Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие современных отраслей промышленности привело к тому, что за последние 20 лет добыто полезных ископаемых значительно больше, чем за всю историю горнодобывающей промышленности. В связи с этим запасы многих полезных ископаемых на Суше весьма ограничены и их хватит на непродолжительный период времени.
За последние годы резко возрос спрос на минеральное сырье. Это касается не только энергоресурсов (нефти и газа), но также железа, марганца, никеля, ванадия, свинца, цинка, меди, олова. По данным Федерального ведомства разведки почвы (ФРГ), мировая потребность в важнейших видах минерального сырья на современном этапе на каждые 15 лет будет удваиваться. Подсчитано, что при таком объеме добычи полезных ископаемых и прогнозируемых темпах роста их производства известных запасов угля достаточно на несколько сот лет, железной руды на 80 лет, алмазов на 20 лет, марганца и олова на несколько десятилетий. При Зтом в подсчете учитывается необходимость освоения более бедных руд Суши, залегающих на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях.
Между тем 71% поверхности земли, или 362 млн. км2, покрывает Мировой океан. Потребность в огромных количествах полезных ископаемых может быть решена как за счет их извлечения из морской воды, так и добычи на территориях, покрытых морями и океанами. Морская вода содержит большое количество минеральных ресурсов, в том числе марганец, золото, никель, кобальт, серебро, свинец и др. В настоящее время из морских россыпей Добывают: ильменит, рутил, циркон, монацит, касситерит, магнетит, золото, платину, алмазы. Из береговых россыпей Австралии извлекается значительная часть всего циркона, добываемого капиталистическими странами. Подводная добыча полезных иск。- наемнх со дна морей и океанов должна найти свое широкое развитие в течение ближайшего времени.
Главное отличие морского горного дела состоит в основном в следующем: горные работы проводятся в условиях сложного гидродинамического воздействия морских течений, волнений, влия- ння ветровых явлений, 6Q〃ee сложного влияния климатических
условий; функции горнодобывающего и обогатительного предприятия выполняет корабль или караван судов; горнодобывающее предприятие со всем комплексом добычного и обогатительного оборудования может перемещаться от одного месторождения к другому, отрабатываемое месторождение иногда частично восстанавливает свои запасы.
Впервые в СССР в 1966 г. Московским горным институтом была проведена опытно-промышленная добыча титано-цирконовых концентратов, а в 1969 г. были получены концентраты из морских россыпей. На основе проведенных исследований соответствующие ведомства приступили к проектированию и строительству предприятий по подводной добыче полезных ископаемых шельфа СССР* Проводится поиск россыпей золота, олова и других черных, цветных, редких и, благородных металлов. Геологические оценки металлоносности шельфа достаточно высокие.
Началом развития проблемы технологии подводной добычи полезных ископаемых в СССР следует считать промышленные работы, проведенные Московским горным институтом по проекту подводной добычи ильменито-рутило-циркониевых песков на Балтийском море. Было добыто около 200 тыс. м3 горнойГ^ьйссы. К проведению этих работ были привлечены также институты Гире дмет и Верхнеднепровский горно-обогатительный комбинат Мин- цветмета СССР. Поисково-оценочная геологическая лазведка морских россыпей Балтийского моря в промышленных масштабах с применением разведочных судов была проведена Московским горным институтом совместно с Институтом океанологии АН СССР. Здесь же были проведены первые в' СССР натурные исследования по регенерации россыпей.
В 1969 г было разработано проектное задание разведочноэксплуатационного предприятия по подводной добыче полезных ископаемых в Балтийском море. Эти разработки, выполненные институтом Гиредмет и Московским гцрным институтом, имели значение для систематизации знаний и опыта проектирования под^ водной добычи твердых полезных ископаемых.
В 1967 г. решением Государственного комитета по науке и технике Совета Министров СССР в Московском горном институте была создана проблемная научно-исследовательская лаборатория по подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов для изучения физических закономерностей, технологии и технических средств подводной добычи. Решающим фактором для ус-
пешного развития подводной добычи твердых ископаемых в СССР были научно-организационные мероприятия Государственного комитета СССР по науке и технике, установившие главные задачи, направление и последовательность исследовательских работ и их финансирование.
Необходимо отметить важность работы специальной комиссии АН СССР по указанной проблеме в 1968—1969 гг. под председательством проф. В. Г. Корта, которая рассмотрела геологические аспекты ее развития.
На первой стадии развития проблемы большое значение имела научно-организационная деятельность заместителя министра цветной металлургии СССР В. Н. Костина, непосредственно участвовавшего в работах по изысканию технологии и технических средств подводной добычи полезных ископаемых и руководившего отдельными работами в этой части.
Важным этапом в создании первого в СССР предприятия по подводной разработке россыпи олова была комплексная экспедиция Московского горного института, проведенная в 1969 г. Московский горный институт представил первый в СССР проект кондиций на разработку морского месторождения олова в условиях северйых морей. К этому периоду относятся комплексные геологоразведочные работы и технологические работы, проводившиеся силами Московского горного института на специальных судах «Тура» и《Веляна》，которые позволили накопить опыт морской разведки месторождений с применением геофизических методов. Эти работы позволили также установить важные закономерности, которые будут способствовать дальнейшей детальной разведке месторождений олова и золота и их прогнозу.
Полезным для развития проблемы подводной добычи явилось первое совещание по шельфу, проведенное Московским' университетом, н институтом Океанологии АН СССР в 1971 г. В организации этого совещания принимала участие лаборатория подводной Добычи полезных ископаемых МГИ.
За последние годы в Советском Союзе были выполнены важ- ные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, шиРоко проводится подводная добыча нерудных строительных материалов на шельфе СССР, осваивается выпуск специального горнодобывающего и обогатительного оборудования.
Отечественный опыт является особенно ценным тем, что впер- ВЬ1е в мировой практике освоение подводной добычи проводится
практически в морях всех климатических зон. Обобщение опыта, установление научных основ проектирования и создания предприятий по разработке полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов является весьма актуальным, особенно в период широкого поиска и разведки месторождений на дне Мирового океана. Все эти вопросы освещены в данной монографии с новых позиций накопленного опыта.
Монография будет полезна для развития нового направления горной науки ——морского горного дела, а также для проектирования и эксплуатации предприятий подводной добычи полезных ископаемых и подготовки специалистов по этому направлению, начатую в некоторых горных Вузах.
Отдельные разделы написаны: проф., д-ром техн, наук Г. А. Ну- роком — введение, заключение и совместно с доц., канд. техн, наук Ю. В. Бруякиным и канд. техн, наук Ю. В. Бубисом разделы 1, 3, 4, 6, 8; раздел 2 написан канд. геолого-минер. наук К・ В. Яблоковым, раздел 5 написан доц., канд. техн, наук Л. Н. Мо- лочниковьш, раздел 7 написан канд. техн, наук Ю. В, Бубисом,
ВВЕДЕНИЕ
Под подводной добычей полезных ископаемых понимается разработка месторождений полезных ископаемых, залегающих на дне и в недрах Земли, покрытых Мировым океаном. К этой отрасли горного дела относится также извлечение полезных ископаемых из морской воды и морских рассолов.
Извлечение полезных ископаемых из морской воды основано на физико-химических процессах выделения растворимых в ней солей, общий объем которых достигает 48 млн. км' различных элементов, в том числе свыше 6 млрд, т меди, 6 млрд, т урана, 6 млрд, т олова, 4 млрд, т никеля, 0,5 млрд, т серебра, 10 млн. т золота и других. Добыча поваренной соли из морской воды известна с древнейших времен. В V в до н. э. в дельте Днепра добывалась соль при испарении воды в специальных неглубоких бассейнах. Такой способ применялся в древности, а в средние века был основным способом получения соли во Франции, Испании, Китае и Индии. В северных районах соль получали за счет вымораживания морской воды в бассейнах с последующей вываркой сгущенного рассола. С середины XIX века из маточных рассолов производства поваренной соли во Франции начали получать бром.
Промышленное извлечение магния из морской воды начато с 30-х годов нашего века. В 1970 г* в США, Англии и других странах работало более 100 предприятий по добыче натрия из морской воды с объемом производства более 10 млн. т, магния — 300 тыс. т и брома 75 тыс. т. Потребность Японии в соли практически удовлетворяется за счет извлечения ее из морской воды. В СССР начато промышленное освоение рассолов Сиваша. До 1951 г. в заливе Кара-Бугаз-Гол производилась добыча мирабилита из морских вод бассейновым способом.
Современная технология извлечения указанных элементов из морской воды предусматривает, как правило, концентрацию извлекаемых элементов за счет выпаривания или хлорирования, а затем при взаимодействии насыщенного раствора с другими элементами их извлечения в виде нерастворимых соединений.
Но за исключением натрия, магния, брома концентрация других элементов в морской воде весьма низкая, что не позволяет их извлекать рентабельно. Совершенствование установок по адсорбции, ионному обмену и экстракции при интенсивном внедрении все более экономичных схем получения питьевой воды из морской воды создает благоприятные перспективы для извлечения других элементов.
Разработка поверхностных месторождений шельфа и ложа океана производится открытым способом через водную толщу. На поверхности шельфа, составляющего 19% площади Суши,
и ложа океана (соответственно 50% площади Земли) сосредоточены огромные минеральные ресурсы. Только в железо-марганцевых конкрециях донных отложений Тихого океана запасы марганца прогнозируются в 240 млрд, т, кобальта — 2,8 млрд, т, никеля 9,4 млрд, т, меди 5,3 млрд т. На шельфе найдены россыпные месторождения тяжелых минералов и металлов, а также строительных материалов.
Попытка освоения шельфа предпринималась еще в древние времена. В III в. до н. э. с глубины 4 м у о. Халка в проливе Бос- 品卩 ныряльщики добывали медную руду. В XI в. до н. э. финикияне разрабатывали отложение морских ракушек для производства пурпурной краски, а на островах Полинезии (VI в. до н. э.) производилась разработка коралловых рифов. В средние века освоение минеральных ресурсов дна морей практически не осуществлялось. В этот период добывалось в небольших объемах золото из пляжевых россыпей Восточной Азии. В конце XIX в. началось освоение россыпей тяжелых минералов золота, а затем ильменита, рутила, циркойга, монацита на побережье Бразилии (1884 г.), Австралии (1870 г.), Индии (1909 г.). С 1906 г. из морских россыпей добывается касситерит. 「
В настоящее время на шельфе добываются из россыпей минералы золота, олова, титана, циркония, платины, железа, алмазы, строительные материалы. Более чем 70 предприятий в различных странах мира перерабатывали около 120——130 млн, м3 горной массы. Валовая стоимость добытых на шельфе твердых полезных ископаемых не достигала 2% аналогичных ископаемых, добытых на суше, но при этом добыча оловянных концентратов из морских россыпей достигала 10% мирового объема добычи олова (без СССР), а добыча алмазов в отдельные годы достигала более 3% общей их добычи.
Разработка россыпей^существляется, как правило, многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами, но использование грейферных ковшей стало проблематичным после применения их фирмой «Аохам Тии» на шельфе Таиланда. Наибольшую глубину разработки на шельфе в настоящее время обеспечивают эрлифтные драги. Установка первичного обогащения обычно располагается на понтоне добычного судна, а доводочная установка на берегу.
Во многих странах мира ведутся исследования по созданию подводных выемочных устройств, позволяющих получать концентраты в забое. Выемка осуществляется, как правило, на всю мощность, но при разработке россыпей на шельфе Индонезии производится раздельное удаление вскрышных пород.
Для разработки железомарганцевых конкреций испытаны и строятся промышленные образцы драг с гидравлическим подъемом и ковшами, закрепленными на бесконечном тросе. В ближайшие* годы рядом американских и японских фирм планируется промышленная добыча конкреций в Тихом океане.
Подземная подводная разработка осуществляется из подземных горных выработок, расположенных под толщей пород, находящихся на дне океана или моря. Если изученность ресурсов поверхности шельфа составляет 5%, то изучение ресурсов недр Земли, покрытых Мировым океаном, практически только начато за исключением оценок нефте- и газоносности.
Подземная подводная добыча практически известна только с конца XIX века. Еще раньше делались попытки отрабатывать оловянное месторождение в Корнуоле, но море затопило подземные выработки.
Подземная добыча из-под коренных месторождений под морским дном по методам выемки угля и руд полезного ископаемого мало чем отличается от добычи на суше. Особенностью отработки таких месторождений является способ вскрытия. На большинстве шахт стволы закладываются на суше, но такие шахты имеют откаточные выработки большой протяженности. Для повышения эффективности подземной разработки применяют вскрытие шахтных полей стволами с искусственно созданных островов (например, шахта «Майке», Япония). На шахтах применяются системы разработки с закладкой при оставлении целиков над очистным пространством не менее 65—80 м. Проветривание морских шахт затруднено из-за необходимости применения центральной вентиляции при большой длине вентиляционных путей.
В настоящее время известны 57 морских угольных шахт в Японии (30% общей добычи), Великобритании (10% общей добычи), Турции, на Тайване. Кроме того, в Финляндии и Канаде эксплуатируются две железорудные шахты, в Англии прииск Корнуол (олово), а в СССР этим способом добывается олово. Наиболее пер~ спективны залежи при вскрытии стволами и скважинами, пройденными через водную толщу. Примером такого способа является добыча из-под дна Мексиканского залива. Но наибольший объем подземной добычи с использованием скважин приходится на морскую добычу нефти и газа из недр Мирового океана. Если в 1966 г. на морских промыслах было добыто около 100 млн. т нефти, а в 1968 г, уже около 300 млн. т, то в 1972 г. размеры морской Добычи превысили 18% общего объема во всем мире.
В последние годы 40 государств добывали или проводили подготовку к добыче минеральных ресурсов шельфа, около 100 проводили поиск нефти и газа на шельфе. Запасы нефти в морских месторождениях оцениваются 60—150 млрд. т. Американский геолог Л. Дж. Уикс оценивает запасы нефти в недрах шельфа (до глубины моря 300 м) в 106,7 млрд, т (против 202,5 млрд, т на Суше). Советские ученые 力.И. Тулиани, А. Э. Левин и В. Е. Хаш1cqи- тают, что не：менее 60% всех запасов нефти и газа располагаются в морских недрах шельфа. В СССР со дна Каспийского моря уже Добыто свыше 160 млн. т нефти, а поиски проводятся на перспектив- ннх акваториях национального шельфа площадью 2,2 млн. км2. Добыча проводится или со специально созданных островов или
с эстакад типа известных Нефтяных Камней, или с плавучих платформ различной конструкции.
Предполагается, что в 1980 г. объем морской добычи возрастет до 30—40% мировой добычи нефти. Ежегодно бурится на шельфах 8—10 тыс. скважин. Открытие таких гигантских месторождений, как Прудхо-Бей на шельфе Аляски, Фирдоуси-Марджан и Лулу- Эсфандиар в Персидском заливе, месторождений в Северном море и многих других создает благоприятные перспективы развития морской добычи нефти,
В Советском Союзе последнее десятилетие нефтедобывающая промышленность развивается по пути освоения месторождений Западной Сибири, но прогнозные оценки указывают, что доля морской добычи нефти должна возрасти.
С 1966 г. в СССР проводятся работы по освоению морских россыпей шельфа. Советский Союз обеспечен минеральными ресурсами по всем необходимым народному хозяйству элементам, но добыча целого ряда полезных ископаемых из морских россыпей может быть осуществлена при.значительно более низких капиталовложениях и себестоимости. Эти, как ^показывает опыт, преимущества открытой подводной добычи на шельфе по сравнению с обычными методами ведения горных работ состоят в следующем:
возможность строительства горнодобывающих судов в условиях современных судостроительных заводов, находящихся в обжитых районах, что сокращает сроки ввода месторождения в эксплуатацию;
при подводной добыче полезных ископаемых сокращаются, а часто практически исключаются объемы горнокапитальных и разрезных траншей;
морские условия разработки исключают необходимость строительства подъездных путей;
во многих случаях обогащенный слой находится на поверхности дна и не требует проведения вскрышных работ, а подготовительные работы выполняются в незначительных объемах.;
исключается необходимость в отчуждении сельскохозяйственных земель и в последующей их рекультивации.
Но проведение горных работ на шельфе затрудняется наличием волнений на акватории разрабатываемого участка моря, заносимостью выработок на дне моря, размывом отвалов и наличием мощных взвесенесущих потоков, производством выемки пород и сброса их в среде жизнедеятельности морской фауны и флоры, а также необходимостью поддержания устойчивости береговых линий.
По технологии подводной добычи Московским горным инсти* тутом предложены три технологических решения:
подводная добыча полезных ископаемых с выдачей горной массы на обогатительные установки, расположенные вне района добычных работ;
подводная добыча полезного ископаемого с обогащением на борту добываемого судна;
подводная выемка с проведением придонного обогащения, т. е. применением специальных выемочных устройств, позволяющих вести обогащение горной массы без ее подачи на борт судна, непосредственно в забое.
Технология подводной добычи полезных ископаемых с размещением обогатительной установки на борту добычного судна разработана лабораторией применительно к условиям северных морей.
Разработана технология подводной добычи магнетито-ванадие- вых песков и проведена ее проверка в Охотском и Черном морях. В процессе исследований была проверена возможность применения существующего оборудования для обогащения на борту добычного судна, а также установлены взаимосвязи между работой добычных устройств и гидрометеорологическими и геологическими характеристиками россыпи.
Экспедицией Московского горного института была создана экспериментальная комплексная установка для добычи и обогащения оловосодержащих песков техногенной россыпи Восточно-Сибирского моря.
При технологических исследованиях в МГИ разрабатывались и проверялись методики расчета процессов всасывания тяжелых минералов, процессов гравитационного обогащения и магнитной сепарации в условиях морских волнений; апробировалась в условиях моря методика прогнозирования поведения отвала с использованием «меченых» песков.
Для технологии подводной выемки с проведением придонного обогащения предложены:
гидромагнитное выемочное устройство ленточного типа; гидромагнитное выемочное устройство барабанного типа.
Эти устройства изготовлены в виде лабораторных изделий и проходят испытания. Проектированию этих устройств предшествовала разработка физических основ гидромагнитной выемки. Для технологии добычи с обогащением на борту судна предложены специальные сепараторы.
В стадии опытно-промышленного освоения находятся следующие научно-технические разработки: рабочий проект погружного землесоса производительностью 1200 м3/ч пульпы для глубин до 100 м; ковшовый рыхлитель; навесной земснаряд производительностью 250 м3 по грунту при глубине разработки 60 м; подводн ый ковш.
В настоящее время в МГИ выполняется рабочий проект глубоководного рыхлителя для разработки глинистых и гравийных пород погружным землесосом применительно к условиям северных морей СССР. Кроме того, на этом же принципе основан специаль- ньш подводный глубоководный шурфопроходчик, рабочий проект которого выполняется в настоящее время.
Проведены конструкторские изыскания в области размыва породы несвободными струями и разрабатываются конструкции таких гидравлических рыхлителей. Гидрорыхлители несвободными струями прошли опробование в условиях северных морей и в лабораторных условиях. В настоящее время в специальной барокамере, имитирующей большую глубину, продолжаются лабораторные исследования рыхлителей породы.
Ведутся работы по непрерывному и дискретному подводному транспортированию породы. Разрабатываются принципиальные решения по глубоководному транспортированию породы в сосудах с гидродинамическим взвешиванием.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ МИРОВОГО ОКЕАНА
ВОДА КАК ПОЛЕЗНОЕ ИСКОПАЕМОЕ
Объем воды в Мировом океане составляет порядка 1370 млн. км3, из которых 96,5% —это вода, а 3,5% —это растворенные минеральные вещества. Определено, что океаны содержат растворенные минеральные вещества, включая все природные химические элементы, известные человеку.
Таблица 1.1
Содержание химических элементов в морской воде
Элемент
Содержание, % I
Элемент
Содержание, %
■Алюминий Барий Бериллий Бром Кадмий Кальций Свинец Магний Марганец Молибден Никель Калий Скандий Серебро
ыо-6 5J0-6 3-10-9
4,5-IO"4 ЫО'8 4-10'2 5-Ю-7 0,13 ью-7
1,2-IO'6 2 • IO"
3,8-10~2 4-Ю-9 1-05
Хром Кобальт Медь Галлий Германий Железо Натрий Стронций Таллий Олово Титан Вольфрам Ванадий Геттрий
ЫО'2 4-IO'8 2*10-7 3-10-9 6-10-9
1,05 8*10-4
1. ю-9 3.10-9 ЫО-7 ЫО'8 З-Ю'7 3*10-8
Т а б л и ц а 1.2
Содержание наиболее богатых в морской воде элементов или соединений
Элементы (ноны)
Количество в воде, г/л
Процент общего количества
Хлор Сульфат Бром
Бикарбонатный ион
Борная кислота Натрий
' Магний
Кальций Калий Стронций
18,980 2,649 0,065 0,140 0,026
10,556 1,272 0,400 0,380 0,013
55,04 7,68 0,19 0,41 0,07
30,61 3,69 1,16
1,10 0,04
В табл. 1.1 приводится содержание в весовых процентах наиболее распространенных элементов в морской воде [32 ].
В то же время установлено, что 99,9% всех растворённых в морской воде элементов составляют 11 наиболее распространенных элементов или соединений, что видно из данных табл. 1.2 [32].
В водах Мирового океана содержится калийной соли около 48* 1013 т и 99% мировых запасов брома, что составляет 90-1012т [81.
L2. ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ БОЛЬШИХ ГЛУБИН
И МАТЕРИКОВОГО СКЛОНА
К глубоководным участкам океана в основном приурочены органогенные и хемогенные осадки. Они представлены различными по составу илистыми отложениями, среди которых выделяют птеро- подовые, радиоляриевые, диатомовые илы, преимущественно сложенные кремнистыми образованиями и фораминиферовые илы, в составе которых преобладает СаСО3. Большую группу в глубоководных частях составляют осадки, представленные различными железомарганцевыми и фосфоритовыми конкрециями, глауконитовыми и другими Образованиями. Своеобразными осадками открытого моря являются полигенные образования, представленные глубоководной «красной глиной», занимающей значительные участки ложа океана на глубинах 5—6 км.
Наиболее значительными полезными ископаемыми глубоководных участков Мирового океана являются железомарганцевые конкреции. Например, в Атлантическом океане содержится 45 млрд, т железомарганцевых конкреций, в Индийском ——41 млрд. т, в Тихом — 112 млрд. т. Запасы только трех океанов составляют 200 млрд, т, а всего на дне Мирового океана находится не менее 300 млрд, т железомарганцевой руды. В ней содержится марганца —до 45%, кобальта — до 1%, никеля — 1,5%, меди — до 2% 136]. Например, мировые запасы кобальта на суше определяются в 1 млн. т, а количество кобальта в конкрециях достигает 2 млрд. т.
Постоянные процессы образования конкреций позволяют значительно увеличивать запасы полезных ископаемых. Величина годового накопления марганца в конкрециях Мирового океана в 3 раза превосходит его годовое потребление, кобальта в 4,5 раза； циркония примерно в 5 раз.
В табл. 1.3 приведены данные о запасах некоторых металлов только в конкрециях Тихого океана [32].
Железомарганцевые конкреции или стяжения представляют собой массу грязно-коричневого до землисто-черного цвета. В сухом состоянии они твердые и ломкие. Размеры, форма и строение конкреций весьма разнообразны. Средний размер их по диаметру колеблется от нескольких сантиметров до 10——20 см. Иногда попадаются единичные глыбы массой 50 кг и больше.
Таблица 1.3
Запасы металлов в конкрециях Тихого океана (По Д. Меро)
Элемент
Количество, млрд, т
Потребление элемента в США в 1960 г.( мли. т в год
Запасы в пересчете на года при уровне потребления 1960 г.
Запасы в породах суши в пересчете на года
Соотношение запасов конкреций н пород суши
Магний
25,0
0,04
600 000
X
Алюминий
43,0
2,0
20 000
100
200
Титан
9,9
0,30
2 000 000
X
—
Ванадий
0,8
0,002
400 000
X
—
Марганец
358,0
0,8
400 000
100
4000
Железо
207,0
100,0
2 000
500
4
Кобальт
5,2
0,008
200 000
40
5000
Никель
14,7
0,11
150 000
100
1500
Медь
7,9
1,2
6 000
40
150
Цинк
0,7
0,9
1 000
100
10
Ггллий
0,015
0,0001
150 000
—
2
Цирконий
0,93
0,0013
100 000
100
1000
Мслибден
0,77
0,025
30 000
500
60
Серебро
0,001
0,006
100
100
1
Свинец
1,3
1,0
1 000
40
50
Примечание! X — запасы на суше так велики, что не лимитируют современное потребление.
Обычно конкреции имеют ядра, которые могут быть представлены карбонатами, фосфатами, цеолитами, глинами и различными минеральными формами кремнезема. Следующими по распространенности являются ядра, представленные зубами акул и других рыб, костями китов, кремневыми и известковыми губками.
Большинство исследователей склонно считать конкреции химическими образованиями, возникшими за счет коагуляции гелей- окислов и гидроокислов марганца и железа из морской воды. Поступление рудного вещества и его концентрация в осадках связаны в конечном счете с процессами выветривания на континентах. Конкреции лежат на поверхности дна, не углубляясь сколько-нибудь значительно в ил. Это объясняется тем, что конкреции встречаются главным образом в областях пелагического осадконакопления, т. е. там, где осадки образуются чрезвычайно медленно и где скорость осадконакопления мала; в противном случае конкреции не м^огут расти, так как их быстро затянет илом, изолируя тем самым от питающей среды ——морской воды.
Исследование концентрации марганцевых конкреций в поверхностном слое донных осадков Тихого океана дало следующие результаты. Для восточной части Тихого океана разброс концентраций конкреций по 40 определениям заключен в пределах 0,05—— 2,3 г/см2, при среднем значении ——0,78 г/см2. Для центральной тастн Тихого океана выполнено 51 определение концентраций, которые меняются от 0,2 до 3,8 r/см?, составляя в среднем 1,45 г/см2.
Т а б л и ц a 1.4
Химический состав железомарганцевых конкреций Тихого океана
Элементы
Число проб
Содержание по массе, %
максимум
минимум
среднее
54
0,06
0,007
0,0029
79
4,7
0,46
2,06
92
2,4
0,42
1,76
Алюминий
124
7,93
0,48
3,27
Кремний
124
20,56
0,52
8,27
46
0,38
0,031
0,17
107
2,41
0,20
0,74
124
12,6
0,63
1,98
Скандий *
54
0,003
0,001
123
2,52
0,06
0,66
54
0,11
0,021
0,054
Марганец
54
0,007
0,001
124
42,3
1,7
21,06
124
21,7
0,83
11,97
122
L52、
0,06
0,31
124
1,54
0,036
0,67
122
1,9
0,01
0,43
Ггллий *
81
0,15
0,019
0,071
54
0,003
0,0002
0,001
Стронций
86
0,17
0,02
0,086
Цирконий *
54
0,12
0,009
0,063
Мольбден *
86
0,071
0,006
0,04
5
0,0006
0,0003
97
0,98
0,05
0,32
Пянтян *
54
0,024
0,009
0,016
Иттербий
54
0,0066
0,0013
0,0031
90
0,25
0,011
0,10
Органические
17
0,27
0,08
0,14
По данным Д. Меро [321.
По оценочным расчетам, про_веденным Д. Меро, запасы марганцевых конкреций Тихого океана составляют 17・10" т [32].
В табл. 1.4 даны пределы колебания и среднее содержание элементов в конкрециях Тихого океана. Данные показывают, что наряду с железом и марганцем конкреции обогащены целым рядом редких элементов.
Месторождения, залегающие на относительно небольшой глубине и являющиеся типичными разновидностями залежей марганца, встречаются на глубине до 400 м недалеко от берега Байя, Калифорнии и Японии. Конкреции у берегов Японии находятся на глубине от 100 до 360 м на верхнем слое морского дна вдоль архипелага Аузу около Токио.
Некоторые исследования показывают, что конкреции марганца залегают по всему Тихому океану на глубине, колеблющейся от
100 м на островных шельфах, к югу от Хонму, до 7000 м в Марианской впадине. Предполагают, что большая часть месторождений залегает на глубине от 3600 до 4500 м.
Конкреции обнаруживаются также в северо-западной части Тихого океана на глубине от 4500 до 5400 м, на берегу ОПА недалеко от зоны сбросов «Мендесино» между 20° и 25° северной широты на глубине больше, чем 3200 м.
Американская компания «Дирси венгурис» еще в 1973 г. оформила официальную заявку на участок дна океана для ведения промышленной добычи марганцевых конкреций. Площадь заявленного участка составляет 60 тыс. км2, ближайший остров от него находится на расстоянии 1000 км, а ближайшая точка североамериканского материка ——на расстоянии 1300 км. Глубина океана над месторождением колеблется в пределах от 2300 до 5000 м. . Разведанные запасы конкреций составляют более 4 млрд, т [84 ].
Фосфоритные месторождения были обнаружены у берегов многих стран, включая западное и восточное побережье США и Мексики, Чили, Перу, Аргентины, Испании, Южной Африки, Японии и нескольких островов Индийского океана. Большой интерес представляют подводные месторождения фосфоритов у банки Корондо (Сан-Диего) на глубинах до 370 м и на банках, находящихся в 60 км к западу от Сан-Диего, где глубина достигает 450 м. .
Объем залежей в пределах побережья Калифорнии колеблется от 4 тыс. до 14,5 тыс. т на 1 км2. Основываясь на том, что на берегах Калифорнии общее количество залежей составляет 1,5 млрд, т, и предполагая, что при содержании 10% фосфорита экономично проводить горные работы, то при производительности 500 тыс. т в год запасов хватило бы на 300 лет [96].
Красная глина покрывает дно океана приблизительно на 100 млн. км2, что составляет около 50% глубоководного дна Тихого океана. Обычно она содержит около 20% глинозема, 13% оки- слов железа, 7% карбоната кальция, 3% карбоната магния, 0,2% меди, 0,02 % кобальта, 0,08% никеля, 0,02% свинца, 0,03% молибдена и 0,04% ванадия. - -
Красные глины представляют собой мелкие осадочные породы, по цвету начиная от красновато-коричневого до шоколадного. Запасы морских красных глин равны 1015 т с содержанием приблизительно 100 млрд, т меди [32 ].
' Известковый ил состоит главным образом из мелких скелетов простейших одноклеточных организмов и представлен на 95% карбонатом кальция (углекислый кальций). Он покрывает площадь Дна океана приблизительно на 46% или более чем на 125 млн. км2 на большой глубине [36].
Известковый ил наиболее часто встречается на глубинах до 3600 м и редко на глубине, превышающей 6000 м. Обширные месторождения залегают в пределах нескольких сот километров от побережья большинства стран.
Глауконит обычно обнаруживается в виде гранул размером до 3 мм. Содержание углекислого калия в морском глауконите колеблется от 2,5 до 8,5%, рубидий встречается в концентрации на 1 т осадка 555 г,влитий —— 161 г й бор —— 155 г. Глауконит обычно встречается на глубине от 9 до 1000 м или более. Основные залежи его на побережье Тихого океана лежат на глубине от 18 до 700 м, из которых самыми перспективными, залежами являются те, которые залегают около берега на меньшей глубине.
В последнее время наиболее развитые капиталистические страны (США, Япония, ФРГ, Англия, Франция) проявляют все более увеличивающийся интерес к железо-марганцевым конкрециям и к другим - полезным ископаемым дна Мирового океана как к минеральному сырью. Это объясняется тем, что указанные страны испытывают в той или иной мере потребность в элементах, входящих в состав конкреций, запасы которых громадны (табл. 1.5)
В настоящее время в США уже проводятся широкие геологические, конструкторские и исследовательские работы, связанные с поиском и разработкой конкреций. Всего предполагается истратить около 250 млн. руб на создание добычной драги и предприятия по гидрометаллургическому переделу конкреций с годовой производительностью 1,5 млн. т.
В 1974 г. пять горнодобывающих компаний «Кеникут Купер», 《Рио Тинто Цинк», «Консолидейшен Голд Филд», «Митсибиши» и «Норанда» объединились в концерн для проведения в пятилетний срок разведки подводных месторождений, исследования способов подготовки и экономических методов разработки, транспорта и обогащения конкреций.
Таблица 1.5
Оценка запасов конкреций и некоторых содержащихся в них элементов в донных отложениях Тихого океана, т
Район океана
Конкре- цнн х 1011
Марганец
X IM
Кобальт X Ю«
Никель X 10»
Медь X 10е
На поверхности дна： юго-западная часть океана
2,6
0,7
1,0
1,6
0,5
Северный приэкваториальный пояс
2,5
0,5
1,0
3,5
1,1
Всего
В верхнем слое донных осад-
5,1
1,2
2,0
5,1
1,6
ков: юго-восточная часть океана
3,3
0,8
0,32
3,3
2,7
северная часть океана
1,8
0,2
0,2
0,5
0,8
юго-западная часть океана
1,8
0,2
0,3
0,5
0,2
Общее содержание
10,0
2,4/
2,4
9,4
5,3
В некоторых странах с участием национальных правительств организованы промышленные группы компаний: «Самитомо» (Япония), «Мета л- лургеселшафт АГ» и «Прензаг АГ» (ФРГ), «Френч сосайэте ле никел» (Франция).
Для отбора проб осадков океанологи^уже давно применяют разнообразные дночерпатели, драговые ковши, тралы, грейферные ковши (рис. 1.1). Широко применяется визуальное наблюдение с помощью фотографирования и телевидения.
Рис. 1.1. Драга-волокушаРис. 1.1. Драга-волокушаВ качестве промышленного месторождения зарубежные исследователи считают участки с запасами конкреций свыше 25 30 млн. т сухих извлекаемых конкреций (извлечение 25——50%), содержащие^ кроме марганца и железа, в сумме не менее 2,8% никеля, кобальта и меди. По их оценкам, на оконтуренных участках концентрация конкреций должна быть свыше 5 кг/м2 на площади не менее 10 тыс. км2. Затраты по подготовке месторождения к эксплуатации определяются не менее 5 млн. руб., т. е. 500 руб. на
Рис. 1.1. Драга-волокуша
Рис. 1.1. Драга-волокуша
1 км2.
ТВЕРДЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА
Континентальный шельф, являющийся наиболее освоенной частью акватории Мирового океана, имеет площадь около 27,6 млн. км2. Обычно внешней границей шельфа считают зону с резким увеличением глубин при переходе к материковому склону. В среднем принято, что глубина границы шельфа составляет около 200 м. Ширина шельфа весьма не равномерна: от нескольких километров у берегов, представленных молодыми горными системами, до 1200—1300 км в Баренцевом и Южно-Китайском морях. Шельф в целом составляет 7,6% площади Мирового океана.
Относительная мелководность и незначительная удаленность от берега предопределяют рассмотрение шельфа как первоочередного объекта хозяйственного освоения дна для разработки месторождений полезных ископаемых.
Шельф является продолжением континента, что особенно подчеркивается продолжением на дне геоморфологических особенностей континента. Для Советского Союза, который имеет шельф площадью около 7 млн. км2, т. е. четверть всего шельфа Мирового
19
океана, освоение минеральных ресурсов этой зоны п озеолит со здать новую сырьевую базу горной промышленности.
Шельф является зоной наиболее активного воздействия океана на континенты, поэтому вещественный состав донных осадков шельфа тесно связан с геологическим строением континента. На шельфе наиболее интенсивно протекают процессы взаимодействия воды и суши, что приводит к тому, что отложения пляжа и верхней части шельфа почти повсеместно представлены рыхлыми, обычно сравнительно мелкими и отсортированными породами. При определенных условиях, в результате определенных процессов происходит концентрация полезных компонентов, что приводит к образованию россыпных месторождений. Россыпные отложения известны практически на шельфах всех стран, имеющих выход к морю, но не везде найденные россыпи имеют промышленное значение.
В настоящее время изучаются россыпи титано-циркониевых песков на шельфе Австралии, Новой Зеландии, Индии, ШриЛанка, США, Японии, Таиланда, Филиппин, государств Океании, Африки и других стран мира. Эти россыпи тяжелых минералов образуются в результате естественного шлихования терригенного материала, поступающего с Суши и находящегося на дне.
Таким же способом формируются и россыпи магнетита и тита- номагнетита, которые в настоящее время известны на шельфе Японии, США, Филиппин, Новой Зеландии, АРЕ и других стран. Эти россыпи находятся под постоянным воздействием моря, что затрудняет их разведку, оконтуривание и освоение.
Другим типом являются россыпи, представляющие продолжение россыпей Суши, затопленной Мировым океаном. К этому типу россыпей приурочены осваиваемые россыпи золота, платины, олова и других металлов.
Из нерудного сырья в шельфовой зоне встречаются рассеянные зерна глауконита, фосфоритные пески и желваки, зерна доломита и баритовые стяжения. На шельефе имеются огромные объемы песка и гравия, глины, известняков, доломитов, диатомитов.
Сложность освоения этих и других полезных ископаемых связана, кроме условий разработки в море, также с трудностью технологии их использования из-за наличия солей и других подобных компонентов.
Представляют интерес карбонатные отложения биогенного типа в виде больших скоплений раковин моллюсков и кораллов. Они представляют собой источник сырья для получения высококачественного цемента. Ракушечник представляет также интерес для сельского хозяйства в качестве компонента пищи скоту и птице.
Запасы фосфоритов моря оцениваются 3-1011 млн. т и они непрерывно увеличиваются, так как в наши дни наблюдается осаждение фосфата кальция на поверхности желваков или фосфоритной корки во многих местах Мирового океана, где имеются благоприятные условия. Особенно интенсивно наблюдаются такие про- 20
цессы в зонах, где смешиваются теплые и холодные воды, богатые растениями и животными, при малом поступлении наносов с Суши.
Изучение химического состава фосфоритов дна морей показывает, что содержание фосфата кальция в них несколько ниже, чем в разрабатываемых месторождениях Суши, т. е. 10—22% и только очень редко достигает 25—29%. Но рост потребности в фосфоритовых удобрениях и необходимость освоения «бедных» месторождений Суши должны дать толчок к освоению фосфоритов моря.
На шельфе необходимо искать и металлоносные илы, содержащие повышенные количества меди, цинка, свинца и других элементов, аналогичных найденным в рифтовой зоне Красного моря. Обогащенные медью илы были открыты в 1975 г. на тихоокеанском шельфе Южной Америки близ порта Токопилла на глубине 50— 200 м. На участке протяженностью 20 км были взяты пробы, содержащие медь от 0,3 до 1,3%. Эти данные показывают, что металлоносные илы связаны не только с узкоспецифическими и малораспространенными рифтовыми структурами, а и с обычной геологической ситуацией шельфа. Подобные факты указывают, что имеются широкие возможности поиска новых объектов уже известных и новых типов.
Другим примером является добыча сырья для пестицидов в Корейском проливе, где извлекаются эрлифтом для переработки гниющие остатки затонувших судов и темный студенистый ил. «Сокровища», которые извлекают из этой массы ——небольшие отвратительные на вид черви, источник получения пестицида, позволяющего бороться с опасными вредителями посевов риса.
В Карибском море собираются кораллы и губки, из которых в лабораториях одной из крупнейших фармацевтических- фирм США вырабатываются ценные антибиотики.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ МОРСКИХ РОССЫПЕЙ НА ШЕЛЬФЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА
Шельф, или как иначе его называют, материковая отмель, имеет большое значение в жизни человека. Издавна в его пределах сосредоточены основные судоходные пути, развито рыболовство, добыча водорослей и морских животных. Последние годы на шельфе интенсивно развивается добыча нефти, газа и твердых полезных ископаемых.
Граница шельфа в сторону океана обычно проводится по зоне резкого перегиба профиля дна — бровке, ниже которой располагается материковый склон. Ширина шельфа, как и глубина на бровке, не одинакова, и колеблется в значительных пределах —— от 40 до 500 м по глубине и от первых до тысячи километров по ширине. Наибольшей ширины шельф достигает вокруг северного побережья Евразии и в Южно-Китайском море (до 1200——1300 км). Относительно узкий шельф окружает почти повсеместно Африканский материк. При работах в Японском море бровка шельфа была встречена на глубинах 130—150 м, при ширине материковой отмели 10—15 км.
Некоторые окраинные моря целиком входят в зону шельфа —— моря Советского сектора Северного Ледовитого океана, Желтое, Балтийское моря и другие.
В среднем глубина нижней границы шельфа 133 м, ширина —— 78 км [17 ]. Многими учеными также отмечается, что граница шельфа проходит по 200-метровой изобате.
Общая площадь шельфа 27,5 млн. км2, что составляет почти 1/5 общей площади континентов, или 7,6% площади Мирового океана. Только в морях, примыкающих к границам СССР, площадь шельфа занимает 6 млн. км2, достигая четвертой части сухопутной территории.
В геологическом плане шельф представляет собой окраинную часть материков и является подводным продолжением последних. Сравнивая геологическое строение островов, расположенных на материковой отмели, с прибрежными областями континента, не трудно убедиться, что основные тектонические структуры, осадочные и магматические породы продолжаются в море и обнажаются на островах. Примером может служить остров Новая Земля, являющийся в геологическом плане продолжением Уральской складчатой системы; на Новосибирском архипелаге развиты те же осадочные и магматические комплексы, что и на берегу материка. Подобные примеры не единичны и определяют общую
Рис. 2.1. Колебания уровня моря в верхнем плейстоцене и голоцене:
——осредненная кривая поднятия уровня; 2 — кривая, построенная на основании минимального количества данных; 3 亠 вероятные колебания уровня в голоцене (по П. А. Кап- лину, 1973 г.)
закономерность единого геолого-исторического развития континента и его подводного продолжения ——шельфа. Об единстве континентов и шельфа свидетельствует и строение глубинных слоев Земли.
Как известно, строение верхней оболочки земной коры под ложем океана и на континентах различно. Верхний гранитный слой коры под континентами достигает мощности около 40 км, в то время как под океаном он уменьшается и даже исчезает полностью. В зоне шельфа развита кора континентального типа.
Положение береговой линии, отделяющей сушу от моря, в различные геологические периоды было непостоянно. Море то наступало на сушу, то отступало. Под водой оказывались значительные площади континентов со сформировавшимся на материке рельефом, в том числе россыпями, расположенными в долинах рек. При отступлении моря на суше обнаруживается рельеф и осадки, сформированные в морских бассейнах.
Восстанавливая историю колебаний уровня Мирового океана за последние 50 тыс. лет, большинство исследователей как у нас, так к за рубежом сходятся во мнениях о значительных трансгрессиях и регрессиях моря (рис. 2.1). Обобщая имеющиеся по этому вопросу материалы, П. А. Каплин [24 ] делает вывод, что развитие верхней части шельфа в послеледниковое время происходило под влиянием трансгрессии, вызванной таяньем ледников. Трансгрессия началась около 17 тыс. лет назад от уровня моря, расположенного ниже современного на 90 м; 6 тыс. лет назад уровень Мирового океана стал близок к современному состоянию.
При изучении разрезов донных отложений в различных морях Советского Союза мы повсеместно встречали под современными морскими осадками кайнозойские отложения континентального генезиса. В Балтийском море они представлены моренами послед-
него оледенения. На шельфе Японского моря это —— торфяники, аллювиальные и лагунные отложения плейстоцена и раннего голоцена. Там же неглубокими скважинами на дне моря были вскрыты коры выветривания гранитоидов. Часто, на глубине 40——60 м, в Японском море под тонкозернистыми морскими осадками расположены прослои с обильной фауной, представленной прибрежными формами. На дне моря прослежены три уровня древних морских террас и аллювиальные россыпи в палеоруслах рек, затопленных морем в настоящее время.
Кайнозойское время кроме неоднократных трансгрессий и регрессий моря характеризуется интенсивным образованием россыпных месторождений. Так, на Северо-Востоке СССР в это время происходит денудация горных сооружений альпийского цикла. На поверхности обнажаются многочисленные рудные месторождения золота, олова и других металлов, генетически связанных с мезозойским магматизмом. В палеогене образуются коры выветривания, в том числе ——на выходах коренных месторождений. Перемещение огромной массы материала, связанное с процессами денудации, в пониженные участки рельефа привело к накоплению на площади современного шельфа сложнопостроенной толщи осадков континентального и морского происхождения.
Простое сопоставление эпох интенсивного россьшеобразова- ния в кайнозое с положением уровня моря в то же время показывает, что образование россыпей на континенте происходило в условиях низкого стояние уровня. При этом значительные площади современного шельфа были выше уровня моря и на них образов話 вались толщи континентальных осадков, в том числе происходило интенсивное образование большой гаммы наземных россыпей.
В настоящее время известны многочисленные примеры нахождения древних аллювиальных россыпей под современными морскими осадками. Это, в первую очередь, широко известные россыпи касситерита, разрабатываемые на дне моря рядом с «оловянными островами» (острова Банка, Биллитон,Сингкап и др. в Индонезийском архипелаге). Затопленные морем и перекрытые современными осадками палеодолины рек с россыпями касситерита прослежены в этом районе до глубины моря 50 м и более.
Продолжение палеодолин на дне современного моря прослежено во многих областях шельфа как в морях Советского Союза, так и за рубежом.
На положение береговой линии, помимо общих, глобальных изменений уровня Мирового океана, сказывалась конкретная тектоническая обстановка в отдельных регионах. В одних случаях тектонические движения компенсировали поднятие уровня океана, в иных ——усиливали их, проявляясь в опускании территории, в третьих — не совпадали по фазе, в результате чего морские кайнозойские образования сейчас находятся выше уровня океана.
Несомненно одно, что обширные области материковой отмели в недалеком прошлом прошли сложный путь геологического раз- 24
вития. В результате этого в шельфовой области образовались толщи сложнопостроенных рыхлых отложений континентального и морского генезиса. Эти отложения неразрывно связаны с континентальными осадочными и тектоно-магматическими комплексами, обладая аналогичными металлогеническими особенностями.
О. К- Леонтьев [29] выделяет три основных генетических типа шельфа: трансгрессивный, аккумулятивный и абразионный. Трансгрессивные шельфы образуются при наступлении моря на сушу. Для них характерна большая ширина материковой отмели с сохранившимися формами рельефа континента. Наиболее широко шельф этого типа развит вблизи низменных берегов. Примером может служить шельфовая область советского сектора Арктического бассейна. Наиболее крупными формами рельефа являются острова и обычно линейно вытянутые, сравнительно глубоководные впадины. Типичным примером служит Новоземельская впадина в карском море, расположенная параллельно складчатой области острова Новая Земля. Донные осадки трансгрессивного шельфа характеризуются пестротой состава. Повышенная сортировка рыхлого материала наблюдается лишь в береговой зоне и у внешнего края шельфа, где достаточно интенсивно происходит образование собственно морского рельфа — подводных песчаных валов, аккумулятивных и денудационных банок, баров, кос и других форм морского рельфа. Трансгрессивный тип материковой отмели наиболее широко распространен в настоящее время. Аккумулятивный тип шельфа развит значительно меньше. Он приурочен, в основном, к устьям крупных рек и характеризуется усиленным накоплением донных осадков. Обычно рельеф затопленной суши погребен под морскими отложениями, мало расчленен, и переход к материковому склону происходит постепенно.
Абразионный тип шельфа распространен на локальных площадях. Он образует узкую зону мелководья вдоль гористых берегов. Глубина на внешней части шельфа не более 1/3——1/2 длины преобладающей в данном месте волны. Образуется шельф в результате абразии берегов и отступления береговой линии в глубь материка.
Таким образом, область шельфа является сложно построенной окраиной материка, характеризующейся активным перераспределением и дифференциацией рыхлых отложений под воздействием огромного объема водных масс. Морские осадки шельфа, в том числе и россыпи морского генезиса, —это молодые, современные образования.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА НА ШЕЛЬФЕ
Особенностью производства геологических и горных работ по изучению и освоению минеральных ресурсов на дне моря является постоянное присутствие слоя воды, перекрывающего донные
25
外产外产Рис. 22 Волновой профиле:Рис. 22 Волновой профиле:линия; 2 — гребеньлиния; 2 — гребень/ — средняя волновая/ — средняя волновая—вершина волны; 4 — впадина—подошва волны;八，入，р — Вы-—вершина волны; 4 — впадина—подошва волны;八，入，р — Вы-волны; 3 волны; 5волны; 3 волны; 5сота, длина н период волнысота, длина н период волныосадки. Морская среда определяет основные и локальные закономерности образования современных россыпей; ее воздействию подвергаются суда и плавучие горно-обогатительные комплексы; в условиях водной среды происходит подводная добыча полезных ископаемых. Морские волнения и течения играют существенную роль не только как литодинамический
外产
外产
Рис. 22 Волновой профиле:
Рис. 22 Волновой профиле:
линия; 2 — гребень
линия; 2 — гребень
/ — средняя волновая
/ — средняя волновая
—вершина волны; 4 — впадина
—подошва волны;八，入，р — Вы-
—вершина волны; 4 — впадина
—подошва волны;八，入，р — Вы-
волны; 3 волны; 5
волны; 3 волны; 5
сота, длина н период волны
сота, длина н период волны
фактор, но и во многом определяют выбор технических средств производства, а также экономику геолого-разведочных и добычных работ.
Шельф характеризуется сложной и, пока до конца не изученной, гидродинамической обстановкой. В настоящее время отсутствует общая теория движения водных масс в этой, сравнительно мелководной, зоне океана. Это объясняется большим разнообразием условий и причин, влияющих на образование большой группы постоянных, периодических и спорадических возникающих течений, приводящих воды шельфовой области в гюстояннбе движение. На мелкой воде усложняется и местами значительно усиливается действие приливов; наиболее ярко проявляются сгонно-нагонные колебания уровня и связанные с ними течения; происходит деформация и разрушение волн, приводящие к рассеянию их кинетической энергии в процессе взаимодействия с твердой оболочкой литосферы. В результате неравномерного нагрева и остывания толщи воды развивается интенсивное конвекционное перемешивание. Все эти процессы происходят в разнообразных морфологических условиях дна и берега, сложенных к тому же не однородными по своим физическим свойствам горными породами. /
Изучением физических явлений и процессов в океане занимается обширная отрасль науки — океанология. В последующем изложении мы остановимся лишь на процессах, непосредственно связанных с производством морских работ ——волнениях и течениях, определяя лишь основные и далеко не полные понятия и термины этого сложного раздела физики моря.
