Для практического осуществления грандиозной программы развития народного хозяйства страны необходимы научно обоснованные поиски новых способов добычи полезных ископаемых, которые позволят увеличить ее, не нарушив при этом окружающей среды, и одновременно снизить себестоимость, повысить производительность труда, исключить работы людей под землей. Объем добычи полезных ископаемых в настоящее время достиг колоссальных размеров, тем не менее потребность в минеральном сырье с каждым годом возрастает, что вызывает необходимость ввода в эксплуатацию более бедных и залегающих в сложных горно-геологических условиях месторождений. Поэтому становится очевидным, что решение названных задач представляет собой важную и довольно сложную комплексную проблему. Одним из возможных путей ее решения является освоение месторождений минерального сырья Мирового океана.
Рентабельная промышленная добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов становится все более реальной. Промышленно развитые страны интенсивно расширяют научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на скорейшее создание технологии и специальных технических средств для освоения подводных месторождений. Для решения технических вопросов, возникающих при создании эффективного горно-морского оборудования, требуются в первую очередь мощные экспериментальные базы с испытательными стендами, а также специализированные научно-исследовательские суда. Поэтому одним из первых этапов выполнения экспериментально-исследовательских работ в Советском Союзе по созданию нового горно-морского оборудования и его всестороннего испытания явились организация и строительство в Латв. ССР Балтийской морской экспериментальной базы ВНИИпрозолото и создание специализированного научно-исследовательского судна «Шельф-1», которое используется для испытания нового морского горного и обогатительного оборудования, а также для опытной разработки подводных россыпей и осадочных месторождений в шельфовой зоне Балтийского моря.
1. Основные направления исследований
Сегодня наметились три основных способа морской подводной добычи твердых полезных ископаемых: с плавсредств; с использованием подводных или придонных установок и аппаратов; с использованием методов геотехнологии, в частности метода подводной скважинной гидродобычи.
Лучше всего освоен первый способ. Этому способствует имеющийся отечественный и зарубежный опыт подводной добычи со специализированных и приспособленных для этой цели плавучих средств (земснаряды, драги). Следует отметить, что работа существующих земснарядов и драг ограничивается сравнительно небольшими глубинами, большинство их не приспособлено к работе при волнении моря более 3 баллов и во льдах. Для дальнейшего развития этого способа необходимо проведение соответствующих исследовательских работ по созданию систем добычных органов со специальными разрыхлителями и интенсификаторами подводной разработки, которые не требуют жесткой связи с плавучим средством.
Перспективно создание морских земснарядов и драг с безъякорной системой перемещения, оснащенных усовершенствованными успокоителями качки.
Основным достоинством второго способа добычи является возможность ее проведения независимо от климатических и ледовых условий. Можно полагать, что этот способ будет главенствующим в шельфовой добыче для нашей страны, так как более 80% площади шельфа СССР приходится на арктические моря, сезон работы в которых чрезвычайно ограничен. Так, в заливе Ванькина Губа моря Лаптевых он составляет в среднем менее 50 дней в год. Вероятно, в этом направлении должны совершенствоваться подводные необитаемые аппараты-роботы, которые целесообразно использовать для морской добычи же-лезомарганцевых конкреций.
Существуют схемы, по которым ведется морская добыча минерального сырья с глубин 60 и 200 м. К преимуществам второго способа добычи следует отнести и возможность организации полного или частичного придонного обогащения и укладки «хвостов» в выработанных пространствах. В целях совершенствования этого направления ведется конструирование необитаемых, дистанционно управляемых транспортно-добыч-ных агрегатов и всего комплекса устройств.
Третий способ подводной разработки месторождений, а именно с использованием методов геотехнологии, в первую очередь способа скважинной гидродобычи, находится в стадии теоретического и экспериментального изучения.
