CC BY
33
УДК 622.271 Н.Г. Кафидов
ФОРМИРОВАНИЕ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ ПОРОДОЗАБОРНИКОВ ДЛЯ ВЫЕМКИ КОНЦЕНТРАТОВ В ПРИДОННЫХ ЗАБОЯХ ГИДРОСФЕР
Семинар № 16
ш щ о современной оценке мировых запасов твердых полезных ископаемых их основной объём содержится в океанических железомарганцевых конкрециях и кобальтомарганцевых корках. Эти рудные образования являются комплексным сырьем на марганец, кобальт, никель и медь. Среди попутных компонентов присутствуют молибден, платина и элементы редкоземельной группы с высоким содержанием.
В 1987 году Генеральный комитет Подготовительной комиссии для Международного органа по морскому дну и Международного трибунала по морскому праву при ООН выделил бывшему СССР участок морского дна площадью 75 тыс. км2 в зоне Кларион - Клиппер-тон (приэкваториальная часть северовосточной котловины Тихого океана). Таким образом, создалась правовая основа для нового источника добычи минерального сырья. Прогнозная оценка океанических образований (по данным института ВНИИокеангеология) превышает по меди 340 млн т, цинку - 540 млн т, серебру - 1350 тыс. т, золоту - 25 тыс. т, что уже сопоставимо с ресурсами суши подсчитанными американскими исследователями (1,6 млрд т меди; 1,8 млрд т цинка; 743 тыс. т серебра; 70 тыс. т золота). О запасах кобальта дает представление оценка поля кобальтоносных корок. Только на поверхности одной
подводной горы Хуан-де-Фука (Тихий океан), составляющая 581 тыс. т этого металла на глубинах от 1400 до 2400 м при бортовом содержании 0,8 % (максимальное содержание до 2,6 %).
Россия в лице ГПЦ «Южморгеоло-гия» является одним из семи первоначальных вкладчиков в разведку и разработку глубоководного участка дна в центральной части Тихого океана вместе с Францией, Японией, Китаем, Южной Кореей, Индией и совместной организацией восточноевропейских стран «Интерокеанметалл». После вступления в силу Конвенции ООН по морскому праву 1982 г. и Соглашения о выполнении ее Части XI, а также образования в связи с этим Международного органа по морскому дну в 2001 г ГНЦ «Южмор-геология» заключил Контракт с ним на освоение указанного участка.
Закрепленный за Россией участок морского дна состоит из двух разобщенных площадей: западной - 13765 км2 и восточной - 61235 км2 с суммарными ресурсами, оцененными по утвержденным кондициям, в размере 448,1 млн т.
Добычные работы в гидросфере при использовании ее свойств, позволяют наиболее эффективное получение концентратов или руд за счет малооперационных технологий и совмещения переработки полезного ископаемого с его
выемкой при укладке хвостов обогащения и пустой породы в отработанном забое.
Характерным примером работы в гидросфере является добыча металлоносных конкреций, залегающих на дне Тихого океана. На 1 м2 поверхности дна залегает от 7 до 20 кг сферических образований (конкреций) со средним диаметром 60 мм. Если использовать стандартные технологии при выемке, то на поверхность с глубины 4500 м в надводное судно требуется поднять с каждого метра площади 400-600 кг горной массы вместо 20 кг конкреций. Далее необходимо 380-580 кг поднятой породы отправить на дно и там складировать [1].
Применяемая в бывшем СССР, Японии и других странах технология предусматривала выемку, подъём, отбор концентрата в магнитных сепараторах и сброс хвостов на дно. Такие технологии испытывались и использовались с 1970 года. Для исключения сброса пустой породы с судна из воздушной среды в забой для укладки в выработанное пространство целесообразно произвести обогащение ближе или непосредственно в забое. Учёными Московского и Ленинградского горного институтов, Московского геологоразведочного института и института «ВНИПИгорцветмет» предлагались технические средства выемки на принципах так называемого «природного обогащения». Такие технические решения разрабатывались д.т.н. Нуроком Г.А., д.т.н. Бубисом Ю.В., д.т.н. Молочниковым Л.Н., д.т.н. Добрецовым В.Б., к.т.н. Истошиным С.Ю., к.т.н. Курлаевым Н.Д., к.т.н. Кронгаузом М. Л. и др. Аналогичные решения были использованы и японскими специалистами [1].