Морские волнения. Поверхность моря находится в постоянном движении. Образование волн связано с различными причинами. Ветер вызывает ветровые волны; периодические повышения и
понижения уровня под действием прилива ——приливные. В результате наклона поверхности моря, вызываемого разностью атмосферного давления —— анемобарические. Под воздействием землетрясений возникают сейсмические 笑胃 волны
подводных (цунами), ВИЯМИ.26подводных (цунами), ВИЯМИ.26известные своими катастрофическими последст-
подводных (цунами), ВИЯМИ.
26
подводных (цунами), ВИЯМИ.
26
На рис. 2.2 приведена кривая волновых колебаний с названиями основных элементов волны и принятыми для их обозначе
ния символами.
При описании волн пользуются следующими основными понятиями. Выделяют волны свободные, когда сила, вызвавшая образование последних, прекратила действие, и вынужденные, когда сила продолжает действовать. Если волны не меняют свои элементы во времени, то они называются установившимися. Волны, меняющиеся во времени — н е - установившиеся, развивающиеся или/ наоборот, затухающие.
Волны, у которых длина волны (А) меньше глубины моря ("), называются короткими (? > ^. Напротив, при длине волны больше глубины моря — длинными (与 <需)•
В зависимости от соотношения высоты и длины волны различают пологие и крутые волны.
По форме выделяются двумерные волны, когда гребень по фронту волны в несколько раз больше ее длины и высота гребня постоянна； трехмерные волны, когда длина гребня соизмерима с длиной волны; одиночные, или уединенные ——имеющие только куполообразный гребень и не имею
щие подошвы.
По глубине расположения различают поверхностные волны, возникающие на поверхности, и внутренние, возникающие на глубине и практически не проявляющиеся на по
верхности.
При видимом перемещении профиля волны в пространстве, волны носят название поступательных. Частицы воды в ни^ двигаются по практически замкнутым круговым или эллиптическим орбитам. При наложении двух противоположно направленных поступательных волн с близкими периодами и высотами образуются стоячие волны, не имеющие видимого перемещения фронта волны. В местах наибольшего колебания уровня частицы воды стоячих волн двигаются только вертикально, а в точках, где отсутствует колебание уровня, частицы воды двигаются только в горизонтальном направлении.
В теории волн глубокого моря, основанной на классической гидродинамике, доказывается, что скорость распространения поступательной волны (с) при глубине моря (方｝ равной бесконечности, определяется выражением
(2,1)
т. е. скорость распространения волны в глубоком море зависит только от длины волны.
Из рассмотрения поведения частиц воды на орбите устанавливается, что по мере удаления от поверхности моря радиусы орбит уменьшаются и тем быстрее, чем короче волна. Поэтому на глубине, равной половине длины волны, высота волны становится в 23 раза меньше, а на глубине полной длины — в 535 раз. Практически можно считать, что уже на глубине в половину длины волны волнение отсутствует. Для открытого моря, где длина волны обычно около 100 м, эта глубина составляет 50 м [17 ].
В реальных условиях на поверхности моря распространяются сложные волны, имеющие различную высоту и периоды. При интерференции волн с близкими периодами следующие друг за другом волны будут иметь неодинаковую высоту, и за максимальной величиной волны ——«девятый вал» ——следует уменьшение, а потом вновь возрастание высоты волны. Циклы, повторяясь друг за другом, создают периодические биения, а сами волны перемещаются группами. В случае безграничной глубины моря скорость перемещения группы волн (групповая скорость) равна половине скорости распространения индивидуальной волны:
сгр =，. (2・2)
На мелководье, где скорость волны уже не зависит от ее длины, все волны, а также и группы волн распространяются с одной и той же скоростью. При подходе волны к берегу происходит изменение всех характеристик волнения. -
В трехмерных волнах, характерных для глубоких частей акватории, постепенно увеличивается длина гребня, и они переходят в двухмерные, идущие приблизительно параллельно друг другу. Одновременно происходит уменьшение скорости и изменение профиля волн ——возрастает крутизна переднего склона, гребни волн укорачиваются и возрастают по высоте, ложбины выполаживаются и несколько удлиняются. При достижении передним склоном волны вертикального положения и определенной высоты гребень теряет устойчивость и обрушивается. Происходит разрушение волны. Глубина, на которой происходит это разрушение, называется критической глубиной (/7кр). Разрушение происходит бурно, с шумом и образованием пенистого буруна — возникает прибой. Критическая глубина зависит от крутизны волн на глубокой воде, уклона дна, направления и силы течения и колеблется в широких пределах от Нкр = 0,75/ipa3 до 2,5 и даже бЛраз* В среднем 〃咤 =(1,25—1,50) 施^, где Лраз — высота волны непосредственно перед разрушением.
При подходе волн к мелководью под углом к направлению изобат происходит искривление гребней и разворачивание фронта волны по направлению к берегу. Это явление называется р е - фракцией волн. Суть его состоит в том, что мористый участок гребня волны, находящийся на глубине, обгоняет береговую часть гребня, замедлившую скорость на мелководье. В.ре・ 28
на-на-по субперпендикулярномупо субперпендикулярному
на-
на-
по субперпендикулярному
по субперпендикулярному
зультате к берегу волна подходит . .
правлению вне зависимости от направления перемещения в открытом море. Как следствие этого явления у мысов или при наличии подводных возвышенностей высота волн увеличивается и происходит схождение волновых лучей —— конвергенция. При наличии бухт или впадин происходит дивергенция —— расхождение лучей, высота волн уменьшается (рис. 2.3).
При океанографических работах элементы морских волн измеряются разнообразными приборами. На практике распространена визуальная оценка волнения и состояния поверхности моря в баллах. Как та, так и другая оценка проводится на основании внешних признаков по девятибалльной системе (табл. 2.1 н2.2). Однако шкала силы волнения и шкала состояния поверхности моря не идентичны и отражают различные явления. Так, если сила волнения в закрытых морях обычно не превышает VII——VIII； баллов, то состояние поверхности моря нередко достигает максимума —
девяти баллов.
Таблица 2.1
Шкала степени (силы) волнения
Волнение, баллы
Словесная характеристика
Размеры волн
высота, м
длина, м
период, с
0
Отсутствует
0
0
0
I
Слабое
До 0,25
5,0
2,0
II
Умеренное
0,25—0,75
5-15
2—3
III
Значительное
0,75-1,25
15-25
3—4 /
IV
То же
1,25-2,0
25—40
4—5
V
Сильное
2,0—3,5
40—75
5—7
V1
То же
3,5—6,0
75—125
7—9
VII
Очень сильное
6,0-8,5
125—170
9—11
VIII
Го же
8,5-11,0
170—220
11—12
IX
Исключительное
>11,0
〉220
〉12
Таблица 2.2
Шкала состояния поверхности моря под влиянием ветра
Характеристика поверхности моря в баллах
Признаки для определения состояния поверхности моря
0
1
2
3
4
5
6
7
‘8
9
Зеркальная поверхность
Рябь, появляются небольшие гребни волн Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, н0 пена не белая, а стекловидная
Хорошо заметные, небольшие волны; гребни не- которых из них Опрокидываются, образуя местами белую клубящуюся пену — барашки
Волны принимают хорошо выраженную форму; повсюду образуются барашки
Появляются гребни большой высоты, их пенящие- ся вершины занимают большие площади, ветер начинает срывать пену с гребней волн
Гребнн очерчивают длинные валы ветровых волн; пена» срываемая с гребней ветром, начинает вытягиваться полосами по склонам волн
Длинные полосы пены, срываемые ветром, покры- вают склоны волн и местами, сливаясь, достигают их подошв
Пена широкими плотными сливающимися полосами покрывает склоны волн, отчего поверхность становится белой, только местами, во впадинах волн, видны свободные от пены участки'
Поверхность моря покрыта плотным слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно уменьшена
Морские течения. Морские течения характеризуют поступательное перемещение водных масс в определенном направлении и с определенной скоростью. По происхождению морские течения разделяют на ветровые, или дрейфовые, градиентные и приливно-отливные.
Внешними силами, вызывающими течения, являются: сила трения ветра о водную поверхность; изменение атмосферного давления; приливообразующие силы Луны и Солнца; сила тяжести, а также сопутствующие им силы внутреннего трения и отклоняющая сила вращения Земли.
Рассмотрим коротко основные особенности каждой из выделенных групп течений.
Ветровые, или как их называют иначе дрейфовые, течения возникают под действием ветра. Многочисленными наблюдениями в различных морях установлена эмпирическая связь между скоростью ветра и скоростью дрейфового течения, возникающего под его воздействием. Эта связь определяется следующим выражением [17 ]:
Ко = -^L-吃(2.3)
V sin ф
где Vo ——скорость дрейфового течения, м/с; W ——скорость ветра, м/с,屮 一 географическая широта места.
Отсюда очевидно, что скорость дрейфового течения на поверхности составляет всего несколько процентов от скорости ветра.
Ф. Нансен, плавая на «Фраме» в Гренландском море, установил, что льды дрейфовали не вдоль направления ветра, а на 20— 40° отклонялись вправо от него. В 1905 г. шведский геофизик Ваган Экман математически обосновал это явление и создал теорию дрейфовых течений.
В? Экман доказал, что дрейфовое течение возникает от взаимодействия касательного напряжения ветра, отклоняющей силы вращения Земли (сила Кариолиса) и турбулентного трения при постоянном коэффициенте турбулентной вязкости. При этом, в условиях глубокого моря, вектор течения отклоняется от направления ветра на 45° вправо в северном полушарии и влево ——в южном. С глубиной, благодаря трению между частицами воды, скорость течения падает, а отклонение от направления ветра возрастает. На определенной глубине течение будет направлено в противоположную сторону от направления на поверхности, а его скорость равна 1/23 последнего. Экман назвал эту глубину глубиной трения (Q), так как она находится в прямой зависимости от коэффициента вязкости (卩).
J(2.4)
Г СО Sin ф ?
где а — удельный объем; з ——угловая скорость вращения Земли.
Рис. 2.4. Спираль Экмана (Изменение с глубиной величины и направления скорости дрейфового течения в глубоком море северного полушария)Рис. 2.4. Спираль Экмана (Изменение с глубиной величины и направления скорости дрейфового течения в глубоком море северного полушария)Для общей оценки глубины трения можно воспользоваться эмпирически установленной связью последней со скоростью поверхностного течения
Рис. 2.4. Спираль Экмана (Изменение с глубиной величины и направления скорости дрейфового течения в глубоком море северного полушария)
Рис. 2.4. Спираль Экмана (Изменение с глубиной величины и направления скорости дрейфового течения в глубоком море северного полушария)
D=,(2.5)
V sin ф
где К — коэффициент, .принимающий значение около 7. Отсюда величина D колеблется в пределах 480—6OOVo [27 ]. В средних широтах и ветрах средней силы D составляет около 100 м, колеблясь в пределах 50—200 м. С уменьшением широты глубина трения возрастает.
На глубйне Н = 2Q вектор скорости течения вновь направлен по направлению, соответствующему поверхности, но
скорость составляет только 1/535 скорости на поверхности. Горизонтальная проекция концов векторов скоростей представляет собой логарифмическую спираль и носит название «спираль Экмана» (рис. 2.4).
При конечной глубине моря угол между вектором ветра и вектором поверхностного течения изменяется в зависимости от глубины. Когда отношение истинной глубины к D мало, то дрейфовое течение следует за направлением ветра (табл. 2.3).
Отношение 万 может служить критерием мелководности моря. При увеличении этого отношения угол между вектором ветра и направлением течения составляет 45°, что характерно для условий глубокого моря.
Отклонение поверхностного течения от ветра зависит не только от глубины, но и от силы ветра, так как при этом растет коэффициент трения №
В случае сильных ветров со скоростью 呼 > 6 м/с 卩=4,3U^2, при силе ветра менее 6 м/с —卩=1,02W^ [27].
Сказанное хорошо иллюстрируется приведенными расчетами, выполненными для средней широты Каспийского моря (табл. 2.4).
Приведенные выше рассуждения основаны на допущении идеальных условий наличия в море только одних дрейфовых течений. В природе такое условие встречается крайне редко, и реальные течения возникают под действием разнообразных причин, в том числе в связи с различными градиентами плотностей водных масс.
Таблица 2.3
Зависимость угла отклонения вектора поверхностного течения
Я
ОД
0,25
0,5
0,75
1,0
1,5
Угол между вектором те- ееная и Ее ктор ом Естра, градус
5
21,5
45
45,5
45
45
относительно вектора ветра оТ отношения 分
(по Н. И. Егорову [17])
Таблица 2.4
Зависимость угла отклонения вектора поверхностного течения (градусы) относительно вектора ветра от силы ветра и глубины моря (по Н. И. Егорову [17])
Глубины моря, м
Сила ветра, баллы
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
42
20
8
6
4
4
4
3
3
20
45
45
22
20
12
10
6
5
4
50
45
45
45
45
45
37
31
22
17
100
45
45
45
45
45
45
45
45
43
150
45
45
45
45
45
45
45
45
45
Градиентные течения не связаны непосредственно с ветррм и возникают в толще воды под влиянием различных факторов. В общем виде они обусловлены горизонтальным градиентом гидростатического давления. Последний возникает при неод
нородном изменении уровня моря под влиянием сгонно-нагонных явлений, изменения атмосферного давления, различной плотно
вод и повод и подругим причинам.другим причинам.сти воды, местным повышением уровня в результате стока речных
вод и по
вод и по
другим причинам.
другим причинам.
В общем случае на частицу, расположенную на свободной изобарической поверхности р0, будут действовать две силы: сила, обусловленная градиентом гидростатического давления а 字，н сила тяжести g [17 ]. Исключая силу трения, действующую только
3333в придонном слое, можно разложить вектор силы тяжести g на Две составляющие g cos у н g sin у, где у — угол наклона уровня (рис. 2.5). При этом вектор g cos у уравновесит силу гидростатического давления а 臣,а неуравновешенная сила gsiny вызовет движение масс воды. Возникновение движения сразу приведет в действие отклоняющую силу вращения Земли К, которая равна
33
33
2 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
Рис. 2.5. К выводу формулы для расчета градиентных течений (по Н. И. Егорову, 1974 г.)Рис. 2.5. К выводу формулы для расчета градиентных течений (по Н. И. Егорову, 1974 г.)2о)VT sin 屮 (где (о — угловая скорость вращения Земли, равная 7,29 • 16" с-1; 吟一скорость течения;屮 —— географическая широта).
Рис. 2.5. К выводу формулы для расчета градиентных течений (по Н. И. Егорову, 1974 г.)
Рис. 2.5. К выводу формулы для расчета градиентных течений (по Н. И. Егорову, 1974 г.)
При установившемся движении отклоняющая сила вр 血 ення Земли должна уравновесить действующую силу g sin 7. Это произойдет тогда, когда Ут будет направлено в правую сторону (для северного полушария) перпендикулярно к наибольшему уклону.
Отсюда скорость течения VT будет
匕=产in у .(2.6)
2со sin ф、
В придонном слое трения, имеющем в средних широтах толщину около 100 м, действующая сила g sin 7 будет уравновешиваться уже двумя силами: силой трения ——Т и отклоняющей силой вращения Земли ——К, сумма которых направлена по равнодействующей R (рис. 2.5, в).
Выражение скорости примет иной вид:
「g，in& = .(2.7)
丿卩2 十(2со sin ф)2
Отсюда следует, что с возрастанием силы трения 卩 при приближении ко дну вектор течения стремится принять направление, совпадающее с направлением максимального уклона изобарической поверхности, при зтом скорость уменьшается и у самого дна, где происходит «прилипание» 卩=оо, а 頂=0.
Этот простой и наглядный способ вывода формул скорости градиентного течения, предложенный Н. И. Егоровым, полностью согласуется с доказательствами, основанными на более строгом математическом методе [17 ].
Приливные течения обусловлены приливами, связанными с взаимодействием сил притяжения внутри космической системы Земля——Луна——Солнце. Основные черты приливов определяются приливообразующей силой Луны, которая в 2,17 раза больше солнечной. Большое влияние на величину и характер приливов оказывают физико-географические условия в конкретных районах —— контуры берегов, размер акватории, ее глубина, географическое положение и т. д.
В открытом океане колебание уровня, связанное с приливом, не превышает 0,8——1 м. У побережий материков уровень колеблется около 1,5——2 м. Однако местные отклонения достигают значительных величин. Так, в вершине залива Фунди, расположенного 34
между полуостровом Новая Шотландия и материком, величина прилива достигает 16,2 м, являясь максимальной для Мирового океана; в Мезенской губе —— 8,5 м; в то же время величина прилива в Балтийском море под Ленинградом составляет всего 3,7 см [52 ].
Наивысший уровень воды во время прилива называется полной водой, а наинизший во время отлива ——малой в о - д о й. Промежуток времени между двумя последовательными полными и малыми водами составляет период прилива. Различают приливы суточные с периодом, равным полным лунным суткам (24 ч 50 мин), полусуточные с периодом 12 ч 25 мин и смешанные, у которых в течение половины лунного месяца период меняется с полусуточного на суточный.
Наивысший уровень полных вод и наименьший малых наблюдается в то время, когда Луна, Солнце и Земля находятся в одной плоскости, перпендикулярной к земной орбите (время полнолуния и новолуния). Приливные силы Луны и Солнца в это время действуют однонаправленно и складываются, образуя так называемые сизигийные приливы.
Когда Луна и Солнце располагаются по отношению к Земле на взаимно перпендикулярных плоскостях, что происходит в первую и последнюю лунные четверти, приливы становятся наименьшими —квадратурные приливы.
При взаимодействии приливной волны с берегом, особенно в узких проливах или заливах, происходит отражение приливной волны и образуются стоячие волны. Если период последних совпадает с периодом собственного колебания уровня в водоеме, то в результате резонанса происходит значительное увеличение колебаний уровня.
В условиях, когда происходит сложение продольных стоячих волн с поперечными волнами, сдвинутыми по фазе на четверть периода, в широких заливах или окраинных морях возникает круговое, вращательное движение гребня приливной волны вокруг неподвижной точки, называемой амфидромией. Колебания уровня в этой точке не будет, уровень сохраняется постоянным.
На картах распространение приливной волны показывают линиями, соединяющими точки, в которых полная вода наступает в один и тот же момент времени. Эти линии носят название к о - тидальных линий.
Явление приливов представляет собой волновое движение масс воды. При этом длина волны значительно превышает ее высоту и зависит от глубины моря Н. Для полусуточного прилива с периодом Т = 12 и 25 мин В. В. Шулейкин приводит следующие расчетные величины：
глубина моря, м105010050010005000
скорость волны, м/с9,921317099210
3535длина волны, км 4449921400313044409920
35
35
2*
При приведенных соотношениях глубины моря и волны динамические условия на всех глубинах будут одинаковыми и во всей преобладающей толще воды движение частиц происходит по одинаковым законам [66 ].
Приливные течения можно представить как проекции движения частиц по орбитам на горизонтальную плоскость. Тогда скорость течения V составит:
(2.8)(2.8)展С寸1cos （成一硒,
(2.8)
(2.8)
где с —— скорость распространения волны; "о — амплитуда колебания; п — угловая скорость волны; / —— время, когда скорость течения имеет величину V; kx ——начальная фаза.
Отсюда следует, что скорость приливного течения будет наибольшей при полной или малой воде, когда cos (nt — kx) = 1. При этом скорости при малой и полной воде равны между собой, но направлены в противоположные стороны. Когда уровень занимает среднее положение Z = 0, то скорость течения также равна 0 [66].
В отличие от этого, максимальная скорость течения при стоячей волне, видимые формы которой не перемещаются в пространстве, будет наблюдаться при f — ^т и / = — т (где т — период волны), т. е. в моменты, когда уровень моря займет среднее положение.
Представление о скоростях приливных течений и масштабе перемещения частиц воды при этом за время полупериода волны при величине прилива 100 см, дают цифры, приведенные в табл. 2.5.
На скорость приливных течений большое влияние оказывает ширина акватории, в связи с чем наибольшие скорости можно наблюдать в узких проливах. Скорости 1,5—3 узла в подобных местах не являются редким исключением. При этом скорость в центральной части пролива бывает больше на 1/3 средней скорости для всего сечения.
Скорость течения н смещения частиц
Глубина, м
100
500
1000
2000
4000
Максимальная скорость течения, узлы *
0,61
0,27
0,19
0,14
0,10
Максимальное смещение частиц, км
4,4
2,0
1,4
1,0
0,7
Таблица 2.5
Максимальные скорости течения и смещения частиц в приливной волне (по Н. И. Егорову [17])
Скорость в 1 узел равна 1 852 м/ч.
Расчеты показывают, что при фронте волны, параллельном прямоли ней ному берегу, скорость течения зависит от отношения расстояния рассматриваемой точки до берега к глубине моря. Это отношение оказывается наибольшим на границе материковой отмели, где и можно ожидать наибольших скоростей приливных течений [17 ].
В мелководной акватории на приливные течения значительное влияние имеет трение о дно. Это влияние сказывается в нижнем слое трения, толщина которого зависит от периода прилива и величины коэффициента турбулентного трения.
Если выше слоя трения вектор течения направлен в направлении распространения волны, то в слое трения для северного полушария он направлен вправо относительно движения волны и сказывается на всей толще воды при глубине, равной или меньшей
глубины трения.
В настоящее время теория приливных течений разработана далеко не полностью. Для практических расчетов как величины прилива, так и скоростей, пользуются довольно сложной и тру- Л доемкой операцией обработки непосредственных натурных наблюдений. Полная формула расчета высоты прилива содержит 93 составляющих. На практике используют упрощенные варианты расчетов, что позволяет произвести предвычисление приливов и приливных течений практически на любой заданный срок для кон、 кретного географического пункта с достаточной точностью.
и волнения,и волнения,Особенности береговой зоны. Прибрежная часть шельфа выделяется по своим характерным особенностям в самостоятельную береговую зону. Береговая зона характеризуется малыми глуби- нами воды, повышенным уклоном дна и нахождением в ее пределах уреза воды, т. е. перехода дна моря в поверхность суши. ■ Все это влечет за собой существенное изменение параметров течений образованных в глубоководной части моря.'
и волнения,
и волнения,
Глубина воды, значительно меньшая по величине мощности слоя трения, определяет развитие как дрейфовых, так и градиентных течений во всей толще последней. При этом, направление дрейфового течения приближается к направлению ветра, а градиентного — к наибольшему наклону поверхности моря. Приливное течение в результате взаимодействия с контуром берега и рельефом дна приобретает сложный, дифференцированный характер. В результате взаимодействия различных течений возникает суммарное прибрежное течение. При этом скорость течений у берега, по сравнению с открытым морем, увеличивается. Так, например, зависимость скорости градиентного течения на мелководье (%) от скорости дрейфового потока в открытом море (У。) изменяется по формуле
片р= Vo Ks cos₽,(2.9)
где В ——угол между линией берега и направлением ветра [52 ]. Отсюда, при изменении угла 0 от 90 до 0° скорость течения возра- 37
стает. Скорость суммарного течения возрастает по более сложному закону и достигает максимума при § = 13°, составляя при этом 〜2,3%.
При сгонных или нагонных ветра% образуется устойчивая, поперечная по отношению к берегу циркуляция. Непосредственно у берега, между урезом и зоной разрушения волн, возникает сложное энергетическое течение, направленное вдоль берега, и образование нагона воды у уреза. Скорость энергетического течения зависит от скорости частиц в волне, и поэтому максимальная скорость наблюдается в зоне разрушения волн, резко затухая в сторону моря и постепенно — к берегу.
При равномерном уклоне дна и установившемся режиме волн скорость энергетического течения можно рассчитать по приближенной формуле
где
。殁:cos а ； f«V；
а — угол между фронтом волны и линией берега;力 ——высота разбивающихся волн; т —— период волны; k —— коэффициент трения у дна; по опытам, для песков крупностью 0,1——0,3 мм 右= = 0,0078 [52].
Нагон воды определяет возникновение компенсационных течений, представленных противотечениями и разрывными течениями. Последние носят пульсационный характер и, прорывая зону разрушения волн, уходят в сторону моря на 1——2 км. Создается многомерная динамическая система, активно воздействующая на твердую оболочку литосферы. В результате действия господствующей равнодействующей силы течений возникает относительно устойчивый профиль равновесия системы: дно ——водная среда. Последний определяет характер дифференциации осадков, морфологию берега, пляжа и подводного склона на участке с конкретным геологическим строением, метеорологическим и динамическим режимом береговой зоны.
В настоящее время динамический режим береговой зоны изучен недостаточно. Это связано с трудностью производства натурных измерений и многообразием взаимосвязанных факторов, определяющих гидродинамику последней. Поэтому описание процессов в этой зоне скорее имеет качественный, чем точный количественный анализ.
В. Логинов [30], характеризуя береговую зону, определяет следующие основные особенности ее литодинамики:
а) интенсивность миграций материала литосферы во всех направлениях и особенно вдоль изобат; б) непрерывное поступление обломочного материала с суши; в) интенсивная дифференциация этого материала; г) преобладание циклических, обратимых пере- 38
мещений над необратимыми, приводящих к выносу материала за пределы береговой зоны.
Собрано еще недостаточно данных для проведения нижней границы береговой зоны. Изучение колонок грунта, поднятых со дна моря, и проведенные одновременно с отбором проб замеры скорости и направления течений показывают, что зта граница непостоянна и существенно зависит от конкретного региона. В закрытых акваториях глубина ее меньше, на открытых побережьях больше.
Действительно, в одном из крупных закрытых заливов моря Лаптева было установлено, что максимальная дифференциация терригенного материала и соответственно повышение концентрации тяжелой фракции повсеместно приурочено к узкой полосе береговой зоны на глубинах 2——6 м. Глубже 6 м происходит довольно резкое выполаживание берегового склона и последний переходит в ровное дно акватории. При этом если береговой склон сложен песчаными и алевритовыми образованиями, то ровное дно повсеместно перекрыто илистыми осадками.
В Японском море исследованиями МГИ установлено, что наиболее благоприятная область дифференциации песчаных и алевритовых фракций расположена на глубинах от 20 до 40 м. Она пространственно совпадает с своеобразной зоной донных течений, заключенной между вдольбереговым потоком со стороны берега и зоной постоянных течений со стороны моря.
Для придонного слоя этой зоны характерны разнонаправленные, короткопериодические течения с преобладанием движения воды в сторону открытого моря. Замеры, проведенные при помощи самопишущего прибора, показывают изменение скорости от 10 до 40 см/с и направления на одном месте в зависимости от фазы прилива или отлива. +
Начиная с глубин 40——50 м на высоте 1 м от дна отчетливо фиксируется постоянное холодное течение, связанное с общей циркуляцией водных масс Японского моря. Его направление противоположно вдольбереговому потоку. Скорости у дна изменяются от 15 до 45 см/с, достигая максимального значения на отдельных участках до 53 см/с.
Граница между промежуточной зоной и постоянным течением колеблется в зависимости от силы и направления ветра в пределах от 40 до 60 м глубины. При этом ее перемещения в плане, по нор- малн к берегу, достигают 2——3 км. Этим определяется прямое влияние ветра на образование течений на глубине 40——60 м, что значительно превышает обычно принятую для расчетов глубину.
Интенсивные течения в береговой зоне активно взаимодействуют с литосферой и производят значительную работу, разрушая берег, с одной стороны, сортируя и перераспределяя терригенный материал, с другой. По удачному выражению В. В. Лонгинова [301, важнейшими процессами береговой зоны является фильтрация материала, поступающего с суши и вынос его на поверхность собственного шельфа.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ
МОРСКИХ РОССЫПЕЙ
В геологической практике россыпью называют скопление обломочных пород, содержащих в виде механической примеси те или иные устойчивые к разрушению полезные компоненты.
Россыпные месторождения морского генезиса не обязательно должны находиться на дне моря. На современном континенте имеется значительное количество россыпных месторождений, образованных и захороненных на дне моря, выведенных в последующие геологические эпохи из-под воды на сушу. В то же время на дне морей известны россыпные месторождения, образованные в континентальных условиях, В основном, это аллювиальные россыпи древних речных систем, опущенные ниже современного уровня моря и перекрытые сверху морскими отложениями.
Следовательно, на дне современных морских водоемов можно встретить как россыпи, непосредственно образованные в результате деятельности моря (морские россыпи), так и россыпи, первоначально возникшие на континенте и лишь впоследствии опущенные ниже уровня Мирового океана.
• Возникновение морской россыпи определяется многими взаимосвязанными условиями. Из них основными являются:
наличие в зоне активного действия моря исходного материала для формирования россыпи;
наличие определенной гидродинамической обстановки, создающей условия для дифференциации исходного материала;
наличие условий, допускающих в течение достаточно продолжительного периода стабилизацию дифференцированного материала в локальной зоне на дне моря.
Первое условие определяется традиционным кругом вопросов, издавна изучаемых геологами. Это вещественный состав, условия залегания и другие особенности горных пород и руд, являющихся потенциальными источниками материала для образования россыпи.
Второе и третье условие требует изучения закономерностей перемещения, дифференциации и отложения кластического материала под воздействием разнообразных морских течений, имеющих сложный и еще далеко не выясненный характер.
Объяснение механизма перемещения большой массы материала вдоль берега связано с понятием о потоке наносов. Потоком наносов» по О. К. Леонтьеву [29] называется явление массового перемещения наносов вдоль берега, в течение длительного времени сохраняющего (суммарно) одно и то же направление.
Поток наносов принято характеризовать:
емкостью — максимальным количеством твердого материала, которое волны и течения способны перемещать вдоль берега в единицу времени;
мощностью ——количеством материала, реально проходящего через данное сечение в единицу времени; ,
насыщенностью — состоянием потока наносов, при котором его емкость равна мощности.
Очевидно, что параметры потока наносов зависят от энергии течения, перемещающего во взвешенном состоянии частицы твердого вещества. Снижение скорости течения сразу вызывает уменьшение емкости потока наносов и лишний материал выпадает на дно. При этом происходит дифференциация взвешенных частиц, и те их них, которые имеют большую гидравлическую крупность, выпадают быстрее. При стабильном положении в пространстве участка снижения емкости потока происходит аккумуляция осадков с одинаковой гидравлической крупностью. Там, где динамические условия оптимальны для выпадения рудных минералов, образуется аллохтонная россыпь, т. е. переотложенная вдали от источника поступления материала.
При возрастании скорости течения поток наносов приобретает дополнительную емкость и становится недонасыщенным твердым материалом. Стремясь восстановить равновесие, он начинает размывать донные отложения. При определенном динамическом режиме в поток наносов начинают вовлекаться только легкие фракции. Тяжелые и более крупные частицы как менее подвижные остаются на месте. При этом происходит обогащение донных образований тяжелой фракцией, но уже не за счет ее выпадения, а за счет выноса более легких минералов. Как и в первом случае, длительное и устойчивое сохранение подобных условий приводит к образованию уже автохтонных морских россыпей, т. е. образованных на месте. Классическим примером подобных образований являются «остаточные галечники» на дне Берингова моря, в которых находится относительно крупное золото промышленного содержания [75]. Образование этих россыпей произошло в результате размыва и выноса мелкой и легкой фракции из ледниковых образований, покрывающих дно моря.
Остаточные отложения, представленные плохосортированными осадками, широко распространены в областях, характеризующихся абразией морского дна.
В морях Северного Ледовитого океана ими обычно сложены подводные банки, образовавшиеся на месте разрушения многочисленных островов, сложенных рыхлыми кайнозойскими образованиями. Как правило, в плохосортированных грубозернистых образованиях остаточного происхождения происходит накопление минералов тяжелой фракции, которые нередко образуют промышленные скопления.
Автохтонные и аллохтонные морские россыпи, образованные потоком наносов пространственно связаны друг с другом, располагаясь последовательно по ходу последнего. Незначительные изменения конфигурации берега, наличие бухт, устьев рек, изменение уклона дна приводят к нарушению равновесия в потоке наносов, а следовательно, и к изменению условий- концентрации рудных минералов.
Так, например, при разведке морских россыпей на Балтийском море в районе работ был расположен искусственный мол, далеко вдававшийся в море. В результате опробования было установлено, что тяжелая фракция интенсивно накапливается у мола со стороны подхода потока наносов. При этом отмечается аккумуляция легкой фракции на пляже и интенсивное наступление вновь образованной суши на море. Налицо все признаки уменьшения емкости потока наносов, вызванного замедлением течения у мола.
Участок непосредственно против мола не содержит в донных осадках тяжелых минералов. Они появляются на расстоянии 1 км от мола по направлению хода потока наносов. В месте повышения концентраций тяжелых минералов ширина пляжа резко сокращается, в теле россыпи появляются окна, в которых на поверхность дна выходят подстилающие морские осадки породы, а сама россыпь отличается неравномерным гранулометрическим составом и содержанием. В отличие от предыдущего, в данном месте емкость потока наносов явно повысилась и происходит размыв отложений на дне моря.
В настоящее время разработано много теоретических и эмпирических формул, позволяющих аналитически получать направление и мощность вдольберегового потока наносов. Они находят широкое применение в инженерных расчетах, связанных с решением вопросов заносимости акваторий, каналов, прогнозирования размыва и деформации берегового подводного склона. Однако разработанные формулы не являются достаточно корректными и применимы скорее для расчета возможного порядка искомых величин, чем для точной оценки их значений.
Как правило, для производства расчетов требуется большая подготовительная работа по обобщению гидрометеорологических данных, а сами расчеты достаточно трудоемки, особенно когда приходится рассчитывать много опорных точек. Тем не менее важно подчеркнуть то, что сейчас уже намечен подход к выявлению качественных и количественных характеристик связи параметров динамики водных масс с взаимодействующими с ними донными осадками. Ниже приводится описание одного из распространенных методов расчета, впервые предложенного И. Мунх- Петерсюном и В. Г. Глушковым, впоследствии дополненного и усовершенствованного рядом авторов 117 ].
Сущность метода состоит в суммировании энергии ветра, передаваемой водной среде и распределенной по географическим румбам через 45° или по полурумбам через 22,5°. Составляющая потока энергии по каждому румбу или полурумбу выражается формулой вида:
c = pWnDm, (2.11) где р —— повторяемость ветра в пределах данного румба, в долях единицы или %; W — осредненная скорость ветра, м/с; D — длина разгона ветра над водной поверхностью, км; пит ——показатели 42
Рис. 2.6. Разложение вектора суммарного потока энергии ветровых волн на наносодвижущую Т и прибойную В силы:Рис. 2.6. Разложение вектора суммарного потока энергии ветровых волн на наносодвижущую Т и прибойную В силы:а — угол направления ветра с береговой линией; у — угол направления ветра с нормалью к берегуа — угол направления ветра с береговой линией; у — угол направления ветра с нормалью к берегустепени, различные в разных условиях и у разных авторов.
Рис. 2.6. Разложение вектора суммарного потока энергии ветровых волн на наносодвижущую Т и прибойную В силы:
Рис. 2.6. Разложение вектора суммарного потока энергии ветровых волн на наносодвижущую Т и прибойную В силы:
а — угол направления ветра с береговой линией; у — угол направления ветра с нормалью к берегу
а — угол направления ветра с береговой линией; у — угол направления ветра с нормалью к берегу
Например, по наиболее распространенному методу Кнапса [51 ], румбовая составляющая энергии ветровых волн подсчитывается по несколько видоизмененной формуле
е = рГ3 УоГ, (2.12) где k — коэффициент полноты румбового сектора, т. е. отношение ко всему сектору активной его доли (за вычетом части, приходящейся на береговой ветер или относящейся, к наносодвижущей силе с другим
знаком).
Геометрическое суммирование этих составляющих, вычисленных для определенного, заданного периода или за осредненный год, дает суммарную энергию ветра, передаваемую водной поверхности за соответствующий период:
Е= ^e=^pWnDm. (2.13)
Размерность суммарной энергии и ее составляющих дается почти всеми авторами в условных единицах. Исходя из этого уравнения, определяется вдольбереговая составляющая потока энергии волн, пропорциональная суммарной энергии ветра, называемая наносодвижущей с и л о й Г, и нормальная составляющая — сила прибоя В (рис. 2.6), Наносодвижущие силы, направленные вправо Тп или влево Тл от нормали к берегу (смотря^с берега), учитываются раздельно. Сумма абсолютных значений ^ и Тл называется размахом миграций наносов.
Силы Т и В определяются как суммы румбовых наносодвижу- ш,их Z или прибойных b сил. Наносодвижущим силам, направленным вправо, присваивается знак《十》，влево《一». .
Таким образом:
Румбовые составляющие наносодвижущей силы определяются посредством умножения соответствующей энергии е по румбу на угловую функцию / (а)', учитывающую влияние угла а между направлением ветра и береговой линией. “ .
Кнапсом предложена угловая функция f (а), основой которой является 2 sin а cos а (рис. 2.7). Максимальное значение f (а), равное 1, получается при а — 45°, а нулевое — при а — 0 и а = =90°. Но так как^дольбереговме ветры оказывают некоторое влияние на перемещение наносов, Кнапс дополнил кривую
Рис. 2.7. Диаграмма коэффициентов связи энергии ветровых волн с наносодвижущей силой и прибойной силой (а и у —— углы, соответствующие рис. 2.6)
2 sin а cos а касательной к ней, начиная от а = 120°. Также проведена касательная к кривой cos у или sin а. Ордината Е на рис.2.7 дает значение / (а), а Г)— значение sin а или cos у, на которые и умножаются соответственно румбовые составляющие энергии, чтобы получить румбовые наносодвижущие силы и силы прибоя
， =怨=Р步3芷砥， (2.14)
6 =叫=рГ3 УВЬ[. (2.15)
Чтобы избежать оперирования длинными цифрами, в формулы вводится коэффициент 1/1000 и получается размерность в килоединицах.
Далее определяется Т = £九 В = £匕，вектор Е решением прямоугольного треугольника £ = I^T2 + В2 и угол у из отно- тення у = arctg А = \ТП\ + \ТЛ\ .
Суммируя отдельно положительные и отрицательные /, находим А и Тл. При плавном изменении направления берега, без наличия выступающих мысов или дополнительных источников питания наносами (например, рек) рекомендуется разбить весь регион на участки, которые без большой погрешности могут быть изображены в плане прямой линией. Отношение длины выделенного участка к длине всего региона обозначается символом 九广 Для каждого участка отдельно определяется 3厶 7山,7加,£z и углы af и %. Далее вычисляются произведения 瓦%, 7亩%, Тл/ 兀 и по методу определения средневзвешенных величин простым суммированием находятся общесуммарные для всего региона значения Тт 4 Т, В, Е а угол у。. Направление общего энергетического вектора на отдельных участках региона определяется путем откладывания угла у。от местных нормалей к линии берега.
Кроме описанного метода расчета имеется значительное количество методов как дополняющих последний с учетом конкретной обстановки, так и применяющих иные исходные данные для вывода формул [51 ]. •
П. Комара [30 ] предложил теоретическое обоснование для расчета веса песка в потоке воды (G) в зависимости от потока волновой энергии и угла подхода волн в зону их разрушения. Предложенная им формула расчета имеет следующий вид:
G = k (Е%) sin ар cos ар, (2.16) где G ——вес песка в водном потоке； А ——безразмерный коэффициент, близкий к 0,77; £ — плотность ветровой энергии; сп —— групповая скорость; ар — угол подхода волны к зоне разрушения.
Приведенные методики позволяют рассчитать основные параметры потока наносов, определить направление движения и количество взвешенного материала, переносимого течениями.
В общем виде представляется и сам процесс переноса вещества; Установлено, что большая часть наносов перемещается непосредственно по дну (до 80%) и только незначительная часть во взвешенном состоянии. Около дна, в слое воды мощностью до 10 см, скорость течения резко снижается и слабо коррелируется со скоростями как в 1 м надо дном, так и со средней скоростью потока [30 ].
В то же время, в литературе практически нет указаний на проведение исследований, направленных на оценку величины перемещения конкретной порции наносов вдоль берега за длительный промежуток времени. Отдельные работы по переносу гальки на Черноморском побережье не восполняют этот пробел, так как механизм перемещения крупного материала отличается от перемещения песчаных наносов.
Проведенные исследования по распространению минеральных ассоциаций в береговой зоне и на подводном склоне позволяют косвенным путем подойти к суммарной оценке перемещения наносов вдоль изобат. В районах исследования как в Японском море, так и в море Лаптевых четко выделяются региональные области и районы с характерным набором минералов и более того с постоянными корреляционными связями между группами минералов. Обращает на себя внимание то, что как на пляже, так и на глубине до 40——50 м прослеживается четкая связь донных отложений с геологической обстановкой на берегу. В бухтах закрытого типа эта связь настолько отчетлива, что, например, по составу тяжелой фракции морских отложений можно говорить о наличии скарнированных зон на берегу, обнаруживающихся только после упорных поисков. 。
На открытых побережьях смена минералогических ассоциаций приурочивается к границам крупных тектоно-магматических комплексов и уже не улавливаются детали геологического строения берега. Эта закономерность настолько постоянна, что в одном из районов арктического побережья позволила дать прогноз о наличии определенного комплекса пород в прибрежном тундровом районе, который подтвердился последующими наземными работами.
Таким образом, при образовании современных осадков четко прослеживаются ограниченные в пространстве площади, в отло-
жениях которых распространены сходные по составу минералогические ассоциации. Аналогичные данные получены для древних морских бассейнов [3, 56 ].
Полученные натурные наблюдения над минеральными ассоциациями в морских осадках позволяют ставить вопрос об ограниченном перемещении материала вдоль изобат в одном направлении и преобладании возвратно-поступательного движения вдоль берегов. В связи с этим заслуживают самого пристального внимания те сведения, которые получены по перемещению терригенного материала по нормали к изобатам.
Важность и значимость перемещения наносов по нормали к берегу убедительно подчеркнул в своей монографии П. А. Каплин [24 ]. Он справедливо указывает, что более пристальный анализ береговых аккумулятивных форм позволяет утверждать, что возникшие при поперечном перемещении морфологические структуры имеют преимущественное распространение.
О большой роли в дн血еренцнанни вещества при поперечном перемещении наносов говорит и тот факт, что именно этому процессу обязаны широким развитием илистые отложения, вынесенные за пределы береговой зоны и даже за пределы шельфа.
В настоящее время наиболее хорошо изучен лишь процесс дифференциации материала в зоне пляжа.
Непосредственно в прибрежной зоне действуют течения, перемещающие материал по направлению, перпендикулярному к линии берега. Эти течения, развивающиеся в самой активной динамической зоне мелководья, являются не только источником энергии для сортировки морских осадков, но и основным фактором формирования береговой зоны в целом.
Не останавливаясь на процессах формирования берегов, коротко разберем основные положения механизма дифференциации кластического материала на пляже [20 ]. В общем, этот процесс сводится к выносу за пределы пляжа относительно мелких и легких частиц и накоплению более крупных и тяжелых. В связи с большой изменчивостью гидро- и литодинамических условий в зоне пляжа содержание тяжелых минералов часто меняется, то увеличиваясь при выносе легкой фракции, то резко снижаясь при поступлении на пляж новых порций обломочного материала. При поперечном перемещении, асимметрия волновых колебаний приводит к тому, что частицы большой гидравлической крупности всегда обгоняют меньшие в процессе движения вверх по склону, (т: е. к пляжу) и всегда отстают от них, если материал смещается вниз по склону. В результате этого возникает хорошо известная всем картина, когда пляж, сложенный гравийно-галечными образованиями на некотором расстоянии от уреза воды сменяется песчаными осадками. По той же причине в приурезовой полосе часто происходит накопление естественного шлиха тяжелых минералов в виде тонких прослоев среди отложений пляжа.
На отмелых аккумулятивных побережьях рассмотренная кар-
тина усложняется наличием очень характерных морфологических образований ——подводных вдольбереговых валов. Обычно они представлены песчаными грядами, расположенными в кулисообразном порядке субпараллельно берегу. Высота каждого из них колеблется в зависимости от конкретной обстановки в пределах от 0,5 до 2 м. Зона подводных вдольбереговых валов нарушает поступательное движение материала вверх по склону, так как над гребнями валов происходит разрушение волн и часть взвешенного материала выпадает в осадок. Кроме того, ложбины, разделяющие валы, являются основными местами стока нагонных вод, направленного вниз по склону. Это также препятствует поступательному движению частиц к берегу.
В результате при поступлении материала со стороны открытого моря вдоль внешней зоны валов образуется полоса донных осадков с повышенным содержанием тяжелой фракции. На пляже в этом случае накопление тяжелых минералов не происходит. В случае поступления материала с берега тяжелые минералы концентрируются в ложбине между урезом воды и первым подводным валом, редко проникая по зонам разрывных течений на мористый край зоны валов. 、
Интенсивность воздействия волновых движений и течений на материал, залегающий на дне, различна для частиц разной крупности. В конечном счете она будет определяться теми скоростями потока воды, которые необходимы для приведения частиц осадка в движение.
Значения критических скоростей течения воды, при которых происходит размыв, перенос и отложение осадков различного гранулометрического состава, приведены в табл. 2.6.
Анализируя данные табл. 2.6, видно, что грубозернистые отложения и галька имеют скорости переноса и отложения, близкие друг к другу. Это означает, что дифференциация крупного материала затруднена, так как он находится в движении среди узкого интервала скоростей. Песчаные породы, а особенно алеврит, в от-
Таблица 2.6
Критические скорости течения воды, необходимые для размыва, переноса и отложения осадка (по О. К. Леонтьеву), [99]
Осадок
Диаметр частиц, мм
Критические скорости, м/с
размыва
переноса
отложения
Глинистый ил (уплотнен-
0,001
3,0
0,03
ный), глина Алеврит
0」
0,22
0,08
0,008
Песок средний
0,5
0,18
0,18
0,038
Песок крупный
1,0
0,37
0,37
0,075
Гравий
10,0
1,10
0,89
0,70
Галька
50,0
2,40
1,72
1,70
личие от крупного материала, способен за время изменения скорости в широком интервале расклассифицироваться как по крупности зерна, так и по его удельному весу. Эта особенность мелкозернистых образований во многом определяет одну из основных черт морских россыпей — их мелкозернистость.
Приведенные в табл. 2.6 критические скорости относятся к минералам, удельный вес которых колеблется в пределах 2,6—2,7. Для тяжелых минералов, удельный вес которых больше 2,7, приведенные скорости будут соответствовать зернам с меньшим диаметром.
Связь гранулометрического состава с удельным весом частицы для рассмотрения ее поведения в жидкости определяется понятием гидравлической крупности. Гидравлической крупностью называется скорость падения частицы в спокойной воде. Она зависит от формы, размера, удельного веса частицы, вязкости и температуры воды.
В общем виде гидравлическая крупность определяется по зависимости, предложенной Стоксом:
%备*勺&(2.17)
где V — скорость падения частицы; dm — диаметр частицы; Рт — удельный вес частицы; Рь ——удельный вес жидкости; п ——вязке сть жидкости; g — ускорение силы тяжести.
Поскольку при одинаковой гидравлической крупности скорость падения частицы легкого минерала равна скорости падения частицы тяжелого минерала, можно написать Улег = Утяж или
g ~2Рлег — Pbg/2Ртяяс —Р/小
而丽4物 (2.18)
Преобразуя это уравнение и решая его по отношению к диаметру тяжелого минерала, падающего в воде, получаем:
= V绵R%er・(2.19)
Если принять удельный вес породообразующих минералов в среднем 2,7 тс/м3 и рассчитать эквивалентный им диаметр таких рудных минералов, как ильменит, рутил, касситерит и золото, то получим, что при одинаковой гидравлической крупности диаметр рудных минералов будет соответствовать:
кварц1,0
ильменит, руто/0,62
касс терит0,53
золото 0,14
Таким образом, зерно касситерита, падающее в воде с той же скоростью, что и зерно кварца, должно иметь диаметр в два раза меньше последнего.
Рассмотренная формула Стокса отражает основные положения, связанные с поведением частицы в спокойной воде. При детальном 48
анализе этой проблемы необходимо пользоваться более сложными формулами, достаточно полно разработанными в гидродинамике.
Несомненно, что лежащие на дне моря рыхлые отложения вовлекаются в сферу активной переработки не на всю свою мощность, а лишь в своем верхнем слое. Этот слой является динамически наиболее активной частью осадков. В нем происходит постоянное перемещение и механическая дифференциация материала, накопление одних и вынос других минеральных зерен. Находясь под воздействием динамических сил водной среды, верхний слой осадков отражает в своих параметрах равновесие твердой оболочки литосферы и водных масс, чутко реагируя на каждое изменение гидродинамики. В связи с этим верхний слой донных осадков выделяется и рассматривается отдельно. Нам представляется правильным называть этот слой донных отложений активным слоем. Под этим термином мы подразумеваем верхний слой донных осадков, находящийся под активным механическим воздействием перемещающейся у дна водной массы.
Верхней границей активного слоя является современная поверхность дна, нижней ——плоскость, расположенная в толще осадков, определяемая глубиной распространения механического воздействия на рыхлые образования придонных течений в периоды их наибольшей гидродинамической активности. Чаще всего максимальная глубина переработки осадка связана с придонными течениями, возникающими при шторме.
Как вытекает из определения, мощность активного слоя не является постоянной. Она зависит от гидродинамического режима конкретного участка акватории и гранулометрического состава осадков. В областях с пониженными скоростями придонных течений мощность активного слоя сокращается до минимума, в наиболее динамически активной зоне на урезе воды его мощность максимальна. При однообразном гранулометрическом составе осадков по поперечному профилю подводного склона мощность активного слоя постепенно уменьшается с глубиной моря. На абразионных участках дна и выходах скальных пород бенча активный слой практически отсутствует.
