CC BY
2
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2023;(11-1):159-174 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.271.5 DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_159
КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРЫ МЕХАНИЗМОВ ШАГАНИЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСА ДОБЫЧИ РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ПО МОРСКОМУ ДНУ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Д.А. Юнгмейстер1, М.П. Смоленский1, А.И. Исаев1, Ф.А. Ефимов2
1 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected] 2 ООО «Механобр-Урал», Екатеринбург, Россия
Аннотация: Рассмотрены конструкции и параметры механизмов шагания для комплекса добычи полезных ископаемых глубоководной зоны. Рассмотрены геологические характеристики железомарганцевых конкреций и кобальт-марганцевых корок. Проведен анализ существующих аналогов технологий добычи. Проанализированы общие компоненты всех рассматриваемых вариантов добычных комплексов, замечания, которые необходимо учитывать при разработке новых технологий глубоководной добычи. Дано описание предложенного комплекса и сравнение его производительности при различной скорости подъема и спуска добываемого материала. Расчетная производительность по полезной массе ископаемых считается рентабельной при скорости подъема заполненного коллектора выше 2 м/с. Описан алгоритм шагания и рассчитана скорость передвижения вспомогательного устройства захвата и переноса придонного оборудования, основываясь на выборе насосной установки с характеристиками, позволяющими работать в придонной области. Для того, чтобы переместить коллектор или бокс-ангар с зарядной станцией на 30 м, понадобится 9 мин. Проведено экспериментальное исследование двух образцов опорной части механизма шагания на предмет влияния гидродинамических сил сопротивления среды при движении объектов, по результатам которого сделан вывод о требуемых конструктивных особенностях опорного органа рычага перемещения.
Ключевые слова: полезные ископаемые глубоководной зоны, комплекс добычи, железо-марганцевые конкреции, придонное добычное устройство, шагающее устройство захвата, производительность комплекса, кабель-трос, алгоритм шагания, силы сопротивления.
Для цитирования: Юнгмейстер Д. А., Смоленский М. П., Исаев А. И., Ефимов Ф. А. Конструкции и параметры механизмов шагания для комплекса добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2023. - № 11-1. - С. 159-174. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_159.
Designs and parameters of stepping mechanisms for the complex of extraction of minerals scattered on the seabed
D.A. Yungmeister1, M.P. Smolensk»1, A.I. Isaev1, F.A. Efimov2
1 Empress Catherine II Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia, e-mail: [email protected] 2 «Mekhanobr-Ural» LLC, Ekaterinburg, Russia
© Д.А. Юнгмейстер, М.П. Смоленский, А.И. Исаев, Ф.А. Ефимов. 2023.
Abstract: The work is devoted to the description of designs and parameters of stepping mechanisms for deep sea mining complex. The geological characteristics of ferromanganese nodules and cobalt-manganese crusts are considered. An analysis of existing analogues of mining technologies is carried out. Common components of all considered variants of mining complexes are analyzed, remarks which should be taken into account when developing new technologies of deep-water mining. The description of the proposed complex and comparison of its productivity at different rates of lifting and lowering of the extracted material are given. The estimated productivity by payload is considered to be profitable when the ascent speed of the filled reservoir is higher than 2 m/sec. The stepping algorithm is described and the movement speed of the auxiliary device for capturing and carrying the bottom equipment is calculated, based on the choice of a pumping unit with characteristics that allow working in the bottom area. It would take 9 minutes to move the collector or box-anchor with charging station to 30 meters. Experimental study of two samples of the support part of the stride mechanism on the influence of hydrodynamic forces of medium resistance during the movement of objects has been carried out, according to the results of which a conclusion has been made about the required design features of the support body of the displacement lever.
Key words: deep-sea minerals, mining complex, ferromanganese nodules, bottom mining device, walking gripper, complex productivity, cable-tether, walking algorithm, drag forces. For citation: Yungmeister D. A., Smolenskii M. P., Isaev A. I., Efimov F. A. Designs and parameters of stepping mechanisms for the complex of extraction of minerals scattered on the seabed. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2023;(11-1):159-174. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1 493 2023 111 0 159.
Геология глубоководных полезных ископаемых
На сегодняшний день проблема освоения глубоководных ресурсов морского дна является актуальной по ряду причин [1 — 3]. Первоочередная причина состоит [4] в перспективе истощения земных месторождений кобальта, мар-
ганца и других ценных металлов, используемых во многих отраслях промышленности [5 — 7].
Кобальт-марганцевые корки (КМК) (рис. 1) имеют глубину залегания от 1000 до 3000 м. Располагаются эти глубоководные полезные ископаемые либо отдельно друг от друга в виде подвод-
Рис. 1. Железомарганцевые конкреции (а) и кобальтоносные марганцевые корки (б) Fig. 1. Iron-manganese nodules (a) and cobalt-bearing manganese crusts (b)
ных гор — гайотов, либо группой вулка-нотектонических массивов [8 — 10]. Под гайотами подразумеваются горы абразионного происхождения, поднимающиеся со дна, с крутыми склонами и плоской вершиной. Концентрация КМК на дне внушительна: на одно рудное поле с несколькими участками приходится до 40 млн т сухой руды.
Железомарганцевые конкреции (ЖМК) (см. рис. 1) имеют глубину залегания от 4000 до 6000 м. Данный вид придонного сырья рассредоточен по морскому дну в виде сферических отложений диаметром от 5 до 20 см. Учитывая плотность
распределения конкреций на одном квадратном метре, можно утверждать, что с участка 700*700 м можно поднять до 5880 т ЖМК.
Согласно данным проведенных исследовательских экспедиций установлены характеристики КМК:
• удельная плотность 1,6-2,17 г/см3;
• значение пористости 43 — 74%;
• пределы прочности на сжатие и растяжение соответственно 0,5 — 16,8 и 0,1 — 2,3 МПа.