Анализ патентного фонда показал, что разработанные технические средства (рис. 1 и 2) позволяют осуществлять разработку россыпей, причём процесс добычи сопровождается сильным за-мутнением призабойного пространства.
Для борьбы с мутеобразованием в гидросферах в настоящее время разработаны предложения. Одним из таких направлений является работа с устройствами, использующими присасывание за счёт гидравлического градиента давления (или разряжения). Созданные устройства используют движение затопленных потоков гидросмеси с учётом современных данных о перемещении частиц в глубоководных зонах. Обработка результатов работы по намыву илов показала, что должны учитываться не только горизонтальная и вертикальная составляющие скорости движения и направленная вниз (гидравлическая крупность), а также скорость взвешивания - направленная вверх.
С целью исследования движения породных частиц при ведении добычных работ на дне Тихого океана и изменения геоэкологической обстановки при грун-тозаборе в зоне подводной добычи полиметаллических конкреций, был проведен эксперимент под названием BIE (Benthic Impact Experiment). Он проводился Россией и США в течение десяти лет с 1990 по 2000 гг., с использованием земснаряда-дисторбера.
Всего донная операция одного цикла составила 98 часов, из которых цикл буксировки земснаряда-дисторбер, перемещающегося на лыжах по дну, занимала примерно 2 часа, большая часть времени уходила на спуск, подъём и завод дис-торбера на стартовые позиции.
Рис. 1. Разработка месторождений полезных ископаемых средствами придонного обогащения
Рис. 2. Выемочное классификационное средство придонного обогащения
В процессе экспериментов выемка производилась свободным всасом, но требуемых параметров гидросмеси получено не было. Тогда было применено водонасыщение с удельным расходом воды 1 м3/м3’ путём подачи воды в массив через специальные форсунки. Водяная струя, воздействия на несвязанный грунт, разрывает связи между частицами, приводит их в движение и перемешивает с водой, в результате чего расстояние между частицами увеличивается и песчаный грунт получает подвижность, т.е. образуется диффузированная водогрунтовая масса, которая может быть подана в полость грунтоприёмни-ка. При этом было зафиксировано, что консистенция пульпы повысилась почти в 6 раз при увеличении объёма вынутого осадка с 1,6 тыс. т до 5 тыс. т при сокращении объёма перекачиваемой пульпы в двое. При выполнении первых проходов из-за сравнительно плотной структуры дна расчитанная глубина воронки выемки под насосом составляла до 2-3 см, при этом максимальная глу-
бина соответствовала скорости перемещения около 0,6 узла, т.е. 0,3 м/с.
Анализируя данные натурных наблюдений на глубинах более 4 км, отмечаем:
-- фоновая мутность практически равна нулю, что соответствует теории неразмывающих скоростей, которая утверждает, что при скорости меньше 24 см/с даже самый мелкий песок не трогается с места, а при скорости 2 см/с не наблюдается трогание фракции менее 0,001 мм;
осаждение мелких частиц крупнее
0,1 мм будет на расстоянии 50 м, а частицы 0,01 мм будут вынесены на расстояние 5 км и более при скорости 2 - 5 см/с, и это соответствует данным наблюдений;
-- при выбросе со скоростью 2 м/с расчётный перенос частиц на расстояние 400 м соответствует крупности 0,2 - 0,3 мм.
Сравнительный анализ работы гидравлического земснаряда «дисторбер» с параметрами породазабора промышлен-
ных самоотвозных снарядов с волочащимися грунтозаборниками на Балтийском шельфе в 1966 - 1969 г.г. показал их аналогичность.