Критерием для выделения активного слоя служит распределение тяжелой фракции в вертикальном разрезе донных осадков. При этом в различных лито динамических зонах тяжелая фракция в активном слое распределяется по-разному.
В зонах с преобладанием аккумуляции нижняя граница активного слоя является своеобразным ложным плотиком. При многократной переработке вышележащих рыхлых образований тяжелые минералы оседают и создают прослой с повышенным содержанием тяжелой фракции. При неоднородном разрезе донных отложений ложный плотик на нижней границе активного слоя может быть приурочен к прослою трудно поддающихся размыву пород — илам, глинам, галечникам или ракушечнику, которые экранируют от механического воздействия течений нижележащие отложения.
Непосредственно в разрезе активного слоя часто можно наблюдать несколько ложных плотиков второго порядка, образованных в результате воздействия на осадок течений промежуточной силы —— больших, чем в обычных для акватории гидродинамических условиях и меньших, чем в экстремальных случаях.
В зонах активного транзита материала и выноса мелких частиц активный слой бывает резко обеднен тяжелыми минералами или происходит накопление наиболее тяжелой части фракции ——руд- шях 向нералов, таких как касситерит и золото на фоне обедне- ння породообразующих — пироксенов, амфиболов и др. В раз- резе донных осадков в этом случае на нижней границе активного слоя, у ложного плотика, суммарное содержание тяжелых минералов незначительно и от подстилающих пород активный слой отличается пониженным содержанием тяжелой фракции.
Кроме анализа распределения тяжелой фракции в разрезе дон- них осадков мощность активного слоя можно установить систематическими наблюдениями за изменением рельефа дна акватории. Этот метод требует неоднократных промеров глубин в одних и тех же точках при различной ветровой и соответственно вол новой обстановке. При этом выполнение промерных работ во время шторма практически невозможно без специально построенных эстакад й сопровождается значительными трудностями.
Как уже отмечалось, мощность активного слоя колеблется в зависимости от конкретной гидрологической обстановки и крупно- стн рыхлых образований на дне моря. В изученном нами районе шельфа Японского моря для осадков алевритовой крупности она в Среднем составляет: на глубине 15 м — 2,2 м; на 30 м — 1,6 м; на глубине 40—50 м, в зоне действия постоянного течения — 0,7 м. На подводном склоне Балтийского моря, в мелкозернистых песча- нмх отложениях на глубине 10—12 м, мощность активного слоя колеблется от 0,7 до 1,2 м. В мелководном бассейне моря Лаптевых мощность активного слоя зависит от положения в лптодинамиче- скмх зонах. При этом максимальная мощность около 2 м зафиксирована в аккумулятивных образованиях — банках, пересыпях, преграждающих вход в крупные заливы.
На Тихоокеанском побережье США (штат Далавэр) инструментально зафиксировано изменение уровня дна на умеренно наклонном пляже в зависимости от сезона года с амплитудой около 4 M [4].
Значительные мощности активного слоя являются свидетелями огромной работы моря. В результате переработки колоссальных объемов рыхлых образований, расположенных на дне моря, в активном слое происходит, с одной стороны, концентрация тяжелых минералов в локальных участках и, с другой,—более равномерное их распределение по площади. Являясь противоположными по результату, эти процессы диалектически связаны между собой н не могут существовать в отдельности. Равномерное накопление тяжелых минералов в морских осадках подготовляет почву для 50
Таблица 2.7
Распределение средних содержаний отдельных минерало» в донных отложениях на шельфе Японского моря
Содержание минералов в условных единицах
Литодинамн- ческие зоны
Слои
лая фракция
Магиетит
Ильменит
Гранат
Циркон
Амфибол
Эпидот
Аккумуля-
Активный слой
3,5
48,0
3,2
1,8
1,2
3,8
2,4
тивная
По ребенный морской
1,8
15,0
1,6
0,9
1,2
2,4
1,2
Континентальный
1
1
1
1
1
1
1
Транзитно-
Активный слой
0,9
1,1
0,9
2,5
1,2
0,5
0,8
абразионная
Погребенный морской
1,3
1,7
1,3
6,0
1,0
1,1
1,4
Континентальный
1
1
1
1
1
1
1
последующей их концентрации при изменении гидродинамических условий в акватории.
В табл. 2.7 приведено содержание отдельных минералов в пробах из скважин, вскрывших одновременно активный слой, погребенные морские осадки и континентальные образования в различных литодинамических зонах на шельфе Японского моря.
Из таблицы видно, что в активном слое аккумулятивной зоны происходит интенсивная концентрация тяжелых минералов как по отношению к подстилающим его морским, так, особенно, и континентальным отложениям. Концентрация магнетита при этом возрастает в 48 раз от 0,161 до 7,9 кг/м3. В транзитно-абразионной зоне наблюдается обратная картина и отложения активного слоя обеднены минералами тяжелой фракции.
Максимальная сортировка морских осадков по гранулометрическому, а также по минералогическому составу происходит при неоднократном переотложении кластического материала. Наиболее интенсивно этот процесс развивается в пределах береговой зоны и на подводном береговом склоне, где кластический материал, многократно откладываясь и вновь вовлекаясь в движение, образует локальные области хорошо сортированного осадка.
ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА
В общем случае коренные источники морских россыпей удалены от мест их образования на значительно большие расстояния, чем это наблюдается у аллювиальных и других типов россыпей на
суше. Реки и морские течения переносят терригенный материал на десятки, а иногда и сотни километров, прежде чем он найдет постоянное место аккумуляции в конечном водоеме стока.
Следовательно, прежде чем накопиться в россыпи, рудные минералы должны проделать длинный путь. На этом пути происходит неизбежное изменение минерала, его физическое, механическое и химическое выветривание. Для накопления значительных объемов рудных песков должны быть переработаны огромные объемы исходной породы. Сами минералы должны обладать высокой стойкостью к выветриванию и механическому разрушению, с одной 彳 стороны, и быть достаточно легко переносимыми, с другой.
Этим условиям, в первую очередь, удовлетворяют такие минералы, как ильменит, рутил, циркон, монацит, ксенотим и некоторые другие. Указанные минералы широко распространены в виде акцессориев в изверженных и метаморфических горных породах, откуда они могут освобождаться и накапливаться в больших количествах. Их удельный вес по сравнению с породообразующими минералами — полевыми шпатами и кварцем — невелик (кварц 2,6, полевые шпаты ——2,7, а перечисленные минералы ——от 4,2 до 5 за исключением монацита, удельный вес которого 5,5) и они легко переносятся водными потоками на большие расстояния. Относительно небольшой удельный вес минералов является решающим фактором того, что ильменит, рутил, циркон, монацит и ксенотим, как в настоящее время, так и в прошедшие геологические эпохи, почти не образуют аллювиальных россыпей, а концентрируются в россыпях прибрежной части моря.
Такие минералы, как касситерит, золото, колумбит, лопарит, вольфрамит, шеелит и некоторые другие, не могут быть перенесены на значительные расстояния либо благодаря малой механической прочности, либо большому удельному весу. Они накапливаются вблизи коренных источников и образуют аллювиальные и другие типы россыпей на незначительном удалении от материнских пород.
Только в том случае, если материнские породы расположены в непосредственной близости от побережья и между ними и берегом моря нет благоприятных условий накопления тяжелых минералов, последние попадают в морской бассейн и образуют морские россыпи.
Особенности переноса различных минералов хорошо объясняют закономерности размещения россыпей в морских бассейнах: россыпи, содержащие ильменит, рутил и некоторые другие мобильные минералы, распространены наиболее широко вдоль морских побережий. Часто не удается установить прямой связи россыпей с геологическими образованиями прибрежной полосы в зоне их развития. Наоборот, такие минералы, как золото, касситерит, алмазы, пользуются значительно меньшим распространением и образуются только в морских акваториях, на берегах которых развита рудная минерализация (алмазы Западной Африки, золото на побережье Аляски, касситерит Малайзии, Индонезии и др.).
Таблица 2.8
Основные полезные компоненты и минеральные ассоциации морских россыпей
Промышл енные минералы
Плотность, т/м*
Сопутствующие промышленные минералы
Алмаз
3,5
Хромит, гранат, ильмепит
Золото
14—19
Мл вменит, магнетит, циркон, рутил, хромит, гематит, платина
Касситерит
6,8—7」
Ильменит, магнетит, циркон, рутил, монацит, золото
Монацит
4,9—5,3
Ильменит, магнетит, циркон, рутил, ксенотим, анатаз, брукит, минералы редких земель
Циркон
4,2—4,7
Ильменит, рутил, магнетит, ксенотим, анатаз, брукит
Рутил
4,2—4,3
11лвменит, циркон, магнетит, ксенотим, анатаз, брукит, корунд
Ильменит
4,5—5,0
Рутил, циркон, титаио-магнетит, магнетит, монацит, ксенотим, тантало-колумбит
Магнетит, титано- магнетит
4,9—52
Ильменит, хромит, руткл, гематит, циркон
В табл. 2.8 приведены основные и сопутствующие им рудные минералы, распространенные в россыпях морского генезиса.
Практика работ на шельфе Советского Союза и зарубежный опыт показывают, что рудные компоненты в морских россыпях присутствуют в виде мелких и мельчайших зерен, размеры которых колеблются в пределах 0,05—0,2 мм. Зерна тяжелых минералов меньшего или, наоборот, крупного размера встречаются значительно реже.
Размер рудных минералов в морских осадках сопоставим с размером акцессорных включений в изверженных породах (0,04 —— 0,15 мм). Этот же размер частиц наиболее благоприятен для размыва, переноса и отложения морскими течениями, являясь наиболее мобильным по своей гидравлической крупности. Как показал И. М. Страхов, мелкий размер тяжелых минералов не случайное явление, а отражает общие закономерности образования осадочных пород [57].
Экспериментальными исследованиями и непосредственными наблюдениями было выяснено, что процессы измельчения твердых пород под воздействием волн в зоне пляжа имеют незначительное развитие. Так, А. М. Жданов установил, что обломки базальта приобрели округлую форму после пребывания на пляже в тече-
ние 2—3 месяцев. После этого темп истирания резко замедлился и составил около 5% веса образца в год. При этом установлено, что при истирании гальки базальта песок не образуется. Продуктом истирания являются пелитовые частицы, которые переходят во взвешенное состояние и уносятся волнами [18].
Теоретические расчеты показывают, что при соударении твердых частиц пород в водной среде конечное измельчение происходит лишь до размера 0,26—0,56 мм и дальше не продолжается [2]. Лишь такие непрочные породы, как глинистые сланцы, измельчаются достаточно быстро, и образованные за их счет пески на протяжении 50 км побережья изменяют крупность от 0,25 мм до 0,1—0,05 мм [29].
Исходя из изложенного, можно заключить, что песчаный и алевритовый материал, поступающий в море, не подвергается там значительному измельчению. Следовательно, освобождение рудных зерен должно происходить в континентальных условиях, а в море происходит лишь дифференциация поступающего с суши, предварительно подготовленного терригенного материала. При этом для наиболее полной дифференциации необходимо максимальное раскрытие рудных зерен, обеспечивающее более четкое разделение осадков по удельному весу.
При физическом выветривании кристаллических пород, содержащих акцессорные минералы титана и циркония, совместно с последними освобождаются основные породообразующие минералы —— пироксены, амфиболы, гранаты и другие, незначительно отличающиеся по удельному весу от полезных компонентов. Попадая в зону дифференциации морскими течениями, они накапливаются совместно с рудными минералами, сохраняя между собой соотношения, аналогичные тем, что и в исходных материнских породах. Примером подобных россыпей служат черные пляжевые пески Черноморского и Каспийского побережья Кавказа, в которых при общем высоком содержании тяжелой фракции, достигающем первых десятков процентов, концентрация ильменита и циркона редко превышает первые килограммы на кубический метр песков.
Совершенно иные процессы происходят при химическом выветривании горных пород. Большинство породообразующих минералов, таких, как полевые шпаты, пироксены, амфиболы и другие, в результате химического выветривания превращаются в глинистые продукты и выносятся из зоны разрушения. Тем самым происходит обеднение минерального состава тяжелой фракции и относительное обогащение ее устойчивыми к химическому воздействию минералами, способными сохраняться в процессе длительной транспортировки.
Исходя из этих положений многие исследователи рассматривают наличие коры выветривания в прибрежной зоне как один из основных факторов образования исходного материала для возникновения морских россыпей.
Действительно, многие наиболее крупные и хорошо изученные морские россыпи, расположенные в зоне тропического и субтропического климата, связаны непосредственно с площадями развития мощных кор выветривания.
В первую очередь, сюда относятся классические ——наиболее хорошо изученные и давно известные районы развития прибрежных россыпей: Индии, Малайзии и Индонезии. Прибрежные россыпи этих районов отличаются высоким содержанием и значительными размерами. Однако, как это указывалось нами и ранее [36], рассматривать современные коры выветривания как единственный или хотя бы основной источник поступления рудных минералов в морские россыпи было бы неверно.
Для морей, расположенных в средних и высоких широтах северного полушария, где процессы химического выветривания протекают медленно или подавлены полностью, главенствующая роль в поступлении терригенного материала принадлежит рыхлым или слабосцементированным отложениям кайнозойского возраста. Эти отложения широко развиты вдоль морских побережий, а местами уходят под современный уровень моря и занимают значительные площади шельфа. Рыхлые отложения кайнозойского возраста представлены аллювиальными, делювиальными, ледниковыми или морскими образованиями, состоящими из различных песков, галечников или глин.
Так, например, источником ильменит—рутил—цирконовых россыпей Балтийского моря являются моренные и флювиогляциальные четвертичные отложения. При этом содержание полезных ископаемых компонентов в ледниковых отложениях редко превышает первые килограммы на кубический метр, в то время как подводные россыпи характеризуются высоким промышленным содержанием.
Приведенные выше факты позволяют говорить о большой роли промежуточных коллекторов в образовании россыпей морского генезиса. Промежуточные коллекторы, представленные рыхлыми молодыми отложениями, содержат набор минералов, прошедших длительный путь дифференциации в континентальных условиях или на дне моря при ином стоянии уровня последнего. В результате этого процесса в рыхлых отложениях накапливаются минеральные зерна, устойчивые к химическому и механическому выветриванию, в локальных участках накапливаются повышенные содержания тяжелых минералов, вплоть до образования россыпных проявлений и месторождений. В отдельных случаях подобные скопления рудных минералов представляют собой более дифференцированные и подготовленные для дальнейшей переработки в морских условиях образования, чем обнажающиеся на берегу коры выветривания. Для шельфов морей Советского Союза, расположенных в основном в зоне умеренного и холодного климата, промежуточные коллекторы являются основным источником поступления рудных минералов в зону морской дифференциации.
Таблица 2.9
Поступление терригенного материала в морские бассейны, млн. т/год (по А. А. Аксенову [2])
Морские бассейны
Речной сток
Продукты абразии
Берингово море Азовское море
100—200 8,0
200—400 13,0
Поступление обломочного материала и вовлечение последнего в сферу дифференциации морскими течениями происходит тремя основными путями: в результате абразии берегов; абразии морского дна; привнося твердого стока рек.
Непосредственное действие волн на скальные породы вызывает их незначительное разрушение, но при ударе о поверхность твердых частиц, взвешенных или перемещаемых силой волн, разрушительный эффект возрастает многократно. Экспериментальными наблюдениями установлено, что берега, сложенные изверженными породами, отступают со средней скоростью 0,002 м в год; массивные известняки, мергели и сланцы — 0,5—1,0 м в год; берега, сложенные песчано-глинистыми породами, абразируются со средней скоростью от 10 до 20 м в год [2].
В условиях севера скорость абразии берега значительно усиливается под действием теплового взаимодействия моря и атмосферы. Разрушение береговых обрывов, сложенных сильнольдистыми породами, достигает на отдельных участках до 200 м.
Некоторое представление о количестве поступающего в результате абразии материала в морские бассейны дают данные табл. 29
Приведенные цифры показывают значительную роль абразии в балансе терригенного материала, поступающего в море.
Выше уже были приведены примеры возникновения морских россыпей в результате разрушения рыхлых терригенных толщ, обнаженных в береговой зоне. Значительно труднее без специально поставленных исследований оценить роль скальных пород как поставщиков исходного материала 'для образования морских россыпей.
Известные в литературе примеры поступления исходного материала из коренных пород касаются лишь разрушения туфогенных образований —лав и пемз, содержащих зерна ильменита и тита- но-магнетита. Россыпи, возникшие из этого материала, широко развиты на побережьях вулканических островов Новой Зеландии, Вест-Индии и Курильской гряды, образуя так называемые «черные берега» [3, 57 ].
К подобному типу относится Ручарская морская россыпь ти- тано-магнетита в заливе Простор о. Итуруп, изученная экспе- 56
дицией Московского горного института. Берег здесь сложен пем- зой и туфами. В пемзе присутствуют кристаллы титано-магне- тита. У подножья разрушающегося клифа скапливается крупнообломочный материал, быстро сменяющийся песчаными образованиями неширокого пляжа. В отложениях пляжа, особенно приурезовой полосы, содержание железа по сравнению с исходными породами резко возрастает и образуется пляжевая россыпь. Титано-магнетит в этой зоне концентрируется в виде зерен размером 0,5—2 мм и практически весь находится в сростках с пироксеном. Ниже уреза воды содержание железа в песках несколько падает, но размер зерен и количество сростков резко уменьшается. Размер преобладающих зерен тяжелых минералов до изобаты 20—25 м около 0,2—0,1 мм, количество сростков, по отношению к массе магнетита, составляет J0—20%. На глубине свыше 25 м вновь резко увеличивается количество сростков, доходя до 90%, но в отличие от пляжа, уже в тонких зернах.
Приведенный пример показывает, что разрушение плотных коренных пород при преобладании физического выветривания, не обеспечивает достаточно полного раскрытия зерен полезного компонента. Это приводит к значительному усложнению процесса дифференциации материала и препятствует концентрации моно- минеральных фракций.
Примером образования подводной морской россыпи, материал для которой поступает из коренного месторождения, является морская россыпь в одном из заливов моря Лаптевых. В этом районе непосредственно на берегу моря расположено небольшое рудо- проявление. Рудные тела, представленные тектонической брекчией, сцементированной турмалином и кварцем, содержат гнездовые вкрапления полезного компонента, часть которого в виде тонкой вкрапленности рассеяна в цементе.
Головы рудных тел обнажены в цоколе уступа морской террасы, сложенной лёссовидными породами четвертичного возраста с прослоями песков и торфяников. Высота террасы около 25——30 м. Непосредственно над коренными породами лежат делювиальные образования, среди которых кое-где сохранились остатки древней коры выветривания, представленные каолинизированным глинистым материалом. Как коренные породы, так и ^рыхлые отложения подвергаются интенсивному разрушению морскими волнами и морозному выветриванию.
Отложения пляжа и примыкающие к нему отложения на дне залива обогащены полезным компонентом и образуют промышленную россыпь. Основная часть материала концентрируется в зоне вдольберегового течения между урезами воды и подводным вдольбереговым валом.
Россыпи касситерита, образованные в море непосредственно на месте разрушения коренных месторождений, известны в Индонезии, на островах Малайи и Таиланда [10].
Значительно меньше изучены процессы, связанные с абразией донных отложений. Однако наличие этого явления устанавливается почти повсеместно при изучении прибрежно-морских осадков шельфа. Так, на Балтийском море мористый край подводных россыпей четко ограничен выходом бенча, сложенного валунными образованиями, возникшими в результате размыва и выноса песчано-глинистого материала из моренных суглинков; в Японском море вдоль западного побережья современные морские осадки подстилаются суглинками, торфами и аллювиальными отложениями нижнечетвертичного возраста, которые в отдельных местах в виде окон выходят на поверхность дна. В одном из районов рядом с таким «окном» в современных морских отложениях на изобате 60 м обнаружены единичные, плохоокатанные кристаллы руды. Нет никакого сомнения, что эти минералы попали в современные осадки в результате размыва более древних отложений на дне моря. 一
В этом же районе на берегу имеется несколько золотоносных ручьев, продолжение долин которых прослеживается на дне моря. В результате бурения дна установлено, что вдоль современной береговой черты на глубине воды 5—10 м расположена золотая россыпь в современных морских осадках. Золотоносные струи четко протягиваются по направлению движения морских наносов от^размываемой на дне моря погребенной аллювиальной россыпи
Из многих литературных источников можно получить данные 。роли твердого стока крупных рек в поступлении терригенного материала в область морского осадконакопления. В то же время пока нет конкретных исследований о значении этого материала в образовании морских россыпей.
Очень мало конкретных наблюдений и о гранулометрическом составе выносимого в море материала. Наиболее полно изучение 9Tof。вопроса в СССР проведено для водосбросного бассейна озера Байкал. Там в результате многолетних наблюдений установлено, что твердый сток таких рек, как Верхняя Ангара, Баргузин, Селенга, представлен на 75—90% частицами диаметром 0,1—• 0,05 мм и мельче. В более коротких реках — Снежная и Утулик — количество тонких частиц уменьшается до 54—63%, но и в этом случае они составляют больше половины выносимого материала [9]. При этом приведенные цифры характеризуют сравнительно небольшие реки горного характера. В равнинных условиях роль тонких частиц в твердом стоке рек, несомненно, возрастает.
Попадая в зону действия морской дифференциации, тонкие илистые частицы уносятся за пределы шельфа, как правило, не оседая на мелководье. Следовательно, основная часть твердого стока рек не является тем материалом, из которого может образоваться морская россыпь. Только незначительная часть твердого стока, представленная крупной фракцией, может рассматриваться как материал для образования россыпи. При этом надо учитывать, что 58
размер частиц тяжелых минералов согласно закону гидравлической крупности, будет меньше породообразующих минералов.
Иное положение может возникнуть при катастрофических расходах воды в реках, приуроченных к паводкам. Выносимый в море более грубозернистый материал откладывается на шельфе и может служить источником поступления тяжелых минералов в морские россыпи.
По нашему мнению, значительно большую роль, чем крупные реки, играют короткие бурные водотоки, дренирующие горные массивы и круто спускающиеся прямо в море. Обладая большой потенциальной энергией, подобные реки интенсивно разрушают различные горные породы, встречающиеся на их пути. Отсутствие условий для аккумуляции в речной долине приводит к выносу кластического материала непосредственно в зону действия морских течений, где он и подвергается морской дифференциации.
Примером образования морской россыпи, возникшей в результате переработки аллювия, поступающего в виде твердого стока в море, может служить ильменит-рутил-цирконовая россыпь в районе устья р. Кларенс в Восточной Австралии. Речные наносы, поступающие в море, перемещаются в результате действий ветровых течений и равномерно распределяются вдоль берега [2].
Приведенные выше примеры убедительно показывают, что наличие коры выветривания, образующейся в современных условиях, является вовсе не единственным обязательным условием для образования кластического материала, из которого могут возникать морские россыпи. В условиях холодного климата источником рудного материала могут служить как молодые рыхлые отложения береговой зоны, так и продукты физического и механического разрушения коренных пород и рудных месторождений.
КЛАССИФИКАЦИЯ МОРСКИХ РОССЫПЕЙ
Различные сочетания геологического строения питающих провинций, морфологии береговой зоны и дна акватории, динамики водных масс приводят к образованию многочисленных типов морских россыпей. Общей классификации морских россыпей пока еще нет； Имеющиеся классификации подробйо рассматривают россыпи континентального генезиса и обычно схематически россыпи морского происхождения. Только в последнее время появились работы, посвященные специально морским россыпям [58, 61 и др.].
Собранный в последние годы материал по геологическому строению морских россыпей позволяет существенно дополнить предложенную в 1969 г. классификацию [36].
По положению в разрезе донных осадков выделяются две основные группы россыпей — современные, расположенные в толще активного слоя, образование которых происходит на наших глазах, и погребенные, в настоящее время захороненные под более молодыми отложениями. Последние выведены из области актив-
кого воздействия моря и находятся в стабильном положении. Среди них могут находиться как собственно морские, захороненные в связи со сменой тектонической обстановки, либо общим поднятием уровня океана, так и континентальные, образованные на суше и лишь впоследствии оказавшиеся ниже уровня моря.
Основным объектом нашего рассмотрения являются современные морские россыпи. В основу их классификации положены следующие факторы:
положение россыпи по отношению к источнику материала;
ведущий процесс, в результате которого поступает материал в зону образования россыпи;
непосредственные динамические процессы, формирующие россыпь;
положение россыпн по отношению к морфологическим формам берегового склона..
В табл. 2.10 приведена классификация современных морских россыпей. Среди последних выделены две большие группы, различающиеся по механизму образования и положению по отношению к источнику материала. С одной стороны это автохтонные россыпи, образованные в результате выноса легкой фракции и обогащения за счет этого оставшейся массы осадка, — иначе говоря, россыпи остаточной концентрации. С другой стороны, аллохтонные, образованные из материала, принесенного морскими течениями, вдали от источника поступления материала в море. Внутри групп выделены подгруппы, в которые входят конкретные типы морских россыпей.
Как видно из табл. 2.10, каждый тип характеризуется своими особенностями вмещающих пород, распределением и содержанием полезных компонентов, морфологией залежей и глубиной толщи воды и, как следствие, способами и методами поисков, разведки и эксплуатации.
Автохтонные россыпи
Автохтонные россыпи характеризуются назначительными размерами по простиранию, сравнительно плохо сортированным материалом, преобладанием среди полезных компонентов наиболее тяжелых минералов ——платины, золота, касситерита и своеобраз- ными, выдержанными во многих регионах мира титано-магнетитовыми россыпями.
Среди автохтонных россыпей выделяются две подгруппы по признаку господствующего динамического процесса, в результате которого происходит непосредственное формирование россыпей и поступление рудного материала — россыпи волноприбойных потоков и россыпи устойчивых донных течений.
Для россыпей волноприбойных потоков характерным является поступление рудных минералов в результате абразии берега, сложенного породами, обогащенными полезными компонентами. Это
н g
S н
毋自^占之e Й 6 Й§o^
NubUhhh HHhО.я с a.
UdUcqjhhBНо
3 黄鸟&||1g1y0＞国書鷗
dСой ХаНкнтьнОннх
X
S H
0电
1°s, ||!^整
о о丈 н
л體舅說1M «
sCQh00 nB XOnUhX
С §С° С 5О И § g
。17 eh икдвн
X ар актер исти к а россыпи
Автохтонные (рудный материал ие потерял прямую связь с материнскими цородамн или промежуточными коллекторами)
волиоприбойиых потоков
устойчивых дойных течений
подножья клифа
прибрежных ложбии
шлейфовые
поперечных промоин
остаточные
Морфология продуктивных залежей
Ведущие полезные минералы
Вытянутые вдоль клифа полосы, длина определяется протяженностью абразионного участка, ширина 10—15 м, мощность 1—2 м Золото, касситерит, магнетит
Вытянутые вдоль берега линзы длиной несколько километров, шириной —0,2—0,6 км и мощностью до 10—20 м
Касситерит золото
Расширяющиеся в сторону моря площади, шириной до 5—6 км и мощностью до 2—5 м
Магнетит
Серии удлиненных линз перпендикулярных к береговой черте длиной 100—200 м, шириной 16— 30 м, мощностью 0,2—1,5 м Золото, платина
Разнообразные по размеру и форме тела, чаще в виде маломощных линз, вытянутых по направлению господствующих течений
Золото, касситерит, алмазы
Характеристика россыпи
Аллохтонные (рудный материал россыпей перенесен и отложен вдали от места разрушения материнских пород)
волнового перемещения
вдольберегового потока иаиособ
флювиальио-волиоприбойиые
фроитальиой зоны пляжа
подводных валов и баров
косовые
внешней зоны валов
подводных конусов выноса
висячих долин
Глубина моря, м
Место, откуда поступает материал
Место образования россыпи
0—1
Посту плени с гл\
Урез воды
0—15 е материала /бинн
Вдольберего- вые подводные валы, бары, пересыпи
0—15
Поступление ма вдольбереговог Косы и другие ан алогичные аккумулятивные формы
10—50 териала в ходе о перемещения Подводный береговой склон
>20 Поступление
за счет в Подводные конуса выноса рек
>20 материала ыноса рек Подводный береговой склон в районе впадения реки
Продолжение табл. 2.10
Характеристика россыпи
Аллохтонные (рудный матер и ал россыпей перенесен и отложен вдали от места разрушения материнских пород)
волнового перемещения
вдольберегового потока наносов
флювиальио-волиоприбойиые
фронтальиой зоны пляжа
подводных валов и баров
косовые
внешней зоны валов
подводных конусов выноса
висячих долин
Вмещающие отложения
Распределение и содержание полезных компонентов
Морфология продуктивных залежей
Ведущие полезные минералы
Среднесортированные песчаные отложения
Высокое содержание концентрируется в тонких прослоях по всей толще, плотик не характерен
Узкие длинные полосы протяженностью до десятков км, ширине 1—5 м мощности 0,1—1,5 м
Ильменит, рут
Среднесортированные песчаные отложения, реже галечники
Среднее, равномерно распределено по всей толще, плотик не характерен
Вытянутые часто кулисообразные полосы общей протяженностью десятки км, шириной 0,2—1 км, мощностью до 10—15 м ил,циркон,мона
Хорошо сортированные песчаные, значительно реже -- галечные отложения
Среднее, равномерно по всей мощности. Плотик отсутствует
Вытянутые полосы шириной до 3—5 м, длиной первые км и мощностью 10—15 м
1ит, реже кассите
Хорошо сортированные песчано-алевритовые отложения
От бедного до высокого, распределение струйчатое
Вытянутые, часто четковидные ленты общей протяженностью до десятков км, шириной 0,2—0,6 км и мощностью до 5 м рит и другие тяж
Линзы различно сортированных отложений
Средние, в линзах и прослоях однородных отложений
Небольшого размера линзы как в плане, так и разрезе, перемежающиеся с пустыми породами
5лые минералы
Слабосортированные песчаные отложения
От бедного до высокого, распределение струйчатое
Узкие полосы, часто образующие Т-образное примыкание к русловой россыпи, вытянутые вдоль берега
Золото, касситерит, алмазы и другие тяжелые минералы
либо интрузивные и туфогенные образования, содержащие рудные минералы в виде акцессориев, либо непосредственно выходящие на берег коренные месторождения, либо промежуточные коллекторы, представленные рыхлыми осадочными породами, обогащенными рудными минералами. Россыпи подножья клифа возникают в результате разрушения береговых пород и накопления обломочного материала на пляже. При этом легкий и тонкозернистый материал уносится с пляжа в сторону моря, оставляя на месте тяжелые и крупные обломки пород. Размер россыпей этого типа определяется протяженностью зоны активной абразии рудоносных пород. Нередко при абразии берегов, сложенных рыхлыми породами с промежуточными коллекторами тяжелых минералов, обогащенные участки пляжа прослеживаются на десятки километров. Ширина обогащенных рудными минералами зон небольшая ——5——20 м, мощность ——от долей до нескольких метров. Характерной особенностью этого типа россыпей, сложенных песчаными образованиями, является постоянное изменение параметров залежи, связанное с сезонными изменениями гидродинамической обстановки. Расположенные в зоне интенсивного гидродинамического воздействия моря на берег, они очень чувствительны к изменению динамики водных масс у берега. В результате происходит сезонное изменение мощности и протяженности рудных тел вплоть до полного их исчезновения или резкого падения степени дифференциации осадка и, как следствие, уменьшение содержания. Это россыпи сегодняшнего дня, образующиеся в активном слое морского осадка.
Пляжевые образования, сложенные крупнообломочными породами, более стабильны во времени. В результате неоднократного перемыва гравийно-галечного материала зерна рудных минералов опускаются в нижнюю часть пласта, создавая там значительные концентрации. Коренной плотик в этом типе россыпей не характерен. Обычно наблюдается ложный плотик на нижней границе активного слоя. В северных морях наиболее характерен ложный плотик на нижней границе оттаявших многолетнемерзлых пород.
Примером россыпи типа подножья клифа может служить пляж у подножья берегового обрыва в одном из районов моря Лаптевых. В береговом обрыве этого района выходят головы рудных жил. Рудные тела, представленные тектонической брекчией, сцементированной турмалиновым и кварцевым цементом, содержат гнезда и тонкорассеянную вкрапленность полезного компонента. Непосредственно над коренными породами лежат древние делювиальные образования, среди которых кое-где сохранились остатки древней коры выветривания, представленные глинистым материалом. Как коренные породы, так и рыхлые отложения подвергаются интенсивному разрушению морскими волнами и морозному выветриванию. Выходы коренных пород с отдельными рудными телами прослеживаются на протяжении 1 км вдоль берега. Непосредственно в районе коренного рудопроявления про- 64
ходит полоса пляжа шириной от 15 до 30 м, систематически заливаемая при ветровом нагоне воды со стороны моря.
Пляж сложен несортированным материалом, представленным глыбами, валунами и щебенкой с примесью разнозернистого песка. Среди валунов и щебенки довольно часто встречаются штуфы руды размером 5—10 см и более. Содержание полезного компонента и мощность продуктивного пласта не выдержаны. Мощность то составляет первые десятки сантиметров, то на коротких расстояниях раздувается до нескольких метров, образуя карманы, приуроченные к талым грунтам под руслами впадающих в море водотоков. Во всех пересечениях продуктивный пласт подстилается многолетнемерзлыми континентальными рыхлыми отложениями четвертичного возраста, опущенными ниже современного уровня моря.
Наибольшее содержание руды в зоне пляжа приурочено к нижней части галечно-щебеночных отложений; особенно высокое содержание его наблюдается в тех местах, где подстилающие породы представлены вязким глинистым материалом. По-видимому, тяжелые зерна руды, достигая глины, тонут в ней и уже больше не подвергаются перемещению при волновых воздействиях. Постепенное накопление полезного компонента приводит к чрезвычайно высокой его концентрации, достигая в отдельных пробах до 30 кг/м и более. Необходимо отметить, что идентичные глины, обнажающиеся выше линии заплеска волн, полезного компонента практически не содержат.
Ниже линии уреза воды характер осадков резко меняется. Вместо грубообломочного материала появляются достаточно хорошо сортированные песчано-алевритовые осадки. Распределение касситерита в последних происходит уже по другим законам и связано с гидродинамическими процессами.
Особенно широко тип россыпей подножья клифа развит у берегов, сложенных туфогенньши отложениями, которые легко разрушаются волнами. Практически почти все известные морские промышленные месторождения титано-магнетита Японии, Тайваня, Н. Зеландии, Суматры, Марокко и Курильских островов сопровождаются в береговой зоне подобными образованиями.
Самостоятельного промышленного значения этот тип россыпей не имеет — слишком незначительны массы кластического материала, содержащего рудные минералы. Однако он практически никогда не встречается изолированно и всегда сопровождается россыпями прибрежных ложбин, либо шлейфовыми россыпями на подводном береговом склоне.
Россыпи прибрежных ложбин образуются в непосредственной связи с абразионными берегами и обычно служат подводным продолжением россыпей подножья клифа. Для них характерна приуроченность к области развития абразионной ложбины, выработанной интенсивным вдольбереговым потоком, возникающим под действием компенсационного вдольберегового течения. Гидродина-
мические условия в ооласти накопления рудных минералов таковы, что легкие и мелкие частицы осадка уносятся за пределы зоны, а тяжелые частицы, в том числе рудные минералы, остаются на месте. Расположенный мористее ложбины вал ограничивает размер россыпи по ширине, которая редко превышает первые сотни метров. Длина россыпи по простиранию зависит от протяженности источника поступления материала на берегу и протяженности вдольберегового потока. В связи с тем, что для образования россыпи этого типа необходима значительная скорость течения в по-
Рис. 2.8. Погоризонтные планы распределения содержаний руды в россыпи в море Лаптевых:Рис. 2.8. Погоризонтные планы распределения содержаний руды в россыпи в море Лаптевых:а — поверхность морского дна; содержание руды в осадках;и весьма богатые содержанияа — поверхность морского дна; содержание руды в осадках;и весьма богатые содержания
Рис. 2.8. Погоризонтные планы распределения содержаний руды в россыпи в море Лаптевых:
Рис. 2.8. Погоризонтные планы распределения содержаний руды в россыпи в море Лаптевых:
а — поверхность морского дна; содержание руды в осадках;
и весьма богатые содержания
а — поверхность морского дна; содержание руды в осадках;
и весьма богатые содержания
6 一 средний; а — нижний горизонты; / ——повышенное 2—5 — соответственно — бедные, средние, богатые
токе воды, продуктивные полосы рудоносных песков нередко образуют серию вытянутых линз, пространственно тяготеющих к мысам или выпуклостям береговой линии, рядом с которыми наблюдается увеличение скорости потока.
Примером россыпи прибрежной ложбины может служить россыпь в море Лаптевых, примыкающая со стороны моря к россыпи подножья клифа.
На современном уровне дна россыпь имеет форму вытянутой линзы. Линза строго локализована во вдольбереговой ложбине и ограничена со стороны моря вдольбереговым валом высотой 1—1,2 м (рис. 2.8, а).
В отличие от россыпи подножья клифа продуктивная толща представлена тонкозернистыми песками и крупным алевритом с незначительной примесью пеллитового материала.
Несмотря на то что отложения, слагающие россыпь, талые, приплотиковая часть разреза обеднена рудой и нижняя граница продуктивного пласта висячая. Распределение рудных минералов в россыпи равномерное. Концентрация последних при* урочена к струям, имеющим направление, подчиненное береговой линии.
3* - 67
Буровыми работами установлена ориентировочная мощность продуктивного пласта. При этом на нижележащих горизонтах в плане сохраняется в общем форма россыпи и ее приуроченность к древней береговой линии, установленной по наличию скальных пород, подстилающих рыхлые отложения (рис. 2.8, б, в). В вертикальном разрезе наблюдается смещение линзы продуктивных отложений снизу вверх в сторону берега, параллельно наклонной плоскости скальных пород. Обогащенные участки как бы следуют за отступающей в сторону суши береговой линией, занимая одно и то же положение по отношению к последней. Это позволяет утверждать, что гидродинамические условия образования данной : россыпи сохраняются без существенных изменений в продолжении длительного периода формирования россыпи. Для развития морфологических форм на шельфе подобное длительное развитие унаследованных структур неоднократно описывалось различными исследователями [34].
Россыпи подобного типа, особенно имеющие длительный период развития с образованием мощных продуктивных отложений, имеют большое самостоятельное промышленное значение и могут являться объектом промышленной эксплуатации.
Шлейфовый тип россыпей характерен для относительно при- глубого подводного берегового склона, так же как и в предыдущем случае примыкающего к участкам абразионного берега. Компенсационные береговые течения, направленные в сторону открытого моря, перемещают мелкий материал, в том числе и рудные зерна на глубину. В результате образуется своеобразный рудный шлейф, постепенно расширяющийся в сторону открытого моря.
Шлейфовый тип россыпей, с изометричной площадью продук-, тивных залежей в плане, характеризует практически большинство : промышленных месторождений магнетита и титано-магнетита, образованных в результате разрушения вулканогенных образований в береговой зоне. В зарубежных публикациях магнетитовые россыпи на шельфе в большинстве случаев характеризуются площадью залежи, в отличие от других месторождений, где дается j длина и ширина россыпи. На одном из месторождений подобного I типа были прослежены промышленные концентрации титано- J магнетита до изобаты 50 м и рудная залежь продолжалась еще ] глубже.
В заливе Ариака на о. Кюсю (Япония) площадь аналогичной россыпи составляет 176 625 тыс. м3 при мощности около 3 м и ； содержании магнетита 3,74%. Глубина моря в районе россыпи около 30 м. В Сьерра-Леоне размер шлейфовой россьши составляет 29x45 км.
Щлейфовый тип россыпей имеет самостоятельное промышленное значение для добычи титано-магнетита.
Россыпи поперечных промоин являются редким и трудным для обнаружения типом морских россыпей. Они образуются в ме-
стах стабильного развития разрывных течений, которые характеризуются значительными скоростями потока воды, сконцентрированного в сравнительно узких зонах, ориентированных перпендикулярно к береговой линии.
После прорыва зоны разрушения волн, разрывное течение резко снижает скорость и расходится струями. Наиболее тяжелые и крупные частицы осадка в виде остаточных образований концентрируются непосредственно в узкой зоне, перпендикулярной к берегу. Они обычно выражены в рельефе дна промоиной незначительной глубины. Более мелкие частицы тяжелых минералов, вынесенные за зону разрушения волн, откладываются в виде небольших, малой протяженности струй, ориентированных уже субпараллельно береговой линии.
В определенных условиях подобные россыпи могут служить местом концентрации богатых скоплений таких тяжелых минералов как золото и платина. К этому типу россыпей мы относим подводные россыпи золота в районе г. Ном на Аляске.
Описывая детали строения этих россыпей, академик В. А. Обручев обращает внимание на то, что продуктивный золотоносный пласт, расположенный на некотором удалении от берега в море, представлен отдельными «гнездами», направленными длинной осью перпендикулярно к берегу [44]. Золото в гнездах плохо сортировано, встречаются самородки массой до 8,5 г, содержание достигает до 400 г/м3. Образование богатых локальных скоплений золота подобной формы можно объяснить лишь действием разрывных течений, широко развитых на открытых акваториях вблизи берегов.
В связи с тем что разрывные течения возникают периодически, рудные тела, связанные с ними, образуются в короткий промежуток времени и могут быть погребены под толщей активного слоя после прекращения течения. В следующий раз разрывное течение может пройти несколько в стороне, образовав новое рудное тело. В результате возникает сложно построенная рудная залежь с неравномерным распределением содержания полезных компонентов. Подобные тела нередко сопровождают россыпи прибрежных ложбин, располагаясь мористее основного тела.
Самостоятельное промышленное значение подобный тип россыпей может играть лишь для добычи благородных металлов и алмазов.
Россыпи устойчивых донных течений обязаны своему происхождению абразии морского дна. Как правило, их образование связано с областями развития повышенных скоростей донных течений, продолжительное время не меняющих своих генеральных характеристик.
Россыпи образуются в результате выноса из донных отложений легкой фракции и концентрации тяжелых рудных минералов, остающихся на месте. В результате размыва мощной толщи донных осадков, содержащих незначительные концентрации полезных компонентов, могут образоваться локальные
69
участки с весьма высоким содержанием тяжелых минералов в виде остаточных россыпей. Необходимым условием образования остаточных россыпей является наличие на дне моря промежуточных коллекторов рудных минералов. К ним относится разнообразная по генезису группа пород — различные ледниковые образования, древние, в настоящее время затопленные береговые зоны моря, аллювиальные, делювиальные и целый ряд иных рыхлых или слабоконсолидированных образований.
Подобного типа россыпные проявления были обнаружены нами при работе на Арктическом шельфе. Они приурочены к подводным банкам, образованным на месте разрушенных морем островов. Сторона банки, обращенная в сторону наиболее интенсивного течения, часто представляет собой активно разрушающийся подводный бенч, в отдельных местах перекрытый плащом грубозернистых гравийно-галечных образований. Последние образованы в результате размыва рыхлых отложений и выноса тонкозернистого материала. Крупные включения гальки и тяжелых минералов сконцентрированы на месте в результате проседания последних. Осадки плохо сортированы, содержание тяжелых минералов неравномерно. По ходу течения, в направлении тыловой части банки, сортировка осадков повышается, уменьшается крупность зерен. Непосредственно тыловая часть сложена уже хорошо сортированными отложениями, осевшими в зоне пониженных скоростей течения в теневой части банки.
Наиболее интересные представители этого типа россыпей описаны американскими и селедов ател ям и в северной части Берингова моря. В пробах, поднятых со дна моря, было обнаружено золото, с размером частиц более 1 мм, приуроченное к «реликтовым галечникам», покрывающих ледниковые отложения. Крупные зерна золота распределены в галечниках беспорядочно, среднее содержание составляет 920 мг/т [75].
Образования подобного генезиса были изучены на дне Балтийского моря и доказано, что развитые на глубине моря 15—20 M валунно-галечные отложения представляют собой сконцентрированную на дне крупную фракцию моренных суглинков, из которых течениями вынесена мелкая и глинистая фракции.
Более того, вдоль побережья Балтийского моря, на фоне морских аккумулятивных отложений, часто можно наблюдать выходы бенча в виде《окон》. Они располагаются в местах повышения скорости вдольберегового течения, обычно приуроченного к мысам. Дно в таких местах становится похожим на хорошо вымощенную булыжную мостовую.
Благодаря приуроченности тяжелых минералов к грубозернистым образованиям указанный тип россыпей стабилен во времени. В то же время небольшой объем горной массы, заключенный в каждом рудном теле, определяет эффективную разработку последних в случае концентрации дорогостоящих компонентов — золота, платины и алмазов.
Аллохтонные россыпи
Группа аллохтонных россыпей, в отличие от автохтонных, образуется вдали от места разрушения материнских пород. Попадая в зону действия вдольберегового потока наносов, породы часто проходят длинный путь и либо образуют аккумулятивные формы на подводном береговом склоне, либо переносятся волновыми течениями в сторону берега, где также участвуют в образовании широкой гаммы аккумулятивных построек.
Группа аллохтонных россыпей характеризуется крупными размерами, хорошей сортировкой материала и преобладанием в качестве полезных компонентов наиболее легких рудных минералов —ильменита, рутила, циркона и др.
Рассматриваемая группа россыпей широко распространена на многих побережьях Земного шара. Она значительно лучше изучена, чем предыдущие россыпи. Часто характеристики аллохтонных россыпей переносят на все морские россыпи, считая их единственными среди большого семейства россыпей на дне моря.
По динамическому процессу, преобладающему в построении россыпей, можно выделить три подгруппы: россыпи волнового перемещения, вдольберегового потока наносов и стоящую несколько особняком подгруппу флювиально-волноприбойных россыпей.
Россыпи волнового перемещения образуются в результате аккумуляции кластического материала в прибрежной зоне моря, принесенного течениями с глубины.
Механизм поперечного перемещения наносов подробно рассмотрен в работе П. А. Каплина [24], где доказывается, что поперечный вынос материала в сторону пляжа характерен для от- мелых побережий, сложенных песчаными осадками. В результате этого перемещения образуются крупные аккумулятивные формы широких пляжей, подводных валов и баров.
Наибольшая концентрация тяжелых минералов в этих условиях происходит в фронтальной зоне пляжа. Россыпи этого типа широко развиты вдоль аккумулятивных побережий. Они интенсивно разрабатываются и из них получают основную массу добываемых тяжелых минералов — ильменита, рутила, циркона, монацита и ряда других полезных компонентов.
Россыпи представлены узкими протяженными зонами длиной 10—20 км при ширине, обычно не превышающей нескольких метров, редко доходящей до 50——100 м. Мощность этих россыпей невелика — от нескольких сантиметров до 1,5 м. Рудные минералы сконцентрированы в тонких прослоях «черных песков», содержание в которых нередко достигает 70—80%.
Типичным примером может служить ильменитовая россыпь Эль-Кайокал в Мексике. Ее длина 2,5 км, ширина 12—15 м, мощность рудных песков 0,3 м с содержанием TiOa до 15,2% [46].
Несколько отличаются россыпи подводных валов и баров. Как правило, это серия россыпей, расположенных кулисообразно по отношению друг к^другу. В отличие от россыпей фронтальной зоны пляжа они расположены на некотором удалении от берега и имеют большие мощности продуктивных песков.
Так, например, в штате Рио-де-Жанейро (Бразилия) известна серия, состоящая из 22 россыпей. Длина каждой около 2 км, ширина 20—30 м, мощностью около 5 м и суммарным содержанием ильменита, рутила, циркона и монацита до 30 %. Обычно содержание несколько ниже — 8—10%, а ширина достигает первых сотен метров.
Характерной особенностью этих образований является стабильное положение как в пространстве, так и во времени по отношению к береговой линии. Поэтому россыпи нередко имеют большую мощность и склонение рудного тела в сторону, противоположную перемещению береговой линии.
Россыпи вдольберегового потока наносов образуются в результате снижения емкости потока наносов и выпадения из него твердых частиц. В благоприятных условиях может произойти выпадение частиц определенной гидравлической крупности, соответствующей крупности рудных минералов, и будет образована россыпь.
Среди россыпей этой подгруппы можно выделить косовые россыпи и россыпи внешней зоны валов.
Косовые россыпи, как правило, характеризуются более коротким путем переноса материала, проходящего недалеко от берега. Поэтому часто встречаются примкнувшие к берегу аккумулятивные образования в виде протяженных кос и подобных им форм подводного рельефа. Типичным примером подобного типа россыпей может служить россыпь Трейль Ридже (Флорида), представленная отложениями косы плейстоценового возраста. Ее длина достигает 30 км, средняя ширина 1,6 км, мощность около Юми среднее содержание суммы тяжелых минералов —4%.
Иногда подобные образования бывают сложены гравийно- галечным материалом. Кроме таких минералов как ильменит, рутил, циркон, монацит, иногда присутствуют и более тяжелые минералы — касситерит и реже золото.
Россыпи внешней зоны подводных валов изучены хуже. Типичным представителем этого типа могут служить россыпи северовосточной части Балтийского моря. Изученные нами морские россыпи Балтики расположены сразу за внешней зоной подводных валов и образуют полосу, протягивающуюся вдоль современной береговой линии на многие десятки километров, приблизительно в 0,5—0,7 км от последней. Протяженность отдельных россыпей колеблется от 1,5—2 до 17 км. Ширина — от 130 до 800 м. Часто четкого перерыва между отдельными россыпями нет и он выражен лишь резким уменьшением в ширине россыпи. Мощность рудоносных песков невелика и колеблется от 0,1 до
1,5 м и редко составляет 2,3 м. В среднем по отдельным залежам она составляет 0,2—0,8 м. Продуктивный пласт расположен непосредственно на поверхности дна. Его нижняя граница нечеткая и устанавливается только при помощи секционного опробования. Содержание ильменита, рутила и циркона в общем невысокое.
