CC BY
123
--© Ю.В. Кириченко, A.C. Каширский, 2015
УДК 550.8
Ю.В. Кириченко, А.С. Каширский
ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ C ПОМОЩЬЮ КАССЕТНОГО ТРАЛА
Приведены доказательства необходимости широкомасштабного промышленного освоения минерально-сырьевых ресурсов Мирового океана. Предложена конструкция кассетного трала для добычи железомарганце-вых конкреций, который обладает рядом технологических преимуществ и обеспечивает минимальное негативное воздействие добычных работ на океаническую среду.
Ключевые слова: минеральные ресурсы Мирового океана, железомарган-цевые конкреции, глубоководная добыча, кассетный трал, сетчатые емкости, баллоны со сжатым воздухом, сигнальное устройство.
Последняя треть XX и начало XXI веков обусловили необходимость широкомасштабного промышленного освоения минерально-сырьевых ресурсов Мирового океана. Возрастающая в мире потребность в минеральном сырье, расширение спектра используемых видов, истощение и ограниченность месторождений суши, усложнение горнотехнических условий разработок, их удорожание - вот далеко не полный перечень причин необходимости в самое ближайшее время разработки оборудования и технологий добычи твердых полезных ископаемых морского дна [1—4].
Наиболее ценным видом таких ископаемых являются желе-зомарганцевые образования (ЖМО) морского дна (конкреции и корки) и илы, содержащие редкоземельные элементы [4—7].
Железомарганцевые конкреции (ЖМК), в основном сферические образования диаметром от долей сантиметра (микроконкреции) до 20 см концентрически-слоистого строения, сложенные слабокристаллизованными гидроксидами железа и марганца (Ре20з, МпО).
Они залегают на поверхности или полупогруженными в иловом осадке морского дна на значительных глубинах (до 6000м). Конрециеносные залежи обнаружены во всех океанах, в том числе в морях Российской Арктики, а также в устьях
крупных рек. Плотность залегания может достигать нескольких десятков килограммов на квадратный метр, образуя своеобразную «мостовую».
ЖМК содержат множество полезных компонентов - десятки процентов марганца и железа, проценты никеля, меди, кобальта, цинка, алюминия, а также промышленные значения калия, магния, титана, кобальта, ванадия и многих других ценных металлов [3, 5—7].
Такие значения содержания различных полезных компонентов в одном природном образовании не имеет аналогов на месторождениях суши и обоснованно вызывают интерес во многих странах мира, в первую очередь, в США, Японии, Китае, Австралии, Германии, Индии, Новой Зеландии, Франции, ЮАР и т. д.
По имеющимся данным США и Япония разработали технологии и создали оборудования, которые позволят в ближайшие годы добывать конкреции в промышленном масштабе.
На основании вышеизложенного и с учетом современного тяжелейшего экономического и геополитического состояния России нашей стране необходимо в самое ближайшее время создать и развить морскую горнодобывающую отрасль, которая позволит решить проблему дефицита марганца, алюминия, редкоземельных металлов, а так же выйти на мировой рынок с новыми видами минерального сырья.
С этой целью разработана достаточно простая и в технологическом плане легко осуществимая конструкция подводного добычного комплекса для разработки конкрецие-носных залежей.
Комплекс для добычи ЖМК (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).
Комплекс может изготавливаться в двух вариантах:
1. При небольших глубинах разработки (до 100 м) к буксирному тросу прикреплен один ковш-черпак с комплектом кассет, смена которого происходит при заходе буксирного судна на следующую заходку.
в
Рис. 1. Принципиальная схема разработки месторождений ЖМК кассетным тралом: 1 - кассетный ковш-черпак, 2 - буксирное судно, 3 -буксирный трос, 4 - судно-сборщик, 5 - всплывающие тралы (сетчатые емкости), 6 - сигнальное устройство, 7 - залежь конкреций
2. При значительных глубинах разработки и большой протяженностью залежи с целью сокращения непроизводственных простоев буксируемый трос изготавливается в виде бесконечной петли с закрепленными на нем через определенные промежутки ковшами-черпаками, которые попеременно заводятся в забойное пространство (этот вариант на рис. 1 не показан).