Сущность действия всасываемого землесосом потока и затопленной струи на разрабатываемый грунт состоит в следующем: в период грунтозабора по контуру всасывающего отверстия грун-топриёмника происходит размыв грунта всасывающим потоком и подача его в полость грунтоприёмника. Кроме того, под действием перепада давления между полостью грунтоприёмника и окружающей его средой на поверхности песчаного грунта между зёрнами песка создаётся фильтрационный ток воды, находящейся в порах грунта, который несколько взвешивает частицы грунта и последние подхватываются всасываемым потоком.
Проведённый анализ выявил, что эффективность гидравлического поро-дозабора определяется не только системой скоростей размывающей и всасывающей, но и скоростью перемещения породозаборника по дну разрабатываемого полигона.
Сопоставление данных результатов исследований работы «дисторбера» с данными по самоотвозным морским снарядам показало, что имеется зависимость, которая связывает производительность снаряда со скоростью перемещения. При увеличении скорости перемещения вначале наблюдается параболическое увеличение консистенции до определённой величины, а затем уменьшение.
В результате анализа было выявлено, что:
-- эффективность пульпообразова-ния, т. е. производительность по породе, зависит не только от таких известных характеристик породы, как скорость размыва и скорость всасывания, но и от
скорости перемещения аппарата по полигону; при этом для создания необходимой производи-тельности должно быть обеспечено рациональное значение совокупности скоростей размыва, всасывания и перемещения грунтозаборного устройства;
-- эффективность пульпообразова-ния значительно повышается на любых глубинах Мирового океана, если порода доводится до необходимой, рациональной влажности; полигонные испытания на «В1Е» показали, что расход воды на напорное водонасыщение должен быть равным производительности гидросмеси; отмечаем, что при этом общий расход жидкости на рыхление и породоза-бор практически равен расходу свободного всасывания;
-- высота разрабатываемого слоя увеличивается с увеличением скорости перемещения, достигая максимального значения при скорости порядка 1 узла, т.е. около 2 км/ч;
-- наблюдения показали, что при такой системе глубоководного поро-дозабора мутность вод на полигоне «В1Е» не изменялась в зоне всасывания; эти наблюдения позволяют утверждать, что гидравлический породозабор при напорном водонасыщении всасываемой породы не создаёт дополнительного экологического напряжения на полигоне;
-- выброс отработанных пульп должен производиться в специальных зонах, как показали наблюдения за так называемым «султаном» на полигоне «В1Е», возможен разнос повышенной мутности на значительное расстояние;
-- сформированная пульпа, как показывает изучение гидротермального режима на полигоне «В1Е», будет обладать температурой в районе первых положительных градусов, что создаст определённые сложности экологического
порядка при её подъёме из придонных зон.
Анализ изменения температур океанических вод по глубине указал на две возможные технологии гидроподъёма. Первая схема - подъём в донных океанических водах, но при такой схеме необходимо обеспечить высокую безопасность работ по намыву на судне, так как проливы донных вод с температурой 24 °С в поверхностные воды с температурой 20-26 °С приведут к негативным последствиям. При второй схеме -подъём с использованием поверхностных вод подаваемым в зону подготовки позволит исключить такие сложности. Проведённые расчёты по разработанной методике теплообмена между трубопроводной пульпой и окружающими водами океана показали предпочтительность второй схемы. Это вернуло нас к технологии гидроподъёма с использованием обменных аппаратов, по и - образной схеме, которая снимает многие технологические трудности.
Необходимость исключения подъёма на поверхность вмещающих пород, примазок и других породных элементов при такой схеме потребовала создания специальных аппаратов. Для определения их местоположения пришлось по новому проанализировать физику осаждения пульповых потоков, выпущенных из затопленных труб.
Анализ показал, что движение частиц этих потоков уже с глубин океана более 150 м носит наиболее сложный характер, чем принято считать, и представляет взаимодействие, по крайней мере, трёх скоростей: скорости выпуска, гидравлической крупности и скорости взвешивания частицы в трубопроводе.