Россыпи представлены хорошо сортированными тонкозернистыми песками и крупным алевритом. Основная масса рудных минералов сосредоточена в классе — 0,15—0,05 мм. Характерно, что рудные минералы практически не проникают за пределы подводных валов, и пляж в районе россыпи содержит, как правило, фоновые содержания рудных минералов.
По-видимому, россыйи этого типа развиты значительно шире, чем описаны в современной литературе. Короткие сообщения о проведении поисковых работ на шельфе Н. Зеландии, Индии и Тайваня показывают наличие зон с повышенной концентрацией полезных компонентов на глубине 20 и 50 м.
Флювиально-волноприбойные россыпи образованы на границе действия речных и морских факторов россыпеобразования. Достоверных сведений о их морфологии и размерах в литературе практически не имеется.
Приуроченные к дельтовым отложениям россыпи в плане имеют вид треугольника, расширяющегося в сторону моря. Как установлено в результате разведочных работ на древних дельтовых россыпях, в них наблюдаются значительные колебания мощности продуктивного пласта. Рудные минералы образуют разобщенные линзы и маломощные прослои. Наряду с хорошо сортированным песчаным материалом в теле россыпи часто встречаются гравийные и галечные линзы, а также прослои тонкозернистого материала. Так, например, в дельтер. Нила известна россыпь протяженностью до 250 км с содержанием в отдельных прослоях до 70% тяжелых минералов.
Россыпи, которые расположены вдоль морского побережья около устьев рек, не образующих подводной дельты, обычно представлены узкими полосами протяженностью в несколько километров, вытянутыми по направлению господствующего вдоль- берегового течения. Иногда аллювиальная россыпь при впадении реки в море переходит в морскую, образуя по форме букву «Т». Примером подобной россыпи может служить касситеритовая россыпь р. Пеламант (о. Б. Камерун) [10].
ОСОБЕННОСТИ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
Среди россыпей морского генезиса можно встретить объекты, представленные алевритовыми, песчаными, галечниковыми и щебеночными отложениями самого разнообразного состава. Гранулометрическая характеристика россыпей и сортировка слагающего их материала всецело зависят от тех конкретных гидродинамических условий, в которых образуется россыпь. Для россыпей,
образованных в непосредственной близости от коренных источников, естественно, более характерен плохосортированный, крупный материал. Длительная и неоднократная сортировка в зоне деятельности моря приводит к образованию равномернозернистых, преимущественно мелких песчаных и алевритовых отложений.
На эту особенность морских россыпей указывают все без исключения авторы, описывающие как современные, так и древние россыпи. Эта черта морских россыпей логически вытекает из их места в общей схеме осадкообразования. Действительно, образование морских россыпей завершает длинный путь, который проходит минеральное вещество, начиная от химического и механического разрушения консолидированных горных пород и руд до накопления рыхлых осадков в конечных водоемах стока. Рассматривая распределение кластического материала в гранулометрическом спектре осадков, Н. М. Страхов убедительно доказывает, что, в общем случае, размер минералов тяжелой фракции в осадочных породах не выходит за пределы от 0,003 до 6,25 мм, образуя максимум между 0,05 и 0,1 мм. При этом породообразующие минералы (кварц, полевые шпаты) занимают более широкую полосу гранулометрического спектра с максимумом около 0,2 мм [57].
Гранулометрический состав рудных минералов в морских россыпях хорошо согласуется с общими закономерностями распределения тяжелых минералов в осадочных породах. Наиболее распространенным размером тяжелых минералов является зерно диаметром 0,05—0,2 мм.
Особенно отчетливо это выражено в группе аллохтонных россыпей, возникших в результате дифференциации перенесенного на большие расстояния кластического материала. При этом размер рудных минералов, несомненно, обнаруживает связь с двумя факторами:
источником рудного материала, которым, в большинстве случаев для подобных россыпей служат изверженные породы с включениями акцессорных минералов;
гидродинамическими условиями дифференциации, наиболее активно проходящими при определенной гидравлической крупности обломочного материала.
Аллохтонные россыпи отличаются не только мелким размером рудных минералов, но и хорошей общей сортировкой, благодаря концентрации в локальных участках минеральных зерен одинаковой гидравлической крупности.
Типичный гранулометрический состав песков из современной морской россыпи ильменита, рутила и циркона Восточной Балтики приведен в табл. 2.11.
Из табл. 2.11 следует, что 90% и более рудных минералов относятся к классу крупности 0,1——0,05 мм. Этот размер рудных минералов сопоставим с размером обычных акцессорных вклю- чений в коренных породах — 0*04—0,15 мм.
Гранулометрический состав рудных Песков и распределение тяжелых минералов по классам крупности и» россыпи Восточной Балтики
Классы крупности, мм
Выход класса в исходной пробе, %
Выход классов в тяжелой фракции, %
Распределение полезных компонентов в тяжелой фракции» %
ильменит
рутил + 4- лейкоксен
циркон
прочие
>1,0
0,53
一
—
一
1,0—0,5
0,44
—
—
—
—
0,5—0,25
.8,68
—
—
—
—
0,25—0,10
54,65
8,2
9,2
6,8
8,5
8,4
0,10—0,05
35,00
91,8
90,8
93,2
91,5
91,6
<0,05
0,70
—
—
—
Автохтонные морские россыпи, образующиеся в результате выноса мелкого и легкого материала и концентрации за счет этого тяжелых и крупных фракций, имеют значительно худшую сортировку и более широкие колебания по гранулометрическому спектру.
В табл. 2.12 приведены некоторые данные о распределении рудных минералов по гранулометрическим классам в морских и континентальных россыпях. Разница между континентальными и морскими россыпями в подавляющем большинстве случаев прослеживается отчетливо. В россыпях морского генезиса основная доля рудных минералов (70—100%) содержится в классе крупностью <0,25 мм, в том числе нередко более 50% приходится на класс <0,1 мм. В аллювиальных россыпях наблюдается обратная картина — основная часть полезного компонента приурочена к классу больше 0,25 мм, в том числе нередко основной материал представлен классом > 1 мм.
В то же время среди россыпей морского генезиса наблюдаются резкие колебания в распределении полезных компонентов как по гранулометрическим классам, так и по сортировке.
Так, например, в рудосодержащей россыпи, питающейся из разрушающегося на пляже коренного рудопроявления, при общей тенденции накопления основного количества металла в классе <0,25 мм (56,4%) около 20% приурочено к гранулометрическому классу >3 мм (табл. 2.12, строка 10). Более того, материал пляжевой части россыпи представлен щебеночно-гравийными отложениями (до 56%) с песчаным заполнителем, т. е. степень сортировки еще более плохая, чем рудных зерен. Аналогичная картина наблюдается на одном из пляжей Индии, распределение рудных компонентов по которому приведено в строках 24 и 38 табл. 2.12. Наиболее плохой сортировкой отличаются россыпи золота в так называемых «остаточных галечниках» на дне Берин-
Распределение полезных компонентов по гранулометрическим классам в морских и континентальных россыпях, %
Гранулометрические классы, мм
Тип россыпи
о
ОО
ОО
SS
ОО
So
Io
о
Аллювиальная *
То же
»
Морская,подводный
склон *2
То же
—
8,2
29,8
0,4 0,：
4
4
3,6
4,2
4,7
10,5
3,8
85,2 34,0
11,7
13,6
13,8
23,00
20,3
10,9
38,0
12
75,6
8,5
Делювиальная *
Аллювиальная *
То же
Морская, подводный СКЛОН *2
Морская, пляжевая часть *2
14,1
7
7,2
0,02
4：7
7,4
2
13,1
1С
1,7
17,4
,6
,8
Н,2
7,3
23,5 13,2 37,0
1
17,4
30,0
5,4
9,2
9,9
26,2
-1 一
' 19,5
19：8
1,8 16,0
7,5
34,0
Аллювиальная *
То же
Морская,подводный
склон *2
Морская,подводный
СКЛОН *2
0,2
1,6
1,9
51,0
1：
4：
纟,2
"7
储0
£
8,5
30,3
25,4
2,0
68,2 45」 29,6
6,8
18,2
9,2
0
0
1,7
0,1
,1
,2
Аллювиальная *
Береговые дюны (Индия) *4
Морская, пляж (Индия) *4
2,6 сл.
4,4
5,4
0,5 1 15,5
25,6
14,2
45,6
43,4
70,9 1 4,2
38,4
26,5 1 0,1
2,7
二
Морская,подводный
склон *2
Прибрежно-морская *
Морская, древняя *3
Морская,подводный
склон *2
5,5 1
6, 55,
85
56,0
,0 19
85,21
44,11
142
,5
8,3
0,2 ,0
0,1
0,1
1,7
0,3
—
—
У S а d
Аллювиальная *
Береговые дюны (Индия) *4
Пр и бр ежно-мор ск ая *
Морская, пляж (Индия) *4，
Прибрежно-морская *
Морская,подводный
склон *2
Морская древняя *3
26, 0,
8,
1,
59, 6,9
15,2
)
2
7
7
В
89
22,8
29,0
42,0
64,5
9,2
40,0
Л 14
61,6
30,6 48,0
25,0
33,1
0,2
,0
0,4
ЮЛ 9,8
1,7
56,0
4,0
0,1
Делюви ал ьн о-пролюви - альная *
Прибрежно-морская *
Морская,подводный
склон *2
То же
Морская, древняя *3
66
7,2
24,4
6
&
70,6
46,1
33,4
5,1
29,5
2,
2
,7
7,1
6
2
20
,3
34
2
7
11
一
Береговые дюны (Индия) *4
То же
Морская, пляж (Индия) *4
То же
»
12,5
1,7
8,7
25,4
15,4
41,3
8,0
3(
23,0
2,8
46,2
37,1 ),4
21,3
2,8
сл.
42,6
43,5
23,3
22,1
сл.
10,6
17,4
7,0
56,3
0,6
一
一
二
Примечание; * — Использован ы данные ратории МГИ; *э — Гурвич, Болотов (1968 г.);
следующих авторов *1 — Божинский^ Гневушев и , *4 — Величко, корбут (1970「.).，
(P- (1956 г.);
"—проблемной лабо-
г оба моря. Ё них среди валунно-галечного материала образован* ного в результате вымывания глинистых и песчаных частиц из моренных отложений, содержатся одновременно как крупные, так и мелкие и даже мельчайшие частицы золота.
Мелкие зерна полезных минералов являются одной из самых важных особенностей морских россыпей, что во многом определяет промышленное значение последних, методику опробования и обогащения.
На протяжении почти всей истории поисков и оценки россыпей на суше применяется шлиховой метод опробования. Этот метод отличается простотой анализа, сравнительно незначительной стоимостью и возможностью непосредственно в полевых условиях получить окончательный результат анализа. Однако, несмотря на очевидные достоинства шлихового метода, он обладает рядом существенных недостатков и ограничен применением в определенных условиях.
Основным недостатком шлихового метода является зависимость получаемого веса шлиха от квалификации промывальщика. Особенно трудно, практически невозможно, получить при шлиховом методе сравнимые данные по количественному выходу тяжелой фракции ——«серого шлиха», степень доводки которого на лотке определяется визуально по началу схода в хвосты наиболее легких минералов группы тяжелой фракции. Количество минералов тяжелой фракции в современных морских осадках является одним из главных показателей, определяющих гидродинамическую обстановку образования осадка, и ведущим поисковым признаком концентрации рудных минералов.
Не менее существенным недостатком метода является отсутствие в схеме обработки пробы возможности проведения гранулометрического анализа и потери для дальнейшего изучения крупных фракций, шламов и легкой фракции пробы.
Кроме того, промывка на лотке приводит к большим потерям полезного компонента, особенно при обработке разнозернистых и тонкозернистых образований. Для уменьшения потерь ряд авторов рекомендует проводить предварительную классификацию материала с последующей промывкой более однородных гранулометрических классов. Однако этот метод, сильно удорожая процесс анализа, не дает существенных результатов и потери крупных и тонких .фракций остаются весьма значительными.
Данные контрольной промывки песков из россыпи со средним содержанием олова 1,01 % приведены в табл. 2.13.
Особенно большие потери наблюдаются при определении таких минералов, как монацит, ильменит, циркон, ортит и других, имеющих незначительный вес.
При обработке проб, полученных при разведке одной из оловянных россыпей морского генезиса, из скважин ударно-канатного бурения шлиховым методом были получены следующие результаты (табл. 2.14):
Потери при промывке иа лотке песков различной крупности (по Н. М. Озерову [45])
Класс, мм
Извлечение иа лотке, %
Химическое содержание в хвостах, %
Потери на лотке, %
—40-т- 20
59,2
0,32
40,8
—20+10
73,3
0,33
26,7
—10+7
83,3
0,19
12,7
—7+4
96,0
0,11
4,0
—4+1,25
95,3
0,08
4,7
—1,25-1-0,2
95,6
0,07
4,6
—0,2
58,7
0,10
41,3
Таблица 2.14
Сравнительные результаты шлихового и химического метода обработки проб
Опробованная мощность песков» м
Среднее содержание, г/м8
Потерн на лотке, %
по шлиховому методу
по химическому методу
13,0
25
647
96,1
22,6
8
459
98,4
24,2
28
830
96,6
Проведенные на месторождении дальнейшие исследования показали, что практически все олово представлено в окисной форме】 т. е. касситеритом. Минералогическим методом в классе размером больше 0,044 мм обнаружены хорошо раскрытые кристаллы касситерита.
Нами проведена контрольная промывка тонких алевритов одного из морских месторождений. Предварительно проба была отмучена и слив собран в емкость. Промывке была подвергнута основная часть крупного алеврита с контрольной перемывкой хвостов и осадок, полученный после отстоя слива и удаления глинистых частиц сифоном. Одновременно с промывкой из части исходной пробы, отквартованной на делителе Джонса, было проведено выделение тяжелой фракции на бромоформе. Результаты опытов приведены в табл. 2.15.
Приведенные примеры убедительно показывают ограниченность применения шлихового метода для анализа тонкозернистых песков и алевритов, с одной стороны, и крупных фракций осадков, с другой. Наиболее надежные результаты шлиховой метод дает при промывке однородных по гранулометрическим характеристикам отложений с размером частиц от 7 до 0,2 мм в диаметре.
Потери на лотке при контрольной промывке оловоносных песков со дна моря
Масса пробы, кг
Содержание тяжелой фракции, %
Потери прн шлиховом анализе, %
бромоформ
шлиховой анализ
первая промывка
промывка хвостов
промывка отстоя слива
итого
0,755
0,006
0,016
0,004
0,026
96,5
1,240
0,014
0,023
0,005
0,042
96,6
1,230
0,011
0,037
0,004
0,052
95,8
1,365
0,030
0,049
0,016
0,095
93,1
0,770
0,064
0,016
0,014
0,094
98,8
Как уже указывалось выше, в отличие от аллювиальных россыпей, россыпи морского генезиса характеризуются малыми размерами рудных зерен и подавляющей концентрацией последних в классе <0,2 мм. Следовательно, для поисков и разведки морских россыпей обычные методы шлихового анализа неприемлемы. В литературе описано много случаев, когда при детальном шлиховом опробовании богатые россыпи ильменита и циркона морского генезиса были пропущены, так как содержание в лотковых пробах, по-существу, не превышало фоновое [14].
Геологи, ведущие поисковые и разведочные работы на древних морских россыпях ильменита, рутила и циркона, уже давно отказались от обычного лоткового метода опробования. Разработан ряд методик обработки тонкозернистых проб. Наиболее надежные результаты получены путем отмучивания глинистой составляющей и последующего разделения зернистой части пробы в тяжелых жидкостях. Минеральный состав выделенной тяжелой фракции изучается под бинокуляром. Хорошо зарекомендовал себя как надежный и дешевый метод рентгено-радиометрического анализа оловоносных отложений. 笈&
РЕГЕНЕРАЦИЯ МОРСКИХ РОССЫПЕЙ
Одной из основных особенностей современных морских россыпей является их подвижность под влиянием смены режима подводных течений, господствующих ветров и штормовых волн. Выше уже были приведены некоторые примеры неустойчивого состояния россыпей, особенно развитых на пляже. Необходимо подчеркнуть, что говоря о мобильности россыпи в пространстве, нельзя представлять ее как какое-то беспорядочное блуждание обогащенных тяжелыми минералами песков по дну моря. Значительно правильнее говорить об изменении контура рудных тел и содержания в них полезных компонентов в пределах узкой зоны как по напра-
влению вдоль изобат, так и в глубь моря. Иное представление противоречит одному из обязательных условий образования россыпи —стабильному положению в пространстве и времени определенной гидродинамической обстановки. При этом главное заключается не в кратковременном постоянстве течений, вызывающих дифференциацию осадков, а в устойчивой тенденции развития тех или иных литодинамических условий. Изменение же этих условий носит не кратковременный, а долговременный характер. Оно связано с общепланетарными факторами, определяющими тектоническую обстановку, изменение линии берега, поднятие или опускание уровня моря и тому подобное.
Более того, образование россыпи можно рассматривать как установление естественного равновесия между динамической средой водной массы и твердой оболочкой литосферы в данном конкретном месте. Всякое кратковременное нарушение этого равновесия природа стремится восстановить тотчас после прекращения действия посторонних сил.
Мощность активного слоя определяется экстремальными гидродинамическими условиями, повторяющимися не так часто. Во многих случаях, при проведении опробования на недостаточную глубину мы просто не захватываем всю мощность этого слоя, а на его нижних горизонтах неподвижно лежат обогащенные рудными минералами осадки.
Иная картина возникает при периодических сменах гидродинамической обстановки, например под влиянием сезонных изменений. В этом случае можно говорить о сезонной дифференциации вещества, но эти изменения носят закономерный характер. Зная закономерности и периодизацию явлений, можно предсказать поведение россыпи в будущем, и это значит, что россыпь не пропала бесследно и вновь появится после восстановления нарушенных условий.
Наряду с естественными факторами, приводящими к разрушению или регенерации морских россыпей, большую роль играют технические причины, связанные с разработкой россыпей и строительством различных сооружений в прибрежной зоне моря. Как те, так и другие нарушают естественное равновесие на подводном склоне, что приводит к изменению динамического режима и, как следствие, — перестройке морфологии подводного склона и пляжа.
Вопросы регенерации морских россыпей в настоящее время изучены слабо. Устойчивость россыпных месторождений во времени и в пространстве и естественная их регенерация зависят, прежде всего, от режима волнений и течений, от общих запасов песчаного материала на смежных участках, механизма его поступления в район работ и динамики береговых процессов.
Как уже указывалось, пляж является зоной наиболее активного взаимодействия моря и суши. Поэтому россыпи на современном пляже наиболее сильно подвержены изменению в зависимо-
aa365 366 36 7 366 369 3勿 371 372 373 寓4 375 常6 常7 窮8 379 線7 勿/ Ж365 366 36 7 366 369 3勿 371 372 373 寓4 375 常6 常7 窮8 379 線7 勿/ Ж£2 -ЕЗЕ0н w體ж例，3丧.2*写父上告§§й£2 -ЕЗЕ0н w體ж例，3丧.2*写父上告§§й5 4 3 2 /〃Z 7建 EdxudB Htma*5 4 3 2 /〃Z 7建 EdxudB Htma*34 33 3234 33 32ТочкиТочкил 30 29 28 21 26 25 24 19 20 21 22л 30 29 28 21 26 25 24 19 20 21 22опробованияопробования
a
a
365 366 36 7 366 369 3勿 371 372 373 寓4 375 常6 常7 窮8 379 線7 勿/ Ж
365 366 36 7 366 369 3勿 371 372 373 寓4 375 常6 常7 窮8 379 線7 勿/ Ж
£2 -ЕЗЕ0н w體ж例，
3
丧.2*写父上告§§й
£2 -ЕЗЕ0н w體ж例，
3
丧.2*写父上告§§й
5 4 3 2 /〃
Z 7建 EdxudB Htma*
5 4 3 2 /〃
Z 7建 EdxudB Htma*
34 33 32
34 33 32
Точки
Точки
л 30 29 28 21 26 25 24 19 20 21 22
л 30 29 28 21 26 25 24 19 20 21 22
опробования
опробования
Рис. 2.9. Сезонное перемещение максимума концентрации тяжелой фракции; 7 — содержание тяжелой фракции; 2 — содержание касситерита； а — лето; о — зима
сти от штормового и сезонного колебания режима волнения.
Несомненно, подобные изменения на пляже меняют характер распределения и конфигурации пласта продуктивных песков до их полного размыва, в одном случае, и возобновления отработанных полигонов — в другом. Так, например, на побережье о. Цейлон в районе города Пулмоддай разрабатывается крупная ильменитовая россыпь, представляющая собой отложения приливо- отливной зоны современного берега. Россыпь после отработки полностью восстанавливается/ Известны восстанавливающиеся россыпи на побережье Мадагаскара, Австралии, Гвинеи, Индии и в других местах морских побережий, регенерация которых происходит за счет поступления новых объемов морских отложений со стороны моря [2, 10].
Другим примером регенерации россыпей после их отработки может служить пляжевая россыпь Комоксатиба в Бразилии, длина которой достигает 3 км, ширина 15—30 м, мощность 1—2 м. Регенерация россыпи происходит за счет поступления нового материала в результате абразии клифа и выноса морем легкой фракции.
Как видно из приведенных примеров, регенерация россыпей происходит как за счет приноса на пляж новых порций терригенного материала со стороны моря, так и за счет поступления на пляже новых порций кластических образований за счет абразии береговых обрывов.
В практической деятельности при поисках и разведке современных морских россыпей приходится учитывать мобильность донных осадков и определять глубину пробоотбора, исходя из конкретных условий мощности активного слоя. Так, например, неоднократное опробование одного из участков крупной аккумулятивной банки на шельфе моря показало смещение максимума содержания тяжелой фракции поперек склона и изменение распределения руды в вертикальном разрезе активного слоя (рис. 2.9).
Опробование, проведенное в береговой зоне Японского моря, характеризующегося интенсивными приливно-отливными течениями и интенсивной абразией береговых обрывов, показало, что минералогический состав тяжелой фракции песков меняется по сезонам и зависит от направления господствующего вдоль- берегового перемещения материала.
Стационарные наблюдения на нескольких участках морских россыпей Восточной Балтики с систематическим отбором проб по закрепленной сетке опробования показали изменение контура росеыпи, распределения в ней полезных компонентов, рельефа подводного склона и гранулометрического состава осадков, связанного со штормовыми периодами. Так, за 25 дней, в течение которых наблюдался один сильный шторм и несколько штормов меньшей силы, на подводном склоне произошли следующие изменения.
До штормаРельеф подводного склона осложнен несколькими понижениями и возвышенностями, расположенными перпендикулярно к береговой линииВдоль берега проходит два подводных вала высотой до 1,5 м 3. Граница бенча, представленного валунами, проходит на расстоянии 1600 м от берега 4. Наблюдается четкая смена гранулометрического состава по мере удаления от берега:полоса мелкозернистых песков сменяется алевритовыми песками, далее следуют песчанистые алевриты, которые переходят в алевриты; ширина полос на подводном склоне остается постоянной, а полосы грубо повторяют контуры равных глубин.5. Изолинии равных содержаний полезных компонентов образуют изометрические по форме площади, равномерно распределенные в контуре россыпн.До штормаРельеф подводного склона осложнен несколькими понижениями и возвышенностями, расположенными перпендикулярно к береговой линииВдоль берега проходит два подводных вала высотой до 1,5 м 3. Граница бенча, представленного валунами, проходит на расстоянии 1600 м от берега 4. Наблюдается четкая смена гранулометрического состава по мере удаления от берега:полоса мелкозернистых песков сменяется алевритовыми песками, далее следуют песчанистые алевриты, которые переходят в алевриты; ширина полос на подводном склоне остается постоянной, а полосы грубо повторяют контуры равных глубин.5. Изолинии равных содержаний полезных компонентов образуют изометрические по форме площади, равномерно распределенные в контуре россыпн.После штормаИзобаты четко проходят параллельно береговой линииПосле штормаИзобаты четко проходят параллельно береговой линииСледы одного вала с высотой меньше 1 мГраница бенча проходит на расстоянии 1500 м от берегаКонфигурация площадей, занятых различными по крупности осадками, сильно усложнена и явно не соответствует подводному рельефу. Полоса мелкозернистых песков резко расширена с юга на север; площадь, занятая алевритами, сильно сокращена; среди мелкозернистых песков расположены вытянутые участки алевритовых песков, а среди алевритов ——песчано-алевритовые образованияУзкие, вытянутые вдоль береговой линии зоны с наибольшей концентрацией в средней части россыпи.Следы одного вала с высотой меньше 1 мГраница бенча проходит на расстоянии 1500 м от берегаКонфигурация площадей, занятых различными по крупности осадками, сильно усложнена и явно не соответствует подводному рельефу. Полоса мелкозернистых песков резко расширена с юга на север; площадь, занятая алевритами, сильно сокращена; среди мелкозернистых песков расположены вытянутые участки алевритовых песков, а среди алевритов ——песчано-алевритовые образованияУзкие, вытянутые вдоль береговой линии зоны с наибольшей концентрацией в средней части россыпи.
До шторма
Рельеф подводного склона осложнен несколькими понижениями и возвышенностями, расположенными перпендикулярно к береговой линии
Вдоль берега проходит два подводных вала высотой до 1,5 м 3. Граница бенча, представленного валунами, проходит на расстоянии 1600 м от берега 4. Наблюдается четкая смена гранулометрического состава по мере удаления от берега:
полоса мелкозернистых песков сменяется алевритовыми песками, далее следуют песчанистые алевриты, которые переходят в алевриты; ширина полос на подводном склоне остается постоянной, а полосы грубо повторяют контуры равных глубин.
5. Изолинии равных содержаний полезных компонентов образуют изометрические по форме площади, равномерно распределенные в контуре россыпн.
До шторма
Рельеф подводного склона осложнен несколькими понижениями и возвышенностями, расположенными перпендикулярно к береговой линии
Вдоль берега проходит два подводных вала высотой до 1,5 м 3. Граница бенча, представленного валунами, проходит на расстоянии 1600 м от берега 4. Наблюдается четкая смена гранулометрического состава по мере удаления от берега:
полоса мелкозернистых песков сменяется алевритовыми песками, далее следуют песчанистые алевриты, которые переходят в алевриты; ширина полос на подводном склоне остается постоянной, а полосы грубо повторяют контуры равных глубин.
5. Изолинии равных содержаний полезных компонентов образуют изометрические по форме площади, равномерно распределенные в контуре россыпн.
После шторма
Изобаты четко проходят параллельно береговой линии
После шторма
Изобаты четко проходят параллельно береговой линии
Следы одного вала с высотой меньше 1 м
Граница бенча проходит на расстоянии 1500 м от берега
Конфигурация площадей, занятых различными по крупности осадками, сильно усложнена и явно не соответствует подводному рельефу. Полоса мелкозернистых песков резко расширена с юга на север; площадь, занятая алевритами, сильно сокращена; среди мелкозернистых песков расположены вытянутые участки алевритовых песков, а среди алевритов ——песчано-алевритовые образования
Узкие, вытянутые вдоль береговой линии зоны с наибольшей концентрацией в средней части россыпи.
Следы одного вала с высотой меньше 1 м
Граница бенча проходит на расстоянии 1500 м от берега
Конфигурация площадей, занятых различными по крупности осадками, сильно усложнена и явно не соответствует подводному рельефу. Полоса мелкозернистых песков резко расширена с юга на север; площадь, занятая алевритами, сильно сокращена; среди мелкозернистых песков расположены вытянутые участки алевритовых песков, а среди алевритов ——песчано-алевритовые образования
Узкие, вытянутые вдоль береговой линии зоны с наибольшей концентрацией в средней части россыпи.
,Ш/ m .3 日,Ш/ m .3 日Рис. 2.10. Изменение конфигурации и площади промышленной залежи "в россыпи Восточной Балтики во времени по данным повторного опробования (по материалам А. С. Цаллагова): /—IV— серии опробования:Рис. 2.10. Изменение конфигурации и площади промышленной залежи "в россыпи Восточной Балтики во времени по данным повторного опробования (по материалам А. С. Цаллагова): /—IV— серии опробования:
,Ш/ m .3 日
,Ш/ m .3 日
Рис. 2.10. Изменение конфигурации и площади промышленной залежи "в россыпи Восточной Балтики во времени по данным повторного опробования (по материалам А. С. Цаллагова): /—IV— серии опробования:
Рис. 2.10. Изменение конфигурации и площади промышленной залежи "в россыпи Восточной Балтики во времени по данным повторного опробования (по материалам А. С. Цаллагова): /—IV— серии опробования:
/, 2, 3 — соответственно бедное, среднее н богатое содержание полезных компонентов; 4 — лииня берега; 5 — фиксированные профили опробования
Таким образом, после шторма наблюдается значительная абразия подводного склона, наиболее сильно выраженная в области подводных валов и в зоне, пограничной с выходом бенча. В первом случае полностью размыт первый вал и заметно уменьшилась высота второго. Размыв нижней части россыпи обнажил новые участки бенча и произошло уменьшение мощности современных морских осадков в пограничной с бенчем зоне. В результате мористая граница россыпи приблизилась к берегу на расстояние До 100 м. Рельеф средней части россыпи остался без изменения.
На рис. 2.10 показано изменение контура продуктивных песков по четырем сериям опробования, проведенным до и после штормов различной силы и структуры. Шторм между первой и второй серией привел к сокращению продуктивной площади за счет повышения мощности пласта со смещением центра залежи ближе к берегу и концентрации основной массы запасов в узкой, вытянутой вдоль берега линзе.
Последующее опробование, проведенное вслед за другими штормами, показало различное положение рудных залежей в береговой зоне. В то же время такой показатель, как произведение содержания на площадь, во всех случаях практически не изменился и находился в пределах точности подсчета (±10%). Следовательно, изменение положения и конфигурации продуктивных залежей не сказалось существенно на запасах россыпи.
С конкретным примером регенерации отработанного полигона морской россыпи мы имели возможность познакомиться при опытной добыче ильменит-рутил-цирконовых песков на подводном склоне Восточной Балтики в 1966 и 1969 гг.
В 1966 г. на расстоянии 600 м от берега землесосным снарядом была образована выемка 700x300x0,5 м. Через месяц после отработки россыпи на дне восстановился первоначальный рельеф, а содержание полезных компонентов, в пределах контура выемки, повысилось на 25—30%.
В 1968 г. россыпь на подводном склоне была полностью пересечена траншеей глубиной до 1,5 м, расположенной перпендикулярно к берегу, из которой вытянуто 30 тыс. м3 песка. До отработки, в процессе работ и по окончанию работ велось систематическое опробование и промеры глубин лотом и эхолотом. Через месяц после окончания работ выемка была полностью заполнена песчаным материалом с содержанием полезных компонентов, мало отличающихся от отработанной горной массы.
Конкретных данных о механизме и процессах, связанных с регенерацией отрабатываемых россыпей, в настоящее время еще недостаточно, и этот вопрос еще требует значительного пополнения фактическими данными. Однако уже сейчас ясно, что регенерацию россыпей определенного типа надо предусматривать в процессе проектирования эксплуатации подводных месторождений.
ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ НА ШЕЛЬФЕ
Россыпи на дне моря существенно отличаются по методике поисков и разведки от россыпей, расположенных на суше. В море происходят интенсивные процессы дифференциации кластического материала, вызывающие разрушение сформировавшегося осадка в одном месте и отложение сортированного материала в другом. Процессы размыва, переноса, сортировки и отложения осадков непосредственно связаны с динамикой водных масс в конкретной акватории.
Это ставит перед исследователем морских россыпей задачу по изучению течений, волнений, особенностей переноса и отложения морских наносов. Более того, промышленная оценка подводного месторождения во многом зависит от режима волнений моря, течений, обеспеченности прохода технического и вспомогательного флота, мест безопасного укрытия во время шторма и т. д. В северных широтах большое значение для экономической оценки играет
ледовый режим акватории, оценка возможностей проведений зимних работ, сроки ледостава, скорость нарастания льда, его подвижность и торошение, наличие многолетнемерзлых пород в теле россыпи.
Свою специфику имеют и методы изучения геоморфологических элементов морского дна, поверхность которого недоступна прямому наблюдению, ,
Все это предопределяет при проведении работ в море широкую комплексность исследований с охватом широкого круга вопросов, изучаемых смежными науками ——океанологией, метеорологией, навигацией и рядом других. Основная часть необходимых морскому геологу сведений может быть получена только непосредственно в процессе натурных наблюдений по широкой программе, которые должны быть заложены в проект геологических работ уже на первой стадии исследований.
В табл. 2.16 приведен основной перечень вопросов по смежным дисциплинам, которые должны быть отражены в отчете о проведении работ. Они связаны друг с другом и, например, рассчитать наносодвижущие силы нельзя, не зная скорость, направление и повторяемость ветра. В то же время эти данные нужны для экономической оценки, так как скорость ветра и режим волнения будут определять как число рабочих дней в сезоне, так и выбор технических средств разработки подводного месторождения.
Широкий комплекс исследований определяет методику проведения наблюдений по расширенной, однообразной во всех частях акватории программе. При работе с плавсредств (судна, шлюпки) в месте отбора донной колонки грунта или взятия пробы одновременно фиксируется:
время наблюдения (дата, часы, минуты);
глубина моря;
параметры ветра — скорость, направление;
параметры волнения — высота, длина, период волны;
скорость и направление течения в 1 м от поверхности дна; скорость и направления течения на поверхности.
Программа наблюдений может быть расширена за счет отбора проб воды, измерения температуры, прозрачности. Но вне зависимости от этого основные стандартные измерения, перечисленные выше, должны быть сделаны.
При детальных работах дополнительно необходимо организовать постоянное наблюдение за уровнем моря. Без этих наблюдений невозможно проводить замеры глубин, так как уровень, от которого берется отсчет ——поверхность моря, все время находится в подвижном состоянии либо от приливо-отливного колебания, либо от сгона и нагона под воздействием ветра. Не учитывая этих колебаний во времени, нельзя построить карту глубин и правильно отразить рельеф дна.
При работах со льда определение параметров течения в каждой точке связано с большой затратой времени, поэтому зимой наблю- 86
Таблица 2.16
Некоторые специальные вопросы, которые необходимо учитывать при работе на море
Источники
информации
Разделы исследования
Региональные работы
Поисково-разведочные работы в локальных частях акватории
Метеорологическая обстановка: температура, давление, осадки Сила и направление ветра
Высота, направление и другие параметры волн
Скорость и направление поверхностных течений
Скорость и направление придонных течений
Колебание уровня моря
Ледовая обстановка: сроки, толщина льда, зоны и особенности торошения и подвижки
Направление и емкость потоков наносов
Геоморфология дна
Подходы, якорные стоянки
Районные управления гидрометеослужбы Метеослужба, натурные наблюдения То же
Лоции, натурные наблюдения
Натурные наблюдения
Лоции, метеослужба То же
Аналитический расчет и натурные наблюдения Навигационные карты, промеры по разреженным профилям Лоции
Натурные наблюдения То же
》
»
Лоции, метеослужба, натурные наблюдения
Аналитический расчет и натурные наблюдения
Промеры по профилям
Обследование и промеры
дения проводятся по сильно сокращенной программе по разреженной сети в стационарных майнах. Наблюдения же за уровнем обязательны и зимой, так как поверхность льда «дышит» и меняет свое положение по абсолютным отметкам в зависимости от положения уровня воды.
Одной из серьезных задач при морских исследованиях является определение места отбора проб в море. Обычно задача облегчается тем, что в большинстве случаев поисковые работы на россыпи проводятся в пределах видимости береговых ориентиров. Это позволяет использовать для получения координат станций визуальные методы определения места. Достаточная точность при этом достигается при использовании для измерения углов секстанта.
При детальных работах вблизи берега наиболее надежный способ ——привязка точек методом прямой засечки с берега при помощи двух теодолитов.
При этом к приборам предъявляются следующие требования: дальность действия ——10 км;
точность по азимуту—±5';
точность по расстоянию — 土5 м.
В открытом море точность привязки значительно снижается,
Рис. 2.11. Расположение поисковых галсов при различном очертании берегов: а — ровные берега; б — бухты открытые; 6 — заливы и бухты закрытые; е — отдельные банки
Для обеспечения определения координат необходимо предусматривать использование новейших систем радионавигационного оборудования, вплоть до систем спутниковой навигации при значительных объемах работ [691*
Детальные работы в открытом море требуют для определения положения мест отбора проб создания специально оконтуренных полигонов с расстановкой буев или буйковых станций, оборудованных радионавигационной аппаратурой.
Как во время рекогносцировочных, так и детальных работ, комплексные морские станции располагаются на профилях (галсах). Направление профилей выбирается с таким расчетом, чтобы пересечь по нормали основные морфологические элементы донного рельефа. На береговом склоне это направление пер пен ди ку л яр но к береговой линии. При обследовании подводных банок, впадин, погребенных речных долин профили располагаются поперек длинной оси структуры и дополняются одним-двумя галсами вдоль продольной оси в местах ее замыкания.
Расстояние между соседними профилями выбирается, исходя из сложности очертания изучаемых морфологических структур. При ровных и простых контурах берега оно может быть больше. При наличии бухт и заливов — меньше. При этом общим правилом является пересечение одной морфоструктуры не менее чем тремя профилями.
На ровном однообразном в морфологическом отношении береговом склоне профили рационально располагать группами по два-три галса рядом. Расстояние между группами профилей в 3——5 раз больше, чем внутри групп. Например, между профилями внутри группы — 1 км, между группами — 5 км.
В береговой зоне с открытыми бухтами профили или группы профилей располагаются в районе входных мысов и в центральной части бухты. Закрытые, глубоко врезанные в сушу заливы обследуются поперечными профилями.
Возможные варианты размещения поисковых профилей при проведении рекогносцировочных работ приведены на рис. 2.11.
Длина профилей зависит от морфологии дна бассейна. Как показали исследования, наиболее активная дифференциация тер- 88
Рис. 2.12. Полевая зарисовка профиля дна и состава донных осадков по колонкам грунтовРис. 2.12. Полевая зарисовка профиля дна и состава донных осадков по колонкам грунтов
Рис. 2.12. Полевая зарисовка профиля дна и состава донных осадков по колонкам грунтов
Рис. 2.12. Полевая зарисовка профиля дна и состава донных осадков по колонкам грунтов
ригенного материала происходит в зоне подводного берегового склона. Эта зона представляет, в первую очередь, объект для поисков современных морских россыпей. Ее границей с одной стороны является урез воды, с другой——перегиб склона и переход к выдержанным глубинам ровного дна акватории. Ширина берегового склона колеблется от 3 до 12 км.
В общем случае продолжение профилей за пределы подводного склона нерационально. Как показали предварительные исследования, ровное дно акваторий сложено илистыми осадками, в которых маловероятно обнаружение значительных скоплений тяжелых минералов.
Выход за пределы подводного берегового склона необходим только в том случае, если дно имеет расчлененный рельеф, осложненный подводными банками, резкими перегибами профиля, в виде подводных террас и другими морфологическими формами. Каждая из подобных форм должна быть обследована самостоятельными сериями профилей.
В то же время для выяснения общих закономерностей осадконакопления в акватории необходимо иметь несколько опорных профилей, пересекающих наиболее крупные морфологические элементы всего бассейна. К последним относится, например, вся шельфовая область до верхней бровки континентального склона. Расположение подобных профилей должно быть специально обосновано проектом работ. Расстояние между станциями на профилях зависит от многих факторов. Главным является морфология склона. Станции должны характеризовать каждый элемент рельефа — подводные песчаные валы, их внешнюю и внутреннюю стороны, бровку и выположенную части затопленных террас или иных перегибов подводного склона, подножье берегового склона, и обязательно одна станция должна быть взята на ровном дне.
В общем случае расстояние между станциями при рекогносцировочных работах составляет около 200—300 м, но не меньше трех станций на профиле.
Рациональному расположению станций на профиле способствует кустовое расположение профилей. Получив данные промера и общие представления о рельефе дна при проходке первого профиля, корректируют места станций на соседних галсах.
Очень удобно непосредственно во время работ сразу отстраивать на миллиметровке профиль дна, используя замеры на станциях, а еще лучше непрерывную запись эхолота. Профиль дна сопровождается зарисовкой колонок грунта, отобранных на морских станциях (см. рис. 2.12).
Наибольшую трудность при морских работах составляет опробование мелководья, начиная с глубин 3—4 м и меньше. Эти глубины недоступны обычным морским самоходным судам, способным нести на борту буровое оборудование. В арктических морях обследование этой зоны рациональнее проводить в весенний период со льда, при помощи легких самоходных буровых установок.
Скудность геологической информации, получаемой при опробовании донных осадков по сравнению с всесторонним изучением обнажений на суше вынуждает применять некоторые приемы, восполняющие этот недостаток и отражающие специфику морских исследований. В первую очередь, это относится к детальному изучению гранулометрического состава, обязательному определению выхода тяжелой фракции и изучению особенностей рудных и сопутствующих им других минералов.
В большинстве случаев при работе на шельфе донные осадки представлены тонкозернистыми образованиями. Эго ——тонкомелкозернистые пески, алевриты, илы, глины.
Определение тонкозернистых и илистых пород на глаз затруднено и не дает достаточной информации. Для этих целей необходимо применять специальные методы механического анализа. При этом обязательным условием является выделение естественных групп осадков по крупности, обладающими различными динамическими свойствами в водной среде.
Одной из важных границ разделения тонкозернистых пород является диаметр частиц 0,05 мм. Частицы с размером больше этого диаметра способны хорошо дифференцироваться в водной среде, в их скоплениях наблюдаются зоны повышенных концентраций тяжелой фракции. Отложения мельче 0,05 мм в диаметре резко меняют свои гидродинамические свойства и отличаются пониженной способностью к дифференциации материала в этой группе.
Не менее важная информация заключена в содержании тяжелой фракции в определенном объеме породы. Эта информация, полу- чаемая при минералогическом анализе, имеет, самостоятельное значение и дает возможность выделить на дне моря зоны повышенной дифференциации и концентрации тяжелых, в том числе рудных минералов. Карта распространения на площади изученной аква-
тории этих элементов является одной из обязательных частей морского геологического отчета.
Самостоятельным разделом поисково-оценочных работ является геолого-морфологическое изучение прибрежной части суши. Не останавливаясь подробно на этом разделе, укажем только на то, что береговые работы должны дать возможность установить наличие источников поступления полезных минералов в море, получить исходные данные для корреляции морских отложений с породами, развитыми на берегу, и определения наиболее вероятных участков побережья, где возможно образование морских россыпей.
В настоящее время акватории морей Советского Союза исследованы с целью обнаружения подводных россыпей в незначительной степени. Для выявления полезных ископаемых в рыхлых отложениях на дне моря, ориентировочного определения содержания полезного ископаемого в исходных песках и для оценки общих перспектив регионов необходимо, в первую очередь, проведение геофизических работ. Последние позволяют с затратой минимальных средств и времени обследовать значительные площади морского дна, не прибегая к постройке дорогостоящих судов специального назначения.
В дальнейшем, после выявления перспективных в рудоносном отношении регионов, необходимо проведение разведочных работ с отбором проб донных отложений при помощи специальных пробоотбор ни ков и буровых установок.
3. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИСТОЧНИКОВ
МИНЕРАЛЬНЫX РЕСУРСОВ
Источниками минеральных ресурсов могут быть различные компоненты как самих вод Мирового океана, так и скрытых под его дном или располагающихся непосредственно на дне (табл. 3.1).
Непосредственно в толще морской воды залегают различные по своему физическому состоянию компоненты, представляющие запасы полезных ископаемых. К ним, в первую очередь, относятся растворы минералов солей и газов, а также сама вода, которая представляется как наиболее перспективный источник получения пресной воды, дай, возможно,тяжелой воды. Этот источник запасов минерального сырья наиболее доступен с точки зрения выемки, так как существующая сегодня всасывающая техника позволяет осваивать добычу жидкости на любых глубинах и в любой точке. Сложности освоения минеральных ресурсов этого типа заключаются только в последующей химико-физической переработке.
К этому типу источника получения минеральных ресурсов примыкают так называемые морские металлоносные илы, которые представляют собой выпадающие из растворов донные осадки, отличающиеся повышенным содержанием металлов. Такие осадки представляются как результат поступления лав и вулканических газов через систему трещин на дно моря.
Наиболее известным примером являются металлоносные илы, обнаруженные в рифтовой зоне Красного Моря на дне впадины Атлантик II. Над этой впадиной морская вода на глубине 2 тыс. м имеет необычно высокую температуру (свыше 40° С) и высокую соленость до 26%, при этом содержание золота, серебра, цинка, железа, марганца и других элементов выше в несколько тысяч раз по сравнению с обычной водой (табл. 3.2).
При перенасыщении растворов соли выпадают в осадки, образуя вместе с морским илом смесь илистых частиц и коллоидов. Мощность изученного слоя металлоносного ила превышает 10 м, а общая мощность достигает от 20 до 100 м. Подобные процессы происходят и в других районах. Имеются все основания ожидать подобные образования на шельфе Курильских островов.
Считается, что приурочены металлоносные илы к такнм формам дна, как глубоководные желобы и мульды. В них под горячими щелочами залегают глинистые отложения, в прослойках которых наблюдаются гидроокислы железа и сульфиды металлов часто в виде мелких конкреций и маленьких кристаллов. Верхние слои представляют собой аморфное тонкодисперсное образование, при 92
30百啕
^ ^ § c $ 8
о ®5 cK^
duJS^AH。資
0 w к 3
о HH
自险宫J負
U d d 工 о
s 百 Z m E V s^Ss0^®®^ 考^^^^^堂— WyuUHqde 匸 VeuinXiH
К^cid^N^Wg'^口
§ c S S S^o ё § § §
S iУ1 в|f| I p 1
Wgu 货 hIh 工 HhNco 工 n 曰
g g йД
3
d
iи®
a U 果
1 11
К 5n
挡昌宜 § 3 5 苫二
I.e вин49pl
Таблица 3.2
Сопоставление содержания элементов (%) в морской воде и в морской впадине Атлантик II [100]
Элементы
Морская вода
Воды в районе металлоносных илов
Натрий
10,8
105,0
Калий
0,39
3,61
Магний
1,30
0,95
Медь
2-Ю-6
0,001
Цинк
5-10-6
0,003
Бром
0,066
0,083
Марганец
0,086
Хлор
19,5
195,0
Железо
1-ю-6
0,070
этом содержание седиментационной воды достигает 85%. Такие аморфные тонкодисперсные образования можно добывать современными всасывающими устройствами. Сложности в освоении этого источника минерального сырья можно ожидать при решении проблемы их концентрации и разделения. Наибольший интерес представляет экстракция минералов, ионный обмен и адсорбция. Решение вопросов химико-металлургического передела позволит создать все предпосылки для широкой постановки разведки на поиск месторождений этого типа в районах с вулканической деятельностью, и в первую очередь в морях Дальнего Востока.
Следующим типом являются россыпные (в самом широком понятии). К ним мы должны отнести все отложения, характеризующиеся отсутствием структурных связей между зернами или их конгломератами. Они, как отмечалось выше, могут залегать на поверхности моря или быть перекрытыми осадками. К этому типу месторождений относятся как терригенные, так и пелагические отложения. Особым видом таких россыпных месторождений представляются конкреции, которые залегают отдельными гранулами.
Россыпные месторождения разрабатываются различными дражными устройствами ковшового и гидравлического типа. Будущее для этого типа месторождений представляется за аппаратами придонного обогащения, т. е. способных при выемке извлекать только полезные элементы, и донными аппаратами обычной выемки.
Коренные месторождения, подстилающие дно, при малой степени изученности представляются также мало отличающимися от месторождений суши. Разрабатываются они, как правило, шахтным способом и способами геотехнологии. Можно ожидать в обозримом будущем закладки шахтных стволов на больших глубинах через кессонные камеры и другие подобные сооружения. Большие перспективы можно ожидать от применения дробления горной массы ядерными взрывами с последующим для поверх- 94
костных месторождений драгировайием или растворением, выщелачиванием для погребенных месторождений. Такая технология практически открывает путь к освоению месторождений на любых глубинах.
Но при освоении минеральных ресурсов моря необходимо учитывать не только физическое состояние источника, но и его взаимосвязи с окружающими морской фауной и флорой и береговым ландшафтом.
Итак, при освоении минеральных ресурсов моря мы имеем источники различного состояния: газы, жидкости, разнозернистые образования (россыпи), монолитные месторождения, коллоидноаморфные системы.
В следующих разделах мы остановимся на извлечении минерального сырья из каждого источника, сосредоточив основное внимание на месторождениях россыпного типа, освоение и разведка которых происходит наиболее интенсивно.
32 ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
ИЗ МОРСКИХ ВОД И РАСТВОРОВ ЗА РУБЕЖОМ
В настоящее время из морской воды промышленная добыча (кроме самосадочных солей карабугазского или вирилльского типа) осуществляется более чем на 300 предприятиях для получения поваренной соли, магния, брома, йода и других, т, е. порядка 10 из 60 растворимых в воде элементов. В табл. 3.3 представлены данные, характеризующие местоположение их добычи и объем.
Технология извлечения компонентов из морской воды осуществляется и развивается по следующим направлениям:
Концентрирование вод испарением и вымораживанием за счет естественных и искусственных источников тепла и холода. Наибольшее развитие получают схемы, совмещенные с получением пресной воды. Извлечение из раствора различных элементов с помощью осадителей, окислителей, экстрагентов, сорбций и флотацией.