ЖМК обладают малой прочностью (100 кПа) и плотностью (1,5 — 2 г/см3) [11, 12].
№ Название Состав комплекса Стадия готовности Недостатки концепции
1 Технология концерна Nautilus Minerals Гидротранспорт и подземная, карьерная техника: комбайны, бункеры для сбора Конструирование опытного образца, его промышленное испытание Технология лишена способа придонного первичного обогащения (селекции) собираемых ископаемых
2 Технология «Южмор-геология» Гидротранспорт [22 — 24] и комбайн с барабанным рабочим органом, бункеры для сбора Техническая документация (чертежи, модели) То же, что в п. 1, табл. 1.
3 Технология добычи кассетными траллами МИСиС и МГРИ Судно, кассетный трал с сетчатой емкостью [25], баллоны со сжатым воздухом Патент на способ добычи, лабораторные исследования Затруднительное управление ковшом-сборщиком, технология лишена способа придонного первичного обогащения (селекции) собираемых ископаемых, высокая сложность конструктивного исполнения баллонов с сжатым воздухом для требуемой глубины
4 Технология Санкт-Петербургского горного университета и ООО «ГИКО» [26] Сборщики, перемещающиеся на рукоятях с ударниками [27, 28] или камерами разрежения и бункерами, канатный подъем Технический проект Сложность отдельных машин агрегата, необходимость отработки технологии, необходимость использования большого числа сборщиков на один бункер
Таблица 1
Анализ основных известных концепций освоения
твердых полезных ископаемых (ТПИ)
Analysis of the main known concepts of TPI development
Существующие аналоги
и комплекс для добычи ЖМК
Основываясь на результатах опытов разработки глубоководных полезных ископаемых, выделены ключевые показатели, влияющие на производительность всех типов морских добычных агрегатов, и в общем и целом, на концепцию конструирования системы добычи придонных ископаемых [13 — 17]: уменьшение создаваемых морских шлейфов при движении агрегата по дну, исключение тесного контакта (прижатия и погружения) в иловые мягкие донные отложения, сокращение трудозатрат на подъем полезных ископаемых на судно-сборщик [18].
На сегодняшний день представлены различные концепции освоения морских твердых полезных ископаемых [19 — 21]. Основные из них представлены в табл. 1.
Общими компонентами представленных комплексов для добычи глубоководных твердых полезных ископаемых являются:
• судно обеспечения с необходимой оснасткой;
• транспортная система подъема-спуска бункеров и агрегатов сбора;
• придонный глубоководный сборщик тПи.
Для гидротранспортной системы подъема [29] недробленых ЖМК/КМК требуется создание трехслойной трубы, наличие промежуточных капсул с насосами. Трубы должны включать в свою конструкцию наружный прочный и твердый слой, устойчивый ко всем внешним воздействиям, легкий промежуточный слой и внутренний износоустойчивый слой, обладающий минимальным коэффициентом сцепления с транспортируемой внутри трубы пульпой. В настоящее время изготовление подобного гидротранспорта отечественными производителями затруднительно.
Существующие предложения транспортных систем, использующих тросовый подъем-спуск, имеют ряд требований [30, 31]:
• необходимо производство и использование кабель-тросов с повышенным разрывным усилием, например, с кев-ларовой оплеткой;
• комплекс должен обеспечиваться устройствами для операций перегрузки и загрузки: бункеры, питатели, передвижные шагающие захватывающие устройства [32] для переустановки оборудования;
• следует учитывать внешние факторы (волнение моря, подводные течения) при проектировании: в конструкции устройства необходимо наличие компенсации вертикальных колебаний троса;
• рентабельная производительность комплекса зависит от непрерывности процесса добычи и наименьших временных затрат на подъемно-спусковые операции.
Комплекс для добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых [26], представленный на рис. 2, является техническим средством добычи с минимальным воздействием на биоту морского дна. Он включает в себя судно обеспечения, станцию с подводными шагающими аппаратами [33] (роботами-отбойщиками или роботами-сборщиками, в зависимости от назначения), зарядную станцию для автономных плавающих роботов-сборщиков, бункер для сбора полезных ископаемых и др.
С судна обеспечения 1 последовательно с помощью лебедок 2 и захватной рамы 4 на дно спускаются вышеперечисленные подводные агрегаты (ПА), имеющие связь кабель-тросом с судном. Из бокс-ангара 7 выплывают микророботы 8, захватывают ЖМК и перемещают их в бункер 6. При полном заполнении бункера с помощью захватной рамы 4 его поднимают на судно 1 для
1 - базовое судно, 2 - лебедка, 3 - кабель-трос, 4 - рама с ходовыми винтами и захватами, 5 - платформа с шагающими роботами для сбора или откалывания породы, 6 - резервуар-коллектор, 7 - бокс-ангар с зарядной станцией для автономных микророботов, 8 - микророботы, 9 - шагающий робот-откалыватель, 10 - передвижное шагающее устройство захвата для переустановки оборудования
Рис. 2. Комплекс для добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых Fig. 2. Complex for the extraction of minerals dispersed on the seabed
разгрузки. Расчет производительности представленного комплекса зависит от множества факторов [34]: временные затраты на подъем, разгрузку и спуск бункера, перемещение бункера с участка на участок, плотность конкреций на 1 м2.
Временные затраты зависят от геометрических и силовых параметров сборщиков, скорости их передвижения, на что также влияют и внешние факторы: гидродинамические силы, течения, подводные объекты.
Таблица 2
Параметры тросовой установки Parameters of the cable system
Разработаннаятехнология[26] может являться основой для создания опытного образца, однако для дальнейшей работы необходим высокоэффективный способ подъема с минимальными временными затратами, чтобы обеспечить рентабельную производительность. При плотности распределения конкреций на 1 м q = 12 кг/м2 с учетом 60% сбора время заполнения бункеров полезной массой 50 и 100 т составляет соответственно: 93 и 186 мин. Параметры подъемной установки представлены в табл. 2 [35].