Полученные закономерности, учитывающие такой механизм движения затопленных пульповых потоков, позволили сформировать методику определения
положения места загрузки отмытых конкреций в вертикальный трубопровод.
Для того чтобы отмыть конкреции от налипаний и примазок необходимо движение их в потоке на расстояние более 100 м со скоростью более 2-3 м/с, а вмещающие породы целесообразно складировать в местах, где присутствие морской фауны и флоры незначительно.
Таким образом, современная технологическая схема, сформированная на основе данных эксперимента «В1Е», представляется следующей.
Выемочные операции на дне осуществляет снаряд отрицательной или нулевой плавучести. Снаряд по плавучему трубопроводу также отрицательной или нулевой плавучести должен подавать пульпу на стационарную установку по отделению конкреций от илов. Установка должна быть расположена на расстоянии более 100 м при скорости движения пульпы не менее 2,5 м/с. Такие значения необходимы для того, чтобы оттереть частицы от примазок и налипаний. Отмытые конкреции складируются в бункер, откуда через аппарат загружаются в и - образный трубопровод и подаются на поверхность.
Создание таких технологий, с придонным обогащением может привести к снижению извлечения запасов из недр. С другой стороны такие процессы приводят к снижению расходов по добыче и переработке руды (россыпных песков) и, как следствие, увеличение объёма запасов в недрах при снижении их кондиций.
В таких условиях необходимо определить требования к кондициям полезного ископаемого.
Пусть в результате геологоразведочных работ установлена закономерность изменения объёма руды от минимального содержания включаемого в геологический подсчёт запасов F(A). При расчё-
тах традиционной технологии, основанной на определенной совокупности процессов, получена зависимость изменения затрат на разработку месторождения и величины минимально необходимого значения прибыли, т.е. /(А). Пересечение этих кривых соответствует объёму промышленных запасов полезных ископаемых (ресурсов). При использовании современных технологий их эффективность и возможности прироста ресурсов определяются из анализа известной зависимости определения минимального промышленного содержания как величины, покрывающие все затраты.
Если объём поднимаемого концентрата будет уменьшен почти в 10 раз, это может привести к снижению извлечения с 2-5 % до 20 %. При этом потери при выемке могут быть снижены путем применения специальных средств, которые создают в забое оптимальные условия выемки за счёт создания градиента гидростатического давления.
Одним из полезных свойств гидросферы, обеспечивающих
эффективность работы горных технологий и технических решений, может быть использование гидростатического давления, создаваемого за счёт формирования градиента присасывания (рис. 3, 4). Этот градиент по своей величине не должен превышать предельную прочность металла, под которым он формируется при работе на дне океана. С другой стороны такой градиент должен обеспечить
прилигориа трризавде ж днулиз и обработка полученных результатов. Для несвязных и малосвязных пород используется желобовидный размывающий по-родозаборник, представляющий собой опрокинутый вверх дном на поверхности разрабатываемой породы прямой или свернутый в спираль желоб с увеличивающимися по длине в направлении
Рис. 3. Результаты лабораторных испытаний породозаборных устройств
всасывающего патрубка поперечным сечением (рис. 3). Желоб на стенде был соединен со всасывающим патрубком 2 и опирался своими кромками 3 на поверхность забоя.
Считалось, что увеличение поперечного сечения желоба по длине приводит к уменьшению глубины потока в зависимости от свойств породы и величины перепада давления в желобе. Доминирующим способом разрушения породы при этом может быть либо процесс эрозийного размыва, либо разжижение породы, выпор ее по желобу во всасывающую трубу. В последнем случае неразрушенная, малосвязанная, водонасыщенная порода попадает в желобовидный наконечник за счет его вдавливания под действием присасывания к целику. Порода загружается внутрь желоба за счёт градиента гидростатического давления, разжижающим или выпирающим породу в направлении увеличения проходного сечения желоба, поэтому она испытывает только одноосное сжатие и не имеет препятствий при продвижении по желобу.