Ковш-черпак состоит из нескольких частей (рис. 2): передней рабочей части-отвала с узлом для крепления буксирного троса, 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.
Комплекс работает следующим образом: кассетный ковш-черпак, изготовленный в виде четырехугольной призмы без оснований, опускается лебедкой с буксирного судна на дно так, чтобы отвал находился перед залежью конкреций (рис. 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, а, б, в показана одна правая по ходу движения половина каркаса с катками-держателями,
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, 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 защелка, 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
причем катки трала 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 5-9о (рис. 2, а). 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. 2, а).
При движении буксирного судна отвал также приходит в движение, конкреции поступают на качающуюся плиту и затем наполняют трал. По мере заполнения и увеличения массы конкреций в трале, под их весом плита, удлиняя пружинную тягу, начинает отклоняться на шарнире вниз до положения II (рис. 2, б, в). 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 трала за счет гибкого каркаса, и одновременно выдергивают упругой тросовой тягой (фалом) следующий трал в рабочее положение (рис. 2, б). 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 трала. Во время движения ковша-черпака происходит наполнение конкрециями обоих тралов, масса их возрастает, а, следовательно, возрастает давление на качающуюся плиту (рис. 2, б).
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. 2, б, в). Наполненный трал 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 тягу фал, которая соединяет тралы, до расчетной длины ее жесткой составляющей. Жесткая часть тяги выдергивает запорный клапан баллонов со сжатым воздухом (газом) и те начинают наполнять подъемные емкости из высокопрочной прорезиненной 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 не более чем на 0,01 МПа. Эти клапаны позволяют стравливать лишний воздух по мере подъема трала и уменьшения давления водной толщи.
После всплытия срабатывает сигнальное устройство и производится подъем трала с конкрециями на судно-сборщик (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, 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 судно-сборщик. 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 придонной части, что значительно уменьшает негативное воздействие добычных работ на экосистему океана.
Основными преимуществами разработанного кассетного трала в сравнении с ковшовым тралом Масуда (Япония) и другими подобными предложениями являются:
— минимизация потерь полезного ископаемого в забое за счет исключения холостых проходов ковшей над залежью ЖМК или при их смене;
— 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.
С экологических позиций, в сравнении со всеми известными способами добычи ЖМК, разработка конкрециеносных залежей кассетным тралом наносит значительно меньше ущерба океанической среде, так как исключает подъем бедных кислородом глубинных вод и последующий их сброс в поверхностные воды океана (место обитания биоты), ограничивает концентрацию взвешенного в воде материала придонной областью и сокращает площади нарушенного ландшафта океанического дна за счет более полной выемки полезного ископаемого.
Конечно, организация промышленной добычи ЖМК относится к области производства с высокими экономическими рисками. Еще в конце 70-х годов были произведены расчеты экономической эффективности создания и эксплуатации производственного комплекса, обеспечивающего добычу и переработку 3 млн т конкреций в год. Оказалось, что затраты составят порядка 1,5 - 2 млрд долларов США, доходы на вложенный капитал будут 8,5 - 9,5 %, а чистая прибыль после всех выплат не превысит 3 - 4,5 %, однако, с тех пор наука и техника значительно шагнули вперед, были предложены и разработаны вполне работоспособные комплексы по добыче и переработке ЖМК. По некоторым неподтвержденным данным США и Япония успешно и с достаточной степенью рентабельности начинают добывать конкреции со дна океана. Необходимо также заметить, что цены на сырье за эти десятилетия многократно выросли, например, за товарные марганцевые руды только за последние 12 лет цены на мировом рынке выросли более чем в 10 раз. Россия входит в число ведущих мировых импортеров товарных марганцевых руд, обеспечивая свои потребности закупкой руды, в основном, в Казахстане. Собственная добыча составляет менее 6 %, потребность России в силикомарганце и ферромарганце большей частью удовлетворяется за счет их ввоза из-за рубежа (хотя часть произведенных в стране марганцевых сплавов экспортируется).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о целесообразности детального проектирования и постройки добычного комплекса на основе предложенной концепции кассетного трала для промышленной добычи только одним комплексом не менее 100 тыс. т ЖМК в год в пределах Российской Арктики.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козловский Е.А., Малютин Ю.С. Мировой океана как резерв минерального сырья в XXI веке / Мировая горная промышленность 2004-2005. -Т.1, — с. 165-179.