Запас прочности 1,5
Разрывное усилие, кН 2000
Сопротивление движению в воде, кН 22
Динамическая составляющая растягивающего усилия, кН 180
Вес каната, кН 60
Полезный вес груза, кН 1000
T = 2-(t
ц v <
спуск/подъем ^захват/разгрузУ
+ n • t
Определение
производительности комплекса
Время цикла добычи конкреций отображено в формуле (1):
з) +
""переуст.бунк.' (1)
где г — время, затрачиваемое на
спуск/подъем г 7 г
спускоподъемные операции в интервале от 28 до 278 мин для глубины 5 км при скорости спуска в интервале от 0,3 до 3 м/с; г — время, затрачива-
7 захват/разгруз. г 7 г
емое на захват вспомогательного оборудования и разгрузку ископаемых на судно/баржу, составляющее соответственно 5 мин; п — число переустано-
вок бункера, 0—3; г , — время
переуст.бунк.
переустановки бункера в минутах, зависит от скорости шагания передвижного захватывающего устройства.
Производительность комплекса по массе добытого материала в год рассчитывается по формуле (2):
= (в/ Т) • Г , (2)
компл 4 ц' ч/год7 4 '
где в — полезная масса груза, т; Гч/год — рабочие часы в году (6800 ч).
По вышеуказанным значениям построены зависимости годовой производительности комплекса добычи ЖМК/ КМК от скорости подъема/спуска тросовой установкой и времени цикла этих
g 400 000
(3 300 000
100 000
(
J*
>—
p M
0,5
1,5
2,5 3 3,5
v подъема, м/с
-•— G = 46T
-•—G = 92T
4 5
Т спуск/подъем, ч
Рис. 3. Зависимости годовой производительности комплекса от скорости подъема/спуска и времени цикла для коллекторов разной грузоподъемности
Fig. 3. Dependencies of the annual capacity of the complex on the lifting/descending speed and cycle time for collectors of different capacities
Рис. 4. Алгоритм шагания устройства захвата оборудования Fig. 4. Algorithm of stepping of the gripper equipment
операций (рис. 3). Рентабельная производительность 0,5 млн т/год достигается при подъеме/спуске со скоростью 2,4 м/с резервуара грузоподъемностью 100 т.
Для перемещения вспомогательного оборудования целесообразно использовать шагающее захватное устройство для переустановки с участка на участок, например, бокса-ангара (рис. 4).
Для работы на глубине 5000 м необходимо подобрать насос с расходом, способным обеспечивать быстрое выдвижение штока гидроцилиндра и, соответственно, быстрое передвижение подводного аппарата. Радиально-поршне-вой регулируемый насос 50 НРР 500Г имеет характеристики, подходящие под выполнение расчета параметров гидроцилиндров (табл. 3).
Бункер для сбора ЖМК, грузоподъемностью 100 т, с габаритами 3*4*5 м предположительно имеет каркас из титана толщиной 50 мм и массой до 11,5 т. Таблица 3
Характеристики насоса серии 50 НРР Characteristics of the Series 50 HPP Pump
Требуемое суммарное усилие воздействия на рычаги подводного аппарата при вертикальном выдвижении телескопической части (ТЧ) рычага (позиция 1, рис. 4):
^Усум.усил. = д -(т -рУ) = >
= 9,81 ((100 000 +11362) - (3)
-1000 • 2,5) = 1067 936 Н
где т — сумма веса конкреций и веса бункера, кг; р — плотность окружающей морской воды, кг/м3; V — объем вытесненной подводным аппаратом жидкости, м3.
Количество рычагов передвижения N = 6, требуемая толкающая сила штока поршня гидроцилиндра подъема будет равняться усилию, прилагаемому к рычагу при количестве точек опоры N = = 3. Поскольку в начальный момент времени скорость потока равна 0, на данном этапе расчета сила гидродинамического сопротивления Р равна 0.
г сопр г
Наименование Рабочий объем,см3 Подача (расход) номинальная, л/мин Давление, МПа Масса, кг
номинальное максимальное
50 НРР 500Г 500 423 50 63 524
F = (F /3) + F
рычаг v сум.усил. ' 7 сопр
= 355 980 H.
Требуемое минимальное значение диаметра поршня и штока гидроцилиндра определяется соотношением:
в=лГ'рУрычаг-к =
к-р
4-355 980
■1Д =
171-63 ООО ООО = 0,093 м = 93 мм (5) & = О • 0,7 = 93 • 0,7 = 66 мм. (6)
Длина хода поршня принимается равной 1 м. Объем поршневой полости:
У = /_-л-/?2 =1-3,14 - 0,04 652 =
= 0,0068 м3. (7)
Скорости движения поршня при подаче жидкости в поршневую уп и штоко-вую уш полости (при учете коэффициента мощности к = 0,85 и коэффициента потери времени на разгон и торможение к = 0,75) рассчитывается по формуле:
_<?н_ 4-0,00705-0,85-0,75 _ 5П ~ 3,14-0,0932
= 0,66 м/с, (8)
где Qh — подача насоса (м3/с); 5п — площадь поршня (м2),
V... =
4-0,00705-0,85-0,75
5П-5Ш 3,14-(0,0932 -0,0662)
0,01798 „ ,„ .
= —-= 1,33 м/с, (9)
0,01348
где 5ш — площадь штока, м2.
Полученная скорость движения поршня гидроцилиндра при подаче жидкости в штоковую или поршневую части позволяет рассчитать общее время передвижения подвижного портала на 1 м, то есть определить его скорость. В табл. 4 представлено описание схемы передвижения шагающего подводного аппарата и время, затрачиваемое на каждую фазу.