Таблица 3.3
Производство растворенных в морской воде полезных компонентов [81—92]
Извлекаемый компонент
Местоположение работ
Число предприятий
Годовая производительность
Натрий Магний
Бром
Питьевая вода
Во всем мире (60 стран) СССР, ГДР, ФРГ, США, Англия
Во всем мире
Страны Ближнего Востока, Атлантическое побережье США
Более 150
Более 20
7
41 (по данным
60 годов)
100 МЛН. т
3 млн. т
125 тыс. т
602,3 млрд, л
Фильтрование через избирательно действующие иониты, извлекающие определенные катионы или анионы.
Электрохимическая обработка вод с применением активных диафрагм селективного действия.
Предварительная химическая обработка, имеющая целью облегчить последующую технологию, как-то:
известкование воды для удаления солей магния в виде гидроокиси и высокий подогрев для получения гипса;
обработка морских вод аммиаком и фосфорной кислотой для удаления солей магния, что позволяет получать высококачественные удобрения, содержащие фосфат и микроэлементы.
Культивирование организмов-концентраторов.
Первая технологическая схема применяется при добыче поваренной соли, обеспечивающей 29% мировой добычи. В США, Японии, Индии, Филиппинах, в Турции и в других стра- нах используется способ естественного выпаривания, когда вслеп за выпадением из рассола гипса выпадает поваренная соль.
Аналогичной является технология получения брома из морской воды.
При извлечении магния морскую воду, очищенную от механических примесей, смешивают с известковым молоком, при этом хлористый магний переходит в нерастворимую гидроокись магния. Выделенный осадок растворяется в соляной кислоте, полученный при этом хлористый магний переводится в твердый порошок путем нагрева до температуры 170° С и затем разбрызгивается на высушенный твердый хлористый магний. Однородный продукт подвергается электролизу с получением металлического магния и соляной кислоты, снова используемой в процессе. Таким способом компания «Дау плант оф фрипорт» обеспечивает получение 90% магния, производимого в США, а японские компании — 100% объема добычи магния.
^Морская вода является источником получения пресной и тяже- лой воды, при этом выделяемые рассолы почти 5 раз обогащены против обычных вод минеральными солями. Но пока экономически извлекать обычным выпариванием такие элементы, как бор, сера, золото и другие, нецелесообразно.
Наиболее активно проводится при опреснении морских вод поиск путей получения урана.
В °山4 предполагается освоить два метода выделения урана из морской воды. При первом уран должен адсорбироваться при фильтрации морской воды через гранулированную окись титана за счет приливо-отливных колебаний. Второй способ связан с оп- реснением вод при работе ядерных электростанций.
Предполагается к 1985 г. удовлетворить до 15% потребности Японии в урановых концентратах, но в настоящее время добыча не выгодна, так как стоимость привозного концентрата в 3—4 раза ниже.
Аналогичным является положение с извлечением и других элементов из морских вод. Огромные запасы золота в Мировом океане, оцениваемые в 6—10 млн. т (запасы Суши около 50 тыс. т), привлекают внимание к этой проблеме, но многочисленные попытки создать метод экстракции золота из морских вод пока не удаются.
・ ПРОЕКТЫ ОСВОЕНИЯ И ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО ДОБЫЧЕ КОНКРЕЦИЙ СО ДНА МИРОВОГО ОКЕАНА
В области создания методов промышленной добычи железомарганцевых конкреций и их переработки за рубежом ведутся исследования в различных направлениях, особенно широко в последние десять лет. Исследования ведутся многочисленными организациями США, Канады, ФРГ, Франции, Великобритании, Италии, Швеции, Дании, Японии и некоторых других государств. В США систематические исследования проводятся 25 организациями, среди которых ведущее положение занимают Калифорнийский океанографический институт, Калифорнийский университет и Гавайский институт геофизики.
В ближайшие годы ожидается только в США довести капиталовложения на создание' промышленных установок до 6 млрд. руб. Эти вложения должны быть произведены пятью многонациональными компаниями, которые в настоящее время создали специальное оборудование, находящееся в стадии опытной эксплуатации и совершенствования.
9797По заявлениям фирм, добычу конкреций в промышленном масштабе можно ожидать не ранее 1980 г. Опытные установки включают, как правило, средство сбора конкреций со дна, подъемное устройство для доставки конкреций на поверхность и емкости для приема поднятой руды. В настоящее время предложено много вариантов добычных установок. Одними из первых были системы, созданные по предложению американского ученого Д. Меро [32]. Он же является автором проекта ковшовой драги, строительство которой осуществляется фирмами «Коннекотт
97
97
Глубина разработки, м
Скорость, м/мин
Время, цикла, мин
Суточная производительность, т
Удельный расход энергии, кВт.ч/т
погружения ковша
подъема ковша
300
90
225
18,7
590
20
900
90
225
22,8
416
34
900
180
225
23,8
505
28
1500
90
225
38,9
308
53
1500
180
300
30,6
392
42
2400
90
225
55,1
218
80
Таблица 3.4
Данные по добыче конкреций при использовании ковшовой драги (по Д. Меро)
4 Под ред. В. В. Ржевского и Г* А. Нурока
Рис. 3.1. Принципиальная схема гидравлической драгн:
7 一 всасывающие головки; 2 — всасывающие трубопроводы； 3 •— электродвигатель землесосов； 4 — ходовой двигатель землесосов; 5 — балластный поплавок; 6 — вспомогательные ходовые двигатели; 7 — гироскоп； 8 — напорный трубопровод； 9 — гибкий трубопровод; 10 — морской катер; 11 — баржа
Коппер Кор порей шн» и «Интернэшнл Никель энд Ньюпорт Ньюс Шилбилдинг».
Операцию драгирования предполагается проводить при помощи Двух движущихся в море судов. В качестве добывающего судна может быть использован буксир океанского типа водоизмещением 2000 т, на котором установлен двигатель мощностью 2000 л. с. Такое судно способно производить драгирование на глубинах Д° 1500 м, обладая при этом хорошей маневренностью. Во время работ на перемещение самого судна будет расходоваться лишь небольшая доля общей мощности.
Второй корабль, участвующий в разработке конкреций, должен представлять собой океанскую самоходную баржу, емкость которой достаточна для хранения около 5000 т добытых конкреций. Поднятый со дна океана на поверхность драговый ковш разгру- жается в специальный приемный бункер, из которого конкреции перекачиваются при помощи насоса по трубопроводу на баржу, где они временно хранятся.
Рис. 3.2. Устройство для добычи железо-марганцевых конкреций： а — общий вид; б — разгрузочный узел； 6 — заборно-всасывающий узел
Темпы и стоимость разработки методом драгирования в значительной мере зависят от глубины производства работ, поскольку глубина определяет время, расходуемое на спуско-подъемные операции драгового ковша. Расчетная производительность драги и примерная стоимость работ приведены в табл. 3.4.
На рис. 3.1 представлена схема гидравлической драги, предлагаемая американским ученым Д. Меро [32 ]. На данной схеме все добычное устройство скрыто под водой. На поверхность выходит только один пульпопровод с гибким шлангом на конце для загрузки баржи. На глубине 30 м в зоне, не подверженной волновым колебаниям, расположены балластные поплавки, которые придают всей подводной части конструкции нейтральную плавучесть. Во внутренних полостях этих поплавков расположены двигатели, вращающие ходовые винты, работающие согласно с корабельными.
В непосредственной близости у дна, в развилке трубопровода, располагаются основной электродвигатель и два грунтовых насоса, сидящие на одной оси. Они помещены в общем герметичном корпусе с воздушным противодавлением.
Общая масса описанной гидравлической драги составляет около 2 500 т, ориентировочная производительность равна 4 тыс. т конкреций в сутки. Д. Меро провел расчет стоимости добычи конкреций со дна океана методом гидравлического драгирования с различных глубин, показав, что она составляет около 4 долл, за 1 т. Подобная схема была испытана объединением «Океан Майнинг Прожект» в 1974 г. [94].
Еще одна проектная схема добычи железо-марганцевых конкреций представлена на рис. 32 Буксир А при помощи системы тросов волочит по дну океана ковш / и вместе с ним перемещает два спаренных вертикальных трубопровода 5, верхние концы
Рис. 3.3. Схема гидравлической драги, работающей на плато Блейк:
/ — всасывающая головка; 2 — груз; 3 — ферма; 4 — шарнирное соединение; 5 — аварийный клапан; 6 — смеситель; 7 —— пневмопровод; 8 — подъемный пульпопровод; 9—соединительный пульпопровод; 10 — судно—база; 〃 一 рудовоз
которых закреплены на корме судна-базы 5. Принцип работы данного устройства тот же, что и у эрлифта с той лишь разницей, что рабочим агентом является не воздух, а керосин, нагнетаемый в смеситель 3 циркуляционным насосом 6. В устройстве может быть использована какая-нибудь другая легкая углеводородная жидкость, например газолин, если удастся уменьшить его воспламеняемость или обеспечить мгновенное гашение.
Проведенные специалистами США расчеты показывают, что при добыче марганцевых конкреций гидравлической драгой производительностью 4500 т в сутки с. глубины 3000—6000 м ежегодная добыча составит 1,35 млн. т сырья. Расходы по добыче оцениваются в 3,5—5,2 руб/т, на транспорт до берега 8 руб/т и на первичную металлургическую переработку — 20 руб/т. Подобное предприятие может обеспечить потребности США в марганце на 100%, никеле —■ 5。％, кобальте — 35%, молибдене — 7%, меди — 5%, не считая значительного количества ванадия, титана, циркония и других металлов.
В США проводятся большие работы по освоению эрлифтной системы добычи конкреций. Например, летом 1970 г. в районе подводного плато Блейк в 270 км от Флориды фирма «Дипси венчурес инкорпорейшен» (США) провела опытную добычу железомарганцевых конкреций. Добыча велась с глубины около 800 м эрлифтной драгой, являющейся уменьшенной в 5 раз моделью промышленной установки (рис. 3.3). Трехфазная смесь поднималась по трубопроводу диаметром 240 мм общей длиной 850 м. Подача воздуха в подъемный пульпопровод осуществлялась через трн группы форсунок, расположенных на глубине 240, 360 и 48° м. Трубопровод состоял из отдельных секций, каждая длиной 12 м, связанных между собой при помощи специальных фланцевых соединений. Последняя, самая длинная секция трубопровода 100
(50 м) крепилась на шарнире к трубопроводу. При изменении рельефа дна эта секция меняла угол наклона по отношению к поверхности дна, в то время как остальная часть трубопровода не меняла своего положения [83 L
В конце жесткоскрепленного участка трубопровода был установлен груз (6 000 кг), который не позволял дражной головке отрываться от поверхности дна при скоростях передвижения драги 2—6 км/ч. Добывающее устройство представляло собой сепарационные решета для отсортировки конкреций от сопутствующих илов и размещалось на специальных санях длиной 7 м и шириной 3 м.
Оборудование базировалось на судне водоизмещением 7400 т «Дипси Майнер», представляющем старый танкер «Венчурс». В центре судна было прорезано отверстие размером 6x9 м, над которым смонтирован кран для спуска и подъема дражной головки, трубопроводов и другого оборудования. Для контроля за процессом добычи и состоянием механизмов было использовано телевизионное устройство. В 1972 г. было повторено испытание указанной системы. При этом было добыто 60 тыс. т конкреций. Конкреции плато Блейка имеют низкое содержание, поэтому большинство их было выброшено в океан.
По последним сообщениям консорциум «Дипси Венчурс», созданный фирмами США, Канады, Японии, приступил к созданию промышленной драги с глубиной выемки 4500 м и строительству гидрометаллургического завода производительностью 3 тыс. т сухих конкреций [91 ]. В основе схемы переработки конкреций на заводе фирмы «Дипси Венчурс» — хлористо-водородное выщелачивание.
В 1974 г. фирмой «Саммэ Корпорейшен» был испытан более совершенный вариант гидравлической системы с суточной производительностью 5 тыс. т сухих конкреций. Для сбора конкреций использовалась система из непрерывной линии черпаков, прикрепленных к кабельной петле, один конец которой был размещен на судне, а другой достигал дна. Для подъема была использована насосная и эрлифтная система при трубопроводе диаметром 400 мм с толщиной стенок 8 см.
Основное судно водоизмещением 35 тыс. т и длиной 220 м должно иметь систему стабилизации, аналогичную принятой на судах «Гломар Челленджер», а опускание ковшей и труб производится аналогично спуску буровых труб при добыче нефти из-под моря. Система сбора перемещается специальным подводным судном размерами 60x30м. Основой подъема являются погружные насосы, которые на последних 600 м заменяются эрлифтной системой. Проектная стоимость такой системы оценивается в 85 млн. руб.
V Весьма интересным является устройство японского инженера Масуды, использованное консорциумом фирм США, Канады, Великобритании («Си Эл Би—Консорциум»), Канады, Японии,
Рис. 3.4. Принцип устройства драги по проекту фирмы «Си Эл Би»:
а — Вид сверху; б — вид спереди; # — вид сбоку; / — уровень океана; 2 — заходка; 3 — трос; 4 — след черпака; 5 — черпаки (показаны только около дна);6 — морское Дно; 7 — направление движения судна
ФРГ («Инко, Арм, Сумитомо Консорциум»), Франции («Снеэксо») и Японии («Мити—Омдпа»). Ожидается, что работы по этому проекту будут закончены в 1982 г. На гидрометаллургическом заводе будет использоваться сернокислотное выщелачивание. Добычная драга (рис. 3.4) состоит из судна на поверхности, петли пропиленового каната, к которому крепятся на малых канатах добычные ковши через 25—50 м, подъемного приспособления на судне, позволяющего двигать кабель таким образом, чтобы ковши опускались на дно океана с одной стороны петли, проходили по дну океана на нижней части петли для сбора конкреций и возвращались на поверхность с третьей стороны петли. Такая система была испытана в серии экспериментов сначала на глубине 1500 м в 1968 г., затем на 3600 м в 1970 г. и в конце 1972 г. на глубине 4700 м. Стоимость такой системы оценивается в 10 млн. руб. при производительности 2—3 млн. т в год (без стоимости судов). По мнению авторов, грузоподъемность судов должна быть не менее 3 тыс. т [931.
Японские ученые Н. Ямакадо, К. Ханда, Ю. Миясита и А. Хидака выполнили большой объем экспериментальных исследований, которые позволили установить, что:
подвеска ковшей должна быть односторонней;
для исключения перекручивания троса необходимо наличие двух судов, при этом скорость буксировки судов должна превышать скорость движения черпаков;
наилучшей формой является ковш, днище которого выполнено в виде приподнятой в передней части колосниковой решетки, а между ножом и решетом должна быть специальная щель.
zgAd，Hh*^g? 9y® § Й g S
-MQOV Ч1ОО1Ч--4«44工4
-иомэдээgueee6Z9gy
8 CO 9 CO 。 д co a co 8 cJ о b^ co in
о о oazg。。
工/gd 七 P<^R600114yo^电
о о о о о
О со 00 со cj I I I
даб 寸 az
О О О О Оо о о о о
0寸09 со
9 со аг
о о о о о
0 9coz Z809 寸寸
о о о о оо о о о о
寸 9 0 9 9
9 寸寸 Оо 沱 о о о о о
財 gAd698 迎 T
о о о о оо о о о о
68аа
д69y寸
оооо
“工經 d&S33^£2 2 !§ fe §g
cozazzg 寸 cocoa
а 。
z a8 g
G 心 f g S
8cog 9coigoz9
x/9^d3 二 cTSSoo oo cd
s + °s=2S^a^S Й !§ Й S
飞0 R亡р
Z 8 寸 8 О 寸 д z со о
0000 900寸
•рла 'Hirw。寸 zizОбсо 寸 6
，г5 + TSoi co ic oo оco x^ oo ^ co
а 99
О
G s 3 s 色
-oma 呼 da/、^杰④心© © -
чхэоаомэ
09 уp
е? 3 二 ci 百
о о О QО о о О
…нн加gS 8 5 о
-0困师血h893X889^22 禺
о о о о о
8 S &； S 8
寸 z а
q J S g 2 g Я Я 8 Й g © 白009。寸 8ZiO8 寸
О弓ill170^9
HCO
ооо
。9I6Z
Iz。Iсо
IIсо寸д
工j寸 ooo
«2 g S自遇昌
о О о О о 0卜.0 寸 9 д 8
h/.м gs s gS S 32 g
*Voxoed zgi9 乳ztQi9^
8 9 а 。 V z д I Z а I 9 а
I &
园0壊08
•Цопвн766K
0寸 о о д
9 16aoz со со а а г
•Ч1Э0НЧ1ГЭ1 S О ОS SS о
-и^онеиоЦцizco 寸izco 寸
ооо
шоооо
Iасо寸
-ходе deedgp
со
5 Продолжение табл. 3.5
奈 d w
Мощность
3 咅
^Я s' J dH
铸Е
н S
кВт
л. с.
+ s
S
9 宕&
у о 5? 。W h
50
480
278
670
1 460
4 200
10,8
4,82
622,0
8,00
2,08
0,76
0,61
3,60
15,00
100
420
556
1160
2 350
7 300
11,5
7,5
769,6
6,25
1,28
0,61
0,35
2,70
11,20
4000
200
386
1112
2140
4 010
13 400
12,5
12,09
975,4
5,0
0,81
0,52
0,21
2,10
8,64
300
374
1670
3120
5 520
19 600
13,0
15,96
1068,9
4,42
0,60 '
0,48
0,16
1,90
7,56
400
368
2224
4100
7 120
25 800
13,6
19,8
1371,0
4,10
0,57
0,46
0,18
1,70
6,96
50
600
278
836
1 820
4 370
11,5
5,6
768,4
9,25
2,56
0,95
0,62
4,20
17,58
100
556
1450
3 000
7 600
12,3
8,5
953,0
7,00
1,59
0,78
0,36
3,10
12,83
5000
200
480
1112
2670
5 020
14 260
13,3
13,86
1108,9
5,70
0,93
0,65
0,22
2,40
9,90
300
1670
3900
7 000
20 500
14,0
18,4
1446,0
5,10
0,80
0,61
0,16
2,20
8,89
400
457
2224
5120
8 880
26 860
14,5
22,36
1693,4
6,68
0,71
0,58
0,14
2,00
8,10
50
720
278
1000
2 180
4 550
12,2
6,26
916,5
10,50
3,05
1/4
0,64
4,80
19,62
100
556
1740
3 500
7 900
13,0
9,60
1036,8
8,00
1,73
0,91
0,37
3,40
14,42
6000
200
575
1112
3200
6 000
14 760
14,0
15,20
1449,4
6,30
1,21
0,78
0,23
2,70
11,22
300
1670
4680
8 400
21 000
14,8
20,40
1758,0
5,55
0,87
0,73
0,17
2,40
9,81
400
546
2224
6150
10 600
27 750
15,6
24,86
2047,5
5,20
0,86
0,69
0,15
2,10
9,1
Примечание. S4 — стоимость корпуса судна; S2 — стоимость силовой установки; S$ — стоимость насосного оборудования, отнесенная на единицу производительности; S4 — стоимость трубопроводов, отнесенная на единицу производительности; Ct и С2 — амортизационные отчисления на единицу производительности по корпусу судна и силовой установке; С3 н С4 — то же по насосам и трубопроводам; С* ——затраты по топливу на 1 т конкреций; Св ——заработная плата на 1 т конкреций; С7 — затраты на материалы.
PH-■■Прннцнпнальнан схема гл' боководной Араш конструкцнн MF: J -* добыиное судно- 2 I sdKHармнро, ванный шланг) 3 — обогатительная ва рнка一 4 I прниазьнан бойка一 5 — насос- 6 I repMeTHqecKH® бааластнык поплавок с ХОАОВмн вннтамн- 7 I трубопровод напорное ИОЙЕ- 8 丨 пульпопровод】9 1 pa3rpy30qHe ходове ВТ; JO I загру- Зоиныаппарат- 11— всасывакзшая г? ловка
Исспедованмн по КОВЕОВНМ системам продол 茨 аютсн м сжмдаетсн промышленное освоение этмх сметем примерно в 1982r•
Опнмм мз направлений мзнсканмн технопогмм добнчм полезных мскопаемнх на Вопшшх гпубмнах является созданме добнчннх мапшпередвмгакицмхен п。дну океана. Такне мапшнн пре ставпнют собой мавннм образом подводнне TpaKTOPF которое могут передвигаться прм несущей способности дна не менее 07 кге/см
По разведанном в недрах СССР запасам многмх попезннх мскопаемнх》в том чмеле угпгазжепезннх м марганце— ВХ руд” хроммтаумеднмкепмопмбхена- тмтана- капмйннх солей” фосфатных руд м друзх важных вмдов сырья- советский Союз занимает одно мз первнх мест в МНРОднако совет— скмй Союз должен заранее 6ТЬ подготовлен к возможности освоения глубоководных ммнерапьннх ресурсов в недалеком буАУЕем*
По схеме драгм- приведенной на рнс・ 3・5・ напорная вода с бал— частного поплавка подается во всасЕваюгцую головку) представ— пнкицую Со6оэжектоЗасаснваемнй матерная нагнетается в 0AHy из камер напорного загрузочного устройства) которое перегружает материал в подуемньпульпопровод. Расход Элек— троэнергмм на 1т прм этой схеме (по предварительному расчету) не будет превышать 1 кВт • ч/т・
Направление KOO-asow^ffiK^ по созданию способов сбора конкреций основано на мегюпьзованмм мх фмзмко，механмческмх свойств。 Московском горном мнетмтуте била разработана экономо—мате， матмческан модель добЕЧМ конкреимй》результаты рехленмн кото— рой сведенн в Та6л・ 3・5・ Зтм АаннЕе показываючто эксплуата— цмоннне затраты по добнче доллшн бьиъ порядка 6——12 РУ6/Т. затрат на транспорт 16—26 РУ6/Т” а затраты по переработке окоп。3550 РУ6/Т*
105
・ ТЕХНОЛОГИЯ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ
РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ШЕЛЬФЕ
КАПИТАЛИСТИЧЕСКИХ СТРАН
На континентальном шельфе работает наибольшее число (более 100) предприятий по открытой подводной добыче полезных ископаемых. Ниже приводится анализ состояния добычных работ по различным видам полезных ископаемых.
Россыпи олова
Подводная добыча касситерита была начата в начале века, но в основном этот способ получил развитие за рубежом в последнее двадцатилетие. Это вызвано общим сокращением запасов на суше и тенденцией повышения спроса на олово.
С 1970 г. по 1974 г. добыча олова из прибрежно-морских месторождений увеличилась с 6 до 15% общего объема производства капиталистических стран. Рост добычи происходил на фоне повышения цен на металлическое олово, по сравнению с 1958 г. (рис. 3.6).
В основном, промышленная подводная добыча олова из морских россыпей касситерита осуществляется в Индонезии и Таиланде, а подготовительные работы к организации добычи проводятся на шельфе Малайзии и Бирмы. Наибольший объем добычи касситерита на море приходится на шельф Индонезии, где в 1974 г. производство превысило 20 тыс. т против 12 тыс. т, добытых в 1972 г. По мнению специалистов, объем производства должен быть не менее 25 тыс. т к 1979 г. [93].
Развитие этой отрасли основывается на запасах подводных россыпных месторождений олова, оцениваемых в 4,9 млн. т. Увеличение сырьевой базы подводной добычи за последние 10 лет определилось не только открытием новых месторождений, но и снижением минимально промышленного содержания металла с 227 г/м3 (1964 г.) до 188 г/м3 (1974 г.).
Повышение рентабельности разработки определилось не только ростом цен, но в условиях инфляции и энергетического кризиса модернизацией оборудования. За последнее время практически изменился весь парк землеройного морского оборудования на шельфе в основном районе добычи вблизи так называемых «оловоносных островов» Банка, Белитунг, Синкеп, Карнмата, Бинтам, Каримун, Линга, Кундур.
Подводные месторождения шельфа этих островов представляют собой продолжение наземных россыпей суши, затопленных в результате повышения уровня моря. Считают, что «оловянные» острова являются наиболее возвышенной частью обширной платформы. Зунда, которая погрузилась на глубину до 50—60 м по сравнению с уровнем Яванского моря. Под водой во многих 106
Рис. 3.6. Рост стоимости олоба в капиталистических странах (С — измене- нение стоимости 1 т олова в % от стоимости 1964 г.)
местах отчетливо видны русла рек, формировавших эти аллювиальные россыпи. Сами россыпные пески, как правило, перекрыты наносами песка и глины, мощность которых достигает до 25—30 м на расстоянии 2——3 м от берега. Обогащенный касситеритом слой мощностью от нескольких сантиметров до нескольких метров лежит на плоском плотике, представляющем собой пенепленизи- рованную поверхность гранитов или осадочных пород. Содержание касситерита в россыпях колеблется от 250 до 8000 г/м3 [93].
Вновь открытые месторождения отличаются более сложными условиями разработки. Так в 1975 г. голландская компания «Биллитон» объявила об открытии крупного оловянного месторождения вблизи о. Туджу, где россыпной слой перекрыт осадками мощностью до Ю0 м. -
Консорциум трех австралийских компаний совместно с индонезийским государственным предприятием П. Н. Тимах разведали месторождение на шельфе о. Банка близ г. Коба, граница которого находится на глубине 50—60 м. На глубинах моря 49—56 м другая компания «Банка Тин Майнинг» обнаружила месторождение на шельфе о. Суматра. Из выявленных запасов в течение 1972—— 1975 г. только 46% залегают на глубинах до 30 м от поверхности вод и доступны к разработке имеющимися драгами и земснарядами с глубиной выемки до 30 м, а 18% доступны для добычи драгами, имеющими глубину выемки до 45 м, которые в последние годы стали поступать в состав горнодобывающего флота Индонезии, 15% требуют создания и использования средств выемки до 100 м. Вопрос о выемке 24% запасов на глубинах свыше 100 м, по мнению специалистов, требует решения ряда технических проблем [93].
В этих условиях флот оловодобывающей промышленности был модернизирован за счет крупных капиталовложений правительства Индонезии, кредитов Нидерландов и помощи Организации Объединенных Наций.
Из всех типов драг на шельфе Индонезии наибольшее распространение получили гидравлические с фрезерными рыхлителями н многочерпаковые. Производительность драг колеблется от 0,9 Д° 3,6 млн. м3.
Рис. 3.7. Морская многочерпаковая драга «Банка-11»Рис. 3.7. Морская многочерпаковая драга «Банка-11»
Рис. 3.7. Морская многочерпаковая драга «Банка-11»
Рис. 3.7. Морская многочерпаковая драга «Банка-11»
На небольших глубинах для добычи пользуются, как правило, землесосными драгами с производительностью по воде 1300— 2200 м3/ч. Примером является разработка земснарядами россыпи на шельфе р. Синкен, где пульпа подается на береговые установки. Работы осуществляются с использованием систем тросового па- пильонажа.
Всего в 1974 г. в составе флота индонезийского государственного предприятия П. Н. Тимах было шесть землесосных снарядов, самый мощный из которых имеет производительность по воде порядка 6—7 тыс. м3/ч.
Основной объем добычи приходится на многочерпаковые драги с ковшами емкостью 142—510 л.
В 1974 г. на шельфе «оловянных» островов использовалось около 30 драг. В основном драги работают с глубиной выемки До 17 м при емкости ковшей 230—250 л и до глубины 30 м при емкости 370一400 л.
Как правило, драги работают спаренным забоем при тросовом папильонировании для раздельной переработки и при валовой выемке массы до плотика. Работы в море осуществляются только при благоприятных метеорологических условиях, в период муссонов и волнений драги используются для разработки россыпей в устьях рек.
Наибольшую глубину выемки многочерпаковыми драгами получают использованием новых драг типа «Банка» (рис. 3.7). Первое судно этой серии («Банка-1») построено в г. Глазго и находится в эксплуатации с 1966 г. Эта драга работает в 8 км от берега в водах глубиной 9——15 м при максимально достигнутой глубине 41 м. Толщина торфов в среднем 3,8 м. В добываемой руде содержится в среднем 439 г/м3 олова. Дражная цепь имеет 142 черпака емкостью 510 л при скорости подачи 28 черпаков/мин. В 1974 г., разрабатывая пески с содержанием металла 600 г/м3, драга достигла годовой производительности 2,4 тыс. т концентратов при часовой производительности по пескам 500 м3/г.
«Банка-Ь является морским несамоходным судном, длиной 91 м и шириной 24,5 м. Наличие централизованного управления, автоматизация обслуживания драги, дизель-электрическая система энергоснабжения обеспечивают большое снижение численности обслуживающего персонала. Для защиты от коррозии корпуса применена система катодной защиты и повышенная вентиляция. С 1974 г. разработку подводных месторождений олова ведет также морская драга «Банка-П» (см. рис. 1.9). В настоящее время строятся драги «Банка-Ш» и «Белитунг».
Драга «Банка-П» является крупнейшей в мире, ее производительность должна быть не менее 5,2 млн. м3/год при емкости черпаков 625 л и глубине выемки до 50 м. Эта драга эксплуатируется практически в любых погодных условиях. Две другие драги должны быть несколько меньшей мощности при глубине выемки порядка 40 м.
Строительство драг осуществляется в Нидерландах, в дальнейшем предполагается наладить выпуск драг на судоверфях Индонезии.
На шельфе Индонезии имеется опыт вскрыши торфов на глубину 4,6 м земснарядом производительностью около 7000 м3/ч при работе 396-литровой драги. Для работы на глубинах до 180 м планируется использовать грейферные драги [93 ].
Технологическая цепочка обогащения типична для всех оловодобывающих предприятий с небольшими отклонениями, т. е. после выемки исходные пески поступают во вращающийся грохот, где дезинтегрируются, а также отделяются крупные классы. Затем мелкие классы проходят три стадии отсадки на машинах с гематитовой постелью (получают 35 % -ный концентрат) и попадают на концентрационные столы (получают 72 % -ный концентрат) либо вместо столов доводка концентрата осуществляется на берегу. Хвосты обогащения сбрасываются в море с кормовой части драги.
Морская добыча касситерита в Таиланде сосредоточена в районе шельфа Западного побережья между портами Такуана и Тай Муанг и до о. Пукет вблизи южной границы страны. Начало 70 годов в Таиланде отмечено уменьшением числа предприятий на суше и увеличением числа драг на море. За два года к 1974 г. число драг достигло 10. При этом в 1972 г. драги, работающие на шельфе, произвели 15,5% общего производства касситерита в стране, в 1973 — 18%, в 1974 г. 一 22% [93]. Ввод в эксплуатацию современных драг позволил снизить среднюю себестоимость 1 т концентрата до 767 долл. (569 руб.) против 1117 долл. (868 руб.) на предприятиях суши.
Основным типом морского месторождения касситерита являются погребенные аллювиальные россыпи и россыпи на морских абразионных платформах. Среднее содержание касситерита в россыпях 200——400 г/м3. Минимальное промышленное содержа- нне касситерита, по данным таиландских компаний «Бунсун энд 109
лейтон май ни нг» и «Жути Офшоу Тин Дреджинг», оценивается в 118 г/м3.
Добычу на шельфе Таиланда с 1975 г. ведет специально созданная правительством национальная компания для разработки морских месторождений и экспорта минерального сырья «Сиа Майнинг Стайт Интерпрайзес», которой были переданы драги других компаний, в том числе англо-голландской《Темко》，которая в 1974 г. добывала 8% таиландского производства олова с использованием землесосной драги «Темко-I» и многочерпаковой драги «Темко-П».
Драга «Темко-П» имеет производительность 5 млн. м3/год при глубине выемки до 25 м. Драга «Темко-1» обеспечивает при работе с тех же глубин подачу 125 м3/ч песков. Стоимость драг оценивается около 5 млн. руб.
Три многочерпаковые драги и один земснаряд до 1974 г. английской фирмы «Лондон Тин», две многочерпаковые драги японской компании «Аокам Тнн》и одна драга фирмы «Тонгках Харбоуг Дредэкинг» разрабатывали россыпи олова в районе залива Банг Тао и о.Пукет на глубинах до 18—21 м. Емкость черпаков составляет 300—450 л [93].
Для добычи используются, наряду с многочерпаковыми драгами, работающими в основном в заливах и проливах между островами, также и грейферные драги, впервые здесь примененные в ；965 г. Применение грейферных драг, обладающих максимальной гибкой связью понтона с добычным органом, позволяет производить добычу в районах с достаточно большими волнениями.
Так около о. Пукет работает на глубинах до 75 м (в среднем 47 м) на расстоянии 1,6 км от берега грейферная драга, созданная на базе нефтяного танкера. Емкость грейферов около 3 м3. Про- изводительность драги 191 м3/ч. Второй тип грейферной драги производительностью 133 м3/ч эксплуатируется на расстоянии 8 км от берега фирмой «Аокам Тин Лимитед» на глубинах 18——46 м. Для этих драг характерно наличие нескольких грейферных ковшей, для которых на палубах монтируются башенные стрелы длиной до 30 м при высоте разгрузки до 15 м. Длина драги 96,3 м, ширина 15,3 м, высота 3,6 м. Драга дизель-электрическая (3200 л. с.), самоходная.
Одним из примеров грейферного способа разработки является разработка грейферного месторождения шельфа Малайзии с использованием драги «Динозавр» с 1961 г. На драге установлено два одновременно работающих грейфера емкостью 4,6 м3 каждый. Система блоков позволяет переходить грейферу из положения черпания в положение разгрузки, не прерывая движения. На дрэге, кроме того, находится круговой путь, перемещаясь по которому на катках, грейфер может отрабатывать определенный участок подводного месторождения без передвижки самой драги. При глубине воды в 41 м и времени черпания 20 мин производительность драги составляет до 235 тыс. м3 породы в месяц [36].
Кроме низких капитальных затрат, эта драга отличается малой массой по сравнению с многочерпаковой драгой. К числу ее преимуществ относятся низкие расходы на ремонт, способность поворачиваться и вести выемку под прямым углом в конце заходки, хорошая устойчивость, способность систематически зачищать дно и вынимать полезные ископаемые, скопившиеся между выступами известняка, возможность использования различных грейферных ковшей, каждый из которых предназначен для соответствующего грунта. При работе в открытом море грейферная драга может работать в более неблагоприятных условиях, чем многочерпаковая драга и при значительном волнении на море не снижает производительности. Однако опыт эксплуатации грейферных драг показал, что коэффициент полезного действия их весьма мал.
Представляют интерес 'россыпи касситерита у полуострова Корнуэлл (Англия), общие запасы которых оцениваются ориентировочно в 20 тыс. т металлического олова. Например, месторождение в устье р. Ред Ривер является техногенной россыпью, образовавшейся в результате выноса рекой в море хвостов обогащения от фабрик, находящихся в районах Камборн и Ред Рут. Россыпь залегает на глубинах моря 9——12 м и представлена тонкозернистым касситеритом со средним содержанием олова в песках до 0,25%.
Месторождение касситерита участка Клигга Хед находится на глубине 18 м и менее и образовалось за счет эрозии суши, в породах которой содержатся значительные концентрации олова. В самой россыпи среднее содержание олова составляет 0,18%. Разработка россыпи производится с платформ» на которых смонтировано оборудование для первичного обогащения олова. Хвосты первичного обогащения сбрасываются в выработанное пространство. Черновой концентрат, составляющий только 3——5% добываемой исходной горной массы, транспортируется на береговую доводочную обогатительную фабрику, хвосты обогащения которой также сбрасываются в море. /
В 1972 г. компания «Мерин Майнинг» (США) обратилась к Департаменту по изучению окружающей среды за разрешением проводить добычу олова в открытом море у северного побережья Корнуэлла на участке от Чепел порт до Клигга Хед. Предполагается, что для разработки подводной россыпи будет применена платформа с годовой производительностью 764,5 тыс. м3. Хвосты обогащения будут сбрасываться на дно моря, а концентрат, составляющий 10% добытой горной массы, будет транспортироваться в Хейл.
Россыпи золота и платины
Из наиболее известных морских месторождений является Номское на шельфе полуострова Сьюард (штат Аляска), которое разрабатывается компанией «Аляска Голд Компани» с использо-
ванием шести драг. Работы ведутся в основном по пяти речным затопленным долинам, имеющим большую протяженность, распределение золота гнездовое, достигает до 4 г/м3. Глубины моря пока не превышают 9—12 м [101 ].
Новые участки в США разведываются у южного побережья полуострова Сьюард, залива Нортон и Аляска, южнее мыса Принца Уэльского, на мелководье около о. Чирикова (штат Аляска), заливе Халф Муи (штат Калифорния) и других. Оценка опробованных запасов достигает почти тысячи тонн, но золото в основном тонкое и с трудом поддается извлечению [101 ].
Известны попытки извлечения золота из россыпных песков при добыче олова в Индонезии и Таиланде.
90% добычи платины в США приходится на долю подводной добычи с небольших глубин в заливе Гудньюс, где с 1935 г. используется 230-литровая драга 《Юба》. Благоприятный гидрологический режим закрытого залива создал условия для эффективного применения многочерпаковой драги.
Платиновая россыпь залива Гудньюс является древней русловой россыпью, затопленной морем, и перекрытой наносами мощностью до 15 м. Пески, содержащие до 10 г/м3 драгоценного металла, имеют мощность 0,6—2 м.
Драга《Юба》，смонтированная на барже, имеет черпаковую цепь, из 94 ковшей емкостью 230 л при скорости разгрузки .31 ковш в минуту. Производительность дизель-электрической драги при глубине черпания 30 м около 765 тыс. м3 песков, или 470 кг платины за сезон. Всего здесь добыто 20 т платины. Первичное обогащение на драге осуществляется грохотом, который выделяет безрудные крупные классы. Подрешетный продукт обогащается на концентрационных столах. Слив концентрационных столов проходит ряд ступеней обогащения на отсадочных машинах. Доводка концентратов осуществляется на береговой фабрике с использованием многодечных столов и магнитных сепараторов для удаления из платинового концентрата магнетита, хрома, ильменита и других минералов.
Получаемый концентрат содержит платины 82,31 %, иридия —■ 11,25%, осмия — 2,15%, золота — 2,24%. Платина в россыпях мелкозернистая, крупность 0,05——0,8 мм [36].
Алмазные россыпи
Широко известен опыт разведки и разработки алмазосодержащих россыпей, находящихся вдоль побережья Атлантического океана, в Южной и Юго-Западной Африке, образование которых связано с размывом кимберлитовых тел, переносом и переотложением алмазоносного материала подводными течениями, а также с приливо-отливной деятельностью моря. Эти россыпи характеризуются отсортированными алмазами исключительно высокого качества.
При подводной добыче алмазов на всех глубинах используется гидравлическая разработка. Одним из примеров может служить подводная добыча алмазов из морских россыпей Юго-Западной Африки, обеспечивающая 20% валовой стоимости и 5% объема мировой добычи алмазов.
Алмазоносный гравий встречается вдоль побережья протяженностью около 1600 км в районе устья реки Оранжевой. Первоначально было установлено, что алмазы встречаются в смешанных аллювиальных отложениях, состоящих из песка, гравия и булыжников под водой на глубине от 12 до 30 м. Группа компаний получила концессию в районе побережья протяженностью 615 км, простирающемся от р. Олифкшт на Кейптаунском побережье до г. Людеритц в Юго-Западной Африке. Границы концессии, определенные правительством ЮАР, простираются от границы отлива до линии, отстоящей на расстоянии 4,8 км от побережья. В этих разработках участвуют компании《Саузерн、Даймонд Корпорейшн», «Марин Даймонд Корпорейшн». 。
Эти фирмы начали добывать алмазосодержащий гравий на глубине 30 м, применяя земснаряд со всасом диаметром 305 мм. Алмазосодержащий гравий обогащался при этом на флотационной машине, где в среднем извлекался один алмаз на тонну гравия, по сравнению с одним алмазом на 20 т на суше.
В течение первых трех недель работы было добыто 4500 алмазов, составляющих в общем 26 400 карат. Это количество было добыто со дна моря с участка площадью 8 км2 и было оценено в 70 тыс. руб. Такие показатели вызвали высокий темп развития дальнейших работ.
В результате проведенных исследований, на которые к началу 1964 г. было затрачено около 8 млн. долл, были установлены следующие благоприятные факторы:
высокое содержание алмазов (в среднем до 5 карат/т и максимально до 14), т. е. в среднем в 5 раз выше, чем в береговых россыпях;
высокое качество алмазов (содержание ювелирных алмазов до 99%);
отсутствие вскрыши, в то время как на береговых россыпях объем вскрыши достигает 2,5 м3/т алмазоносных пород.
Подводные алмазы имеют более свежий вид, на их поверхности отсутствуют царапины. “
Алмазы приурочены к линзам песчано-гравийных отложений, прослеженных на шельфе в виде двух зон. Первая зона, шириной до 1,5 км, располагается на глубине не свыше 30 м, вторая приурочена к глубине 60—90 м, при этом мощность россыпи местами доходит до нескольких десятков метров. Наиболее богатыми являются россыпи в районе от устья р. Оранжевая до г. Людеритц, бухты Чамайе и о. Плум-Пудцинг. Общие запасы подводных россыпей оцениваются в 20 млн. карат. Высказывается мнение, что спустя 20 лет, когда сухопутные месторождения Африки будут
Рис. 3.8. Схема подводной добычи алмазов у побережья Юго-Западной Африки:
/ — переоборудованный танкер с обогатительным оборудованием на борту; 2 — шланг Диаметром 250 мм, армироваиный проволокой; 4 — шлаиг для подачи напорной воды на насадки; 5 — гидравлические насадкн
отработаны, морские россыпи явятся основным источником добычи алмазов.
Разработка подводных россыпей в шельфовой зоне осуществляется компанией «Марин Даймонд Корпорейшн». С1962 г. в эксплуатации находится эрлифтный земснаряд, на борту которого находится обогатительная установка. Земснаряд работает на глубинах отЗОдо 120 м.
Плотная толща осадков разрыхляется гидравлическим рых
лителем, напорная вода в насадки которого нагнетается установленным на борту насосом с давлением 15 кгс/см2 и расходом 80 л/мин. Пульпа транспортируется на борт по гибкому трубопроводу, со
стоящему из двух концентрично входящих друг в друга шлангов (рис. 3.8). Наружный шланг армирован проволокой и имеет диаметр 250 мм. Внутренний шланг диаметром 50 мм предназначен для подачи сжатого воздуха. Подача воздуха в пульпу осуществляется в 50 см от уровня насадок гидрорыхлителя.
Выемка алмазоносного гравия производится методом «воронок», при этом всас достигает плотика, а рабочие перемещения осуществляются на тросах. Извлеченная порода пропускается через вибрационные грохоты для удаления ила и крупного гравия. Дальнейшее обогащение производится при пропуске обработанного концентрата по лентам, покрытым смазкой. Опыт эксплуатации показал, что рационально применение самоходных судов для подводной добычи. Таким судном является находящееся сейчас в эксплуатации «Баржа-Ш», оборудование которой было осуществлено за 80 дней. Это судно обеспечивает добычу до 2000 каратов в сутки.
На меньших глубинах компания «Марин Даймонд Корпорейшн» эксплуатирует судно «Диаманткус», представляющее собой переоборудованный танкер. Во время работы судно находится на шести якорях, каждый массой 5 т. Земснаряд может работать при высоте волны до 5 м. При более сильных штормах судно, имеющее судовую машину мощностью 900 л. с., уходит в устье р. Оранжевой или в бухту Людеритц. Судно оснащено тремя эрлифтными (диаметром
400 мм) и Эжекторными (диаметром 250 мм) установками Для добычи алмазоносного гравия. Эрлифтный трубопровод собирается из резиновых шлангов длиной 6 м. Подаваемый от компрессоров, мощностью 450 л. с. сжатый воздух имеет давление 7 кгс/см2 и расход около 60мЗ/мнн. Аналогично монтируется эжекторная установка. Напор воды 250 м вод. ст. Поданным фирмы, эжекторная установка более эффективна на малых глубинах, чем эрлифты. Кроме того, эжекторные драги поднимают куски практически любой крупности. Засасываемая пульпа подается на виброгрохот, где выделяются и сбрасываются обратно в море частицы свыше 2,5 см. Дальнейшее обогащение осуществляется по аналогичной с «Баржой III» схеме. Хвосты обогащения складируются в выработанном пространстве. Выпуск их за борт судна производится с учетом волнений моря.
Судно может перерабатывать до 300 т/ч гравия. Работа на судне проводится в течение 24 ч, простои из-за погоды не превышают 16 дней в году. Такие высокие показатели по использованию рабочего времени достигаются за счет установки на судне 100%-ного резерва добычного оборудования. Суточное содержание такого корабля оценивается 5500 долл., а стоимость готовой продукции 75 000 долл. Судно ориентируют на участке работе помощью радиолокационной береговой установки. Метод перемещений——траншейный.
В 1965 г. было введено в эксплуатацию судно «Колпонтун» по добыче алмазов производительностью 5000 карат в сутки. После аварии в феврале 1965 г., когда судно было выброшено на берег во время шторма, оно находилось на ремонте в Кейптауне. В настоящее время все вышеперечисленные суда успешно эксплуатируются. По сведениям за 1967 г. объем подводной добычи на этих судах превысил уровень 1,5 млн. каратов.
Фирма «Терра Марина» планирует производить добычу с использованием также эрлифтного земснаряда, но с подачей алмазосодержащего гравия на береговую обогатительную установку. Перекачка пульпы будет производиться по дюкеру.
В 1966 г. в Нидерландах по заказу компании «Ингланд Даймонд Беперк (ЮАР)》построена самоходная гидравлическая драга «Онтдэкин-Ь, предназначенная для разработки этих россыпей морского дна у побережья Юго-Восточной Африки. Наибольшая длина драги 57,95 м, ширина 11,90 м, производительность 675 т/ч, высота борта 4,58 м, глубина грунтозабора 45,75 м. Силовая установка состоит из шести дизелей мощностью по 450 л. с.; два из них используются для движения, остальные — для грунтозабора и вспомогательных нужд. Судно имеет винт регулируемого шага и два независимых носовых подруливающих устройства мощностью по 150 л. с. для разворота судна на месте. При выходе из строя половины дизелей землесос сохраняет маневренность и может продолжать добычу. Успокоитель качки, установленный в средней части судна, уменьшает амплитуду качки до 5° при высоте 3,66—
4,58 м. Предусмотрено компенсационное устройство в системе подвески грунтозаборной рамы, позволяющей удерживать грунто- приемник на грунте на определенной глубине. Для переработки добываемого материала на берегу смонтирована сортировочная установка, на которую с драги по трубопроводу подается гравий. Переработка выделенного на борту алмазосодержащего гравийного концентрата на берегу более экономична, чем переработка непосредственно на судне.
Кроме разработки подводных месторождений алмазов в районе прибрежной полосы океана от устья р. Оранжевой до бухты Люде- риц ведется отработка пляжевых и террасовых россыпей. Эти россыпи покрыты эоловыми песками мощностью от 1,5 до 18,3 м при средней мощности галечников 1 м. В течение года разрабатывается 14—16 млн. м3 эоловых песков и промывается 4,5——5,5 млн. м3 галечников при содержании 0,31 карат на 1 м3.
При разработке алмазов в приливно-отливной зоне производится строительство защитных дамб для того, чтобы защитить карьер от действия морских волн и приливов. Защитные дамбы возводятся из песка и только морской откос прикрывается бетонными плитами и блоками, препятствующими размыву дамбы волнами.
Стоимость добычи алмазов в приливо-отливной зоне составила 10 долл, за карат, а из россыпей ближнего шельфа ——8 долл., в то время как на континенте стоимость добычи в среднем составляет 40——45 долл, за 1 карат.
В связи с достаточно низкой стоимостью разработки подводных россыпей внимание многих зарубежных фирм привлечено к поискам наиболее эффективных технических средств и технологических схем по подводной добыче алмазов. Например, англо-американская корпорация проводила опыты по добыче алмазов из донных морских отложений в бассейне глубиной 4,8 м, в котором можно модернизировать процессы добычи алмазов. Разрабатывается новая конструкция головки гидравлической драги с усовершенствованной конфигурацией всасывающего отверстия и разрыхляющих насадок. Сконструирован обезвоживающий циклон производительностью 546 м3/ч и разработана новая модель той же конструкции производительностью 1135 м3/ч. Исследования по извлечению алмазов были направлены на снижение минимальной величины добываемых алмазов до 61 меш (0,0001 карата), что позволит значительно увеличить объемы добычи, так как в настоящее время извлекаются алмазы не мельче 28 меш (0,0025 карата).
Компанией «Де Бир» в настоящее время ведутся интенсивные поисково-разведочные работы на побережьях и шельфе Сьерра- Леоне, Конго, Заира, Анголы и Танзании.
Железосодержащие россыпи
Прибрежно-морские месторождения железосодержащих песков известны во многих странах мира. Неоднократно предпринимаемые попытки использовать эти месторождения в качестве источив
ника сырья для металлургической промышленности сдерживались наличием повышенного содержания титана. Тем не менее во время второй мировой войны на железистых песках прибрежно-морских россыпей работали металлургические заводы Японии и Италии.
Создание в Японии в 50-х годах технологии выплавки стали из титаносодержащих руд с одновременным извлечением титана, ванадия и тория явилось толчком к разработке магнетитовых и титаномагнетитовых залежей морского пляжа и континентального шельфа, особенно в странах с ограниченным запасом железной руды.
Общие запасы железных руд Японии составляют 200 млн. т, из них 160 млн. т приходится на россыпные месторождения. Промышленный интерес представляют прибрежно-морские россыпи железистых песков, образовавшиеся в результате переработки морем продуктов выветривания вулканических пород. Из прибрежноморских россыпей железистых песков островов Хоккайдо, Кюсю в 1967 г. было добыто 1,2 млн. т железного концентрата с содержанием железа до 60%.
Наиболее интенсивно за истекшее десятилетие развивалась разработка подводных месторождений магнетита и титаномагнетита Токийского залива и залива Ариаке. Так, на мелководье Токийского залива в течение 1961——1965 гг. было добыто свыше 7 млн. т товарной железной руды. В этот же период из руды, добываемой со дна залива Ариаке, ежегодно выплавлялось 47 тыс. т железа в год.