При этом, если желоб вдавился в породу до своей крышки, то он оказывается перекрытым. Вода при этом поступает в желоб и всасывающую трубу только за счет фильтрации. Расход фильтрующей воды во всасывающую трубу ограничен поперечным сечением желоба. Если желоб вдавился в породу меньше чем до крышки, то порода может размываться водой, всасываемой через желоб. При этом каждая единица всасываемой воды контактирует с размываемой поверхностью на всей длине желоба, зна-чи-
тельно превышающей длину смываемого участка при всасывании круглым наконечником, и поэтому больше насыщается породой. Скорость воды под желобом определяется законами гидравлики и зависит от изменения его поперечного сечения и концентрации пульпы в желобе.
Забор породы не за счет всасывания, а за счет размыва или выпора породы под желобом обеспечивает надежный захват и транспорт всей массы, в том числе тяжелых металлов, в желобовидном гидравлическом породозаборнике. Выдавленный ножами или ножами и стенками кожуха блок породы, связанный с целиком по одной стороне, перекрывает проход в желоб и во всасывающую трубу подобно задвижке, нагружа-
ясь при этом изгибающими моментами от перепада давления, действующего на
блок. Под действием изгибающих нагрузок блок деформируется и отделяется, отламывается от целика, а затем перепадом давления отводится от плоскости излома. Таким образом, в отличие от механического резания с отделением стружки ножом или копания на суше применено гидравлическое вдавливание, а отделение стружки от целика и ликвидация призмы волочения осуществляются гидравлическими силами.
На (рис. 3) представлены результаты сравнительных испытаний породозаборных устройств. Эксперименты проводились в барокамере, позволявшей моделировать различные величины гидростатического перепада до 2 атмосфер на несвязном песке при применении различных породоза-борных устройств, непосредственно опирающихся краями на поверхность породы. Эти всасывающие устройства представляют собой спиральный желобовидный размывающий породозаборник с острыми опорными кромками 2, обычной круглой всасывающей трубой I и всасывающим наконечником с экранирующим кольцом и опорными ребрами 3.
В результате испытаний получены зависимости производительности поро-дозаборников по породе и объемной консистенции пульпы от перепада давления Р в породозаборнике.
В этих опытах было отмечено - у желобовидных породозаборников с круглой всасывающей трубы песок разжижался и поступал во всасывающую трубу за счет течения и выпора, а у всасывающего наконечника с экранирующим кольцом - песок поступал во всасывающую трубу в основном за счет эрозийного размыва.
Результаты, приведенные на (рис. 3 и
4), показывают, что в пределах перепада давления от 0,25 до 1,5 кг/см2 консистенция гидросмеси у желобовидных наконечников выше в 1,3 раза, чем при обычном всасе.
Эти эксперименты подтвердили, что желобовидное устройство обеспечивает более высокую консистенцию гидросмеси, чем круглый всасывающий наконечник.
В экспедиции на Ванькиной губе проводилось опробование гидравлического породозаборного устройства с напорными размывающими затопленными струями. (всасывающий наконечник с гидравлическим рыхлителем). При этом консистенция гидросмеси достигала 1:4, размывающая скорость была
Рис. 4. Результаты испытаний желобовидного и круглого всасывающих наконечников на глубинах 170 м
равна 1,2 м /с, заложение откосов подводной выемки составляло 1:4.
Модель эластичного желобовид-ного породозаборника испытывалась также в Хаарстанской губе. Она использовалась для всасывания верхнего слоя песка на глубину до 0,5-1 м.
Результаты испытаний, представляющие собой зависимость производительности Qгц по породе от скорости всасывания Увт, представлены на (рис.
5). Желобовидный породозаборник подсоединялся к погружному насосу ГН0М-10, который имел производительность по гидросмеси до 25 м3/ч.
Испытания показали, что при скоро -стях всасывания более 4 м/с производительность по породе у желобовидного породозаборника выше чем у круглого всасывающего наконечника
Рис. 5. Результаты испытаний в 1970 г. в Хаарстанской губе породозаборных устройств
на 30 % и более. При этом обычный всасывающий наконечник с диаметром 63 мм, обеспечивает повышение производительности по сравнению с желобовидным породозаборным устройством диаметром 40 мм, только на 25-27%, а площадь его живого сечения больше, чем у желобовидного породозаборника на 40 %.
