CC BY
46
СЕМИНАР 8
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
Б.С. Маховиков, проф., СПГГИ (ТУ)
Технология подводной разработки россыпей на шельфе и в глубоководных районах морской акватории России
Среди современных горных технологий особое место занимает подводная разработка россыпных месторождений полиметаллических руд цветных металлов в виде глин, песков, илов, конкреций или корковых образований на шельфе и в глубоководных районах морей и океанов. Доступная для промышленной разработки глубина расположения месторождений твердых полезных ископаемых практически не превышает в настоящее время 60-80 метров, тогда как основная масса названных полезных ископаемых, по данным геологов, находится на
глубинах от 60 до 6000 метров.
Как известно, технологический процесс открытой добычи обычно содержит кинематически независимые операции: отделение от
массива, захват и транспортирование добытого полезного ископаемого при обеспечении экономической эффективности, эколо-
гической чистоты и технической безопасности работ. Эти же операции характерны и для подводной разработки месторождений, однако при подводных горных работах возникают дополнительные трудности, связанные с использованием надводных, а в большинстве случаев и подводных морских судов, с подъёмом полезного ископаемого в бункер-накопитель, с созданием приводов машин и механизмов, способных работать в водной среде и использующих в качестве энергоносителя морскую воду, а также с обеспечением экологической чистоты для морской
флоры и фауны горнодобывающего процесса. Всё это значительно усложняет задачу создания комплекса оборудования, содержащего кинематически независимые элементы.
Основным видом транспорта горной массы от подводных горных машин до поверхностного или
подводного судна-накопителя из соображений экологии является напорное гидравлическое транспортирование полезного ископаемого в смеси с водой по гибкому трубопроводу, обладающему нулевой плавучестью и допускающему необходимую маневренность элементов комплекса. Схемы комплексов для подводной добычи твердых полезных ископаемых, базирующихся на надводном и подводном суднах представлены на рис. 1.
Самоходные подводные горные машины, обеспечивающие рыхление и захват в смеси с морской водой полезного ископаемого, как отмечалось в предыдущих публикациях автора, могут быть выполнены в виде вертикального снаряда, оснащенного торцовой фрезой и обеспечивающего бурение толщ глины, песка или ила, а также барабана, работающего в режиме буксования и используемого при добыче конкреций или корковых образований. Первый из них, предназначенный для точечной обработки забоя, представлен на рис. 2. Машина для поверхностной обработки донной поверхности показана на рис. 3.
Привод машин обеспечивается прямоточными многоступенчатыми гидротурбинами, прототипами которых являются турбины турбобуров. Такой гидротурбинный двигатель может быть встроен в вертикальный снаряд, охватывающий гидроподъёмный трубопровод, или в барабан исполнительного органа машины.
Геометрия проточной части одной ступени такого гидротурбинного двигателя, состоящей из статора и ротора, представлена на рис. 4.
Исследования рабочих процессов таких гидравлических турбин позволили определить,
Рис. 4. Проточная часть прямоточной гидротурбины
что наибольшую эффективность они имеют, если в них используются реактивные решетки лопастей с входными углами статора и ротора соответственно 1050 и 520, а выходными - 600 и 250. Механическая характеристика такой гидротурбины мощностью в оптимальном режиме N=40 кВт при расходе 230 л/с, полученная расчетом на основе разработанной нами прикладной компьютерной программы на языке ТурбоПаскаль, представлена на рис. 5.
Основные преимущества многоступенчатых прямоточных гидротурбин состоят в том, что с ростом числа ступеней их КПД и
ской характеристики гидротурбины, может быть выполнен объемным гидравлическим.
На раме ходовой части в комплексе с поверхностным судном необходимо устанавливать землесос с приводом, который обеспечивает всасывание пульпы через сопло и последующее ее транспортирование по гибкому гидроподъёмному трубопроводу. В комплексах с подводным базовым судном необходимость в землесосе отсутствует, так как для энергоснабжения приводов и других элементов технологического оборудования (включая гидроподъём) в данном случае используется потенциальная энергия в виде располагаемого напора между свободной поверхностью моря и осью подводного судна. Эта же энергия используется и в гидротурбине, чем исключается необходимость в применении электрической и других видов энергии для привода машин комплекса. Другие виды энергии используется в этом случае лишь при откачивании воды, выделяемой в процессе обезвоживания пульпы, из субмарины.
Гибкий гидроподъемный трубопровод должен обеспечивать свободное перемещение самоходной горной машины в пределах подводного карьера заданных размеров, причем длина трубопровода увеличивается с глубиной разработки. Последнее очевидно приводит к росту потерь энергии в нем. Это обстоятельство, в свою очередь, вызывает необходимость увеличения глубины погружения подводной лодки. Однако, поскольку допустимая глубина погружения современных субмарин не превышает 800 метров, это и ограничивает допустимую глубину промышленной разработки морских россыпных месторождений 4 тысячами метров.