Таким образом, определены варианты параметров гидроцилиндров и насосов, при эксплуатации которых скорость шагания передвижного устройства составляет 0,06 м/с. Для того, чтобы переместить коллектор или бокс-ангар с зарядной станцией на 30 м понадобится 9 мин, без учета времени захвата вспомогательного оборудования.
Таблица 4
Описание схемы шагания захватного устройства Description of the stepping algorithm of the gripper device
Поз.1 Вертикальный подъем рычагов 1 — 6 fj = L/vn = 1,52 с
П03.2 Подъем, выдвижение, опускание рычага 6 —» подъем рычагов 1, 2,4 t2 = 1,52 + 1,52 + 0,75 + + 1,52 = 5,31 с
Поз. 3 Задвигание ТЧ рычага 6 и выдвижение ТЧ рычага 3, поворот рычага 5 в направлении движения, выдвижение рычагов 1, 2 в поднятом состоянии t3 = 1,52 + 1,52 = 3,04 с
П03.4 Опускание рычагов 1, 2,4 —» подъем рычагов 3, 5, 6 i4 = 1,52 + 0,75 = 2,27 с
Поз. 5 Задвигание ТЧ рычага 1, выдвижение ТЧ рычага 4, поворот рычага 2 в направлении движения —» рычаги 3, 5, 6 принимают положения для следующего движения ts = 1,52 + 1,52 = 3,04 с
Поз. 6 Опускание рычагов 3, 5, 6 —» подъем рычагов 1, 2,4. Повтор цикла движения с позиции 2 f6 = l,52c
Полный цикл шагания = tl + t2 + 4 + t< + + t5 + t6 = 16,71 с
Рис. 5. Предварительные экспериментальные исследования объектов разной формы для определения сопротивлений их движению в стендовом аквариуме
Fig. 5. Preliminary experimental studies of objects of different shapes to determine the resistance of their movement in the bench aquarium
Экспериментальное исследование сопротивления движению образцов в стендовом аквариуме
Формула (4) должна быть скорректирована с учетом дополнительных усилий на рычагах с гидравлическим сопротивлением. Сопротивление тела при движении в жидкости в общем случае состоит из сопротивления трения (10) и сопротивления давления (11). Гидродинамические силы при движении рычагов необходимо учитывать в зависимости от направления движения.
Представлена известная формула для нахождения лобового сопротивления движению тела в жидкости:
^ = А • s,
(10)
где сх — безразмерный коэффициент, определяется как функция критерия Рей-нольдса (Яё) и рассчитывается по общепринятым формулам, например, по формуле Прандтля-Шлихтинга; 5 — смоченная поверхность; р — плотность среды; V — скорость объекта. Яё в случае рассмотрения движения объекта определяется как функция длины объекта.
Сопротивление давления определяется разностью давлений на фронтальную и тыльную поверхности объекта, и от числа Яё не зависит. Формула сопротивления приобретает вид:
сх = 0,455 /(1дЯе)25, (11)
где L — характерный линейный размер; сх — коэффициент сопротивления, который для пластин, расположенных поперек потока, с L /В ^ 5 может быть принят равным 1,2.
При обтекании образцов поперек потока 98% сопротивления будет сопротивлением давления, сопротивлением трения можно пренебречь.
Для установления зависимости усилия от скорости подъема образца были проведены предварительные экспериментальные исследования с двумя объектами различной формы. Лабораторная установка представляет собой стеклянный резервуар 1*0,5*1 м, измерительным прибором служат электронные весы марки «Energy» с ценой деления 5 г. Испытуемые объекты с разной скоростью вертикально поднимались в стендовом аквариуме на высоту до 0,5 м (рис. 5). С помощью датчика определялась суммарная сила сопротивления подъему объекта.
По результатам исследований построены зависимости усилий подъема модели опорной части рычага от скорости вертикального подъема (рис. 6). Значения, задаваемые изначально, и полученные в ходе измерений, как среднее арифметическое пяти замеров, представлены на графике.
Серия предварительных опытов, выполненных в аквариуме, связана с ис-
F, H
12
11
10
о •
О • —- о • ____ 8 •
о / о / 0
• / О • •
•
1
ряд 1 ряд 2 ср.знач F1 ср.знач F2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 V, М/С Рис. 6. Зависимости усилий подъема модели опорной части рычага от скорости вертикального подъема Fig. 6. Dependencies of the lifting forces of the lever support model on the vertical lifting speed
следованием небольших деталей, поэтому требуется определить критерий подобия: сравнить разницу в величине гидродинамического сопротивления деталей, имеющих существенно большие размеры. Следуя графику на рис. 6, даже если силы сопротивления на несколько порядков будут отличаться от значений, полученных в результате предварительного экспериментального исследования, эти силы будут несоизмеримо меньше усилий, рассчитанных по формуле (4).
Предварительные экспериментальные исследования включали также сравнительные замеры сил сопротивления перемещению в воде образцов различной конструкции, что является важным для того, чтобы определять конструкцию перемещаемых в воде узлов (рычагов, элементов конструкций и т. д.). Так, например, при сравнении перемещения в воде конструкций трубчатого, эллипсоидного и уголкового сечения, наименьшие затраты наблюдались у эллипсоидной трубы.
Сравнение зависимостей согласно рис. 6 показывает, что у образца 1 (диск из латуни) характер изменения силы со-
противления от скорости подъема менее выражен, чем у образца 2 (диск из абразива), при том, что площади поверхностей образцов соответственно равны 95 и 170 см2. Подобная интенсивность изменений у образца 2 связана с наличием осевого отверстия, через которое при подъеме проходит турбулентный поток жидкости. Силы сопротивления перемещению конструкций в воде могут быть учтены коэффициентом кги (кги > 1,1), на величину которого должна быть увеличена минимальная сила тяги подводного аппарата при вертикальном выдвижении ТЧ рычага в формулах (3) и (4). Рациональной конструкцией отдельных частей рычагов следует считать эллипсоид со сквозными отверстиями.