Эти эксперименты показали, что при присасывании необходимо увеличить площадь контакта и максимально создать градиент давления за счёт мгновенного заякоривания. Аналогичный результат был получен в эксперименте К.А. Пятницкого [1].
Волочащиеся механические породо-заборники совместно с двумя параллельно соединенными погружными насосами ГНОМ-10 А испытывались в естественных условиях моря. Разрабатывались морские пески. Подводная зем-
лесосная установка с волочащимся механическим породозаборником буксировалась судном. Глубина разработки была от 7 до 12 м. Производительность по породе составляла от 16 до 36 м3/ч.
Максимальное отношение объема породы к объему забранной свободной воды (объемная консистенция) достигало 1:3, а при работе с круглым всасывающим наконечником это отношение составляло 1:6, производительность по породе равнялась 2,5 м3/ч. При работе с палубным непогружным землесосом консистенция была равна 1:10.
Зависимость консистенции пульпы £ от скорости папильонирования (буксировки) Уп механического породозабор-ника и его производительность по породе представлены на (рис. 6).
Из этих исследований следует, что применение механического породо-
Рис. 6. Результаты испытаний породозаборника с погружным грунтовым насосом
заборника существенно повышает производительность по породе и консистенцию пульпы. При этом на производительность существенно влияет также скорость папильонирования.
Полученные результаты подтверждаются материалами проведенного анализа экспериментальных данных по работе земснарядов на континентальном шельфе, выполненном К.А. Пятницким, а на глубинах Мирового океана - Б.К. Ширяевым [1].
Исследования показали, что при функционировании присасывающихся породозаборных устройств обеспечивается формирование градиента давления,
создающего размывающую и всасывающую скорость и, самое главное, отрыв куска породы и его текучесть, а также вдавливание наконечника в массив по всему периметру. При этом производительность по породе увеличивается на 30-50 %, что обеспечивает значительное снижение затрат на добычу.
Проведённые исследования позволили установить зависимость изменения эффективности добычи полезных ископаемых в гидросферах с придонным обогащением при применении указанных типов породозаборных устройств на различных глубинах (рис. 7).
С > Пэ / £, (в 1§фт + С) + +Са
/ 1э + (Ут - Ув)со8 а/(1 + кп) +
МИз/ / 0,5 1б2 в,
где Пэ - площадь вдавленного сечения,
2
м ; 1э - периметр сечения, перпендикулярного забою, м; в - нормальное напряжение, необходимое для отрыва породы, кгс/см2; фт - угол внутреннего трения, рад; Ст - сцепление породы на срез, кгс/см2; Со - сцепление породы на разрыв, кгс/см2; 1э - длина пути от края породозаборника до оси пульпозабор-ника, м; ут - объем плотности твёрдой фазы, кг/м3; ув - объём плотности гидросферы, кг/м3; а - угол наклона дна к горизонту, рад; кп - водонасыщенность забоя; Миз - изгибающий предельный мо-
мент, кг/м; 1б и в - длина и ширина вдавливаемой площади, м.
Расчёты показали, что реализация предлагаемой технологии использую-
Рис. 7. Зависимость изменения эффективности добычи полезных ископаемых в гидросферах с придонным обогащением
щей условия работы в гидросфере и её воздействие на породозабор с целью повышения консистенции гидросмеси, увеличивает производительность установки и снижает затраты на добычу на 1/3. Анализ зависимости показал, что дальнейшее снижение затрат может быть достигнуто за счёт дополнительного увеличения водона-сыщения разрабатываемых пород.
Таким образом формируется технология добычи полезных ископаемых в гидросферах с использованием свойств окружающей среды.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов /Г.А. Нурок, Ю.В. Буякин; Ю.В. Бубис и др. М., Недра, 1979.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Кафидов Н.Г. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