Для обеспечения гибкости металлический трубопровод состоит из секций, каждая из которых оснащена сферическими шарнирами, а плавучесть создается за счет прикрепления к звеньям труб лёгких оболочек, создающих архиме-
Рис. 5. Механическая характеристика прямоточной гидротурбины
Рис. 6. Секция шарнирного трубопровода
. .. г*-?
у у и гчу\ и Ц1 у*
у 1
■1 ш -
Рис. 7. Трассы шарнирного гидроподъемного трубопровода
мощность увеличиваются, а скорость вращения уменьшается. Кроме того, водная среда является естественной для таких двигателей, что способствует повышению их надежности и долговечности. Энергоснабжение гидротурбины может осуществляться отдельным или встроенным в барабан центробежным или объемным насосами специального исполнения.
Ходовая часть подводной добычной машины, как правило, должна быть гусеничной. В отдельных случаях, в зависимости от ландшафта донной поверхности, может оказаться целесообразным использовать шагающее мостовое устройство с установленным на нем полным комплектом добычного оборудования. Привод гусеничной тележки из соображений необходимости автоматического регулирования добычного процесса, ввиду мягкости механиче-
дову силу. Схема звена гибкого трубопровода представлена на рис. 6.
Результаты расчетов требуемого погружения субмарины в зависимости от глубины моря в районе КЛАССИФИКАЦИЯ
сийской программы «Мировой океан», утвержденной Президентом России в 1997 году. Актуаль-
глубина моря назначение комплекса базовое плавсредство состав машин и механизмов комплекса средства подъема полезного ископаемого
до 60 метров добычной надводное драга цепная многочерпа-ковая или грейфер бесконечная цепь с ковшами или ковш грейфера
от 60 до 500 метров добычной надводное самоходная машина с гидротурбиной, насосом и землесосом шарнирный трубопровод нулевой плавучести
от 500 до 4000 метров добычной подводное самоходная машина с гидротурбинным приводом, использующим естественный напор шарнирный трубопровод нулевой плавучести без землесоса
более 4000 метров геологоразве- дочный батискаф робот с захватами контейнер на батискафе
Архимедова сила должна быть достаточной по величине, чтобы при полной загрузке трубопровода (соответствующей наибольшей
Рис. 8. Глубина погружения капсулы Н8 (1 и 2) и длина трубопровода 8 (3 и 4).
производительности комплекса) обеспечивалась нулевая плавучесть. В этом случае в процессе работы комплекса гибкий трубопровод в вытянутом положении представляет собой цепную линию с выпуклостью, направленной вверх, а сопротивление перемещениям подводной горной машины по дну будет наименьшим. Движение машины в пределах карьера приводит к изменениям трасс гибкого трубопровода, возможные конфигурации которых, полученные расчетом, показаны на рис. 7.
горных работ и требуемой длины гидроподъемного трубопровода при длине карьера 500 метров представлены в виде графиков на рис. 8.
На основании выполненных исследований может быть предложена следующая классификация экологически чистых технических средств подводной разработки россыпных месторождений шельфа и глубоководных регионов морской акватории России, представленная в виде таблицы.
Глубоководные комплексы по глубине разработок делятся на три вида: 1) до 60 метров; 2) от 60 до 500 метров и 3) от 500 до 4000 метров. При глубине моря более 4000 метров современному уровню развития техники доступны лишь геологические изыскания, а промышленные разработки месторождений не могут быть признаны целесообразными.
В заключение следует отметить, что данная работа входит составной частью в комплекс проблем, решаемых в рамках Всерос-
ность решения этой проблемы в современных условиях усиливается сокращением запасов руд цветных металлов, вызванных распадом Советского Союза и истощением запасов ряда из них на известных месторождениях России и стран СНГ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ № 2112139. Установка с самоходной тележкой для сбора конкреций в условиях дна мирового океана /Маховиков Б.С., Незаметдинов А.Б. Заявлено 4. 06. 1996, № 96111339; Опубл. 27.05.98, Б.И. № 15.
2. Маховиков Б.С., Шорников В.В. Определение параметров машины для подводной разработки месторождений полиметаллических песков и илов, Наука в СПГГИ, Сб. научных трудов, Вып. 4, 1998.
3. Маховиков Б.С. Комплексы оборудования для подводной разработки россыпей на шельфе. Горный журнал, № 11, 1997.
4. Маховиков Б.С. Анализ работы исполнительного органа машины для добычи конкреций на шельфе. Технология и механизация горных работ. Сб. научных трудов, -М.: Изд. АГН, 1998.
5. Маховиков Б.С., Братчиков Н.В. Средства гидроподъема полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа. Наука в СПГГИ, Сб. научных трудов, Вып. 3, 1998.
© Б.С. Маховиков