Выводы и рекомендации
Существует проблема морской добычи КМК/ЖМК, поскольку апробированной технологии нет, что связано с отсутствием техники высокопроизводительного подъема с глубины более 4 км собранных полезных ископаемых. Разработана универсальная технология, основанная на канатном подъеме, добыче
как ЖМК, так и КМК. Лабораторные исследования позволяют определить параметры элементов подвижных агрегатов при движении в воде с разной скоростью и габаритами. Определены значения времени цикла, зависящие от времени спуска/подъема коллектора, времени захвата/разгрузки коллектора, количества и времени его переустановок.
Рентабельная производительность комплекса по добыче ЖМК/КМК (равна 0,5 млн т/год) достигается его применением при использовании высокоэффективной подъемной установки, минимизирующей временные затраты на спуск и подъем оборудования на глубину 5 — 6 км. При этом предлагается использовать шагающее захватное устройство грузоподъемностью до 100 т для быстрого перемещения оборудования с участка на участок со скоростью 0,06 м/с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Для создания опытного образца добычного комплекса по работе на участках морского дна, закрепленных за РФ, одной из наиболее важных и сложно разрешимых задач является создание высокоэффективной канатной установки с грузоподъемностью 100 т полезного ископаемого, работающей в диапазоне глубин 4 — 6 км, позволяющей выполнять операции по подъему и спуску всего вышеперечисленного перечня оборудования. В настоящее время требуется максимально интенсифицировать работы по созданию машин опытного образца с шагающими сборщиками/отбойщиками для разработанной СПГУ совместно с ООО «ГИКО» технологии добычи глубоководных ЖМК/КМК, позволяющих минимизировать влияние придонных работ на экологию придонных областей [17].
1. Weaver P. P. E., Aguzzi J., Boschen-Rose R. E, Colaco A., de Stigter H, Gollner S., Haeckel M, Hauton C, Helmons R, Jones D. O. B, Lily H., Mestre N. C, Mohn C, Thomsen L. Assessing plume impacts caused by polymetallic nodule mining vehicles // Marine Policy. 2022, vol. 139, no. 5. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105011.
2. Sakellariadou F, Gonzalez F. J., Hein J. R, Tomás B. R, Arvanitidis N, Kuhn T. Seabed mining and blue growth: Exploring the potential of marine mineral deposits as a sustainable source of rare earth elements (MaREEs) (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2022, vol. 94, no. 3, pp. 329-351. DOI: 10.1515/pac-2021-0325.
3. Levin L. A., Amon D. J., Lily H. Challenges to the sustainability of deep-seabed mining // Nature Sustainability. 2020, vol. 3, pp. 784-794. DOI: 10.1038/s41893-020-0558-x.
4. Быкова Е. Н., ХайкинМ. М., Шабаева Ю. И., Белобородова М. Д. Развитие методологии экономической оценки земельных участков для добычи и переработки твердых полезных ископаемых // Записки Горного института. - 2023. - Т. 259. - C. 52-67. DOI: 10.31897/ PMI.2023.6.
5. Корогодин А. С., Иванов С. Л., Князькина В. И., Газизуллина А. Р. Геотехнология и горно-обогатительный плавучий комплекс для освоения месторождения «Павловское» // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. - 2022. -№ 15. - С. 124-135. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-124-135.
6. Болобов В. И., Чупин С. А., Ахмеров Э. В., Плащинский В. А. Сравнительная износостойкость существующих и перспективных материалов быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования // Materials Science Forum. - 2021. - Т. 1040. -C. 117-123. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1040.117.
7. Бессонов А. Е., Шибанов Д. А., Михайлов А. В. Влияние эргатической системы на время рабочего цикла карьерного электрического экскаватора // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. - 2022. - № 15. - С. 136-141. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-136-141.
8. Евдокимов А. Н., Пхарое Б. Л. Особенности минерального и химического составов Северо-Западного рудопроявления марганца в районе Хайфельда, ЮАР // Записки Горного института. - 2021. - № 248. - С. 195-208. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.4.
9. Евдокимов А. Н., Пхарое Б. Л. Индикаторная роль редких и редкоземельных элементов Северо-Западного рудопроявления марганца (ЮАР) в генетической модели гипергенных марганцевых месторождений // Записки Горного института. - 2021. - № 252. -С. 814-825. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.4.
10. Katona S., Paulikas D., Stone G. S. Ethical opportunities in deep-sea collection of poly-metallic nodules from the Clarion-Clipperton Zone // Integrated Environmental Assessment and Management. 2021, vol. 18, no. 3, pp. 634-654. DOI: 10.1002/ieam.4554.
11. Amon D. J. Gollner S., Morato T., Smith C. R., Chen C., Christiansen S., Currie B., Drazen J. C., Fukushima T., Gianni M., Gjerde K. M, Gooday J. C., Grillo G. G., Haeckel M, Joyini T., Ju Se-J., Levin L. A., Metaxas A., Mianowicz K., Molodtsova T. N., Narberhaus I., Orcutt B. N., Swaddling A., Tuhumwire J., Palacio P. U., Walker M., Weaver P., Xu Xue-W., Mulalap C. Y., Edwards P. E. T., Pickens C. Assessment of scientific gaps related to the effective environmental management of deep-seabed mining // Marine Policy. 2022, vol. 138. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105006.
12. Zhou J., Cai P., Yang C., Liu S., Luo W., Nie X. Geochemical characteristics and genesis of ferromanganese nodules and crusts from the Central Rift Seamounts Group of the West Philippine Sea // Ore Geology Reviews. 2022. vol. 145, article 104923. DOI: 10.1016/j.oregeo-rev.2022.104923.