2. Комплексное освоение недр: перспективы расширения минерально-сырьевой базы России / под ред. К.Н. Трубецкого, В.А. Чантурия, Д.Р. Кап-лунова. -М: 2009. -496 с.
3. Кириченко Ю.Б., Щекина М.В. Освоение ресурсов Мирового океана - основа национальной безопасности России (современное состояние и пути решения) / Сб. докладов VI съезда гидромеханизаторов России. - М: Центр инновационных технологий, 2012. с. 101-110.
4. Андреев С.И., Голева Р.В., Юбко В.М. Экономичемкие и геополитические аспекты проблемы освоения минеральных ресурсов Мирового океана. -М: Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2006. № 3. с. 72-78.
5. Гальперин А.М., 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. - М: Горная книга, 2014, ГИАБ № 5, с. 134-142.
6. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Щекина М.В., Каширский А.С., Якупов И.И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку.Ч. II. Перспективы разработки глубоководных месторождений твердого минерального сырья. - М: «Горная книга», 2014, ГИАБ № 6, с. 361-368.
7. Меро Дж. Минеральные богатства океана. — М: Прогресс, 1969. -440с. ГГТ^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кириченко Юрий Васильевич - доктор технических наук, профессор, Каширский Алексей Сергеевич - горный инженер, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru
UDC 550.8
TECHNOLOGY FOR EXCAVATION OF FERROMANGANESE NODULES USING CASSETTE-TYPE MINESWEEPER
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.
The urgency of deep sea mineral mining at a commercial level is proved. The article offers design of a cassette-type minesweeper for excavation of ferromanganese nodules: it offers the technological advantage and minimizes adverse effect on the ocean environment.
Key words: mineral resources of the Global Ocean, ferromanganese nodules (FMN), deep sea mining, cassette-type minesweeper, mesh container, high-pressure tanks, alarm.
REFERENCES
1. Kozlovskij E.A., Maljutin Ju.S. Mirovoj okeana kak rezerv mineral'nogo syr'ja v XXI veke (Global ocean as a reserve of mineral resources in the twenty-first century) / Mi-rovaja gornaja promyshlennost' 2004-2005. T.1, pp. 165-179.
2. Kompleksnoe osvoenie nedr: perspektivy rasshirenija mineral'no-syr'evoj bazy Rossii (Integrated subsurface exploration: prospects for expanding the mineral resource base of Russia) / pod red. K.N. Trubeckogo, V.A. Chanturija, D.R. Kaplunova. Moscow, 2009. 496 p.
3. Kirichenko Ju.V., Shhekina M.V. Osvoenie resursov Mirovogo okeana - osnova nacional'noj bezopasnosti Rossii (sovremennoe sostojanie i puti reshenija) (Development of ocean resources - the basis of national security of Russia (the modern state and ways of solution)) / Sb. dokladov VI sezda gidromehanizatorov Rossii. Moscow: Centr innovacionnyh tehnologij, 2012. pp. 101-110.
4. Andreev S.I., Goleva R.V., Jubko V.M. Jekonomichemkie i geopoliticheskie aspekty problemy osvoenija mineral'nyh resursov Mirovogo okeana (Ekonomicheskie and geopolitical aspects of the problems of development of mineral resources of the World ocean). Moscow: Mineral'nye resursy Rossii. Jekonomika i upravlenie. 2006. No 3. pp. 72-78.
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). Ch. II. Perspektivy razrabotki glubokovodnyh mestorozhdenij tver-dogo mineral'nogo syr'ja. Moscow: «Gornaja kniga», 2014, GIAB No 6, pp. 361-368.
7. Mero Dzh. Mineral'nye bogatstva okeana (The mineral wealth of the ocean). Moscow: Progress, 1969. 440 p.