Новые добычные устройства и выбор технологической схемы для разработки месторождений с плавучих средств
Во время экспериментальных работ, проведенных с научно-исследовательского судна «Шельф-1» при использовании базовой эрлифтной установки с гибкими подъемными коммуникациями диаметром 150/250 мм, был испытан ряд добычных устройств механического, вибрационного, гидравлического и пневмогидравлического типов, а именно гидрогрейфер, виброрыхлитель, пневмогидравлическое грунтозаборное устройство, механогидравлическая скреперная установка и др.
При работе гидрогрейфера происходит активное механическое отделение и рыхление разрабатываемой породы подводного забоя и одновременно постоянное всасывание и гидротранспортирование образующейся пульпы. Это значительно повышает эффективность разработки связных осадков по сравнению, например, с гидрорыхлением. Привод створок грейферного ковша осуществляется с помощью поочередной подачи в верхнюю и нижнюю полости силового гидроцилиндра рабочей жидкости от судовой маслостанции. В полости ковша имеются гидромониторные насадки, которые способствуют дополнительной дезынтеграции разрабатываемой грейфером породы непосредственно перед «всасом», что улучшает подготовку пульпы и обеспечивает относительную однородность консистенции поднимаемой эрлифтом гидросмеси. В результате испытаний установлено, что благодаря выполнению привода челюстей гидрогрейфера в виде силового гидроцилиндра, штоком которого является всасывающая труба, обеспечивается равное усилие резания обеими челюстями и повышается надежность контроля за разработкой подводного забоя.
При действии виброрыхлителя благодаря его конструкции можно использовать эффект направленной вибрации для успешного подводного разрушения слежавшихся и уплотненных песчано-гравийных пород. При этом вследствие наличия механизма поворота вибрирующей массы виброрыхлитель, соединенный с гибкими коммуникациями эрлифтной установки, автоматически осуществляет возвратно-поступательные перемещения в подводном забое в соответствии с заданной программой. Горизонтальная составляющая сила вибраторов равна 1000 кгм/с2 при суммарной возмущающей силе 3000 кгм/с2. Крутящий момент равен 170 кг/с2 при расстоянии от оси всасывающей трубы до продольной оси вибратора 340 мм. В целом испытания виброрыхлителя показали хорошие результаты.
Для подводной разработки осадков средней консолидации, а также уплотненных осадочных пород без предварительного механического рыхления создано пневмогидравличе-с кое грунтозаборное устройство. Отличительная особенность его заключается в наличии пневмогидравличе-ских насадок, которые позволяют в значительной степени увеличить действие гидромониторных струй, так как в зоне выхода сжатого воздуха происходит вытеснение окружающей воды, и стРуи работают фактически в осушенном забое.
Пневмогидравлическое грунтозаборное устройство состоит из всасывающей трубы, на которой закреплен конический экран, диаметр которого в 10 раз превышает внутренний диаметр всасывающей трубы. Непосредственно на экране смонтированы водяной и воздушный коллекторы с подводящими патрубками. Во внутренней полости экрана по окружности установлены шесть сменных пневмогидравлических насадок с регулируемым и одновременно дополнительная гидромониторная дезинтеграция горной массы с образованием пульпы непосредственно в полости ковша, а также эрлифтный подъем гидросмеси на судно.
С борта судна «Шельф-1» испытано несколько модификаций механогидравлических скреперных установок, имеющих скреперный ковш с гидроотсасывающей магистралью. Установки выполняли драгирование подводной залежи при перемещении судна и, следовательно, перемещении скреперного ковша относительно подводного забоя. При действии механо-гидравлической скреперной установки происходит механическое отделение породы от забоя с помощью режущей кромки ковша
В результате испытаний установлено, что для эффективной работы подобного оборудования необходима гибкая система папильонирования, которая обеспечивает срез породы постоянной толщины. Этому требованию удовлетворяет система подводной разработки, применявшаяся при проведении опытных работ с борта судна «Шельф-1», которая заключалась в перемещении скреперного ковша относительно подводного забоя подтягиванием судна на кормовом якоре.
Исследования развития технологии подводной добычи показали, что эффективная разработка морских россыпей с плавучих средств с помощью нового горно-морского оборудования и гибких коммуникаций может осуществляться различными способами подводной выемки.