13. Дробаденко В. П., Малухин Г. Н., Луконина О. А., Салахов И. Н. Современное состояние проблем освоения твердых минеральных ресурсов дна морей и океанов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 3-1. - С. 99-109. DOI: 10.25 018/0236_1493_2021_31_0_99.
14. Вильмис А. Л., Буянов М. И, Калинин И. С., Тивоненко В. А. Твердые полезные ископаемые дна мирового океана-потенциальные объекты для развития геотехнологических методов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 3-1. -С. 147-154. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_147.
15. Serzhan S. L., Yungmeister D. I., Isaev A. I. Parameters of system with the dredge head for mining of ferromanganese nodules of the seabed // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 15, no. 19, pp. 2097-2104.
16. Теплякова А. В., Жуков И. А., Мартюшев Н. В. Применение бурильных машин с ударным кулачковым механизмом в различных горно-геологических условиях // Устойчивое развитие горных территорий. - 2022. - Т. 14. - № 3(53). - С. 501-511. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-3-501-511.
17. Теплякова А. В., Азимов А. М., Алиева Л., Жуков И. А. Обзор и анализ технических решений для повышения долговечности и улучшения технологичности элементов ударных узлов бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2022. - № 9. - С. 120-132. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_9_0_120.
18. Судариков С. М., Юнгмейстер Д. А., Королев Р. И, Петров В. А. О возможности уменьшения техногенной нагрузки на придонные биоценозы при добыче твердых полезных ископаемых с использованием технических средств различной модификации // Записки Горного института. - 2022. - Т. 253. - С. 82-96. DOI: 10.31897/PMI.2022.14.
19. Volkmann S. E., Lehnen F. Production key figures for planning the mining of manganese nodules // Marine Georesources & Geotechnology. 2018, vol. 36, no. 3, pp. 360-375, DOI: 10.1080/1064119X.2017.1319448.
20. Mukhopadhyay R., Naik S., Souza S. D., Dias O., Iyer S. D., Ghosh A. K. The economics of mining seabed manganese nodules. A case study of the Indian Ocean nodule field // Marine Georesources & Geotechnology. 2019, vol. 37, no. 7. DOI: 10.1080/1064119X.2018.1504149.
21. Королев И. А., Лавренко С. А. Технологические особенности взаимодействия гибкого тягового элемента и добывающей установки при разработке твердых полезных ис-
копаемых морского дна // Международный журнал прикладных инженерных исследований. - 2017. - Т. 12. - № 9. - С. 2031-2037.
22. Сержан С. Л., Медведков В. И. Особенности энергообеспечения грунтозаборного устройства добычного комплекса для подводной добычи // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - № 10. - С. 23-29.
23. Сержан С. Л. Оснащение грунтозаборного устройства рабочим органом с объемным гидродвигателем // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 10. -С. 39-42.
24. Александров В. И., Егоров И. В. Расчет глубины погружения буферной емкости в системах гидроподъема горной массы с морского дна // Горное оборудование и электромеханика. - 2015. - № 4. - С. 37-40.
25. Каширский А. С., Рахутин М. Г., Кириченко Ю. В., Кузин Е. А., Иващенко Г. С. Расчет производительности и обоснование параметров кассетного трала для добычи же-лезомарганцевых конкреций // Горная промышленность. - 2020. - № 1. - С. 155-159. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-155-159.
26. Юнгмейстер Д. А., Шпенст В. А., Гэигорчук А. В., Исаев А. И., Смоленский М. П. Патент № 2788227 РФ, 17.01.2023. Комплекс для добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых. 2023. Бюл. № 2.
27. Болобов В. И., Плащинский В. А. Влияние продолжительности удара на эффективность разрушения горных пород и пластического деформирования металлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 3. - С. 78-96. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_78.
28. Габов В. В., Задков Д. А., Нгуен Ван Суан, Хамитов М. С., Молчанов В. В. К проблеме совершенствования рабочего инструмента горных выемочных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 6-2. - С. 205-222. DOI: 10.250 18/0236_1493_2022_62_0_205.
29. Сержан С. Л., Скребнев В. И., Малеванный Д. В. Исследование влияния шероховатости стальных и полимерных труб на потери напора при гидротранспорте хвостовой пульпы // Обогащение руд. - 2023. - № 4. - С. 41-49. DOI: 10.17580/or.2023.04.08.
30. Ishiguro S., Masuda M, Komatsu M, Yamaji N., Kawano S. Development of the pilot system for test of excavating and ore lifting of seafloor polymetallic sulfides // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2018, vol. 55, no. 3, pp. 1-7.
31. Niner H. J., Ardron J. A., Escobar E. G., Gianni M, Jaeckel A., Jones D. O. B., Levin L. A., Smith C. R., Thiele T., Turner P. J., Watling L, Gjerde K. M. Deep-sea mining with no net loss of biodiversity-an impossible aim // Frontiers in Marine Science. 2018, vol. 5, pp. 1-12. DOI: 10.3389/fmars.2018.00053.
32. Шишкин Е. В., Большунов А. В., Тимофеев И. П., Авдеев А. М., Ракитин И. В. Модель шагающего пробоотборника для исследования донной поверхности подледнико-вого озера Восток // Записки Горного института. - 2022. - Т. 257. - С. 853-864. DOI: 10.31897/PMI.2022.53.
33. Бородкин Э. О., Королев Р. И. Устройство для сбора железомарганцевых конкреций с механизмом шагания / Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2019. Сборник научных трудов. - СПб.: СПбГУ, 2019. -С. 69-76.
34. Юнгмейстер Д. А., Сержан С. Л., Смоленский М. П. Расчет производительности добычного комплекса ЖМК с применением камер разрежения // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. - 2022. - № 15. - С. 171-176. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-171-176.