Открытие в заливе Ариаке месторождения титаномагнетитовых песков позволило компании «Ариаке стил К°» использовать в промышленных масштабах так называемый «дуплекс метод» плавки железо сод ер ж ащи х песков с высоким содержанием титана. Месторождение залегает на площади 176,63 млн. м2. Мощность продуктивного слоя песков составляет в среднем около 3 м. При среднем объемном содержании магнитной фракции 3,74% запасы месторождения были определены в 36,4 млн. т железа. Железосодержащие пески залегают на глубине 21 м, при этом для залива Ариаке характерны сильные подводные течения и ветры до 6 баллов.
Месторождение залива Ариаке делится на так называемые «богатые» и «средние» месторождения, характеристика которых приведена в табл. 3・6・
Кроме того, в Токийском заливе и заливе Ариаке наблюдаются маломощные залежи кондиционных железосодержащих песков на глубинах до 15 м. Пески среднезернистые со значительным содер-
Таблица 3.6
Характеристика месторождения залива Ариаке
Месторождение
Площадь» млн. м2
Мощность продуктивного слоя
Среднее объемное содержание
Запасы, млн. т
《богатое》
79,5
До 2,73
6,4
27,5
«Среднее»
97,125
3
2
8,9
Рис. 3.9. Схема грейферной драги для добычи магнетитовых песков в Японии:Рис. 3.9. Схема грейферной драги для добычи магнетитовых песков в Японии:1 — грейфер U = 8 м$; 2 — секция гравитационного обогащения； 3 — секция магнитя кого обогащения1 — грейфер U = 8 м$; 2 — секция гравитационного обогащения； 3 — секция магнитя кого обогащения
Рис. 3.9. Схема грейферной драги для добычи магнетитовых песков в Японии:
Рис. 3.9. Схема грейферной драги для добычи магнетитовых песков в Японии:
1 — грейфер U = 8 м$; 2 — секция гравитационного обогащения； 3 — секция магнитя кого обогащения
1 — грейфер U = 8 м$; 2 — секция гравитационного обогащения； 3 — секция магнитя кого обогащения
жанием глины, гравия и несцементированных скальных пород. Плотность магнитной фракции — 4,31 т/м3. Магнитная фракция характеризуется следующим составом:
а2。3 - 55,6%;А12оз - 1,98%;Сг —0,03%;а2。3 - 55,6%;А12оз - 1,98%;Сг —0,03%;ТЮ2-11,64%;S — 0,029%; V — 0,2%;ТЮ2-11,64%;S — 0,029%; V — 0,2%;SiO2 一 3,8%;P — 0,261%;Ca 一 0,002.SiO2 一 3,8%;P — 0,261%;Ca 一 0,002.
а2。3 - 55,6%;
А12оз - 1,98%;
Сг —0,03%;
а2。3 - 55,6%;
А12оз - 1,98%;
Сг —0,03%;
ТЮ2-11,64%;
S — 0,029%; V — 0,2%;
ТЮ2-11,64%;
S — 0,029%; V — 0,2%;
SiO2 一 3,8%;
P — 0,261%;
Ca 一 0,002.
SiO2 一 3,8%;
P — 0,261%;
Ca 一 0,002.
С 1960 г. компания «Ариаке стил К°» использовала для добычи песков с глубин до 21 м драгу с грейфером емкостью 8 м3 и следующими размерами: длина 40 м, ширина 14 м, осадка 2,7 м (рис. 3.9).
Выемка песков производилась послойно на всю глубину россыпи. Месячная производительность драги составляла 30 тыс. т магнетитовых песков. Впоследствии грейферная драга была заменена гидравлической с волочащимся всасом. Рабочий орган гидравлической драги был выполнен в виде режущего колеса с приводом мощностью 1000 л. с. Площадь палубы 60Х 15 м. Выемка песков также производилась послойно на большой площади. Длина траншейных выработок составляла 1 км. Применение гидравлической драги позволило снизить затраты на добычные работы на 15% по сравнению с грейферной драгой.
Обогащение железосодержащих песков производится какна_ берегу в непосредственной близости от добычных работ (пески доставляются к обогатительной фабрике по подводному пульповоду7 либо грузовыми шаландами), так и на борту драги. Хвосты магнитной сепарации используются для укрепления берега и восстановлен ния земельных участков.
При содержании магнетита в песках до 5% и при транспортировании хвостов обогащения на расстояние до 12 км стоимость 1 т
железа в концентрате составляет менее 4 руб., а общие затраты на чушковое железо не превышают 55 руб. за 1 т.
Заслуживает внимания проект установки для добычи и переработки японских железосодержащих песков, созданный голландским объединением《Холланд》. Установка состоит из двух судов, на одном из которых смонтировано добычное и сортировочно-обогатительное оборудование (грохота, гидроциклоны), а на другом —— обогатительное оборудование (магнитные сепараторы) и силовая установка. Особенностью данной установки является применение погружного землесоса, расположенного непосредственно у забоя вместе с фрезерным рыхлителем. Применение погружного землесоса, по мнению голландских инженеров, позволит обеспечить устойчивую объемную консистенцию пульпы 1 : 6 (при глубине разработки до 42 м и производительности по твердому — 535 м3/ч) и тем самым значительно удешевить операции по обезвоживанию добытых песков. 。
В 1975 г. продолжалась добыча из подводных россыпей заливов Ариаке и Токийского. Работы проводились до глубины 27 м с использованием грейферных драг с ковшом емкостью 8 м3. К 1982 г. планируется довести добычу песков до 20 млн. т со стоимостью готовой продукции 22,5 млн. руб.
Интересны опыты по разработке титаномагнетита с использованием подводного обогащения, которое позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели подводной добычи железистых песков, путем значительного сокращения мощности землесосного парка, рационального использования обогатительных аппаратов, ликвидации специального оборудования для укладки хвостов.
Высокие технико-экономические показатели, достигнутые японскими фирмами при добыче и плавке сырья из россыпей железосодержащих песков, вызвали интерес к разведке и разработке крупных магнетитовых залежей в ряде стран.
С 1971 г. японские компании импортируют в Японию из Филиппин ежегодно около 40 тыс. т железистых концентратов, получаемых из магнетитовых россыпей у западного побережья острова Лусон; ведутся переговоры об импорте в Японию из США магнетитовых песков прибрежно-морских россыпей штатов Орегон, Вашингтон и Калифорния (пески содержат до 20% магнетита).
Прибрежно-морские россыпи у берегов Новой Зеландии, образовавшиеся за счет выноса в море продуктов разрушения, слагающих острова вулканических пород, распространены по западному побережью Северного и Южного островов.
Титаномагнетитовые россыпи пляжевой части островов детально изучены в 1957 г. Общие запасы железистых песков оцениваются в 300—370 млн. т. Содержание титано-магнетита в песках колеблется от 5 до 64 %.
В 1959—1960 гг. Новозеландским океанографическим институтом был проведен комплекс работ по разведке н изучению желе-
зистых песков западной части континентального шельфа острова Северного. Район разведки ограничивался изобатой 91,5 м, что соответствовало удаленности от берега от 10 до 100 км. Месторождение титано-магнетитовых песков было выявлено на площади в 10 тыс. км?. Прн среднем содержании 2,1 % запасы титано-магне- тита определены в 74 млн. т. Мощность продуктивного слоя осадков незначительна и не превышает нескольких дюймов.
Основные запасы титано-магнетита приурочены к зонам наибольшей концентрации и находятся в пределах первых 10 м от берега на глубине до 27 м. Содержание титано-магнетита в песках колеблется от 3 до 36%, составляя в среднем 10%. Анализ титано- магнетита выявил содержание в нем 55% окислов железа, 9% двуокиси титана и 0,4% пятиокиси ванадия.
Неоднократно предпринимаемые ранее попытки использовать новозеландский титано-магнетит в качестве сырья для выплавки чугуна не имели успеха из-за высокого содержания двуокиси тц- тана в концентрате. Разработанная японскими инженерами технология выплавки стали из титаносодержащих железистых песков позволила компании «Нью Леоленд Дивелопмент Корпорейшен» приступить к эксплуатации прибрежно-морских месторождений титано-магнетитовых песков Новой Зеландии. Добытая железная руда в основном экспортируется в Японию, причем объем поставок доходит до 11,6 млн. т.
Кроме Японии и Новой Зеландии залежи железосодержащих песков, имеющих промышленное значение, обнаружены в США, Индонезии, на Тайване, Гватемале, Дании, ГДР, ФРГ, Польше, Италии, Австралии и ряде других, но вопросы их освоения пока изучаются.
Морские нерудные строительные материалы
Наряду с россыпями цветных и черных металлов, угля и других полезных ископаемых из морских отложений добывается сырье для производства строительных материалов. Запасы песка и гравия в шельфовой зоне морей и океанов достаточны для удовлетворения потребностей человечества на несколько столетий.
Интенсивной разработкой морских залежей песка и гравия занимаются практически все страны, имеющие выход к морю. Удельный вес добычи песка и гравия от общего объема морских разработок странами капиталистического мира составляет 42,7%.
В 1974 г. США обеспечивали значительную долю своей потребности за счет подводной добычи песка и гравия на континентальном шельфе [85—911.
Запасы песка и гравия на континентальном шельфе США оцениваются по тихоокеанскому побережью в 3058 тыс. км3 и 458,7 тыс. км3 по атлантическому побережью.
Добыча проводится на глубинах до 50 м и удалении от берега до 480 км. Стоимость добычи 1 т песка и гравия с морского дна со-
Рис. 3.10. Стоимость песка, гравия, полевого шпата, цементного сырья и известняка, добытых на шельфе США за 1960—1967 гг.
ставляла в среднем 0,73 руб., франко-палуба корабля достигает 9 коп. Добыча проводится 30 фирмами с ежегодным объемом около 500 млн. т, 90% из него использовалось для строительных целей.
Добыча проводится с использованием землесосных, грейферных, многочерпаковых и одноковшовых штанговых снарядов. На рис. 3.10 представлена диаграмма роста добычи нерудных строительных материалов в США в 60-х годах. 。
Одним из примеров разработки подводных месторождений строительных материалов в США является отработка подводного гравийного месторождения на озере Эри, которое находится на глубине до 16 M. Месторождение представлено чистым гравием, свыше половины которого имеет крупность более 6 мм. Разработка месторождения ведется землесосным снарядом производительностью 450 т/ч. На борту земснаряда установлены грохоты, после прохождения которых надрешетный продукт выбрасывается за борт, а подрешетный попадает в трюм. После заполнения трюма гравием, земснаряд транспортирует гравий в порт, где грейферными кранами производится его выгрузка.
Добыча песка и гравия в Великобритании в 1970 г. составила НО млн. т, в 1975 г. 200—300 млн. т, а к 2000 г. ожидается увеличение добычи песка и гравия до 2 млн. т.
В 1966 г. в подводную добычу песка и гравия были вложены дополнительные средства, что в 1967 г. дало свыше 8 млн. т песка и гравия со дна моря. Добыча со дна моря увеличивается приблизительно на 6% в год. Так в 1970 г. в море было уже добыто около 15 млн. т песка и гравия, что составляет 13% общей добычи, а в 1974 г. объем морской добычи возрос до 20 млн. т. Англия экспортирует песок и гравий в Нидерланды, Францию, ФРГ, Бельгию и другие страны. Например, в 1969 г. 3,3 млн. т, т. е. 26% морской добычи, было экспортировано в страны Западной Европы. Например, с марта 1968 г. по февраль 1970 г. для создания основания под мол возле Юропорта (Нидерланды) одна из английских компаний поставила более 4,5 млн. т гравия, добытого на шельфе Англии.
Разведочные и добычные работы в море контролируются «Краун Эстейт Оффисом», которая запрещает вести работы в пределах 5 км от побережья, на расстоянии 2 км по обе стороны от проложенного морского кабеля или трубопровода, по условиям навигационной
121
Необходимости. Добыча пескай гравия в Великобритании в 1975 г. осуществляется 32 фирмами.
Большинство месторождений находится на глубине моря от 18 до 30 м и имеет мощность продуктивного пласта от 1 до Юм. Однако увеличенный спрос на гравий и песок заставляет осваивать месторождения, залегающие на глубинах до 60 м и более. Соотношение между гравием и песком в исходной горной массе в идеальном случае составляет 60——40, но в остальных случаях песок преобладает. Так как в основном требуется гравий, то организуют непосредственно на борту добычного судна отделение гравия от песка и ракушки, содержание которой достигает до 5% и более в исходном сырье.
В связи с большими экспортными поставками гравия в западно-европейские страны наибольшее развитие подводная добыча гравия получила в районе, расположенном в Южном Байте (Северное море). Глубина моря в этом районе редко превышает 50 м.
Самые лучшие месторождения гравия находятся около устья Темзы в районе Орфорднесс, Шипвощ, Санк Хед Тауэрс, Галопер Бэнкс, Габбард Бэнкс и Кентши Нок. Гравий большей частью состоит из кремневой гальки округлой формы.
Подводные месторождения гравия и песка обнаружены в центральном районе пролива Ла-Манша. К югу от острова Лизард залегает огромное количество песчаного гравия. Небольшие месторождения гравия разрабатываются вдоль восточной границы Северной Англии и Шотландии. Гравий также добывается земснарядами у Солента и Пот Вэнка, в Бристольском канале.
Одной из самых крупных компаний Англии, занимающейся подводной добычей песка и гравия, является «Вестминстер Гра- велс Лимитед», которая располагает значительным флотом самоходных землесосных снарядов, ведущих работу на континентальном шельфе.
В 1975 г. на добыче песка и гравия были использованы свыше 85 земснарядов с емкостью трюма до 3800 т, работающих на 63 месторождениях в открытом море и 13 в устьях рек, добывавшие 16% общего объема производства в стране.
Подводная добыча песка и гравия ведется в 76 районах шельфа Великобритании на глубине до 30 м. Например, интенсивно разрабатывается месторождение строительных материалов, расположенное на подводном склоне в Ла-Манше. В этом районе, на площади около 67 тыс. км2, находятся гравийные и песчаные месторождения, причем гравий имеет округлую или острогранную форму и состоит в основном из кремния. Добыча гравия и песка производится специальными гидравлическими снарядами с волочащимися всасами, которые позволяют вести добычу при волнениях моря до 4—5 баллов. Трюм земснаряда емкостью 500 м3 заполняется за 2 ч работы. После заполнения трюма гравием, земснаряд транспортирует его в порт, где разгружается грейферным краном.
Земснаряд «Пен Стаурт», ведущий добычу гравия около восточного побережья Великобритании имеет грузоподъемность 2500 т и может производить добычу строительного материала с глубины до 60 м. На нем установлены землесосы производительностью по пульпе до 10 000 м3/ч, по породе ——до 600 т/ч. Заполнение трюма земснаряда происходит за 2,5——3 ч работы по грунтозабору. Разработанная землесосами пульпа подается в трюм земснаряда, где песок и гравий осаждаются, а вода сбрасывается в море через водосливные отверстия, расположенные по бортам земснаряда. После заполнения трюма земснаряд направляется в порт разгрузки. Во время транспортирования песок и гравий, находящиеся в трюме, обезвоживаются при помощи восьми насосов. Разгрузка трюма в порту производится самопередвигающимся грейферным устройством, установленным на специальной платформе над трюмом и имеющим ковш емкостью 2,5 м3. Песок и гравий разгружаются через бункер емкостью 7,65 м3 на ленточный конвейер, проходящий вдоль левого борта судна через нос и далее на пристань. Разгрузочная часть конвейера длиной 13,7 м может поворачиваться на угол 170° в сторону левого или правого борта.
Большое внимание морской добыче песка и гравия в настоящее время уделяется в Японии, в связи с увеличивающимися потребностями промышленности. В 1970 г. для промышленности было добыто около 580 млн. т песка и гравия, в 1975 г. 800 млн. т, а к 1980 г. объем добычи песка и гравия достигнет 1 млрд, т и выше. Песок и гравий используются для производства бетона (70%) и дорожного строительства (30%). В 1971 г. в Японии было добыто 621 млн. т песка и гравия, в том числе 130 млн. т из рек (36% общего объема добычи), 67 млн. т из морских месторождений (19% общей добычи). Глубина моря, на которой ведется добыча песка и гравия, не превышает 20 м, и 98% добытого строительного материала со дна моря составляет песок. При этом средняя стоимость 1 м3 гравия составила 7,33 руб., а песка 7,3 руб/м3. В основном песок и гравий добываются со дна Японского моря у центральных районов Японии, островов Сикоку и Кюсю. В центральной части Японии и на Сикоку доля добываемых песка и гравия составляет 93% общего количества добычи, а на Кюсю — 70%.
Производится добыча песка и гравия на шельфе других стран. На шельфе также проводится добыча цементного сырья. В качестве цементного сырья используются морские отложения ракушек или ракушечный песок. В 1970 г. удельный вес добычи цементного сырья составлял 18% всего объема морских разработок капиталистических стран. Крупнейшим производителем этого вида сырья являются США, где объем добычи превышает 20 тыс. т готового продукта.
В осадках шельфа США содержание углекислого кальция достигает до 99%. Осадки представляют собой скопление ракушек и кораллов. Добыча производится у побережий штата Луизиана, Вашингтон и в заливе Сан-Франциско. Для добычи с глубины 46 м
раковин, залегающих пластами мощностью до 6 м на морском дне, применяются грейферные и землесосные драги.
Разрабатываемое месторождение ракушечного песка, являющегося сырьем для производства портланд-цемента в заливе Факса (Исландия), расположено в 16 км от берега и находится под водой на глубине до 41 м. Мощность его колеблется от 0,9 до 3,9 м. Разработка рыхлых отложений, представленных смесью частиц ракушек и базальтового туфа и содержащих около 80% углекислого кальция, ведется эжекторно-землесосным снарядом со свободным всасом. Максимальная глубина разработки земснаряда составляет 42 м. Пр о из водительность земснаряда ——8 тыс. м3 пульпы при содержании в ней 3——5% твердого. Земснаряд смонтирован на морском судне и имеет гидравлическую подвеску всаса, что позволяет ему производить добычу при высоте волны 1,8 м. После заполнения трюма (объемом 760 м3), земснаряд транспортирует добытую горную массу в порт. При помощи землесоса, установленного на борту земснаряда, производится рефулирование ракушечного песка на расстояние 1,6 км в штабели, расположенные на территории цементного завода. Производительность по полезному ископаемому составляет 573 м3/ч при себестоимости добычи около 30 коп/м3. На шельфе Багамских островов с глубины 60 м добывается арагонитовый песок, который используется для намыва специальных пляжей. Добыча ведется эрлифтными снарядами.
Для строительных целей также разрабатывают коралловые постройки на мелководье Гавайских островов.
Россыпи титана и циркония
Наиболее известными являются разработки титано-цирконие- вых россыпей на тихоокеанском шельфе Австралии. Ширина выявленных россыпей на шельфе Нового Южного Уэльса не превышает 800 м, в среднем 760 м при мощности 0,3—1,8 м.
В настоящее время оконтурено месторождение с запасами в 875 млн. м3 песков с содержанием рутила и циркона 0,2——0,25%. Разработка месторождения должна быть начата после выработки береговых месторождений. Планируется использовать многочерпаковые землечерпалки производительностью 10 тыс. т/ч при глубине выемки 30—50 м. Фабрика первичного мокрого обогащения должна размещаться на судне [91 ].
В настоящее время, кроме Австралии, проводятся подготовительные работы на шельфе Новой Зеландии, Японии, Индонезии, Филиппин и других стран.
Итак, в настоящее время на шельфе открытым способом разрабатываются в основном россыпные месторождения и только одно скальное месторождение баритовых руд у берегов Аляски. Для выемки используются многочерпаковые, грейферные и гидравлические драги. Применяются схемы как выемки всей горной массы, так и селективной выемки вскрышных и продуктивных песков.
Мощность снимаемой вскрыши достигает 50 м. Работы ведутся на глубине моря до 50 м, но, как правило, при благоприятных метеорологических условиях. Первичное обогащение осуществляется на установках мокрого обогащения, смонтированных на судах.
. ТЕХНОЛОГИЯ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ИЗ НЕДР МИРОВОГО ОКЕАНА
К предприятиям с подземным способом добычи по аналогии с методами горного производства на суше необходимо отнести разработки, проводящиеся без вскрышных работ в условиях выемки полезного ископаемого из подземных горных выработок, расположенных под толщей породы, находящейся на дне океанов и морей.
В настоящее время добыча твердых полезных ископаемых из недр Мирового океана еще недостаточно развита, но имеющиеся примеры разработки месторождений, залегающих под дном моря, показывают высокую экономическую эффективность подобных предприятий, несмотря на дополнительные трудности, вызванные специфическими условиями. В табл. 3.7 приведен уровень производства при разработке коренных месторождений морского дна.
При разработке коренных месторождений применяются обычные системы добычи и подготовки при относительно высоких затратах на разведку. Например, при подготовке серного рудника на Гранд Исл у берегов Луизианы около 8 млн. долл, из 30 млн. пошло на разведку участка.
Некоторые методы разработки коренных месторождений, залегающих под дном моря, показаны на рис. 3.11. Для большинства пластовых месторождений, которые простираются от берега под море, вскрытие производится стволом, пройденным на берегу, а подводная часть вскрывается штольней или туннелем, пройденным от этого ствола. Массивные и жильные месторождения вскрываются и разрабатываются аналогичными способами. При разра， ботке используются обычные системы, но при этом должна соблю-
Т а б л и ц а 3.7
Разработка коренных месторождений морского дна
Полезное
Местоположение предприятия
Число
Годовая про-
ископаемое
предприятий
нэводительность
Железная руда Уголь
Финляндия, Ньюфаундленд, Аландские острова
2
1,7 млн. т
Новая Шотландия, Тайвань, Англия, Япония, Турция
57
33,5 млн. т
Сера
США
1
600 тыс. т
Рис. 3.11. Способы вскрытия коренных месторождений морского диа:Рис. 3.11. Способы вскрытия коренных месторождений морского диа:земснаряд;земснаряд;7 — искусственный7 — искусственныйсистема якорей или специальные,система якорей или специальные,стро стабстро стаба — вскрытие стволом, пройденным с берега; 6 — вскрытие стволом с искусственного острова; в — вскрытие стволами, расположенными в водной толще； / — ствол; 2 — море; 3 — рудное тело； 4 — рыхлые осадки; 5 — коренные породы; 6 — в; 8 — эстакада; 9 — плавучие платформы; 10 — илизирующне устройства
Рис. 3.11. Способы вскрытия коренных месторождений морского диа:
Рис. 3.11. Способы вскрытия коренных месторождений морского диа:
земснаряд;
земснаряд;
7 — искусственный
7 — искусственный
система якорей или специальные,
система якорей или специальные,
стро стаб
стро стаб
даться точность в сохранении достаточной мощности охранного целика, оставляемого под дном моря. В прибрежных районах и на мелководье ствол может быть пройден с искусственного острова, намываемого земснарядом, разрабатывающим дно моря, или же возводимого из пород, доставляемых по эстакаде. Проходка ствола на таком острове осуществляется рбычными методами, применяемыми при проходке слабых сильно обводненных пород, подготовительные и очистные работы ведутся обычными системами. Такой же способ применяется и при бурении нефтяных скважин. Бурение скважин в открытом море для разработки коренных месторождений применяется еще для добычи серы, но этот метод содержит в себе потенциальные возможности для разработки и других полезных ископаемых, к которым можно применить метод выщелачивания.
Интересен пример предприятий по подводной добыче угля в Японии. Как известно, значительная часть угольных ресурсов Японии залегает под морским дном. Угольные запасы этих бассейнов достигают 3783 млн. т. Объем добычи (22 шахты) угля из пластов,' находящихся под дном моря, достигает около 30% общего объема.добычи и составляет порядка 7,2——8,2 млн. т.
..С введением в эксплуатацию шахт «Мийке», «Такашима» и других предполагается довести добычу угля из подземных выработок, находящихся под дном моря, до 13——14 млн. т, что будет составлять 40——50% всей добычи угля в Японии.
Интересны применяемые методы разведки угля. Как правило используются геофизические, сейсмические, электрические и гравиметрические методы разведки или бурятся скважины с берега.
по пробам горных пород, отбираемых дночерпателями (бассейны
Сакито, Такашима). Бурение на небольших глубинах осуществляется с помощью плавучих платформ, устанавливаемых непосредственно на дно. После проходки скважин, платформа поднимается со дна путем вытеснения воды из специальных цистерн сжатым воздухом и на плаву доставляется к новому месту работ, где снова затапливается выпуском воздуха (шахты «Мийке», «Арнаке»). В более глубоких водах бурение производится с понтона, который держится при помощи четырех якорей (шахты «Такашима», «Сакито»).
Большинство шахт, ведущих добычу угля из подводной части пластов, вскрыты стволами, закладываемыми на суше. Примером может служить шахта «Такашима» на острове с тем же названием (рис. 3.12). Аналогично вскрыты пласты на малых островах (шахты «Сакито», «Ошима», «Иожима^, «Икешима» и другие). Все эти шахты имеют откаточные выработки, квершлаги большой протяженности. Еще большую длину имеют выработки на шахтах, закладываемых на крупных островах вдали от берега. Примером может служить одна из первых шахт по подводной добыче угля — шахта «Юби», ствол которой заложен на расстоянии 3 км от берега.
Одним из методов повышения экономичности подводной добычи отдельные авторы считают метод закладки стволов с искусственных островов. Примером такого решения может служить шахта «Ариа- ке», расположенная на искусственном острове диаметром 205 м в одноименном заливе, и шахта «Мийке». При строительстве шахты 《Ариаке》 искусственный остров, возвышающийся на 6 м выше Уровня моря, был возведен на расстоянии 1,5 км от берега намывом на глубине около 25 м.
Стволы в таких условиях проходятся бурением, при этом мелочь выносится на поверхность аэролифтным подъемом. Таким методом были пройдены стволы на шахте «Мийке» (до глубины 120 м) и на шахте «Ариаке» (до 150 м). Крупные куски, не удаленные аэролифтом, поднимались грейферным ковшом.
Основной системой разработки угольных пластов на указанных выше шахтах являются системы с закладкой. Отрабатываются пласты мощностью не менее 2 м.
Большой опасностью при подводной добыче угля является прорыв морской воды в выработки, который может быть вызван наличием трещин в кровле. Наиболее вероятные места прорывов воды находятся в местах деформаций пластов или пониженной мощности пустых пород над угольными пластами. За последние годы было отмечено 78 прорывов воды. В 12 случаях шахты были полностью затоплены. При этом только в одном случае прорыв произошел в лаве, а в остальных в подготовительных выработках.
При определении безопасной глубины под морским дном в основном р у ководств уюте я накопленным опытом, однако в последнее время была сделана попытка использовать для данных целей метод Бала для вычисления вероятных деформаций и напряжений в горных породах. Принято, что выемка в два слоя пласта мощностью 4,86 м производится на глубине от дна океана не менее 80 м, а при мощности 2,6 м (один слой) не менее 65 м. Проветривание в этих условиях затруднено из-за необходимости применения центральной вентиляции при большой длине вентиляционных путей.
Интересен пример разработки железорудного месторождения Вабана, находящегося в Канаде. Основная часть месторождения, представленная 12 разведанными пластами различной мощности, находится под дном океана, но частично пласты имеют выход на остров Белл Айленд. Шахтное поле имеет площадь 22 км2 и запасы 2 млрд, т руды, содержащей 52% железа. Месторождение вскрыто наклонными стволами, оборудованными конвейерными линиями. Наиболее глубокий участок рудника находится в месте, где глубина моря составляет 100 м. Над очистными забоями оставлен охранный целик мощностью 300 м. Производительность рудника составляет 3 млн. т руды в год.
Большой опыт разработки коренных месторождений морского дна накоплен также в Англии. Горные работы ведутся в угольных бассейнах Нортумберленд, Дархен, Шотландии и в других районах страны. Например, ствол шахты «Исингтон», расположенный в 1 км от побережья моря, вскрыл пять угольных пластов, простирающихся в основном под дном моря. В настоящее время разработка угольных пластов, ведется комбайнами на расстоянии более 7 км от берега и объем угля под дном моря составляет 90% всего добычного угля на шахте. Годовая производительность шахты составляет 1 млн. т угля.
В Англии также известны рудники, добывающие из-под дна моря олово, медь и мышьяк. Однако добыча была прекращена из-за 128
Рис. 3.13. Принципиальная схема разработки подводного серного месторождения： / — платформы с оборудованием; 2 — соеднннтельные мосткн； 3 — скважнны; 4 — горячая вода (/ = 163° С, р = 42 кгс/см2); 5 — подъем расплавленной серы с помощью сжатого воздуха (р = 70 кгс/см2); 6 — подводный трубопровод диаметром 355 мм для транспортирования расплавленной серы на берег прн / = 1 60° С.Рис. 3.13. Принципиальная схема разработки подводного серного месторождения： / — платформы с оборудованием; 2 — соеднннтельные мосткн； 3 — скважнны; 4 — горячая вода (/ = 163° С, р = 42 кгс/см2); 5 — подъем расплавленной серы с помощью сжатого воздуха (р = 70 кгс/см2); 6 — подводный трубопровод диаметром 355 мм для транспортирования расплавленной серы на берег прн / = 1 60° С.
Рис. 3.13. Принципиальная схема разработки подводного серного месторождения： / — платформы с оборудованием; 2 — соеднннтельные мосткн； 3 — скважнны; 4 — горячая вода (/ = 163° С, р = 42 кгс/см2); 5 — подъем расплавленной серы с помощью сжатого воздуха (р = 70 кгс/см2); 6 — подводный трубопровод диаметром 355 мм для транспортирования расплавленной серы на берег прн / = 1 60° С.
Рис. 3.13. Принципиальная схема разработки подводного серного месторождения： / — платформы с оборудованием; 2 — соеднннтельные мосткн； 3 — скважнны; 4 — горячая вода (/ = 163° С, р = 42 кгс/см2); 5 — подъем расплавленной серы с помощью сжатого воздуха (р = 70 кгс/см2); 6 — подводный трубопровод диаметром 355 мм для транспортирования расплавленной серы на берег прн / = 1 60° С.
большого обводнения забоев, а в некоторых случаях и полного затопления рудников, как в случае с рудником Левант. В 1919 г. на нем были отработаны нижние горизонты, содержащие основные запасы руды, а до 1930 г. отрабатывались верхние горизонты. Забои рудника Левант ушли под дно моря на 1,6 км от берега и находились на глубине 700 м.
Забои от моря отделял только 30-метровый целик, через который интенсивно поступала морская вода. Работы были прекращены, а в скором времени произошел прорыв воды и полное затопление рудника, через трещину на дне моря размером 0,6x0,6 м на 15-метровой глубине в 180 м от берега. В настоящее время эта трещина заделана, вода откачена из рудника и горные работы возобновлены.
Рассмотренные нами примеры касаются разработки коренных месторождений морского дна, когда очистные работы ведутся с. учетом присутствия людей в забоях. Однако наиболее экономичным является подводная разработка с применением геохимических средств разработки, со вскрытием месторождений стволами и скважинами, пройденными через водную толщу. Наибольший интерес из подобных схем представляет добыча серы в Мексиканском заливе, объем которой в 1967 г. достигал 7,1 млн. тв год.
В настоящее время подводная добыча серы в США составляет 15% общей ее добычи при числе платформ для добычи серы более 180 шт. Достоверные запасы серы у побережья США составляют 37 млн. т, а прогнозные ——40——50 млн, т. Учитывая, что сера импортируется США, в ближайшее время следует ожидать увеличения подводной добычи серы.
1291295 Под ред. В. В. Ржевского н Г. А. Нурока
129
129
Разрабатываемое месторождение «Гранд Исл» (рис. 3.13) приурочено к соляным куполам в меловых и третичных породах. Над рудным телом находится слой воды глубиной 15,5 м и водопроницаемые пустые породы мощностью около 30 м. Мощность рудной залежи колеблется от 510 до 750 м, но наиболее богатый серой слой, составляющий в среднем 15—30%, имеет мощность 66——140 м. Месторождение вскрыто отдельными скважинами, пробуренными со специальных платформ, и отрабатывается по методу Фраша. С каждой платформы бурится 108 скважин. По скважинам нагнетается под давлением 42 кгс/см2 горячая вода (f = 163° С) в объеме 56,8 мЗ/мнн, которая выплавляет серу из известняка. Сера стекает к устью скважин и с помощью эрлифтов при давлении воздуха 70 кгс/см2 выдается для первичной обработки. Основная переработка производится на берегу, куда расплав серы подается по специальному подводному трубопроводу, уложенному в траншее глубиной 1,5 м на дне моря.
Трубопровод состоит из трех концентрично входящих друг в друга труб, причем внутренняя труба диаметром 152,4 мм предназначена для транспортирования серы. По межтрубному пространству между внутренней и промежуточной трубами подается горячая вода для поддержания необходимой температуры расплавленной серы. Промежуточная труба имеет снаружи теплоизоляцию и проложена в свою очередь с небольшим воздушным зазором внутри внешней трубы диаметром 355,6 мм, предназначенной для механической защиты трубопровода.
Вдоль основного трубопровода проложены еще две трубы для возврата охлажденной воды и технического водоснабжения рудника. Все три трубы связаны между собой поясами из стального листа для образования опорной поверхности магистрали в мягком глинистом грунте. Начальная температура серы и воды составляет 160° С, температура на выходе — 137,8° С. Расход воды — 56,8 м3/мин.
Специальные платформы располагаются на расстоянии 61 м одна от другой и образуют 10 000-тонный металлический остров длиной до 1,5 км, опирающийся на сваи и возвышающийся над поверхностью моря на 18 м. На этих платформах смонтированы три буровые установки, электростанция, резервуары для складирования серы, служебные и жилые помещения, мастерские, площадки для вертолетов. Такая конструкция платформ обеспечивает работу рудника вне зависимости от состояния моря. Минимальная производительность установки по сере 4080 т в сутки. На руднике работают 250 человек.
Приведенными и еще несколькими примерами (добыча угля в Канаде под дном Атлантического океана, железорудная шахта на одном из Аландских островов в Балтийском море и другие) прак* тически исчерпывается опыт добычи полезных ископаемых со дна моря подземным способом.
СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
И ВСКРЫТИЕ ПОДВОДНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ
СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Системой разработки называется установленный порядок подготовительных, вскрышных и добычных работ, увязанный во времени и пространстве. Рациональная система разработки для конкретного подводного месторождения должна обеспечивать безопасную, экономичную и полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого с соблюдением правил по охране окружающей среды.
На основе классификации систем открытых горных разработок, разработанной чл.-кор. АН СССР В. В. Ржевским, и с учетом специфических особенностей подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов предлагается следующая классификация систем разработки подводных россыпных месторождений, имеющих горизонтальное или пологое залегание (табл. 4.1).
;В данной классификации систем разработки предусматривается разделение всех систем разработки на три группы; вскрышную, безвскрышную и сочетание вскрышной и безвскрышной. Это вызвано тем, что подводные месторождения полезных ископаемых во многих случаях залегают непосредственно на морском дне и не
1' а б л и ц а 4.1
Классификация систем подводной разработки месторождений
Наличие вскрышных породИндекс классаIВскрышнаяд (。)IIБезвскрышнаяД (д)IIIСочетание вскрышной иП (о)безвскрышнойп (д)Наличие вскрышных породИндекс классаIВскрышнаяд (。)IIБезвскрышнаяД (д)IIIСочетание вскрышной иП (о)безвскрышнойп (д)Направление выемкив планеНаправление выемкив планеРасположениеотвалов вскрыш-ных пород нлихвостов обогащенияРасположениеотвалов вскрыш-ных пород нлихвостов обогащенияПродольная однобортовая Продольная двухбортовая Поперечная однобортовая Поперечная двух- бортовая Веерная Радиальная Кольцевая Сочетание вышеперечисленныхПродольная однобортовая Продольная двухбортовая Поперечная однобортовая Поперечная двух- бортовая Веерная Радиальная Кольцевая Сочетание вышеперечисленныхБезотвальнаяС внутренними отвал амиС внешними отваламиС внутренними и внешними отваламиБезотвальнаяС внутренними отвал амиС внешними отваламиС внутренними и внешними отвалами
Наличие вскрышных пород
Индекс класса
I
Вскрышная
д (。)
II
Безвскрышная
Д (д)
III
Сочетание вскрышной и
П (о)
безвскрышной
п (д)
Наличие вскрышных пород
Индекс класса
I
Вскрышная
д (。)
II
Безвскрышная
Д (д)
III
Сочетание вскрышной и
П (о)
безвскрышной
п (д)
Направление выемкив плане
Направление выемкив плане
Расположениеотвалов вскрыш-ных пород нлихвостов обогащения
Расположениеотвалов вскрыш-ных пород нлихвостов обогащения
Продольная однобортовая Продольная двухбортовая Поперечная однобортовая Поперечная двух- бортовая Веерная Радиальная Кольцевая Сочетание вышеперечисленных
Продольная однобортовая Продольная двухбортовая Поперечная однобортовая Поперечная двух- бортовая Веерная Радиальная Кольцевая Сочетание вышеперечисленных
Безотвальная
С внутренними отвал ами
С внешними отвалами
С внутренними и внешними отвалами
Безотвальная
С внутренними отвал ами
С внешними отвалами
С внутренними и внешними отвалами
Рис. 4.1. Системы подводной разработки:
2 т вскрышная, продольная однобортовая с внешними н внутренними отвалами (ЬД (О)-К^ 2 — безвскрышная, продольная двухбортовая с внешними отвалами (II-Д (д)-Н)： в —■ безвскрышная, продольная однобортовая блочная, безотвальная (П-Д (о)-б); г — вскрыш- ная, поперечная двухбортовая с внутренними отвалами (I-II (о)-в); д 一 безвскрышная поперечная двухбортовая с внутренними отвалами (II-II (д)-в); е — безвскрышиая' веерная с внутренними отвалами (П-В-в); ж — безвскрышная, веерная, безотвальная
перекрыты пустыми породами (поверхностные месторождения). Если подводные месторождения перекрыты слоем пустых пород (погребенные месторождения), то возникает необходимость в их удалении, что вызывает определенные изменения в системе разработки. В то же время встречаются месторождения, часть которых перекрыта вскрышными породами, а часть залегает непосредственно на морском дне, что вызывает необходимость в изменении системы разработки.
По расположению горной выемки в плане подводные разработки делятся на восемь подклассов.
Продольная (однобортовая или двухбортовая) система разработки возможна при расположении фронта горных работ параллельно длинной оси карьерного поля (рис. 4.1, а, б). При продольной системе подводной разработки необходимо также выделить и продольную, блочную систему разработки, когда подводное месторождение, имеющее большую длину (5——10 км и более) и незначительную ширину (50——100 м), разбивается по длине на отдельные блоки, разрабатываемые самостоятельно в определенной последовательности (рис. 4.1, в).
Поперечная (однобортовая или двухбортовая) система разработки отличается перемещением фронта вскрышных и добычных работ параллельно короткой оси карьерного поля (рис. 4.1, г).
При продольной и поперечной двухбортовой системе разработки из-за изменения направления ветра, волнений и подводных течений горные работы могут вестись как из одной разрезной тран* шеи, пройденной в центральной части карьерного поля, так и с двух разрезных траншей, расположенных вдоль флангов карьерного поля параллельно длинной или короткой стороне (рис. 4.1, 0). В этом случае, при изменении гидрометеорологических условий на какой-то определенный промежуток времени (сутки, неделя и т. п.) добычные и вскрышные суда переходят с одного фланга подводного месторождения на другой и продолжают вести вскрышные и добычные работы из другой разрезной траншеи.
Для веерной системы разработки характерно перемещение фронта горных работ по вееру с несколькими приемными пунктами полезного ископаемого, расположенными на границе карьерного поля или вблизи него (рис. 4.1, 宛).
При радиальной системе разработки фронт горных работ перемещается радиально от приемного пункта полезного ископаемого к контурам подводного месторождения (рис. 4.1, з). Наибольшее применение данная система разработки находит при выемке горной
(Н-В-б); л — вскрышная, радиальная с внутренними отвалами (I-P-в); к — безвскрышная кольцевая, безотвальная (II-К-б); ПОФ — плавучая обогатительная фабрика на спецналь- ном судне или платформе; ПОУ — придонное обогатительное устройство; БОФ ——берего- вая обогатительная ^абрнка； ДОФ — бортовая обогатительная фабрика на добычном судне； п. и — полезное ископаемое; s. — вскрышные породы;匕 о. — хвосты обогаще- ння； ч. к. — черновой концентрат; и§ — скорость подвигания фронта добычных работ; 囁—то же вскрышных работ
массы земснарядами, когда гидравлическое транспортирование полезного ископаемого или вскрышных пород к приемному пункту ведется по плавучему или затопленному трубопроводу.
Кольцевая система разработки характеризуется перемещением фронта вскрышных и добычных работ по спирали с периферийных участков карьерного поля к его центру или от центра к периферии (рис. 4.1, к).
Комбинированная система подводной разработки месторожде* ний является сочетанием рассмотренных ранее систем разработки. Данная система разработки применяется при подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов из-за частой смены направлений ветра, волнений и подводных течений в районе разработки.
По расположению подводных отвалов вскрышных пород или хвостов обогащения системы подводной разработки делятся на безотвальную, с внешними, с внутренними отвалами или с сочетанием внешних и внутренних отвалов.
Безотвальная система разработки применяется при разработке поверхностных месторождений с первичным обогащением полезного ископаемого на берегу. В этом случае поднятое на поверхность моря полезное ископаемое транспортируется специальными средствами или самим добычным агрегатом на берег.
Система разработки с внешним отвалообразованием применяется при организации подводных отвалов вскрышных пород или хвостов первичного обогащения за пределами карьерного поля на расстоянии, исключающем подвижку подводных отвалов на карьерное поле под воздействием морских волнений или подводных течений.
Система разработки с внутренним отвалообразованием возможна при размещении подводных отвалов вскрышных пород или хвостов первичного обогащения в выработанном пространстве подводного карьера.
Комбинированное отвалообразование применяется при невозможности разместить все объемы вскрышных пород или хвостов обогащения в выработанном пространстве подводного карьера. В этом случае часть объемов пустых пород размещается во внутренних отвалах, а другая часть ——во внешних отвалах.
На выбор определенной системы подводной разработки морских месторождений существенное влияние оказывают господствующие в районе разработки ветры, морские волнения и подводные течения, и имеющиеся технические средства.
ВСКРЫТИЕ ПОДВОДНЫХ
ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ
Под вскрытием морских карьеров понимается проведение горных выработок, открывающих доступ ко всему месторождению или к отдельным вновь создаваемым рабочим горизонтам и обеспечивающих проведение выемочных работ на рабочих горизонтах.
aaРис. 4.2. Способы вскрытия подводных выемочных полей:Рис. 4.2. Способы вскрытия подводных выемочных полей:вскрытие комбннированнымн групповыми первоначальной и фланговой разрезной траи шеей н котлованомвскрытие комбннированнымн групповыми первоначальной и фланговой разрезной траи шеей н котлованомa — вскрытые фланговой одинарной разрезной траншеей; б — вскрытие центральной одннариой разрезной траншеей; в ——вскрытие фланговыми парными разрезными траншеями; г — разрезными траншеями； д — вскрытие еей; е — вскрытие первоначальной, траи-
a
a
Рис. 4.2. Способы вскрытия подводных выемочных полей:
Рис. 4.2. Способы вскрытия подводных выемочных полей:
вскрытие комбннированнымн групповыми первоначальной и фланговой разрезной траи шеей н котлованом
вскрытие комбннированнымн групповыми первоначальной и фланговой разрезной траи шеей н котлованом
Такими выработками при открытой подводной добыче являются траншеи, проводимые на дне моря и имеющие сечение в виде трапеции или треугольника. В тех случаях когда длина траншеи соразмерна, т. е. не более чем в 3—5 раз превышает основание трапеции, траншея превращается в котлован. Наличие водной акватории позволяет осуществлять грузотранспортные связи на этой отметке, а применение вертикального гидро- или механического подъема обеспечивает исключение в большинстве случаев другого типа траншей, кроме необходимых для создания первоначального фронта на уступе. Этот тип подводных выработок мы будем называть разрезными траншеями (котлованами).
В зависимости от интенсивности ввода оборудования горизонты месторождения могут вскрываться:
общей разрезной траншеей, когда все горизонты вскрываются из одной траншеи, в которую последовательно вводятся комплексы, отрабатывающие все породы месторождения;
групповыми разрезными траншеями, когда группа рабочих горизонтов вскрывается одной траншеей, в которую вводятся соответствующие комплексы;
отдельными разрезными траншеями, когда каждый горизонт вскрывается своей траншеей.
Один и тот же горизонт может вскрываться одинарной или парными траншеями. Последние могут использоваться при высокой интенсивности разработки и особенно при месторождениях малой мощности (см. рис. 4.2, а, 6, в).
В зависимости от положения в контуре месторождения можно выделить разрезные траншеи: флангового, центрального и комбинированного заложения (рис. 4.2, а, б, г).
Разрезные траншеи в подводных карьерах имеют, как правило, объемы порядка первых тысяч м3, поэтому выбор того или иного
способа вскрытия определяется числом единиц флота, вводимых в эксплуатацию, а также системой разработки и структурой комплексной механизации.
При отработке месторождений, находящихся на глубинах моря меньших, чем так называемая гарантированная глубина выемки или плавания горнодобывающих судов, возникает необходимость в создании второго типа подводных выработок, которые мы будем называть первоначальными траншеями.
Под первоначальными траншеями мы понимаем расположенную вне карьерного поля совокупность траншей (котлованов), обеспечивающих создание грузотранспортных потоков в карьер и из него (на внешние отвалы, в порты), а также ввод оборудования (судов) на месторождение для проведения разрезных траншей.
Первоначальные траншеи при подводном карьере отличаются от известных наклонных (капитальных) траншей на карьерах не только тем, что их основание обычно горизонтально, но в первую очередь тем, что параметры их обеспечивают только возможность проведения разрезных траншей и перемещения в их пределах транспортных средств, но при этом глубина их заложения, как правило, не связана с положением рабочих горизонтов.
Структура комплексной механизации определяет размеры и глубину заложения первоначальных траншей, методика расчета которых приводится ниже.
При использовании внешних отвалов или размещении обогатительной фабрики вне карьерного поля возникает необходимость в проведении первоначальных траншей, если глубина моря над месторождением недостаточна для организации грузотранспортных потоков. Первоначальные траншеи могут быть:
в зависимости от их количества: одиночными, если имеется один транспортный канал; парными, если необходимо иметь два транспортных канала; групповыми, если необходимо иметь более двух транспортных каналов；
в зависимости от их расположения в плане к контуру месторождения： флангового, центрального или комбинированного заложения;
в зависимости от типа грузопотока: односторонние вскрышные (добычная, смешанная), двусторонние вскрышные (добычная, смешанная), без грузопотока для ввода оборудования на месторождение.
Кроме первоначальных и разрезных траншей при вскрытии подводных месторождений иногда проходят специальные траншеи, предназначенные для защиты карьерных выработок от заносимости типа «карманов-ловушек», или возводятся подводные дамбы для тех же целей.
Специальные дамбы являются наиболее надежным способом защиты биологических ресурсов от вредного воздействия повышения мутности при введении горных работ на шельфе. Такая дамба запроектирована для разработки месторождения олова в аквато- 136
рии одного из северных морей СССР. Дамбы в последнем случае отличаются от дамб, предназначенных для защиты карьерных выработок тем, что они выступают над акваторией, в то время как подводные дамбы не доходят до уреза воды на 1—1,5 м. Другим методом борьбы с повышением мутности за пределами акватории являются пневматические устройства.
Совокупностью всех вскрывающих выработок является способ вскрытия подводного карьера. Классификация способов вскрытия приведена в табл. 4.2. Определение способа вскрытия должно включать как характеристику разрезных, так и первоначальных траншей. Например, «Вскрытие одинарной общей разрезной траншеей флангового заложения при одиночной односторонней добычной первоначальной траншее центрального заложения», «Вскрытие парными общими разрезными траншеями центрального заложения при отсутствии первоначальных траншей» или «Бестраншейное вскрытие при парных односторонних добычных первоначальных траншеях смешанного заложения》. При наличии специальных траншей или дамб в характеристику должна включаться их характеристика, например, «Вскрытие одинарной общей разрезной траншеей центрального заложения при одиночной без грузопотока
Таблица 4.2
Классификация способов вскрытия подводных выемочных полей
S я 2 h d о
О _ М U
盹х| 薛絕 能逸
匚 U со d
范1 о d d
в d m
С ч к Д
я 2
Н Е
W d生冬 и К g 2
О 2 Н J
㊂
X U н
О Е
jl!
Вскры-
Оди-
Отдел ь-
Флан-
При
Оди-
Вскрыш-
Одно-
Флан-
тие раз-
нар-
ные
гового
перво-
ночные
ная
сторон-
гового
резны-
ные
груп-
Цен-
началь-
Парные
Добыч-
няя
Цен-
ми
Пар-
повые
траль-
ных
груп-
ная
Дву-
траль-
траншеями
ные
общие
ного, Смешанного
заложения
траншеях
повые
Смешанная без грузопотока
сторонняя
него
Смешанного заложения
Еестран- шейное вскрытие
При отсутствии первоначальных траншей
первоначальной траншеи центрального заложения и специальной рыбозащитной дамбе».
Выбор способа вскрытия должен производиться совместно с определением системы разработки и структуры комплексной механизации.