Разработку подводных месторождений малой мощности целесообразно вести способом послойной выемки с применением механогидравлических скреперных установок.
В процессе работы судно закрепляется на носовых и кормовых якорях. С борта опускается скреперный ковш механо-гидравлической установки, соединенный с магистралью эрлифта выдачи породы.
При перемещении судна за счет подтягивания на якорях скреперный ковш папильонированием выбирает породу одной заходки по ширине, равной геометрическим размерам режущей кромки ковша. Для отработки следующей заходки судно должно переместиться в противоположном направлении на длину заходки.
Подводные месторождения средней и большой мощности целесообразно разрабатывать способом выемки воронками, наиболее простым и не требующим постоянного (или частого) перемещения добывающего судна относительно подводного забоя.
Такую разработку можно вести несколькими уступами или одним (при разработке несвязных зернистых осадочных пород) с последующей зачисткой плотика россыпи интенсификато-рами грунтозабора по площади, а также скребателями различных конструкций или способом послойной выемки.
При разработке морской россыпи способом выемки воронками специализированное судно типа «Шельф-1» перемещается над площадью участка месторождения с помощью мощного кормового якоря. Носовой якорь служит для поддержания необходимого направления перемещения при меняющихся направлениях ветра. После отработки очередной воронки грунтоза-борное устройство приподнимается над забоем и судно передвигается с помощью кормового якоря на расстояние, равное диаметру воронки. Два якоря позволяют занимать фиксированное положение над россыпью.
В зависимости от конкретных горно-геологических условий и гидродинамических характеристик донных отложений в данном районе подводного месторождения, а также соотношения геометрических размеров и формы россыпи в плане горные работы могут выполняться с продольным и фронтальным (поперечным) расположением забоев.
Использование схемы с продольным расположением забоев наиболее целесообразно при разработках узкой россыпи, совпадающей по ширине с целым числом заходок, что позволяет уменьшить потери продуктивных песков. Расстояние перемещения судна вдоль россыпи определяется длиной якорных цепей и мощностью лебедок.
При применении этой схемы размещения забоев упрощается маневрирование, однако осложняются выявление и отработка промышленных площадей за границами россыпи. При такой схеме россыпь должна быть четко оконтурена в процессе разведочных работ.
Схема разработки фронтальными забоями позволяет разрабатывать залежи за контуром россыпи до тех пор, пока содержание полезного компонента не снизится до допустимого сред-непромышленного уровня. При такой схеме значительно осложняется маневрирование судна, особенно при уменьшении ширины россыпи, и увеличиваются потери рабочего времени на переходы с заходки на заходку. Эта схема предпочтительнее в тех случаях, когда границы россыпи установлены приблизительно.
Выбор добычцых устройств делают в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемых пород, мощности продуктивной залежи и способа выемки.
3. Подводные и придонные установки
На Балтийской морской экспериментальной базе ВНИИпрозо-лото успешно проведены испытания нескольких установок тралового и самоходного типов, предназначенных для подводной разработки и придонного обогащения россыпей шельфа. Примерами такого оборудования является специализированная подводная добычная установка на гусеничном ходу, оснащенная землесосом с вибрационным грунторазра-батывающим органом, а также придонный виброскреперный агрегат, рабочие перемещения которого осуществляются мощным подводным гусеничным тягачом. Созданы и испытаны новые перспективные механизмы типа шагающих мостов для перемещения придонных добычных и обогатительных агрегатов в подводных забоях. Конструктивно такие механизмы включают удлиненный мостообраз-ный корпус с опорами и балластными емкостями на его концах. Опоры имеют устройства для разворота корпуса вокруг них. Механизм по морскому дну движется методом зашагивания в результате поочередной продувки сжатым воздухом балластных емкостей и частичных разворотов корпуса вокруг опор.
Применительно к созданным придонным установкам и агрегатам ведутся разработка и стендовые исследования подводного обогатительного оборудования, предназначенного для получения концентрата из разрабатываемых песков непосредственно в подводном забое.