35. Yungmeister D. A., Ivanov S. E., Isaev A. I. Calculation of parameters of technological equipment for deep-sea mining // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 327, no. 2, pp. 216-221. DOI: 10.1088/1757-899X/327/2/022050. EES '
REFERENCES
1. Weaver P. P. E., Aguzzi J., Boschen-Rose R. E., Colaco A., de Stigter H., Gollner S., Hae-ckel M., Hauton C., Helmons R., Jones D. O. B., Lily H., Mestre N. C., Mohn C., Thomsen L. Assessing plume impacts caused by polymetallic nodule mining vehicles. Marine Policy. 2022, vol. 139, no. 5. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105011.
2. Sakellariadou F., Gonzalez F. J., Hein J. R., Tomás B. R., Arvanitidis N., Kuhn T. Seabed mining and blue growth: Exploring the potential of marine mineral deposits as a sustainable source of rare earth elements (MaREEs) (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022, vol. 94, no. 3, pp. 329-351. DOI: 10.1515/pac-2021-0325.
3. Levin L. A., Amon D. J., Lily H. Challenges to the sustainability of deep-seabed mining. Nature Sustainability. 2020, vol. 3, pp. 784-794. DOI: 10.1038/s41893-020-0558-x.
4. Bykowa E. N., Khaykin M. M., Shabaeva Y. I., Beloborodova M. D. Development of methodology for economic evaluation of land plots for the extraction and processing of solid minerals. Journal of Mining Institute. 2023, vol. 259, pp. 52-67. [In Russ]. DOI: 10.31897/ PMI.2023.6.
5. Korogodin A. S., Ivanov S. L., Knyaz'kina V. I., Gazizullina A. R. Geotechnology and mining and processing floating complex for the development of the Pavlovskoye field. Transport, mining and construction engineering: science and production. 2022, no. 15, pp. 124-135. [In Russ]. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-124-135.
6. Bolobov V. I., Chupin S. A., Ahmerov Je. V., Plashhinskij V. A. Comparative wear resistance of existing and prospective materials of fast-wearing elements of mining equipment. Materials Science Forum. 2021, vol. 1040, pp. 117-123. [In Russ]. DOI: 10.4028/www.scientific. net/MSF.1040.117.
7. Bessonov A. E., Shibanov D. A., Mikhaylov A. V. The influence of the ergatic system on the working cycle time of a quarry electric excavator. Transport, mining and construction engineering: science and production. 2022, no. 15, pp. 136-141. [In Russ]. DOI: 10.26160/26583305-2022-15-136-141.
8. Evdokimov A. N., Pharoe B. L. Indicator role of rare and rare-earth elements of the Northwest manganese ore occurrence (South Africa) in the genetic model of supergene manganese deposits. Journal of Mining Institute. 2021, no. 248, pp. 195-208. [In Russ]. DOI: 10.31897/ PMI.2021.2.4.
9. Evdokimov A. N., Pharoe B. L. Features of the mineral and chemical composition of the Northwest manganese ore occurrence in the Highveld region, South Africa. Journal of Mining Institute. 2021, no. 252. C. 814-825. [In Russ]. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.4.
10. Katona S., Paulikas D., Stone G. S. Ethical opportunities in deep-sea collection of polymetallic nodules from the Clarion-Clipperton Zone. Integrated Environmental Assessment and Management. 2021, vol. 18, no. 3, pp. 634-654. DOI: 10.1002/ieam.4554.
11. Amon D. J. Gollner S., Morato T., Smith C. R., Chen C., Christiansen S., Currie B., Drazen J. C., Fukushima T., Gianni M., Gjerde K. M., Gooday J. C., Grillo G. G., Haeckel M., Joyini T., Ju Se-J., Levin L. A., Metaxas A., Mianowicz K., Molodtsova T. N., Narberhaus I., Orcutt B. N., Swaddling A., Tuhumwire J., Palacio P. U., Walker M., Weaver P., Xu Xue-W., Mulalap C. Y., Edwards P. E. T., Pickens C. Assessment of scientific gaps related to the effective environmental management of deep-seabed mining. Marine Policy. 2022, vol. 138. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105006.
12. Zhou J., Cai P., Yang C., Liu S., Luo W., Nie X. Geochemical characteristics and genesis of ferromanganese nodules and crusts from the Central Rift Seamounts Group of the West Philippine Sea. Ore Geology Reviews. 2022. vol. 145, article 104923. DOI: 10.1016/j.oregeo-rev.2022.104923.
13. Drobadenko V. P., Malukhin G. N., Lukonina O. A., Salakhov I. N. Solid marine mineral mining: current situation. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021, no. 3-1, pp. 99-109. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_99.
14. Vilmis A. L., Buyanov M. I., Kalinin I. S., Tivonenko V. A. Solid mineral deposits of the world ocean-potential objects for the development of geotechnologies. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021, no. 3-1, pp. 147-154. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_147.
15. Serzhan S. L., Yungmeister D. I., Isaev A. I. Parameters of system with the dredge head for mining of ferromanganese nodules of the seabed. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 15, no. 19, pp. 2097-2104.
16. Teplyakova A. V., Azimov A. M., Alieva L., Zhukov I. A. Sustainable Development of Mountain Territories. 2022, vol. 14, no. 3(53), pp. 501-511. [In Russ]. DOI: 10.21177/19984502-2022-14-3-501-511.
17. Teplyakova A. V., Azimov A. M., Alieva L., Zhukov I. A. Improvement of manufactur-ability and endurance of percussion drill assemblies: Review and analysis of engineering solutions. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 9, pp. 120-132. [In Russ]. DOI: 10.25018/023 6_1493_2022_9_0_120.
18. Sudarikov S. M., Yungmejster D. A., Korolev R. I., Petrov V. A. On the possibility of reducing man-made burden on benthic biotic communities when mining solid minerals using technical means of various designs. Journal of Mining Institute. 2022, vol. 253, pp. 82-96. [In Russ]. DOI: 10.31897/PMI.2022.14.