При применении судов достаточно больших размеров возникает потребность в создании первоначальных и разрезных траншей из-за осадки морских судов. Это приводит к увеличению затрат на освоение месторождения (капиталовложения) и необходимости поддержания выработки при их заносимости (эксплуатационные затраты). Переход на мелкосидящие суда исключит необходимость в этих затратах, но для обеспечения той же производительности предприятия потребуется большое количество единиц флота при снижении времени их использования из-за меньшей остойчивости. Осадка таких судов должна удовлетворять следующим размерам:
Т = Н — Z* — Z2 — Z3, м,(4.1)
где Н ——глубина моря над россыпью, м; Z^ ——запас глубины на волну, м; Z? — запас глубины на увеличение осадки судна при движении, м; Z3 — навигационный запас глубины под килем судна, м.
Запас глубины на волну Z^ должен устанавливаться по формуле、
Zi = 0,3 (2用)—Z4 A 0,(4.2)
где 2九 —— высота волны (м), которая принимается:
для открытого рейда равной максимальной расчетной высоте волны;
для закрытой акватории равной максимальной расчетной высоте волны на акватории.
Максимальная расчетная высота волны должна устанавливаться с учетом предельной силы ветра, совпадающей по направлению с максимальным разгоном волны при условии возможности эксплуатации судов.
Навигационный запас Z《принимается в зависимости от размеров судна и типа пород дна (табл. 4.3).
При этом толщина слоя донных пород на глубине Н для определения должна быть ниже отметки не менее 0,5 м, в противном случае в расчет принимаются Z《для пород следующего слоя. При наличии валунов необходимо производить расчет для плотных пород.
Увеличение осадки судна при движении Z? определяется в зависимости от скорости и (км/ч) по формуле
^2 = Kv, м,(4.3)
где К ——коэффициент, зависящий от длины судна 厶 и равный
при длине £ > 186 м К = 0,033;
при 126 V L w 185 м К = 0,027;
при 86 w L w 125 Kh 0,022; при £《85 м К = 0,017.
Таблица 4.3
Навигапионный запас глубины под кнлем судна
Донные породы
Длина судна, м
> 125
86 — 125
《86
Слабые： илистые
0,2
0,2
0,2
пески заиленные, пески глинистые
0,3
0,25
0,2
и пески рыхлые
Плотные слежавшиеся, песчаные н гли-
0,45
0,3
0,2
нистые
Скальные
0,60
0,45
0,3
При этом необходимо иметь в виду, что Т w "——1 из возможных приливов и отливов.
Эти данные показывают, что как между динамикой месторождения и структурой комплексной механизации, так и между вскрытием и структурным оформлением механизмов подводной добычи имеется диалектическая связь. Если взаимосвязь между динамикой россыпи может быть вскрыта количественно через использование рассматриваемых выше коэффициентов, то взаимосвязь вскрытия и формирования структур может быть установлена сопоставлением приведенных затрат при судне оптимальных по условиям его использования как основы добычных и перерабатывающих механизмов против судна, которое не требует проведения траншей, а разрезные котлованы имеют при этом минимальные размеры.
Вышеизложенный анализ показывает, что метод выбора параметров горнодобывающих судов должен учитывать всю совокупность рассматриваемых факторов.
СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Как известно, под структурой принято понимать определенную взаимосвязь, взаиморасположение составных частей, характеризующих строение, устройство чего-то. В соответствии с этим философским определением под структурой комплексной механизации подводной добычи полезных ископаемых мы понимаем определенную взаимосвязь и расположение механизмов и устройств, выполняющих технологические процессы добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей.
Структура технологических процессов подводной добычи полезных ископаемых шельфа представляется следующей цепочкой: по полезному ископаемому или по горной массе при валовой вьг емке — разрушение массива (гидравлическое механическое, взрыв-
139
ное) — подъем породы (гидравлический или механический)—— транспорт от подъемного механизма до установки передела — установка передела (обогащения)—^получение концентрата и укладка хвостов, а по вскрышным породам то же самое при исключении установок передела, т. е. разрушение массива — подъем породы — транспортирование—укладка в отвал.
Если представить, что каждый механизм, выполняющий тот или иной процесс, является одноэлементным множеством, то каждое такое множество не является пустым.
Обозначим анализируемые нами множества, как а множества, характеризующее разрушение, 0 — то же, подъем, с — то же, транспорт, d — передел, е ——получение концентрата и укладка хвостов.
В простейшем виде такая структура механизации представляется цепочкой механизмов, осуществляющих последовательно операции технологической цепочки, т. е. такая структура является не пустым множеством типа
Si={[(aUB)Uc]Ud}Ue・ (4・4) Пример такой структуры механизации при технологическом потоке добычи приведен на рис. 5.17.
В мировой практике структуры, основанные только на объединении составляющих множеств, получили распространение, с учетом свойства ассоциативности этой структуры, в виде:
貫=似 U В) U с U (d U е) (4・5) представленной на рис. 5.1 и отличающейся наличием в цепочке специальных транспортных судов или
賞串=[(a U В) U с] U (dU* (4・6) которая отличается применением самоотвозного снаряда.
Структура Si характеризуется размещением вне выемочноподъемного комплекса установок передела, и структуры подобных множеств будем называть структурами комплексной механизации с расположением установок передела вне горнодобывающего судна. Под последним названием мы понимаем устройство с любой плавучестью при работе (положительной, отрицательной или нулевой) или находящейся вне моря. Но эффективность структуры возрастает, если проводить процесс передела полностью или частично в пределах горнодобывающего судна (или рядом стоящего комплекта судов), что оформляется в наиболее распространенном в мировой практике технологическом потоке с проведением обогащения на борту добычного судна. Такое судно известно под названием драги, а структура комплексной механизации представляется множеством типа
& =以 U (В П с Г) d)] (Je. (47)
Еще выше эффективность структуры комплексной механизации, основанной на совмещении выемки с обогащением, т. е.
структуры, когда в забое производится отделение и подъем концентрата. Такая технологическая цепочка называется структурой с придонным обогащением и может быть описана множеством:
邑=[似П砌U习U % . (4.8) или когда то же устройство осуществляет и подъем
5^ = [(а П d) П 川 и 仇 (4.9)
Как мы видим, такая структура сводит число механизмов к минимуму.
Следовательно, по взаимосвязи процессов выемки и передела, мы имеем структуры трех типов. Аналогично для структур комплексной механизации вскрышных работ, где исключаются операции передела, мы можем иметь структуры типа Sx, S*, S*, а при исключении операции соединения множества, и структуру типа
S4 = (aF|e), (4.10) т. е. очень близких типов множеств.
Но необходимо иметь в виду, что переход от структуры 5工 к структуре $2 приводит не только к улучшению технико-экономических показателей за счет уменьшения грузопотоков вне карьера, но одновременно изменяется состав установок передела за счет отсутствия усреднения песков перед подачей. С другой стороны, структура S】создает комплекс сложностей, вызываемых изъятием с подводного склона горной массы, что приводит в некоторых случаях к нарушению устойчивости береговых линий, а для ликвидации этих нежелательных последствий придется проводить целый ряд мероприятий, которые значительно уменьшаются и даже практически исключаются при структурах S? и S?.
В то же время структуры S? и S3 требуют применения в некоторых случаях таких механизмов, которые могут оказать отрицательное воздействие на биологические ресурсы моря, а это вызывает необходимость их упорядочения.
С другой стороны, применение структуры S? требует удовлетворения качеств применяемого судна условию не превышения величины крена и дифферента выше допустимых пределов, определяемых так же из весьма противоречивых тенденций. Этот качественный анализ технологических особенностей структур механизации показывает, что определенные закономерности в существенной взаимосвязи их определяющих, накладывает порядок на множества. При этом имеется ряд критериев, которые образуют свои множества. Следовательно, каждая структура приводится к упорядоченности множеств его составляющих и определяющих.
Каждое множество, как и структуры, ими образуемые, меняется при непрерывном или цикличном характере технологического по- тока, а также гидравлической или механической конструкции элемента в каждом множестве. При использовании гидравлического подъема упрощается подготовка пород к переделу, но возникает
141
необходимость в отделении излишнего количества воды. При меха* ническом подъеме наблюдается другая противоречивая тенденция, связанная с необходимостью подачи воды для передела к дешла- мации. Эти тенденции проявляются также при транспортировании или укладке пород как в транспортные сосуды (суда), так и при их складировании.
Основные структуры подводной добычи полезных ископаемых представлены в табл. 4.4.
Ассоциативность структур S】,S2, S3 позволяет выделить требования к горнодобывающим судам. К этому типу судов мы будем относить все суда технического флота, которые являются плавучим основанием (различной плавучести ——положительной, отрицательной, нулевой) для размещения горного оборудования технологического потока.
В зависимости от назначения оборудования, размещаемого на судне, мы различаем:
многочерпаковый, грейферный, штанговый снаряды, т. е. судна, оборудование которых выполняет только операции выемки и подъема;
земснаряд, т. е. судно, оборудование которого выполняет операции выемки, подъема и гидротрайспортирования породы по плавучему трубопроводу на незначительное расстояние;
самоотвозной земснаряд, т. е. судно, оборудование которого выполняет операции не только выемки, подъема, но и доставки породы на значительные расстояния;
плавучий горно-обогатительный комбинат (ПлавГОК), т. е. судно, оборудование которого выполняет операции выемки, подъема и переработки пород;
горно-транспортное судно, т. е. судно, которое предназначено для перевозки пород;
плавучая обогатительная фабрика, т. е. судно типа ПлавГОК, но выемочно-подъемное оборудование размещено вне него.
Математический анализ структур механизации, как непустого множества, позволил вскрыть существенную взаимосвязь, характеризующую технологический поток подводной добычи, и разделить их на три основные группы (табл. 4.4).
Единым критерием сопоставления эффективности применения той или иной структуры может быть только общеизвестный критерий «приведенные затраты», который практически отражает все издержки производства и среднеотраслевую прибыль. Оптимальность принятой структуры соответствует минимуму критерия.
Но в отличие от месторождений суши структуры комплексной механизации подводной добычи полезных ископаемых определяются не только горногеологическими особенностями месторождения дна моря, океана, но гидрометеорологическими характеристиками моря в районе карьера.
Эти гидрометеорологические характеристики накладывают свои оценки на применение тех или иных технологических решений 142
S 3 й
3 m III! g g g
口 оd
鼠 冕 eV
3
*门
*冷
и
也幺与
X М Н
Н d工в
G3
о §
I d
咕
1
I м 2
S5&
& о
1 ° «со
О й я
1 Н d в н
|р
У呉Z
§ g
М d 1=( н
о
к о
5&
•寸 В n M к9 В J
И формирование структур комплексной механизации подводной добычи полезных ископаемых.
Основной характеристикой гидрометеорологических условий является состояние моря, которое оценивается в баллах волнений. Состояние моря определяет возможность выполнения какого-либо технологического процесса при определенной структуре механизмов. Из многолетней практики эксплуатации морского дноуглубительного флота известно, что многочерпаковые снаряды прекращают выемку при волнении 2——3 балла, так же как и гидравлические земснаряды с атакующим всасом. Землесосные снаряды с гибкой конструкцией всаса продолжают выемку при волнении в 3—5 баллов, а применение грейферных земснарядов ограничивается 3——4 баллами волнения. Эти данные показывают, что гидравлическое или механическое структурное оформление механизации выемочных процессов изменяет граничные условия эксплуатации всей структуры. ,
Та же практика дноуглубительных работ показывает, что передача породы с одного судна на другое возможна на волне моря в 2——3 балла при несамоходной конструкции судов и в 3—— 4 балла при самоходных судах. Совмещение на одном судне механизации для выполнения выемочных, подъемных и транспортных операций, т. е. применение самоотвозных земснарядов расширяет возможности производства выемки при волнении, но сокращает зти возможности из-за затрат времени на транспортирование породы до установок передела.
Переходя из структуры механизации типа Si к Sg, а соответственно, к судну типа ПлавГОКа разрешает это противоречие, но вызывает свои ограничения по гидрометеорологическим условиям из-за влияния возникающей качки корабля на результаты процесса передела.
Следовательно, формирование структуры комплексной механизации должно производиться после определения граничных усло- ви* применения тех или иных решений по гидрометеорологическим условиям.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ СО ДНА МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ КОМПОНОВКА МОРСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
ПОДВОДНОЙ ВЫЕМКИ И ТРАНСПОРТА ПОРОДЫ
Для морской подводной выемки и транспортирования породы применяются землесосные снаряды, черпаковые снаряды, передвигающиеся по дну земснаряды (подводные экскаваторы), скреперные установки, драги, подводные бульдозеры и некоторые другие устройства.
Землесосным снарядом (земснарядом) называется плавучая землесосная машина, судно, забирающее грунт под водой и осуществляющее его транспорт в виде водогрунтовой смеси.
По типу окружающей среды земснаряды могут разделяться на надводные, выносные из воды и подводные; по типу транспорта породы —— на земснаряды с грунтовым насосом, эрлифтные, эжекторные и комбинированные; по способу передвижения — самоходные и несамоходные.
Земснаряды состоят из следующих основных узлов: судна (понтон), которое является несущим элементом всей машины; породозаборного устройства, которое служит для разрушения и забора породы; устройства для транспортирования породы; папильонажной системы для осуществления рабочих перемещений породозаборного устройства и всего земснаряда; системы для перевода земснаряда из одной окружающей среды в другую, например, с суши на воду, из надводного состояния в подводное; энергоустановки; грузоподъемных средств; системы безопасности и жизнеобеспечения, судового оборудования.
Черпаковым снарядом называется судно, извлекающее породу из-под воды черпаками. Черпаковые снаряды разделяются на многочерпаковые и одночерпаковые и включают такие же по назначению узлы, что и земснаряды.
Передвигающимися по дну земснарядами или, как их иногда называют подводными экскаваторами, называются размещенные на дне водоема, не плавучие землеройно-транспортные подводные всасывающие машины. Подводные экскаваторы не имеют судна, понтона и включают кроме остальных указанных для земснаряда узлов еще устройство для перемещения по дну водоема.
Подводной скреперной установкой называется передвигающийся по дну контейнер, который сам заполняется породой и осуществляет ее транспортирование. Подводные скреперные установки могут быть самоходными, прицепными и канатными.
Драгой называется землесосный или черпаковый снаряд, осуществляющий не только подводную разработку породы, но и обогащение. Драги разделяются по типу земснаряда, входящего в них, и по назначению обогатительного оборудования.
НАДВОДНЫЕ И ВЫНОСНЫЕ ИЗ ВОДЫ МОРСКИЕ ЗЕМСНАРЯДЫ
Самоходные земснаряды, оборудованные грунтовыми насосами *
Наиболее распространенным техническим средством для морской добычи нерудных полезных ископаемых: песка, гравия и т. п., в настоящее время являются самоходные дноуглубительные земснаряды, у которых всасывание грунта и его регулирование осуществляются с помощью грунтовых насосов. В большинстве случаев эти земснаряды являются самоотвозными. Благодаря тому, что многие из этих земснарядов сами могут отвозить грунт в порт или рефулировать его на берег, их использование для добычи песка, гравия и других нерудных полезных ископаемых оказывается весьма рентабельным. Кроме того, на борту таких земснарядов часто устанавливается обогатительное оборудование, которое обеспечивает необходимую кондицию требуемого для промышленности материала. Самоходные земснаряды могут осуществлять рабочие перемещения таким же образом, как и при транспортном режиме, например, при разработке породы волочащимся всасом, либо могут работать с папильонажными якорными канатами, позволяющими создавать породозаборными устройствами большие механические напоры на забой и разрабатывать породы, обладающие большим сцеплением.
По способу доставки горной массы к месту назначения самоходные землесосные снаряды разделяются на самоотвозные, ша- ландовые, рефулерные и комбинированные. Рефулерные земснаряды транспортируют горную массу грунтовым насосом по плавучему или береговому пульпопроводу.
При разработке породы волочащимся всасом земснаряды могут работать при сравнительно больших волнениях. В походном положении волочащийся всас (грунтозаборник), укладывается на палубу. Для поддержания требуемого угла резания грунтозаборное устройство на конце всаса крепится шарнирно. В последнее время появились земснаряды, у которых в нижней части всаса расположен погружной грунтовый насос с гидроприводом (например, земснаряд «Маас»). Разрыхлители волочащихся всасов могут быть механическими и гидравлическими.
Самоотвозные земснаряды имеют разделенный продольными и поперечными переборками грунтовый трюм, занимающий около
Написано совместно с канд. техн, наук Ю. Н. Могилевским.
Рис. 5.1. Самоходный земснаряд «Нарвский»:
/ — волочащийся всас; 2 — грунтовый трюм с переливом пульпы через борт
40% всей длины судна. Днище трюма имеет донные лядовые дверцы с гидроприводом для сбрасывания грунта в отвал. Стенки грунтовых трюмов на 0,6 высоты вертикальны, а на 0,4 высоты наклонены к вертикали на угол 60°.
Самоотвозный земснаряд работает с переливом пульпы. После наполнения трюма пульпой работа продолжается, твердый материал оседает в трюм, а осветленная пульпа переливается через борт. Для размыва грунта в трюме при разгрузке его через днище или рефулированием имеется ряд труб с соплами, расположенных по днищу трюма и подающих размывающую воду.
Наиболее распространенными в отечественном флоте являются самоходные землесосные снаряды типа «Нарвский» (рис. 5.1). У них имеются два волочащихся всаса, расположенные по бортам. Волочащиеся всасы состоят из трех звеньев. Корневое коленообразное звено крепится на борту судна в направляющих, которые позволяют ему при помощи специального механизма перемещаться в вертикальном направлении, подниматься на борт или опускаться до днища трюма, совмещаясь живым сечением с соответствующим отверстием всасывающих труб грунтовых насосов. Совмещение со всасывающими трубами грунтовых насосов производится без каких-либо герметизирующих специальных креплений и уплотнений.
Для уменьшения трения в процессе перемещения всаса по направляющим корневое звено установлено на специальной тележке. Подвеска всаса выполнена так, что судно и нижняя часть всаса могут несколько поворачиваться в плане относительно друг друга и всас может оказаться под днищем земснаряда. Нормальный рабочий угол наклона всасывающей трубы равен 45°.
Напорный пульпопровод на самоотвозных земснарядах разделяется на палубе на две ветви: одна ветвь является рефулерной,
Т а б л и ц а 5.1
Характеристики морских самоходных дизельных землесосных снарядов
Земснаряд
^ S
к
J工
lb
口h W
曾.
РЗ о h。
и о
貶序
6
目§ E
蜀^ HI
1
Заводской номер С0573—1968, Голландия
30
40 000
——
9000
2X 1400
——
——
«Выборгский», СССР (построен в Голландии)
25
И ООО
12
1180
500
3—4
11,3
«Рнтбок»
«Рудольф Шмитд»
22,9
2840
1350
11,5
«Иоганнес Герс》
21,5
—
2800
1830
—
12,5
«Левиафан»
21,34
5150
2800
10,5
«Кригер»
21
—
2000
2200
12,0
«Балтийское море»
20
12 300
21
2800
—
3—4
15,0
«Черное море», СССР (построены ео Франции «Пьер Лефорт»)
19,8
2000
2000
11,0
«Кайрун Мару», Япония
18
8 200
450
2X450
2—4
12,79
«Майнерслегус»
18
—
—
650
650
—
8
《Кайрнн Мару», ЯпоНИЯ
17,5
6 000
16
1355
2X250 кВт
2—3
12,84
«Титан»
17
1000
8
4 -
s
w
s
s
||
rt
3
и &
S о
3 о
—
—
143,0
2,2
12,0
——
16 000
2
——
Бортовое
Волочащееся
8400
5,0
4,2
81,9
13,0
5,8
——
1 420
2
2
По бортам
То же
——
6,5
5,49
113,99
17,68
7,93
—
—
1
1
—
»
4350
7,0
5,9
104,0
18,0
8,0
9325
4 200
2
1
Бортовое
»
4830
8,0
7,01
142,03
21,03
9,3
—
4
4
》
6800
5
6,0
91,0
15,5
7,2
6610
4 000
1
1
Средний вырез
》
3000
8
6,1
120,5
18,0
8,0
8740
4 200
2
2
По бортам
6,5
5,8
102,71
16,46
7,93
4 000
.2
2
Бортовое
》
5000
4
5,6
89,9
14,6
7,0
—
2 647.C5
2
2
То же
》
2Х
X 1800
4—
3,5
4,5
56,2
10,2
4,8
2130
1 120
1
1
》
Режущее
650
3
4,7
76,5
13,5
6,0
2
2
》
То же
2Х
X 1400
3,5
4,4
62
11,75
5,2
2500
1 300
1
1
Средний вырез
Режущее, волочащееся
1800
а другая подает грунт в трюм и может еще иметь ответвление для соединения со специальной баржепогрузочной трубой. Баржепогрузочная труба подвешена на стреле, которая устанавливается над трюмом грунтоотвозной шаланды.
В последнее время построены и эксплуатируются самоходные земснаряды с увеличенной максимальной глубиной разработки. Например, для добычи гравия применяются земснаряды «Маас» с глубиной разработки 33 м и плотностью пульпы 1,4 т/м3. Само- отвозной земснаряд «Дипстоун» для добычи гравия с глубиной разработки 36 м, английский самоотвозный земснаряд фирмы «Апледозе» для добычи песка и гравия с глубины разработки 61 м и отношением твердого материала к воде по весу, равным 1 : 11 116].
Увеличение глубины разработки достигается применением погружных грунтовых насосов и эжекторов, установленных на всасывающих трубах.
Характеристики различных морских самоходных земснарядов представлены в табл. 5.1.
Выносные из воды земснаряды с грунтовыми насосами
Для уменьшения или полного устранения влияния волнений на работу земснаряда, в связи с необходимостью получения возможности вывода земснарядов на сушу для ремонтов или укрытия от штормов в районах, где нет порта, применяются выносные из воды земснаряды.
Для того, чтобы вывести корпус земснаряда из воды в настоящее время применяются два принципа, первый основан на применении ног, которые служат опорой о дно моря при подъеме земснаряда над водой подобно нефтяным платформам; другой принцип использует воздушную подушку, поднимающую земснаряд над водой, подушка возникает между поверхностью воды и днищем судна благодаря эластичной завесе, ограждающей пространство между судном и водой, под которое подается воздуходувкой сжатый воздух.
Земснаряд «Мадстампер» [16 ] на воздушной подушке, построенный в Англии, является весьма интересным с точки зрения применения технических средств для добычи полезных ископаемых в прибойной зоне. Этот земснаряд может парить над землей и водой и плавать на воде, что обеспечивает его работу независимо от приливных течений. Масса земснаряда 114 т, глубина разработки 7,6 м.
В парящем положении днище земснаряда находится на высоте 63,5 см от экрана (земли или воды). Производительность земснаряда 250 т/ч илистого грунта, диаметр пульповода 305 мм, максимальная дальность гидротранспортирования 915 м. Земснаряд может транспортироваться на воздушной подушке по земле и также спускаться с берега в воду. Земснаряд может работать с глубины 0,3 м.
Эластичное ограждение воздушной подушки состоит из отдельных связанных между собой сегментов. Земснаряд может потерять 10% секций своей воздушной оболочки без нарушения ее нормальной работы.
Грунтовый насос имеет V-образный дизельный привод с ременной передачей мощностью 310 л. с. Центробежные воздуходувки, создающие воздушную подушку, обслуживаются двумя дизелями 290 л. с. и подают 2750 м3/ч воздуха под эластичное ограждение. Остальное оборудование обслуживается дизелем мощностью 160 л. с. Фрезерный разрыхлитель с крутящим моментом 1078 кгс/см имеет частоту вращения 30 об/мин. Имеются различные типы фрез. Спуск-подъем рамы разрыхлителя осуществляется гидроцилиндрами. Тяговое усилие передних папильонажных лебедок 4 тс, тяговое усилие вспомогательных лебедок 5 тс. Две сваи диаметром 406 мм поднимаются и опускаются гидроцилиндрами.
Выносной из воды земснаряд на «ногах» изготовлен голландской фирмой «Холланд» [16]. Земснаряд представляет собой секционный понтон, который может буксироваться в море на плаву или перемещаться под водой с опорой «ногами» на дно. Земснаряд может быть использован для добычи полезных ископаемых с глубин до 25 м (рис. 5.2).
Понтон (плавучая платформа земснаряда) имеет в плане форму прямого угла, образованного двумя прямоугольниками с длиной каждой стороны 30 м. В вершине угла и на концах его сторон
77Рис- 52 Выносной из воды голландский земснаряд:
7
7
/ — причальное устройство для шаланд；
— гидроцилиндр рамы разрыхлителя;
— понтон; 4 — ноги, сваи； 5 — рама разрыхлителя; 6 г разрыхлитель; 7 — папнльонажные канаты
расположены три пары ног-свай, длиной 38 м. Имеется проект шарнирного соединения понтонов в вершине прямого угла. Скорость перемещения земснаряда 8,8 м/ч. В углу между прямоугольными сторонами понтона установлен разрыхлитель. Разрыхлитель папильонажными канатами, закрепленными на ногах, может поворачиваться от одного борта понтона до другого в горизонтальной плоскости на угол 90°. При этом ширина захвата земснаряда равна 41 м. В вертикальной плоскости разрыхлитель перемещается с помощью гидроцилиндра. Если высота уступа 2 м, а глубина моря 25 м, то понтон может быть вынесен выше уровня воды на 4 м.
Земснаряд фирмы «Холланд» может работать при высоте волны 2 м и скорости течения 3,5 м/с, что в условиях Северного моря обеспечивает использование 80% календарного времени для работы; а у плавающих земснарядов только 15—30%. За счет этого при производительности выносного земснаряда 1000 м3/ч он извлечет в год 2,5 млн. м3 грунта, а плавающий земснаряд до 60 тыс. м3. Установленная мощность земснаряда равна 1700 л. с., разрыхлитель и грунтовый насос потребляют 500 л. с. Пульпа может подаваться на расстояние 250 м. На земснаряде предусмотрена возможность установки дополнительного грунтового насоса для увеличения дальности транспортирования.
Земснаряд имеет две фрезы различных диаметров, применяемых в зависимости от прочности породы. Смена фрез осуществляется за 15 мин. Кроме того, фирмой разработан вибрационный разрыхлитель. Земснаряд может подавать материал в швартующиеся к нему грунтовые шаланды. К месту работы земснаряд доставляется буксировкой целиком или частично разобранным.
Эрлифтные земснаряды
С помощью эрлифтов осуществлена самая глубоководная добыча полезных ископаемых гидравлическим способом. Принцип действия такого земснаряда (рис. 5.3) заключается в следующем.
151
Рис. 5.3. Эрлифтный земснаряд:
/ — всасывающий патрубок; 2 — компрессор; 3 — ресивер; 4 — трубопровод сжатого воздуха; 5 — ввод воздуха в подъемную трубу; 6 — подъемная труба; 7 — трюм
С борта земснаряда в устье всасывающей трубы подается сжатый воздух и перемешивается в ней с водой или пульпой. Образовавшаяся двух- или трехфазная смесь легче, чем вода, поэтому эта смесь вытесняется столбом воды из водоема и поступает на земснаряд. Эрлифтные земснаряды обеспечивают более глубоководную разработку породы, чем земснаряды с трюмными грунтовыми насосами или с эжекторами. Эрлифтные земснаряды в основном применяются для добычи нерудных материалов, но компания «Коллинз» США использовала такой земснаряд для добычи алмазов.
Эрлифтные земснаряды имеют меньший коэффициент полезного действия, чем земснаряды с грунтовыми насосами, и не могут осуществлять наклонный и горизонтальный транспорт пульпы. Погружаемая в воду часть эрлифтного земснаряда значительно проще и надежнее, чем у земснарядов с погружными грунтовыми насосами, но вся конструкция эрлифта с компрессорной установкой сложнее, и дороже установки с погружным грунтовым насосом.
В настоящее время наибольшую известность получили венгерские эрлифтные установки «Гидроп», которые могут монтироваться на морских судах. Эрлифтные земснаряды «Гидроп» могут работать только в закрытых от больших волнений морских акваториях. Эти земснаряды применяются в Венгрии, Югославии, Польше, Чехословакии и во Франции. Во Франции «Гидроп» ведет работу с глубин до 60 м. Такие земснаряды используются для добычи нерудных материалов, песка и гравия. Существуют несколько типов земснарядов «Гидроп». Наиболее высокопроизводительными являются HP-IX 150/40 и HP-VIII. Коэффициент полезного действия эрлифта у таких земснарядов зависит от соотношения глубины погружения под воду места впуска в подъемную трубу сжатого воздуха и высоты подъема пульпы над уровнем воды и достигает 0,15—0,2. У эрлифта земснаряда HP-IX 150/40 установленная мощность составляет 170 кВт, диаметр стальной подъемной трубы 300 мм. Удельный расход воздуха на единицу объема грунта равен 12——21. Номинальная глубина разработки 40 м. Корпус земснаряда катамаранного типа из двух понтонов. Элементы корпуса унифицированы и из них могут монтироваться различные варианты,
Рнс. 5.4. Венгерский земснаряд «Гидроп Зонд» с эрлифтной трубой, имеющей регулируемую плавучесть
Земснаряд HP-VIII снабжен не одной, а тремя стальными подъемными трубами, диаметром 200 мм каждая. Производительность по грунту 120—140 м3/ч, установленная мощность 360 кВт. Земснаряды могут иметь электрический и дизельный привод. Породозаборное устройство снабжено гидравлическим размывом и представляет собой сужающуюся по ходу пульпы всасывающую трубу, снабженную шестью размывающими насадками.
Для работы в море венгерские специалисты рекомендуют «Гидроп зонд» (рис. 5.4). При этом подъемная труба эрлифта имеет балластные цистерны, которые обеспечивают плавное погружение и всплытие трубы.
Эжекторные земснаряды
Эжекторные земснаряды могут быть самоходными и несамоходными. Они работают следующим образом. Рабочая вода под большим напором нагнетается в начале всасывающей трубы с борта по специальному трубопроводу через одну или несколько насадок. Выйдя из насадки, расположенной во всасывающей трубе, рабочая вода с большой скоростью увлекает за собой воду или пульпу из водоема и подает ее на борт или в грунтовый насос, который служит для осуществления гидротранспорта пульпы.
Одним из наиболее глубоководных эжекторных земснарядов @ является японский земснаряд «Эйджа Гоу» (рис. 5.5) [25 ]. У этого 扌 земснаряда эластичный пульпопровод намотан на большой ба- ■! рабан, установленный на судне. В зависимости от глубины раз- | работки пульпопровод сматывается с барабана на определенную | длину и уходит в воду. Другой конец пульпопровода соединен | с полой осью барабана, через которую он подает пульпу на борт I судна.J
Японские земснаряды снабжены сменным буровым приспособ- | лением на конце пульпопровода. Благодаря этому земснаряд j может добывать песок и гравий без больших вскрышных работ, j Земснаряд предварительно бурит в пустой, лежащей сверху по- роде, скважину, а затем в эту скважину вводится добычной эжек- | тор, который забирает песок и гравий из-под слоя пустой породы. |
В последнее время некоторые отечественные и зарубежные I организации работают над созданием плавучих пульпопроводов I без понтонов. На 5-й Международной выставке гидромеханизации 1 в Гамбурге были представлены голландские плавучие пульпо- 1 проводы, покрытые снаружи специальным полимерным составом, обеспечивающим непотопляемость пульпопровода. Эти пульпопроводы прошли испытание и в настоящее время серийно выпускаются Голландской фирмой «BV». Такой плавучий пульпопровод имеет металлические трубы с наружным пенопластовым уретановым покрытием и шаровые соединения с углом поворота 20°. Плавучесть таких пульпопроводов такова, что даже заиленный пульпопровод не потопляется.
Рис. 5.5. Эжекторный земснаряд «Эйджа Гоу»
В Англии разработан сплошной резиновый пульпопровод, состоящий из отдельных секций длиной 11 м с внутренним диаметром 750 и 910 мм. Такой пульпопровод допускает рабочее давление до 10,5 и 16 кгс/см2.
В США также наблюдаются попытки применения резиновых пульпопроводов, армированных сталью. Эти пульпопроводы облицованы специальным материалом «Элатометрик», который износоустойчивее стали. Пульпопровод имеет непроницаемую наружную облицовку из неокрена, защищающую пульпопровод от солнца и трения.
Имеются примеры применения погружного плавучего пульпопровода, который не мешает судоходству и изолирован от воздействия волнений.
В настоящее время ведутся промышленные испытания отечественных эластичных плавучих пульпопроводов, изготовленных из полимерных материалов с тканевыми прослойками, воспринимающими нагрузки от гидравлического давления. Эти пульпопроводы могут легко складываться в рулон подобно пожарным рукавам.
С точки зрения конструкции представляет интерес американский эжекторный земснаряд фирмы «Пацифик», у которого механический разрыхлитель закреплен на вращающейся всасывающей трубе. Всасывающая труба служит валом разрыхлителя и лежит в подшипниках скольжения с водяной смазкой, установленных на раме разрыхлителя. Привод вращающейся всасывающей
5； Т а б л и ц а 5.2
Технические характеристики некоторых эжекторных земснарядов
Снаряд (страна)
ь о N
Основные размеры, м
Ь к ci
1s AN
$ AW
Примечания
§ о, 詔
If.
ТЗР-25 (СССР)
25
150
26,85
9,36
1,8
0,96
900
—
370
Земснаряд оборудован эжектором с гидравлическим разрыхлителем. Применяется для работы в закрытых акваториях
«Бэвер Мастер» (Голландия)
28
250
15
5,55
1,6
1,0
454
1500
300
Земснаряд может работать в защищенных акваториях
«Хи кава Мару» (Япония)
40
22
10
2
1」
300; 120
Земснаряд несамоходный и может применяться в закрытых акваториях. Перед началом добычи на дне бурится скважина, в которую затем вводится эжектор с гидравлическим разрыхлителем, ведущий разработку воронками
Эжекторный земснаряд (Ямайка)
40
305
51,0
10,2
—
2060
Напор 66
400
Разрыхлитель механический с регулируемой частотой вращения
Продолжение табл. 5.2
Снаряд (страна)
P.S
О N
Основные размеры, м
§!6
4 H弓
口 ■e s
dE N
Примечания
1
sl 2 о CQ9
找
«Дейшин Мару» № 3 (Япония)
50
50
28,2
10,5
2,4
1,4
550, 150, 120 кВт
—
280
Земснаряд имеет гидравлический разрыхлитель и специальный барабан для наматывания подъемной трубы
Эжекторный земснаряд (США)
60
153
—
—
—
6X595
457
305
Несамоходный. Рама разрыхлителя длиной 68,4 м установлена на отдельном понтоне, связанном с судном фермой. Для ре- фулирования установлен землесос; всасывающая труба вращается ,разрыхляя грунт
«Эйджа Гоу» (Япония)
70
300
54,98
14,5
3,5
2,1
1250
800
380
Разрыхлитель гидравлический, специальный барабан для наматывания подъемной трубы
«Эйдж а Гоу» № 1, (Япония)
100
240
49
14,5
3,5
2,1
2500
2000
445
Разрыхлитель гидравлический; пульпопровод наматывается на специальный барабан; имеются два типа эжекторов
УУ
У
У
трубы имеет гидромуфту для компенсации ударов разрыхлителя при разработке.
Характеристики некоторых эжекторных земснарядов приведены в табл. 5.2.
ПОДВОДНЫЕ ЗЕМСНАРЯДЫ
К подводным земснарядам будем относить не только те земснаряды, которые полностью вместе с понтоном погружаются под воду во время работы, но и такие, у которых под водой находятся породозаборные и гидротранспортные средства вместе с приводами, напорный пульпопровод, энергопровод, в то время как на поверхности воды остается обслуживающее судно.
К таким земснарядам относится земснаряд «Саблиер» [81 и 99 ] французской фирмы «Беното»., Этот земснаряд состоит из надводного плавучего основания и погружаемой под воду землесосной установки с механическим породозаборным устройством. Глубина разработки до 30 м. Привод погружаемых под воду грунтового насоса и разрыхлителя гидравлический. Напорный пульпопровод ——эластичный, погружаемая часть опускается на глубину до 30 м специальной лебедкой с гидроприводом. Производительность земснаряда по породе 150 м3/ч; напор грунтового насоса 20 м вод. ст.; максимальный размер перекачиваемых кусков 180 мм; максимальная весовая консистенция пульпы (отношение твердого материала к весу гидросмеси) 0,2; установленная мощность для подводной части 160 л. с.; дальность рефулирования 1000 м; диаметр пульповода 200 мм; масса всего земснаряда 14,5 т; габариты: ширина 2,3——3,5 м, длина 8,14 + 10,44 м (со стрелой 17,6 м), высота 4,1 м, осадка 0,6 м.
Типичным подводным земснарядом является итальянский земснаряд S-23 [103 ]. Этот земснаряд (рис. 5.6) обитаемый, может разрабатывать дно океана на глубине до 70 м при волнении до 5——6 баллов по шкале Бофорта. Производительность земснаряда 650 м3/ч по грунту. Землесос может быть форсирован до производительности 1050 м3/ч. Консистенция по массе при разработке песка составляет 50%, при разработке глины ——25%.
Земснаряд S-23 был построен для рытья траншей под трубопроводы больших диаметров. Земснаряд не имеет ходовой части и подтягивается на салазках двумя папильонажными лебедками, установленными на нем. Скорость перемещения земснаряда около 130 м/ч. На земснаряде имеется сферическая капсула для багермейстера. Кабель для подачи энергии и трубопровод для воздуха связывают земснаряд с плавучим надводным судном, где проводят отдых сменяющиеся багермейстеры. Земснаряд имеет раму разрыхлителя, оканчивающуюся фрезой. Максимальная допустимая высота уступа 2,4 м, ширина забоя, охватываемого рамой разрыхлителя 4,5 м. Разрыхлитель поворачивается от оси симметрии до крайнего положения на угол 30°. Все механизмы
Рис. 5.6. Итальянский подводим访 земснаряд S-23
приводятся от гидродвигателей. На земснаряде имеется три электродвигателя по 60 л. с. с напряжением 440 В, которые от гидронасосов приводят гидродвигатели фрезы, грунтового насоса, лебедок и запасной гидродвигатель.
Во время работы багермейстер ориентируется только по приборам, так как мутность исключает визуальное наблюдение за забоем.
Погружение и всплытие обеспечивается за счет балластных цистерн, земснаряд может менять свою плавучесть под водой от 0 до 50 т. Путем изменения плавучести земснаряд в горизонтальном положении опускается на дно и устанавливается на свае (рис. 5.7).
В СССР Московским горным институтом и Уфимским заводом горного оборудования созданы подводные земснаряды «Мол- люск-3» и «Моллюск-5» и разрабатывается ряд подводных земснарядов типа «Моллюск» с различными параметрами. Такие земснаряды созданы на основе нового направления в области подводной выемки породы эффективно использующего большое гидростатическое давление окружающей среды в районе забоя Для осуществления некоторых операций процесса выемки.
Рис. 5.7. Спуск земснаряда S-23(Гпо' верхности воды в забой
Например, у земснарядов типа «Моллюск» гидростатическим давлением осуществляется разрушение породы благодаря использованию существенной доли напора грунтового насоса в его всасывающей линии. Последнее обстоятельство позволяет также путем присасывания получить необходимый механический напор земснаряда на забой без больших опорных реакций его на дно.
Основная' особенность этих земснарядов заключается в том, что их папильонажные лебедки расположены на обслуживающем судне и поэтому к земснаряду с судна передается не только энергия, но и тяговые усилия, необходимые для создания напора породозаборного устройства на забой.
Обслуживающее судно удалено от земснаряда на такие расстояния, при которых качка судна от волнений не передается через папильонажные канаты на земснаряд. В проектируемых в настоящее время земснарядах типа «Моллюск» с помощью гидростатического давления обеспечивается требуемая их проходимость по дну с малыми энергозатратами, что достигается применением эластичных завес, ограждающих под днищем воду с повышенным гидростатическим давлением от внешней среды, подобно судам на воздушной подушке.
В настоящее время в народном хозяйстве ипользуются подводные земснаряды «Моллюск-3» и «Моллюск-5». Земснаряды типа «Моллюск» предназначены для извлечения со дна морей и других водоемов нерудных и рудных полезных ископаемых, а также для сооружения подводных траншей и других выемок. Земснаряд типа «Моллюск» включает основные и ряд сменных узлов, которые используются в соответствии со способом его применения.
Благодаря наличию в комплекте земснаряда нескольких быстросменных узлов он может эксплуатироваться в различных исполнениях.
Из узлов, входящих в комплект земснаряда типа «Моллюск» (рис. 5.8), быстро могут быть смонтированы следующие агрегаты: навесная на судне погружная установка с вертикальным папильо- нированием, разрабатывающая несвязные породы методом воронок (рис. 5.8, а) или также и с горизонтальным папильонированием вдоль борта несущего судна, работающая методом траншей; подводный земснаряд с вертикальным и горизонтальным папильони-
9 7 70 〃
6
тель; 4
энерго-
；5 一
пульпопровод;
а— погружная землесосная установка;
Рис. 5.8. Подводный земснаряд типа 《Моллюск»:
понтон с регулируемой плавучестью;
6 — опорная рама;
7 — станция гидропривода
—навесная по-
6 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
гружная землесосная установка с горизонтальным папнльонн- рованием; в — несамоходный подводный земснаряд с горизонтальным па- пильонированием;
/ — породозаборные ■устройства; 2 — погружной грунтовый насос; 3 — погружной электродвнга-
Т а б л и ц a 5.3
Характеристики подводных земснарядов типа «Моллюск» при разработке малосвязных пород
Пар аметры
<Мол- люск- 3»
<М.оллюск-5»
Глубина разработки, м
До 60
До 50
100200
500
Максимальная производительность породы в плотном теле (монолите), м3/ч, если порода подается выше уровня воды не более, чем на 3 м
150—200
200—300
100—150 50—100
20—30
Средняя консистенция по массе
Напор грунтового насоса на воде, кгс/см2
Проходное сечение грунтового насоса, мм
Установленная мощность, кВт:
грунтового насоса
земснаряда с грузоподъемным устройством
Диаметр пульповода, мм Масса земснаряда, кг Основные размеры, мм： диаметр
длина
1,6 : 1,0
2,5
125
160
220
4500
1800
4000
1,7 : 1,0
1,1 : 1,0 0,4 : 1,0
2,5—4,8
120—170
200—300
260—360
250 или 300
4500
1500
4500
0,15 : 1,0
рованием вдоль борта несущего судно для разработки малосвязных пород методом траншей (см. рис. 5.8, 6); буксируемый базовым судном подводный земснаряд для глубоководной разработки малосвязных пород бороздами; несамоходный подводный земснаряд с горизонтальным папильонированием для разработки связных пород (рис. 5.8, в).
Характеристика земснарядов типа «Моллюск» дана в табл. 5.3.
В 严став основных узлов входит комплект породозаборных устройств, погружной грунтовый насос, погружной электродвигатель, энергопульпопровод с регулируемой плавучестью; несущий понтон с регулируемой плавучестью; опорная рама земснаряда, станция гидропривода; папильонажная система, компрессорная установка, система приборов.
По желанию заказчика для уменьшения опасности закупорки пульпопровода породой и для устранения чрезмерной перегрузки электродвигателя привод грунтового насоса может снабжаться гидромуфтой или гидротрансформатором.
В комплект породозаборных устройств входят гидромеханический качающийся породозаборник, всасывающее устройство морского земснаряда, всасывающий наконечник землесосного снаряда.
Рис. 5.9. Всасывающее устройство морского земснаряда
У всех этих породозаборных устройств разрушение породы, ее захват осуществляется либо в плоскости зева, либо внутри корпуса породозаборного устройства. При этом отсутствует операция транспортирования породы от места разрушения к всасывающему отверстию. Всасывающее устройство морского земснаряда (рис. 5.9) применяется для снятия с поверхности дна тонкого слоя“
несвязной породы. Оно представляет собой опрокинутый вверх дном эластичный желоб, подсоединенный ко всасывающей трубе. Принцип действия этого породозаборного устройства основан на смыве породы боковой поверхностью потока воды с участка дна, покрытого желобовидным всасывающим наконечником, и увлечении ее во всасывающую трубу. При этом разрушение породы осуществляется главным образом за счет воздействия гидродинамических сил, а также благодаря нагружению породы градиентом давления в потоке. У такого устройства большая длина взаимодействия потока воды с забираемой породой, обеспечивающая повышение производительности по породе.
Всасывающий наконечник землесосного снаряда имеет следующую конструкцию (рис. 5.10). На конец всасывающей трубы надет сосуд с винтовой крышкой таким образом, что между сосудом и стенкой всасывающей трубы образуется спиральный желоб. На крышке сосуда в начале желоба установлен всасывающий патрубок, из которого вода проходит по желобу в отверстие, соединяющее желоб со всасывающей трубой. Сечение желоба увеличивается в направлении потока. Всасывающий наконечник землесосного снаряда может работать в нескольких режимах. Если он не вдавливается в породу, то работает также как предыдущий породозаборник. Если у такого породозаборного устройства перекрыт всасывающий патрубок и всасывание идет из-под слоя породы под завалом, то процесс забора породы аналогичен работе под слоем породы обычного круглого всасывающего наконечника с экранирующим кольцом. Номинальный режим всасывающего наконечника землесосного снаряда возникает в том случае, когда он вдавливается в породу так, что винтовая крышка на небольшом участке по длине желоба ложится на породу или образует с ней небольшой зазор. В этом случае принцип работы породозаборника заключается в том, что перепад давления в местах перекрытия прохода воды из всасывающего патрубка во всасывающую трубу
Рис. 5.10. Всасывающий наконечник землесосного снаряда:
/ — всасывающая труба; 2 — сосуд; 3 — винтовая крышка сосуда с эластичной прокладкой под ней; 4 — всасывающий патрубок; 5 — радиальные ребра, ножи； 6 — желобовидный канал
или образования небольшого зазора так нагружает породу, что она становится текучей и увлекается фильтрующей или проходящей через зазор водой во всасывающую трубу. При этом породозаборник постепенно
вдавливаетсявдавливаетсяглубже в породуглубже в породуиипоэтому место перекрытияпоэтому место перекрытияили малогоили малогокой икой изазора между крышзазора между крышпородой перемещается отпородой перемещается отконца желоба к началу, заставляя разрушаться породу по всей длине желоба.
вдавливается
вдавливается
глубже в породу
глубже в породу
и
и
поэтому место перекрытия
поэтому место перекрытия
или малого
или малого
кой и
кой и
зазора между крыш
зазора между крыш
породой перемещается от
породой перемещается от
Всасывающий наконечник землесосного снаряда может иметь радиальные ножи. В этом
отламываются от целика иПри разработке связных ский породозаборник,отламываются от целика иПри разработке связных ский породозаборник,случае ножи выдавливают внутри породозаборного устройства блоки породы, которые нагружаются перепадом давления, поступают во всасывающую трубу, пород применяется гидромеханиче- ,，7 конструкция которого представлена на
отламываются от целика и
При разработке связных ский породозаборник,
отламываются от целика и
При разработке связных ский породозаборник,
рис. 5.11. Этот породозаборник может использоваться как качающийся или волочащийся.
Принцип работы гидромеханического породозаборного устройства основан на следующем. В процессе перемещения породозаборного устройства режущим периметром выдавливается стружка. При этом образующаяся стружка перекрывает зев породозаборника и вода, проходящая через прорези в породе под стружку, создает изгибающий момент. По этой причине элементы стружки отделяются от целика не за счет сдвига, а за счет отрыва и излома. Для перекрытия свободного прохода воды во всасывающий патрубок служит реверсивная заслонка. Чтобы осуществить подрезку породы боковой частью породозаборного устройства он имеет черпаки с режущими кромками, которые осуществляют обычное резание породы со сдвигом элементов стружки. Ограничение от чрезмерного заглубления породозаборника в породу осуществляют круглые направляющие.
Станция гидропривода представляет собой герметичную маслозаполненную бочку, в которой размещены электродвигатель, 164
Рис. 5,11. Гидромеханический качающийся породозаборник:
/ — корпус； 2 — режущий периметр; 3 ——всасывающий патрубок； 4 — зев; 5 ——стружка： 6 — реверсивная заслонка; 7 — черпак； 8 — режущая кромка черпака; 9 — направляю
щие породозаборного устройства
насос и гидроаппаратура. Полость, где размещен электродвигатель, изолирована от остальной части бочки так, что масло из гидросистемы не смешивается с маслом, окружающим электродвигатель. Бочка снабжена мембранными устройствами для выравнивания давления внутри бочки и снаружи при температурных расширениях масла и изменениях глубины погружения.
В отличие от эжекторов, гидроэлеваторов во всех породозаборных устройствах земснарядов типа «Моллюск» порода увлекается водой из области высокого давления в область малого давления.
У земснаряда «Моллюск-3» асинхронный электродвигатель воздушного охлаждения AO3-315-4 заключен в герметичную капсулу, надуваемую сжатым воздухом для поддержания заданного перепада давления внутри и снаружи капсулы. У земснаряда «Моллюск-5» имеется специальный маслозаполненный электродвигатель, в котором использованы ротор и обмотка от асинхронного электродвигателя AO3-315M-4. Маслозаполненный электродвигатель снабжен маслоподпорной системой, которая служит для устранения возможности попадания воды в полость электродвигателя даже в том случае, когда он разгерметизировался, а также для компенсации температурных расширений масла и обеспечения небольшого превышения давления в полости двигателя по сравнению с окружающей средой. В этой системе масло подается в двигатель с борта судна по специальному шлангу или по энергоснабжающему кабелю, в котором оно течет по зазорам между проволоками. Требуемый перепад давления масла в двигателе обеспечивается за счет столба масла от маслобака на судне до уровня воды или маслонасосом и дросселем, автоматически регулирующим давление масла в системе в зависимости от глубины 'погружения земснаряда. Если масло подается по отдельному шлангу, то для предохранения двигателя от попадания воды при обрыве шланга на двигателе установлены клапаны, перекрывающие вход в двигатель при обрыве шланга и позволяющие вытекать маслу наружу при его нагреве.
