov VI sezda gidromehanizatorov Rossii. Moscow: Izd-vo OOO «Centr innovacionnyh tehnologij», 2012. pp.21-27.
3. Zadornov M. M., Romanchuk A. I., Bolotov L. A. Mineralnoe syre. Zhelezomar-gancevye obrazovanija (Minerals. Ferromanganese education) / Spravochnik. Moscow: ZAO «Geoinformmark», 1998. 46 p.
4. Kirichenko Ju. V., Shhekina M. V. Osvoenie resursov Mirovogo okeana - osnova nacional'noj bezopasnosti Rossii (sovremennoe sostojanie i puti reshenija) (The development of ocean resources - the basis of national security of Russia (modern state and ways of the decision)) / Sbornik dokladov VI s#ezda gidromehanizatorov Rossii. Moscow: Izdatel'stvo OOO «Centr innovacionnyh tehnologij», 2012. pp. 101-110.
5. Gal'perin A.M., Kirichenko Ju.V., Shhekina M.V., Kashirskij A.S., Jakupov I. I. Ocenka vozmozhnosti vovlechenija zhelezomargancevyh mestorozhdenij morskogo dna v razrabotku (Evaluation of the possibility of involvement of ferromanganese deposits of the seabed in the development). Ch.I. Mineral'no-syr'evye resursy Mirovogo okeana. Moscow: Gornaja kniga, 2014, GIAB No 5, pp. 134-142.
6. Gal'perin A.M., Kirichenko Ju.V., Shhekina M.V., Kashirskij A.S., Jakupov I.I. Ocenka vozmozhnosti vovlechenija zhelezomargancevyh mestorozhdenij morskogo dna v razrabotku (To assess the possibility of involvement of ferromanganese deposits of the seabed in the development). p. II. Perspektivy razrabotki glubokovodnyh mestorozhdenij tver-dogo mineral'nogo syr'ja. Moscow: «Gornaja kniga», 2014, GIAB No 6, pp. 361-368.
7. 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. I scientific Reports on Resource Issues 2014, vol.1, innovations in Mineral Resource Value Chains. — 2014, supported by the IVR Partner Universities, p. 239-247.
8. Kirichenko Ju.V. Glubokovodnyj apparat dlja razrabotki zhelezomargancevyh obrazovanij morskogo dna (Deep-water apparatus for the development of ferromanganese formations of the seabed). Moscow: Gornyj zhurnal, 2014, No 1. pp. 84-87.