19. Volkmann S. E., Lehnen F. Production key figures for planning the mining of manganese nodules. Marine Georesourc.es & Geotechnology. 2018, vol. 36, no. 3, pp. 360-375, DOI: 10.1080/1064119X.2017.1319448.
20. Mukhopadhyay R., Naik S., Souza S. D., Dias O., Iyer S. D., Ghosh A. K. The economics of mining seabed manganese nodules. A case study of the Indian Ocean nodule field. Marine Georesources & Geotechnology. 2019, vol. 37, no. 7. DOI: 10.1080/1064119X.2018.1504149.
21. Korolev I. A., Lavrenko S. A. Technological features of the interaction of a flexible traction element and a mining installation in the development of solid minerals of the seabed. International Journal of Applied Engineering Research. 2017, vol. 12, no. 9, pp. 2031-2037. [In Russ].
22. Serzhan S. L., Medvedkov V. I. Energy supply features of suction cutter of mining complex for underwater mining. Mining Equipment and Electromechanics. 2014, no. 10, pp. 23-29. [In Russ].
23. Serzhan S. L. New design scheme of a working head of a suction cutter with a hydraulic engine. Mining Equipment and Electromechanics. 2013, no. 10, pp. 39-42. [In Russ].
24. Aleksandrov V. I., Egorov I. V. The calculation of buffer vessel immersion depth in the systems of rock mass hydraulic hoisting from the seabed. Mining Equipment and Electromechanics. 2015, no. 4, pp. 37-40. [In Russ].
25. Kashirskiy A. S., Rakhutin M. G., Kirichenko Yu. V., Kuzin E. A., Ivashchenko G. S. Justification of cassette-type sweeper parameters for ferro-manganese nodule mining. Russian Mining Industry. 2020, no. 1, pp. 155-159. [In Russ]. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-155-159.
26. Yungmeyster D. A., Shpenst V. A., Grigorchuk A. V., Isaev A. I., Smolenskiy M. P. Patent RU 2788227, 17.01.2023. [In Russ].
27. Bolobov V. I., Plashchinsky V. A. Influence of impact duration on fracture efficiency in rocks and on plastic deformation of metals. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 3, pp. 7896. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_78.
28. Gabov V. V., Zadkov D. A., Nguyen Van Xuan, Hamitov M. S., Molchanov V. V. To the problem of improvement the working tools of mining excavation machines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 6-2, pp. 205-222. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_205.
29. Serzhan S. L., Skrebnev V. I., Malevannyi D. V. Study of the effects of steel and polymer pipe roughness on the pressure loss in tailings slurry hydrotransport. Obogashchenie Rud. 2023, no. 4, pp. 41-49. [In Russ]. DOI: 10.17580/or.2023.04.08.
30. Ishiguro S., Masuda M., Komatsu M., Yamaji N., Kawano S. Development of the pilot system for test of excavating and ore lifting of seafloor polymetallic sulfides. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2018, vol. 55, no. 3, pp. 1-7.
31. Niner H. J., Ardron J. A., Escobar E. G., Gianni M., Jaeckel A., Jones D. O. B., Levin L. A., Smith C. R., Thiele T., Turner P. J., Watling L., Gjerde K. M. Deep-sea mining with no net loss of biodiversity-an impossible aim. Frontiers in Marine Science. 2018, vol. 5, pp. 1-12. DOI: 10.3389/fmars.2018.00053.
32. Shishkin E. V., Bolshunov A. V., Timofeev I. P., Avdeev A. М., Rakitin I. V. Model of a walking sampler for research of the bottom surface in the subglacial lake Vostok. Journal of Mining Institute. 2022, vol. 257, pp. 853-864. [In Russ]. DOI: 10.31897/PMI.2022.53.
33. Borodkin E. O., Korolev R. I. A device for collecting ferromanganese nodules with a stepping mechanism. Innovatsii i perspektivy razvitiya gornogo mashinostroeniya i elektrome-khaniki: IPDME-2019. Sbornik nauchnykh trudov [Innovations and prospects for the development of mining engineering and electromechanics: IPDME-2019. Collection of scientific papers], Saint-Petersburg, SPbGU. СПб.: СПбГУ, 2019, pp. 69-76. [In Russ].
34. Yungmeister D. A., Serzhan S. L., Smolensky M. P. Calculation of productivity of ferromanganese nodule mining complex with the use of rarefaction chambers. Transport, mining and construction engineering: science and production. 2022, no. 15, pp. 171-176. [In Russ]. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-171-176.
35. Yungmeister D. A., Ivanov S. E., Isaev A. I. Calculation of parameters of technological equipment for deep-sea mining. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 327, no. 2, pp. 216-221. DOI: 10.1088/1757-899X/327/2/022050.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич1 - д-р техн. наук,
профессор, профессор,
e-mail: [email protected],
ORCID ID: 0000-0001-7858-8340,
Смоленский Максим Павлович1 - аспирант,
e-mail: [email protected],
Исаев Алексей Игоревич1 - канд. техн. наук,
доцент, e-mail: [email protected],
Ефимов Федор Андреевич - инженер 3 категории,
000 «Механобр-Урал», e-mail: [email protected],
1 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II. Для контактов: Юнгмейстер Д.А., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
D.A. Yungmeister1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
Professor, e-mail: [email protected],
ORCID ID: 0000-0001-7858-8340,
M.P. Smolenskii1, Graduate Student,
e-mail: [email protected],
A.I. Isaev1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor,
e-mail: [email protected],
F.A. Efimov, Engineer of 3rd Category,
«Mekhanobr-Ural» LLC, Ekaterinburg, Russia,
e-mail: [email protected],
1 Empress Catherine II Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia. Corresponding author: D.A. Yungmeister, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 06.07.2023; получена после рецензии 19.09.2023; принята к печати 10.10.2023. Received by the editors 06.07.2023; received after the review 19.09.2023; accepted for printing 10.10.2023.