4. Перспективы подводной скважинной гидродобычи
Сущность способа подводной скважинной гидродобычи довольно проста, однако конструктивное выполнение соответствующего промышленного оборудования, определение оптимальных параметров и технологических приемов его применения — задачи весьма сложные.
Необходимо через пробуренную с поверхности месторождения скважину проникнуть сквозь перекрывающие пустые породы к продуктивной залежи, и специальным добычным снарядом, оборудованным гидромонитором и эрлифтом, разрушить пласт полезного ископаемого под действием струи воды и выдать образующуюся в камере пульпу на поверхность для извлечения из нее полезного компонента.
Проведенные с борта судна «Шельф-1» испытания буровой установки и гидропневматического скважинного снаряда с гибким гидромонитором при опытной обработке подводных камер подтвердили принципиальную осуществимость способа подводной скважинной гидродобычи.
Однако для того чтобы создать и внедрить технику и технологию такой подводной добычи, необходимо провести комплекс дополнительных поисковых и экспериментальных исследований, и в первую очередь:
— определить возможность применения существующих плавучих средств (баржи, понтоны и платформы различного типа) или реконструировать их для установки и монтажа оборудования подводной скважинной гидродобычи;
— довести конструкторские проработки морского скважинного снаряда до опытно-промышленных образцов. Целесообразно конструктивно совместить буровой и добычный рабочие органы снаряда;
— провести полупромышленные исследования и подготовить технику и технологию подводной скважинной гидродобычи к внедрению в горной промышленности.
Такой способ добычи может быть реализован при промышленной разработке месторождений арктического шельфа на участках с ограниченными подвижками льда.
5. Оборудование для взятия проб осадков со дна океана
Для оценки глубоководных месторождений минерального сырья и получения технологических проб создана конструкция грейферного автономного пробоотборника АП-6000. Групповое применение новых пробоотборников, например при поисково-разведочных работах на конкреции, позволяет существенно повысить производительность пробоотбора и снизить себестоимость единичной пробы.
Принцип работы АП-6000 заключается в его погружении и достижении дна океана под действием силы тяжести оставляемого на дне балласта. После удара о дно и сброса балласта створки грейферного ковша отбирают пробу донных отложений, которая поднимается на поверхность океана с помощью поплавка пробоотборника.
Промышленные испытания и внедрение пробоотборников новой конструкции были выполнены во время экспедиций Министерства геологии СССР в Атлантическом и Тихом океанах.
Создание и совершенствование техники и технологии для разработки подводных месторождений твердых полезных ископаемых невозможно без глубоких научных исследований и опытно-конструкторских работ в широких масштабах, без интенсивного развития горной науки, охватывающей все новые и новые области. Привлечение к вопросам морского горного дела внимания многих инженеров и ученых, безусловно, будет способствовать успешному решению целого ряда проблем. С расширением морских горно-эксплуатационных работ увеличится объем добычи полезных ископаемых, доля которых будет все больше увеличиваться по мере истощения месторождений на суше.
Г. М. Лезгинцев
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арене В. Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых,—М.: Недра, 1975, с. 220—224.
2. Еланский А. Н., Лезгинцев Г. М., Мазуров А. А. Месторождения цветных металлов континентального шельфа. Ч. 2. Средства и способы разработки,—М.: Цветметинформация, 1974, 59 с.
3. Лезгинцев Г. М., Истошин С. Ю., Контарь Е. А. Применение эрлифтного оборудования для разработки морских россыпей.—М.: Цветметинформация, 1973, 74 с.
4. Лезгинцев Г. М., Попов В. И., Чертов П. Н. Состояние подводной добычи твердых полезных ископаемых за рубежом (по материалам выставки «Интерокеан-73»,— Цветная металлургия, 1974, № 18, с. 18—20.
5. Лезгинцев Г. М., Контарь Е. А., Кузнецов Г. И. Разработка глубоководных месторождений твердых полезных ископаемых Мирового океана,—В кн.: Итоги науки и техники. Т. 14,—М.: ВИНИТИ, 1976, с. 365—436.