Эластичный энергопульпопровод с регулируемой плавучестью включает три эластичных трубопровода, параллельно соединенных между собой так, что их центры лежат в вершинах треугольника. Один трубопровод используется для подачи пульпы, другой для проводки электрокабеля, информационных и управляющих магистралей, а третий трубопровод разделен на изолированные друг от друга участки, представляющие собой цистерны с регулируемой плавучестью.
Конструкция папильонажной системы земснаряда типа《Мол- 〃юск》зависит от связности разрабатываемой породы, типа выемки и глубины разработки (рис. 5.12). При несвязных породах и глубине разработки от 3 до 500 м может использоваться работа методом воронки с вертикальным папильонированием и периодической перестановкой землесосной установки в горизонтальной плоскости. При такой глубоководной разработке с помощью судовых движителей может использоваться также метод волочения, буксировки земснаряда с погруженным под воду или плавающим понтоном.
Для разработки малосвязных пород на глубинах, не превышающих 1—2 длины судна горизонтальные папильонажные перемещения могут осуществляться вдоль судна с помощью двух папильонажных канатов с папильонажными лебедками, установленными в носовой и кормовой частях судна. При этом зем・ снаряд может поддерживаться погружным понтоном. С такой папильонажной системой осуществляется траншейное папильони- рование, при этом земснаряд передвигается вдоль судна, а судно перемещается движителями или якорными канатами вдоль своей оси или поперек ее. С помощью тягового каната можно создавать механический напор земснаряда на забой.
При разработке пород средней связности на глубинах от 5 до 100 м может применяться канатная папильонажная система с одним якорным понтоном» оборудованным шпилем, с помощью которого понтон перемещается в направлении, перпендикулярном к папильонажным перемещениям земснаряда. Папильонажные лебедки установлены на судне, которое служит второй якорной опорой земснаряда. При этом не требуется перемещать судно при работе земснаряда в течение продолжительного времени. С помощью переднего папильонажного каната обеспечивается требуемый механический напор породозаборного устройства на забой. Эта система позволяет вести работу при сравнительно больших волнениях, так как качка судна и якорного понтона существенно не влияет на подводный земснаряд.
Для получения возможности осуществлять вертикальные перемещения земснаряда в этой системе можно использовать надводный понтон, через который идет от судна папильонажно-подъем- ный канат, поддерживающий землесосную установку. В этом случае этот канат одновременно служит для вертикального и горизонтального перемещения земснаряда типа 《Моллюск》и 166 ，
7373如以"^[屮丨||屮|屮||] 'I'l'l'l1如以"^[屮丨||屮|屮||] 'I'l'l'l1^MMUIIUUUUI^MMUIIUUUUI理屮|1|1|屮I屮|屮「「嘈理屮|1|1|屮I屮|屮「「嘈22222323/， 20/， 20УУРис. 5.12. Папильонажные системы земснаряда типа «Моллюск»:Рис. 5.12. Папильонажные системы земснаряда типа «Моллюск»:
73
73
如以"^[屮丨||屮|屮||] 'I'l'l'l1
如以"^[屮丨||屮|屮||] 'I'l'l'l1
^MMUIIUUUUI
^MMUIIUUUUI
理屮|1|1|屮I屮|屮「「嘈
理屮|1|1|屮I屮|屮「「嘈
22
22
23
23
/， 20
/， 20
У
У
Рис. 5.12. Папильонажные системы земснаряда типа «Моллюск»:
Рис. 5.12. Папильонажные системы земснаряда типа «Моллюск»:
I — одноканатная система вертикального папильонироваиия; / — надводное судно; 2 — кран; 3 — землесосная установка; 4 ——эластичный пульпоэнергопровод (при боль- инх глубинах снабжен эластичными цистернами); II — система с каиатиым папильоии- рованием вдоль борта судна； 5 ——тяговый канат; 6 — поддерживающий канат； III —— буксировочная система папильонирования: 7 — буксировочный канат; 8 — понтон зем- снаряда в погруженном положении; 9 — понтон земснаряда в надводном положении; 〈° — канат для буксировки понтона； IV — двухкаиатиая папильонажная система; // ——якорный понтон; 12 ——якорный канат; /3 — передний папильонажныЙ канат; /4 — уздечка； /5 ——направляющий блок; 16 — плавучий эластичный пульпоэнерго- провод； /7 ——задний папильонажныЙ канат; 18 ——папильоиажно-подъемиый канат； % — четырехканатная папильонажная система; J9, 20, 2/, 22 — папильонажные канаты; 23 — судовые якорные канаты
может использоваться для быстрого извлечения землесосной установки на борт судна.
В том случае, когда осуществляется разработка связной по- роды на глубинах от 5 до 100 м и требуется получать выемку различной формы применяется четырехканатная папильонажная система (рис. 5.12, д). У этой системы землесосная установка подвешивается к надводному понтону на спуско-подъемной лебедке, установленной на понтоне. Все папильонажные канаты через направляющие блоки на трех якорных понтонах выведены на борт судна к четырем папильонажным лебедкам.，
54 ПОДВОДНЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ
(ПЕРЕДВИГАЮЩИЕСЯ ПО ДНУ ЗЕМСНАРЯДЫ)
Для подводной разработки породы в морских условиях за рубежом применяются также подводные экскаваторы, или передвигающиеся по дну земснаряды. Такие экскаваторы используются в США, Японии и Норвегии. В США компанией «Оушн Сайенс》 для работы в прибойной зоне моря создан подводный обитаемый электрический земснаряд «Кроулкаттер» (рис. 5.13), который может осуществлять выемку и транспортирование полезных ископаемых, разрабатывать подводные траншеи и сооружать насыпи и осуществлять другие подводные работы, связанные с выемкой породы [54].
Энергоснабжение осуществляется с берега подводным кабелем. Ходовой частью земснаряда «Кроулкаттер» является гусеничная тележка бульдозера Ь-9 или D-7 «Катерпиллер» с гидроприводом. Разрушение породы осуществляется фрезерным рыхлителем с гидроприводом, а ее транспортирование грунтовым насосом. Таким образом, этот экскаватор использует гидравлический транспорт породы от забоя. Управление экскаватором осу-
Рис. 5.13. Подводный передни г ающи йся по дну земснаряд «Кроулкаттер»Рис. 5.13. Подводный передни г ающи йся по дну земснаряд «Кроулкаттер»
Рис. 5.13. Подводный передни г ающи йся по дну земснаряд «Кроулкаттер»
Рис. 5.13. Подводный передни г ающи йся по дну земснаряд «Кроулкаттер»
ществляется двумя операторами, котор恥 входят в экскаватор и покидают его через вертикальуню шахту. Шахта также служит для снабжения операторов воздухом.
Такой экскаватор может быть экономичнее подводного земснаряда на глубинах до 30 м при удалении от берега до 950 м.
Техническая характеристика подводного экскаватора«Кроулкаттер»
Производительность по породе, м3/ч 153
Глубина разработки, м До30
Частота вращения фрезерного рыхлителя, об/мин От 0 до 30
Напор грунтового насоса, м вод. ст 98
Установленная мощность, кВт 1000
Диаметр пульпопровода, м 0,3
Подаваемое на борт напряжение, В4160
Тяговое усилие (напор на забой), тс ....54
Длина, ширина, высота, м 12,3X3,66X3,66
Пульпопровод экскаватора стальной, но имеется гибкая часть для обеспечения папильонажных перемещений. Экскаватор имеет четыре гидродомкрата, которые могут приподнимать его на 0,9 м. Опорная площадь гидродомкратов около 3,5 м2. Этот передвигающийся по дну земснаряд испытывался у восточного побережья Флориды при разработке песка и транспортировании его на берег на расстояние 900 м. При сильном волнении и глубине разработки 12 м производительность земснаряда достигала 153 м3/ч по породе.
Значительный интерес представляет Японский подводный необитаемый траншейный экскаватор [6 ], изготовленный в 1973 г. фирмой «Сумитомодзюкикай Коге» в сотрудничестве с другими фирмами (рис, 5.14), который предназначен для прокладки траншей на дне моря, рытья котлованов, а также для подводной разработки грунта на глубине до 70 м.-
Экскаватор обеспечивается энергией с надводного судна с помощью дизельгенератора переменного тока мощностью 437 кВт. Управление экскаватором осуществляется с борта судна двумя операторами. Все силовые приводы подводного экскаватора маслозаполненные, электрогидравлические с автоматическим регулированием в зависимости от глубины погружения, давления масла в полостях, которое несколько больше, чем давление окружающей морской воды. Рабочее давление в гидросистемах от 235 до 70 кгс/см2.
Протяжка правой и левой гусениц осуществляется раздельно. В рабочем положении подводный экскаватор опирается на грунт с помощью четырех упоров с гидроцилиндрами. Подача отжимной воды в грунтовый насос осуществляется водяным насосом произ-
Рис. 5.14. Японский подводный экскаватор:
фреза; 2 — рама разрыхлителя； 3 — гидроцилиидры рамы разрыхлителя; 4 — гидроакустический приемник системы определения места; 6 — грунтовый насос; 7 — кабель； 8 — пульпопровод; 9 — блок управления； 10 — опорные лапы; 11 — понижающий трансформатор; 12 — гусеницы ходовой части
водительностью 150 л/мин с напором 1,2 кгс/см2. В силовых цепях используется напряжение 440 В и частота 60 Гц. Энергокабель поддерживается поплавками. Подводный экскаватор имеет устройство для отключения при утечке тока в воду.
Гидролокатор обеспечивает обнаружение различных подводных препятствий перед подводным экскаватором на расстоянии 600 м. Имеется система определения местоположения подводного экскаватора, состоящая из трех, выставленных в различных точках донных гидроакустических маяков.
Морские испытания подводного экскаватора проводились на глубинах 6—12 м и обеспечивались баржей тоннажем 1734 т, 120-тонным плавучим краном, энергетической баржей с дизель- генератором, буксиром и несколькими катерами. Визуальные наблюдения за экскаватором под водой осуществлялись с помощью телевизионных камер.
В период штормовой погоды, когда обеспечивающие суда укрывались в порту, подводный экскаватор оставался на дне, а на поверхности был буй, к которому крепился подсоединительный кабель.
В Норвегии также создан подводный обитаемый экскаватор «Бегемот», который может вести подводную разработку на глубинах до 25 м. Его можно использовать для разработки дна в прибойной зоне. Экскаватор обслуживается одним машинистом в легком водолазном костюме.
ЧЕРПАКОВЫЕ СНАРЯДЫ -
Черпаковые снаряды черпают породу из-под воды ковшами различной конструкции. Существуют одночерпаковые и многочерпаковые снаряды. В одночерпаковых снарядах чаще всего в качестве ковша используется грейфер и поэтому они называются грейферными. Существуют одночерпаковые снаряды, снабженные механической лопатой. Такие снаряды выполняютя в виде штанговых снарядов. Применяются снаряды, оборудованные драглайном.
Грейферный снаряд (рис. 5.15) обычно имеет от одного до шести независимых грейферных кранов с комплектом грейферных ковшей для различных пород. Для легких и средних пород применяются двухчелюстные грейферы, которые могут быть без зубьев или с зубьями. Тяжелые породы разрабатываются многочелюстными грейферами с тремя, четырьмя и более челюстями. Для валунов и полускальных пород применяются вилообразные, решетчатые грейферы.
На некоторых современных снарядах для предотвращения отрыва грейфера от грунта во время закрытия челюстей, в результате волнения и качки судна, применяется специальный компенсатор, который автоматически удерживает грейфер в вертикальном положении во время породозабора. Такой компенсатор установлен, например, на грейферном снаряде «Динозавр» (см. табл. 5.4).
Штанговые снаряды (рис. 5.16) представляют собой несамоходные суда со сваями. В качестве выемочного агрегата на них устанавливается экскаватор с механической лопатой.
В настоящее время штанговые снаряды в основном используются для работы при строительстве портов и для добычи полез-
Рис. 5.15. Грейферный снаряд «Биарриц»
Таблица 5.4.
Техническая характеристика зарубежгых морских грейферных снарядов
Грейферный снаряд (страна：
S
S
W
s
d I
о S
Грейферные ковши
число
3
«Таиланд»
96,3
15,3
3,6
—
—
2
3
«Динозавр»
—
2
4,6
Комплексная грейферная установка (ФРГ)
70,0
15,0
1000
;
4,25
14
«Биарриц»
45
22
—
2
14;
18
«Хитати Сериес» (Япония)
20
10,2
2,6
1,3
3; 4
50
«Мерси》№ 40 (Англия) «Мерси»
Док энд Харбор Борд
76,2
14,02
5,79
2,591
1300
4 (2 на левом борту, 2 у правого борта)
2,4
1
-
Силовое оборудование
Скор ость, узлы ■
Примечания
Мощность всех двигателей
3200 л. с. Два ходовых двигателя мощностью 500 л. с.
65
92 000 т/месяц
Продолжительность цикла черпания 1 мин. Снаряд построен на базе нефтяного танкера. Стрела длиной 20 м
——
—
И
23 500 т/месяц
Скорость черпания — 20 ковшей в минуту
—
一
40
250
Предназначен для добычи песка и гравия. Имеет первичное обогащение на борту
Два дизеля по 1150 л. с. Два генератора постоянного тока по 410 кВт, Генератор переменного тока 535 кВт
30
45 000
Команда 20 человек, работой грейфера управляют два оператора. Радиус разработки 36,5 м. Скорость перемещения грейферного ковша по стреле 3 м/с. Время от заполнения грейфера до его опорожнения 70 с. Скорость подъема 90 м/мин
Мощность двигателя грейфера 250 л. с.
125—200
Радиус разработки 11 м. Скорость подъема ковша 47,5 м/мин
Два' дизеля с турбонаддувом, каждый по
1170 л. с., при[
375 об/мин — для привода двух гребных винтов
12 (в нагруженном состоянии) 14,5 (максимальная скорость порожняка)
17
Ди зель-эле ктричес ки й привод, двухвинтовой. Водоизмещение 3675 т. Грейферы «При- стмен» с электроприводом, неподвижная стрела, рабочий радиус 6,1 м. Трюм с 5 разгрузочными затворами, регулируемыми тремя гидроплуиже- рами. Затворы частично плавучего типа
Продолже н ие табл. 5.4
Грейферный снаряд (страна)
W
S
S
W
2
3
OS fS та
Грейферные ковши
число
«Аль—Моузл» (Ирак)
63,2
12,5
4,88
4,66€
「5年
3 (1 — на носу, 2 — посредине корпуса)
6,5
1
«Цао Мару» (Япония)
45,59
12
3,8
3,2
440
1
4
16
«Кен фи г», «Лейк» «Лотинг» (Англия)
47,55
10,36
4,267
3,734
633
2
1 75-
1,42
5,5
«Викас», «Бомбей» (Индия)
70
12,5
6
4,25
850
4
2,4
174
—
i
—
Скорость, узлы
У о
務 需
Примечания
Силовое оборудование
3 главных дизеля： 870 л. с. система Вард—Леонарда для регулирования привода винта + постоянного тока для вспомогательного двигателя. Для землечерпания один агрегат с системой В ард—Леонарда. Для навигационных целей — один или два агрегата.
11
16,75
Двухвинтовой. Днищевые разгрузочные затворы с гидроприводом
Винты приводятся двумя электрическими двигателями постоянного тока по 150 кВт = =400 об/мин.
Привод главного генератора дизельный, два дизеля по 320 л. с.
8,14
16
240
Радиус разработки 8—12 м. Подъемные механизмы приводятся электродвигателем постоянного тока по схеме Вард—Леонарда. Скорость подъема и опускания ковша 70/100 м/мин
Для привода одного винта 8-ци- линдровый дизель 600 л. с. с редукционной передачей 3 : 1,167, В спомогател ьные две установки, каждая с генератором 50 кВт
9
15,2
253,6
Два ковша типа При- стмен с дизельным приводом. Устройство для измерения глубины и поворота. Трюм с 10 шарнирными затворами из стальных листов с обшивкой из вяза. Каждый грейфер производит 80 циклов в 1 ч -
Дизель электрический привод гребных винтов и такой же привод Для грейферов, Два дизеля по 522 л. с. при =600 об/мин для привода двигателя и генератора.
Одиндизель
338 л. с. при =600 об/мин
9
Двухвинтовой. Емкость трюма 1500 т
Рис. 5.16. Штанговый снаряд с тированием грунтаРис. 5.16. Штанговый снаряд с тированием грунтанепосредственным транспор-непосредственным транспор-
Рис. 5.16. Штанговый снаряд с тированием грунта
Рис. 5.16. Штанговый снаряд с тированием грунта
непосредственным транспор-
непосредственным транспор-
ных ископаемых, связанной с подводной разработкой тяжелых грунтов в защищенных от волнений Морских акваториях.
Для разработки грунта землечерпалкой, штанговым (одночерпаковым) снарядом или грейфером скальный грунт предварительно должен быть раздроблен камнедробильным судном с копровым долотом. Одночерпаковый штанговый и грейферный снаряд могут быть сами оборудованы таким копром.
У многочерпаковых снарядов (рис. 5.17) отделение породы Ьт целика и транспортирование на борт судна осуществляются при помощи бесконечной цепи из черпаков (табл. 5.5). Для дополнительного предварительного рыхления пород иногда отдельные черпаки в цепи оборудуются специальными кирками, которые изготовляются из марганцовистой или хромоникелевой стали. Емкость черпаков является основным критерием, определяющим размер многочерпаковой драги или снаряда. Обычно емкость черпаков находится в пределах от 20 до 900 л. Старые многочерпаковые снаряды имеют черпак емкостью до 1300 л. Многочерпаковые снаряды применимы для разработки тяжелых пород.
У шаландо-рефулерных снарядов разгрузка осуществляется грунтовыми насосами на грузоотвозные шаланды или регулированием по пульповоду. Средняя глубина разработки многочерпаковыми снарядами составляет 20 м.
3 Т а б л и ц а 5.5 00
Характеристики многочерпаковых снарядов
Фирма (страна)
Основные размеры, м
Глубина разработки, м
Скорость, узлы
Двигатели
Примечание
длина
ширина
высота
осадка
средняя
максимальная
Хуан—Хань Яй (Бирма)
1960
47,24
9,753
3,657
2,565
365
12,2
18
9
Два дизеля «Листер» Блэкстоун» по 370 л. с. каждый для привода двух гидронасосов «Маннесманн Меер» и двух генераторов переменного тока 156 кВА
Носовая черпаковая рама. Двигатель имеет два гидромотора: одни гидромотор для привода верхнего барабана черпаковой рамы； лебедки имеют электрогидравличе- ский привод. Черпаковая рама имеет 46 черпаков для средней глубины. Экипаж 16 человек
«Ворнемюнде» (ГДР)
1958
54,2
9,5
2,5
630
14,0
16
5,6
Дизель электрический привод 2 X X 300 л. с. и два вспомогательных двигателя по 65 кВт
Кормова я, чер п аховая рама. Теоретическая производительность 566 м3/ч, практическая около 400 м/ч, экипаж 39 человек. Водоизмещение 1039 м3
Продолжение табл. 5.5
Фирма (страна)
Основные размеры, м
Глубина разработки ,м
Ско- рость, узлы,
Двигатели
Примечание
длин'а
ширина
высота
осадка
средняя
максимальная
Инженер Рубен «Давила» (Чили)
1956
58,0
11,2
4,4
2,85
500
12
14
10
Паровой привод. Два котла для угля и нефти каждый по 182 м3. Давление пара 14,5 кгс/см3. Первый паровой двигатель 1000 л. с. для привода насосов и гребного винта, а второй 250 л. с. для привода черпаковой цепи.
Число черпаний в минуту 15, черпаковая рама — носовая. Материал выгружается в лотки или зумпф. Плавучий и бортовой пульпопроводы диаметром 550 мм. Снаряд имеет 47 черпаков при максимальной глубине разработки. Экипаж 36 человек.
ПОРОДОЗАБОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Современные породозаборные устройства для земснарядов и подводных экскаваторов
Эти породозаборные устройства включают три следующих последовательных процесса: разрушение породы, пульпообразо- ванне и гидротранспортирование породы от места отделения от целика до всасывающего отверстия, ввод пульпы во всасывающее отверстие пульпопровода.
В качестве простейшего породозаборного устройства используются различные всасывающие наконечники, волочащиеся и установленные на жесткой всасывающей трубе.
В журнале «Порте энд Дреджинг» 1973, № 79, описывается оборудование для землесоса, добывающего гравий, разработанное голландской фирмой «ИХЦ». К числу этого оборудования отно- сится грунтоприемник Вентури (рис. 5.18). Грунтоприемник имеет длинный диффузор для превращения высокой входной скорости в напор, который затем может использоваться для подъ- ема пульпы до землесоса. В этом же грунтоприемнике путем увеличения длины контакта воды со смываемой поверхностью породы сделана попытка как можно дольше держать пульпу в контакте с дном для того, чтобы взять максимальное количество песка.
Модель грунтоприемника Вентури в масштабе 1 : 6 была испытана в опытном бассейне Минералотехнологического инсти- тута. На основании испытаний были сделаны следующие выводы:
консистенция пульпы в грунтоприемнике Вентури выше, □ем в обычном волочащемся всасывающем наконечнике;
” 2) потребное тяговое усилие приблизительно одинаково для всех типов гидроприемников;
3) наблюдается значительное уменьшение мутности вокруг грунтоприемника.
Испытания грунтоприемника Вентури в натуральную величину осуществлялись на само- отвозном землесосе с диаметром всасывающей трубы 850 мм и показали, что может быть достигнута очень высокая скорость волочения, прежде чем грунтоприемник оторвется от дна. Грунтоприемник Вентури может
Рис. 5.18. Грунтоприемник Вентури
быть использован при разработке сильно уплотненных песков и гравия.
Многие породозаборные устройства снабжены гидравлическими или фрезерными разрыхлителями.
Гидравлические разрыхлители имеют разнообразные конструкции, а по принципу действия разделяются на размывающие и диффузные. Размывающие гидрорыхлители дистанционно воздействуют подводными струями на поверхность забоя и разрушают ее подобно наземным гидромониторам, диффузные гидрорыхлители вводятся в глубь породы и напорная вода настолько насыщает породу, что последняя разжиживается, и затем всасывается.
Для нормальной работы гидравлических разрыхлителей рекомендуется соблюдать следующее условие:
Qp.产 KQr,(5J)
где Qp.B ——объемный расход рабочей воды; Q「一 объемный расход забираемой породы; К —— опытный коэффициент (в США принимают ^ == 1, в СССР [7] К = 1,1—0,3).
Напор рабочей воды, подаваемой в насадки гидрорыхлителей, принимается в пределах: Рр.в = 1,5——7 кгс/см2.
Конструкции фрез крайне разнообразны. Подводное резание породы фрезой основано на том же принципе, что и у сухопутных землеройных машин. Кроме резания фреза должна помогать подаче породы во всасывающее отверстие и разрыхлять грунт. Фрезы потребляют под водой дополнительную энергию на преодоление гидравлических потерь.
В СССР наиболее эффективными являются фрезы с отвально- направляющими поверхностями линейчатого развертывающего типа конструкции Калининского политехнического института, разработанные под руководством С. П. Огородникова.
Наиболее распространенными энергетическими параметрами для оценки механических рыхлителей являются следующие:
D. О _ РР .
^=幾，(5，2)
где TVp —— установленная мощность механического рыхлителя; Р р； Рп— соответственно сила резания фрезы и папильонажное тяговое усилие.
У многих современных земснарядов частота вращения фрезы регулируется в зависимости от типа породы и достигает 20— 30 об/мин. Энергетические характеристики отечественных фрез следующие:
Средние суглинки Тяжелые глины
厶м，кВт •ч/м3 0,2—0,40,7—0,75
1Г/ кг-ч/м3 25—3045—55
$п, кг - ч/м3 20—3040—50
Т а б л и ц а 5.6
Характеристики механических рыхлителей
Тип земснаряда
Тип рыхлителя
Марка земснаряда
кВт-ч
而
кг-ч
м®
м3
Отечественные
Фрезерные
ЗГМ-1-350А
0,225
0,08
14
надводные
рыхлители
1000—80
0,31
0,07
25
электрические
340—40
0,38
0,108
22,6
земснаряды
350—50т
0,825
0,25
48
Двухроторный
12Р—7
0,2—
0,08
16,5
Зарубежные
рыхлитель
0,266
Фрезерный
Галландские зем-
0,18—
0,19+
一
земснаряды
снаряды《Бевер》，
«Токо Мару» (Япо-
0,225
+ 0,14
ни я),
1
0,3
«Вестерн—Чиф»
1,57
и «Балтимор»
2,18
75 кгс/см
(США)
длины
Подводные
ножа
Фрезерные
Подводный экска-
0,05
земснаряды
ватор (Япония)
и экскаваторы
S-23 (Италия)
0,07
1
—
' Погружной
Подводный экскаватор «Кроул- каттер》(США)
—
一
350
Качающийся
«Моллюск» (СССР)
0,15—
0,15
10
земснаряд
гидромехани-
0,3
ческий
Американские и японские фрезерные рыхлители в среднем имеют км = 0,5—1 кВт-ч/м3, т. е. их удельная мощность в 1,5—2 раза выше, чем у фрез в СССР.
В табл. 5.6 приведены характеристики механических рыхлителей, отношение мощностей рыхлителя и грунтового насоса Л^г<н.
Породозаборные устройства для подводных земснарядов типа «Моллюск》
Подводные земснаряды должны быть просты в эксплуатации. Для обеспечения этой особенности земснаряд должен быть неболь- 1ПИМ и легким, и обладать малой энергоемкостью. На все эти качества земснаряда существенно влияют породозаборные устройства. Необходимо, чтобы породозаборные устройства не допускали просоров, не требовали больших механических напоров на забой и усилий резания, чтобы их оптимальный режим сопровождался небольшими перепадами давления в породозаборнике. Породо- заборные устройства должны обеспечивать надежный захват тяжелых минералов. -
Для оценки работы породозаборных устройств земснаряда типа《Моллюск》используются соответствующие критерии. Основным критерием, используемым для характеристики энергоемкости процесса породозабора, является следующий:
（｝р…Q-=（贤磋+c）s
Э Npi+PwQc 絹+2+S）， .
где s —— консистенция пульпы; рг ——массовая плотность породы; ^т — скорость твердой фазы в конце породозаборного устройства;
Qb ——объемный расход воды, поступающей из водоема; с ——сцепление породы; рПз — перепад давления в породозаборном устройстве; Qc — объемный расход пульпы; ^p1 — механическая мощность, затрачиваемая на рыхление породы.
Так как у всех породозаборных устройств земснаряда типа «Моллюск» разрушение породы осуществляется внутри породозаборного устройства или в плоскости зева, то отсутствует операция подачи породы от рыхлителя к зеву всасывающего патрубка. Процесс внутри породозаборного устройства состоит из трех основных операций: разрушения породы, уменьшения связности ее, взвешивания твердой фазы в потоке и разгона породы до скорости гидротранспортирования.
Разрушение породы осуществляется за счет гидроди нам ич е- ского воздействия пульпы на частицы, лежащие на дне, за счет нагружения породы градиентом гидростатического или фильтрационного давления и за счет механического резания и вдавливания ножей.
Условие разрушения породы, приобретения ею свойства текучести при воздействии на нее градиента фильтрационного давления выражается следующим образом:
匕£>*（°tg Рт + %）+专土 i¥；f 网， （5.4） где 月卩工一градиент фильтрационного давления перпендикулярный /э;力，方з； 1Э ——площадь поперечного сечения, периметр и длина элемента текучей породы; с ——нормальные напряжения, действующие на элемент в плоскости сдвига;（рт — угол внутреннего трения; ст и Со — сцепление породы на срез и разрыв; аг — угол между градиентом давления и силой тяжести; ^п ——пористость породы >
где Vn и lAj. — соответственно объем пор и скелета в выделенном объеме породы. Знак перед последним слагаемым зависит от а「
У земснаряда типа «Моллюск» резание и механическое разрушение породы осуществляются внутри породозаборного устройства или в плоскости его зева ножами без отваливающих поверх-
ностей. Образующаяся стружка (выдавленные ножами блоки породы) находится в потоке пульпы, воды и перегораживает поток но мере своего образования. По этой причине она нагружается как шибер гидравлическим перепадом давления.
Выдавленный ножом блок породы, стружки, можно рассма- тривать, как консольную балку, заделанную в опоре и нагруженную гидравлическим давлением (см. рис. 5.11).
Следовательно, для обламывания стружки необходимо следующее гидравлическое давление:
м
卩Р = -^—，(5.5)
где /б — длина стружки, блока; b — ширина стружки; М — максимальный изгибающий момент, при котором происходит обламывание стружки;
М = 5)呼，(5.6)
(5.7)(5.7)ар 一 временное сопротивление; W — момент сопротивления поперечного сечения стружки где 6 — толщина стружки. Следовательно
(5.7)
(5.7)
(5.8)
опреде-опреде-Количество породы, разрушенной в единицу времени, ляется скоростью подачи породозаборного устройства в После разрушения породы в зависимости от конструкции породозаборного устройства, его эксплуатации, типа породы могут возникнуть четыре типа потока масс твердой фазы и воды.
опреде-
опреде-
Первый тип потока возникает в том случае, если объемная консистенция пульпы мала. Например, он может возникнуть во всасывающем устройстве морского земснаряда. В этом случае твердые частицы почти не взаимодействуют между собой, так как они находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга. При этом на каждую частицу в процессе разгона в основном действует гидродинамическая сила за счет разности скоростей между жидкой и твердой фазами.
Второй тип потока возникает в неполностью вдавленном в породу всасывающем наконечнике землесосного снаряда и представляет со бой движение пульпы с большой консистенцией, при которой взвешенные частицы часто соударяются между собой. При этом в конце разгона скорости твердой и жидкой фаз не намного отличаются друг от друга.
Третий тип потока представляет собой движение текучей породы, сквозь которую фильтруется вода. Такой поток возни- 184
кает во всасывающем наконечнике землесосного снаряда, когда он вдавлен в породу, а также в случае полностью заваленного породой породозаборного устройства.
При этом частицы не взвешиваются, контактируют между собой и разгон породы происходит в основном за счет гидравлического перепада давления в начале и конце потока.
Четвертый тип потока возникает в гидромеханическом породозаборном устройстве и представляет собой поршневую структуру, в которой пробки, поршни породы, занимающие почти все живое сечение потока, чередуются с пробками воды. В процессе всего разгона скорости породы приблизительно равны скоростям пробок воды между ней. После разгона по мере движения по всасывающей трубе пробки из породы разрушаются и образуется обычная пульпа.
Для расчета параметров потока могут использоваться уравнения количества движения, баланса энергии, неразрывности, а также наперед заданная величина параметра рэ или условие его максимального значения
^рпз.
Если %, Ng и расход твердой фазы Qt не зависят от рпз, то это условие будет представлять собой следующее алгебраическое уравнение:
Рпз = (1 + s) s.(5.9)
Для первого типа потока уравнение количества движения может быть написано для одной разгоняющей твердой частицы
т& dv = (Pj + Р" dt,(5.10)
где g — масса частицы; v — мгновенная скорость частицы; Ро —— гидродинамическая сила, действующая на частицу; Р» —— сила, действующая на частицу в результате градиента давления в потоке; t ——время действия сил.
Частицы породы можно рассматривать, как массы, нагруженные градиентом давления, которые проходят различный путь от места отделения от целика до выходного сечения. Можно обеспечить такую форму канала породозаборного устройства, при которой на расчетном режиме градиент давления йр будет постоянным по длине потока.
Уравнение баланса энергии для этого потока в каком-либо заданном контрольном объеме имеет следующий вид (см. рис. 5.9):
Qbb [%十*(或一嗡]十C1 (1十圈)% =
—"^匕々泣Qt +小十Mr+Ng，(5/1)
где Qbb ——объемный расход воды из водоема; ^工，^2 — соответственно, скорости воды на входе в контрольный объем породоза-
185
борного устройства и на выходе из него; рп — перепад давления на входе и выходе из контрольного объема; рв — массовая плотность воды; С» — коэффициент, учитывающий различное давление на поверхность увлекаемой породы; ^п — пористость породы, отношение объема пор к объему твердой фазы в породе; Nx ——мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения и на взвешивание твердых частиц; NT — мощность, затрачиваемая водой на разгон твердой фазы； N& — мощность от гравитационных сил зависящих от ориентации породозаборного устройства.
При установившемся режиме работы породозаборного устройства с каждой единицы смываемой поверхности породы отводится одинаковое количество породы в единицу времени.
Определим число разгоняющихся частиц твердой фазы в по- родозаборнике
仁卧(5」2)
О
где V4 ——средний объем твердых частиц; /р ——длина разгона частиц (см. рис. 5.9); /р — время, разгона частицы.
На разгоняемую частицу действует гидродинамическая сила:
冗=3 5Рв，м冰=% (% — 旷(5.13)
где cr ——коэффициент лобового сопротивления; /м ——миделево сечение частицы; 〃 = % — и, % — скорость воды.
Кроме того, на частицу действует сила, обусловленная градиентом давления 財 в потоке:
p» = % 財.Из уравнения количества движения получим:tp^^V~K arctg%2 У号’где 明2 — скорость твердой фазы в конце разгона.Таким образом, количество разгоняющихся частицт = PtQ「一"二 arctg Ut2 1/ -^- гp» = % 財.Из уравнения количества движения получим:tp^^V~K arctg%2 У号’где 明2 — скорость твердой фазы в конце разгона.Таким образом, количество разгоняющихся частицт = PtQ「一"二 arctg Ut2 1/ -^- г(5.14)(5.14)(5.15)(5.15)(5.16)(5.16)
p» = % 財.
Из уравнения количества движения получим:
tp^^V~K arctg%2 У号’
где 明2 — скорость твердой фазы в конце разгона.
Таким образом, количество разгоняющихся частиц
т = PtQ「一"二 arctg Ut2 1/ -^- г
p» = % 財.
Из уравнения количества движения получим:
tp^^V~K arctg%2 У号’
где 明2 — скорость твердой фазы в конце разгона.
Таким образом, количество разгоняющихся частиц
т = PtQ「一"二 arctg Ut2 1/ -^- г
(5.14)
(5.14)
(5.15)
(5.15)
(5.16)
(5.16)
где рт — плотность твердой фазы.
Учитывая, что vdt — */, из уравнения количества движения получим:
/не dv = (Ру + Pj) dl = d%T,(5.17)
гае 4T ——работа, затрачиваемая на разгон твердой частицы. 186
Воспользовавшись этим уравнением можно получить выражение мощности, затрачиваемой на разгон твердой фазы
% = $ PtQt (《2% = $ PtQt (《2°Т2°Т2arctg ут2arctg ут2(5.18)(5.18)В том случае, когда выходное сечение контрольного объема совпадает с живым сечением всасывающей трубы приближенноВ том случае, когда выходное сечение контрольного объема совпадает с живым сечением всасывающей трубы приближенно
% = $ PtQt (《2
% = $ PtQt (《2
°Т2
°Т2
arctg ут2
arctg ут2
(5.18)
(5.18)
В том случае, когда выходное сечение контрольного объема совпадает с живым сечением всасывающей трубы приближенно
В том случае, когда выходное сечение контрольного объема совпадает с живым сечением всасывающей трубы приближенно
можно считать, что
°Т2 = °в. т»•
(5.19)(5.19)где ув< f — скорость гидросмеси во всасывающей трубе. В большинстве случаев
(5.19)
(5.19)
^т^ 2 PtQt%. т*
Передавая энергию разгоняемым частицам, вода в породозаборном устройстве одновременно взвешивает эти и уже разогнанные частицы. Кроме того, вода, входящая в породозаборник через всасывающее отверстие, одновременно увлекает за собой воду, находящуюся в порах породы.
Расчетный режим может не возникнуть, если не происходит полного смешения породы и воды и последняя не отдает соответствующей энергии породе; если количество воды, поступающей через всасывающий патрубок, недостаточно для обеспечения требуемой производительности по породе.
Второй тип потока возникает во всасывающем наконечнике землесосного снаряда. При этом между крышкой этого породо- заборника и породой остается небольшой зазор, высотой Лв, длиной % (см. рис. 5.10), по которому вода из всасывающего патрубка поступает во всасывающую трубу.
При расчете разгоняющегося потока второго типа удобно использовать следующее векторное уравнение количества движения для контрольного объема с выходом во всасывающей трубе, включающего всю разгоняющуюся пульпу (см. рис. 5.10).
+())%"&.「
-Рв& ( 1 +(丁s)A_ 一為)正=耳一心 (5.20) где % — вектор скорости воды на входе в контрольный объем; От，國.т — векторы расхода и скорости; Рг — вектор гидравлической силы, действующей на контрольный объем; 7?工——вектор силы трения, действующей на контрольный объем.
Для потока с прямолинейной осью
Рг к е『£в. тРп, (5・21) где fB>T —— площадь сечения всасывающей трубы на выходе из контрольного объема;纣一коэффициент.
Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в породозаборном устройстве будут
。& ~ 2 &$Рсм%. т，(5.22)
где Е§ ——коэффициент местных сопротивлений; рсм ——плотность гидросмеси на входе во всасывающую трубу.
Таким образом, пренебрегая затратой энергии на взвешивание, получим:
纥=} "sPcm* tQc・(5.23)
Коэффициент местных сопротивлений может быть представлен так
Es = Egs + 占 ts, (5.24)
Egs ——коэффициент местных сопротивлений, связанный с расширением потока, с потерями на удар;気一коэффициент местных сопротивлений связанный с трением.
Из полученных выше уравнений баланса энергии и количества движения для пульпы можно определить выражение для потерь на удар при течении пульпы
+~~-1-Г1 一 -悬&(5.25)
(l+s)2(l+4ps)*L O+s"f」
где
可1 = _^_;4 =粤；妤=%(1-&) +&.(5.26)
/ВТРв
片一площадь сечения на входе в контрольный объем.
Рассмотрим третий тип потока (см. рис. 5.10).
Фильтрация воды в породе возникает раньше, чем происходит ее разгон. Часть фильтрующей воды из неподвижной породы входит в поток текущей породы, а другая часть, с самого начала проходящая через разгоняющуюся породу, увеличивает абсолютную скорость вместе с породой. При этом вся вода, кроме относительной скорости фильтрации в текучей твердой фазе, приобретает еще скорость самой твердой фазы, так что вектор абсолютной скорости воды будет:
(5.27)(5.27)а = U© + 力
(5.27)
(5.27)
где Уф— вектор скорости фильтрации воды относительно твердой фазы; и — вектор скорости твердой фазы.
188
Рассмотрим контрольный объем, ограничивающий поток породы. Уравнение количества движения для этого контрольного объема будет иметь следующий вид:
(Рт + &нРв) ^в, tQt + PbQ© (ув. т — ”ф) = Рг + Ph ~~ Rt， (5.28) где Ph ——вектор силы тяжести.
При суживающемся потоке породы с прямолинейной осью будем считать, что реакция стенок канала уравновешивает гидравлическую силу, приложенную к проекции этих стенок на входную торцовую поверхность контрольного объема. В этом случае
Рг = рп『2, (5.29) где 『2 — площадь торцовой поверхности контрольного объема на выходе потока из него.
Расход пульпы на выходе из контрольного объема будет
Qcm = (1 + &п) Qt + Q©・ (5.30)
Так как твердая фаза взаимодействует только с фильтрационной водой, то уравнение баланса энергии будет иметь следующий вид:
[Cl (1 + 左n) Qt + &Q©] Рп — [ ^~~ + &п) Qr + Q4)] Рв ~^~ —
土 QtYtB力у = Nq, (5.31 ) где С2 ——коэффициент, учитывающий разницу давлений на поверхности входа фильтрующей воды в контрольный объем;用丫 —— геодезическая разность высот входа и выхода потока из контрольного объема.
Если породозаборное устройство завалено породой и работает из-под слоя, то границы потока твердой фазы и фильтрационного потока могут не совпадать по всей длине до входа во всасывающую трубу, в породозаборное устройство.
Количество фильтрационной воды, поступающей во всасывающую трубу, определяется из условия, что вся вода поступает непосредственно из водоема через слой, покрывающий породоза- борник, а не из толщи водоносного пласта.
Относительная фильтрация воды со скоростью иф в потоке породы возникает в результате наличия градиента давления ^р, действующего на поток породы.
Таким образом, расход фильтрующей воды может быть определен из уравнения фильтрации
<?©=&$% (5.32) где fc ——площадь поперечного сечения потока породы;月ф — коэффициент фильтрации; м —— показатель степени, зависящий от режима фильтрации.
Приближенно можно считать, что при заваленном породой породозаборном устройстве поток текучей породы в зависимости от положения всасывающей трубы имеет кольцевое или круглое сечение.
При этом по всей длине потока породы площадь его попереч- i кого сечения неизменна
fc =，BT・(5.33)
В том случае, когда породозабор осуществляется всасываю-' щим наконечником землесосного снаряда, вдавленным до крышки в породу, количество воды, профильтровавшейся во всасывающую трубу, может быть определено следующим образом ； (см. рис. 5.10):I
Сф!=勿6% 绰 + е&‘(5・ 34) !
где 6 и hn ——соответственно ширина и высота желоба во всасывающем наконечнике; ег — коэффициент, учитывающий цикличное изменение давления в плоскости зева.
Расходная консистенция пульпы будет:
Qs，Qt •(5-35)
Четвертый, поршневой тип потока, возникающий при гидромеханическом разрушении породы (см. рис. 5.11), также может иллюстрироваться уравнениями количества движения и баланса энергии.
Уравнение количества движения
/Иб dv = ^2/брп 近一dR,(5.36)
где m6 — масса отломанного разгоняющегося блока породы； f6 —сечение блока породы; е?——коэффициент, учитывающий цикличное изменение рп.
Уравнение баланса энергии
"вн + "тп = №亏 + Л^Т + Мпв,(5.37)
где
• "вв= (%-4"Pb*t)Qbb'(5.38)
“ТП =匆(1 +&П)QrPn>(5.39)
Мтн = (рт + ^пРв) Qt —j-,(5.40)
После подстановки значений слагаемых получим
[々(1 +^п) Qt + Qbb] Рп — [Qbb + (2~^~ +々口) Qt] Pb 一；二(5.41)
Механическое усилие Рм, необходимое для резания породы, приближенно равно силе вдавливания режущего периметра в целик (силе смятия).
РмаКсм〃цЬн,(5.42)
「де Кем — удельное сопротивление смятию, вдавливанию; %, 6н ——величина периметра и толщина режущей кромки.
Условие отсутствия стеснения одной обломанной стружки другой, еще образующейся (см. рис. 5.11) следующее:
2t'n^c — &к/с,(5.43)
где /с — путь продвижения породозаборника, в конце которого обломанная стружка отводится с пути вырезаемой стружки; % ——скорость породы; vn ——скорость папильонирования; Лс —— толщина стружки.
При конструировании породозаборного устройства должны быть известны следующие параметры: QT, s, рпз,巩，Рм, ивт, 力，площадь поперечного сечения канала под желобом /Ж1 площадь живого сечения всасывающего патрубка /1Т /вт, L© (см. рис. 5.9).
При расчете пор одоз а бор но го устройства должны быть заданы величины QT, s или рпз, физико-механические свойства породы и другие параметры в зависимости от способа породозабора.
Для расчета породозаборного устройства используется следующая система уравнений:
уравнения, определяющие параметры, необходимые для разрушения породы (приобретение ею свойства текучести, смятия породы и обламывания стружки, смыва частиц породы с поверхности целика);
уравнения количества движения;
уравнение баланса энергии;
условие минимальной энергоемкости процесса породозабора (Рэ mtn)；
уравнения неразрывности потоков;
уравнения фильтрации;
формула скорости подачи породозаборного устройства;
условие проходимости больших кусков породы,
Ь/п〉！к,(5.44)
где /к — максимальный размер перекачиваемых кусков породы.
ПОГРУЖНЫЕ ГРУНТОВЫЕ НАСОСЫ
В настоящее время сложилось общее мнение специалистов, что применение погружных грунтовых насосов для подводной добычи полезных ископаемых существенно повышает эффективность производства, а иногда является единственным рациональным средством для подводной выемки породы.
Погружение грунтового насоса под воду не только позволяет поднимать со дна пульпу с большим удельным весом, но и дает возможность использовать напор насоса для непосредственного разрушения породы.
По конструкции проточной части погружные грунтовые насосы могут отличаться наличием или отсутствием промывочной воды, могут быть осевыми или центробежными, низкооборотными или высокооборотными.
Рис. 5.19. Японский погружной бустерный осевой грунтовый насос, встроенный в пульпопровод：
/ — корпус насоса; 2 — осевое ра- бочее колесо; 3 — маслозаполнен- иыё электродвигатель; 4 — всасывающий патрубок; 5 — напорный патрубок; 6 — уплотнение электродвигателя
По тапу привода, погружные грунтовые насосы разделяются на установки, имеющие капсульный герметичный воздушный электропривод, маслозаполненный электропривод, объемный гидропривод и привод с длинным валом от электродвигателя, установленного выше уровня воды. Электрический и гидравлический приводы могут находиться в воде или в потоке пульпы. По компоновке погружного грунтового насоса может применяться либо моноблок, либо насос, имеющий отдельный от привода вал.
Для подводной добычи нер удных полезных ископаемых с помощью земснарядов, имеющих жесткую раму разрыхлителя, применяются погружные грунтовые насосы с длинным валом. Такие грунтовые насосы используются в СССР.
На жесткой раме разрыхлителя земснаряда могут устанавливаться встроенные в пульпопровод бустерные грунтовые насосы. Примером может служить японский бустерный осевой грунтовый насос, установленный на земснаряде «Токая Мару》 (рис. 5.19).
Характеристика японасого бустерного осевого насоса
Производительность, м3/ч 6000—11 000
Напор, м вод. ст 8—6
Коэффициент полезного действия 0,74
Установленная мощность, кВт 200
Насос моноблочный, имеет маслозаполненный двигатель и износостойкую быстросъемную футеровку проточной части. Давление масла в двигателе больше, чем в окружающей пульпе. Масло постоянно циркулирует через двигатель с помощью гидросистемы.
На грунтоприемнике волочащейся всасывающей трубы само- отвозного земснаряда 《Маас», построенного в Голландии, установлен погружной грунтовый насос (рис. 5.20) с гидроприводом, позволяющий извлекать породу с глубины 33 м.
Насос приводится параллельно соединенными объемными гидродвигателями общей мощностью 1200 л. с. Всасывающий патрубок 192
Рис, 5.20, Погружной грунтовый насос с гидроприводом голландского земснарядаРис, 5.20, Погружной грунтовый насос с гидроприводом голландского земснаряда
Рис, 5.20, Погружной грунтовый насос с гидроприводом голландского земснаряда
Рис, 5.20, Погружной грунтовый насос с гидроприводом голландского земснаряда
диаметром 800 мм. Частота вращения насоса -235 об/мин. При испытаниях плотность перекачиваемой гидросмеси достигала 1,4 т/м3.
Погружной центробежный моноблочный грунтовый насос также применяется на японском подводном траншейном экскаваторе. Для работы насоса используется промывочная вода. Проточная часть японского погружного грунтового насоса износостойкая.
Специальный погружной грунтовый насос 1200; 700/27; 49 (рис. 5.21) входит в подводный земснаряд «Моллюск-5», Грунтовый насос 1200; 700/27; 49 служит не только для гидротранспортирования породы, но и для ее разрушения за счет перепада давления на всасывании, который при достаточной глубине погружения может быть примерно равным напору землесоса. Привод насоса осуществляется одним из двух типов специальных герметичных электродвигателей.
Техническая характеристика погружного грунтовогонасоса 1200, 700/27, 49 с двумя сменными рабочими колесами
Колесо № 3 Колесо № 4 (двухло- (трехлопаст- пастное) ное)
Подача по воде, м3/ч 1200700
Напор, м столба пульпы 2749
Коэффициент быстроходности. . . . .250121
7 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А, Нурока
Проходное сечение, мм 170120
Частота вращения, об/мин 1500
Максимальная удельная масса перекачиваемой пульпы, т/см' 1,71,7
Диаметр, мм: всасывающего патрубка 250
напорного патрубка 250
Максимальная установленная мощность, кВт30Q
Масса насосной установки, кг. . . .3400
Максимальная глубина погружения под уровень воды, м 500
Этот грунтовый насос создавался специально для подводного '1 земснаряда «Моллюск-5», поэтому он обладает следующими осо- | бенностями: небольшая масса; максимальная простота конструк- j ции; отсутствие промывочной воды; возможность работы на воде J и пульпе в любом положении при давлении окружающей среды до 1 50 кгс/см2; корпус насоса выдерживает небольшие удары при』 опускании его на каменистое дно водоема; минимальная темпе- -| ратура хранения насоса до — 60° С.1
Работающий насос может быть подвешен на одном канате к 扌 стреле грузоподъемного средства, его корпус является несущим 《 элементом для монтажа других узлов земснаряда «Моллюск-5» j таких, например, как погружной понтон с регулируемой плаву- { честью, породозаборное устройство, всасывающая труба. :
Погружной грунтовый насос имеет следующие особенности W конструкции. Наиболее важным является герметизация насоса и привода. Для герметизации насоса, погруженного не только в воду, но и в пульпу, имеется двухступенчатый узел уплотнения вала. Уплотнения первой ступени отделены от второй маслозаполненной камерой. Каждая ступень уплотнения включает неподвижную манжету в паре с вращающейся втулкой, имеющей фильтрующие каналы, которые изолируют узел уплотнения от крупных твердых частиц. Первая ступень имеет торцовое уплотнение конструкции ВНИИГидромаша для пульп с небольшим содержанием твердого материала, а вторая — резиновые манжеты.
Чтобы разгрузить двухступенчатый узел уплотнения от большого перепада давления, кронштейн насоса и электропривод заполнены маслом. Полости кронштейна и электродвигателя соединены с маслоподпорной системой.
Уплотнение от внешней среды напорной стороны проточной части насоса достигается благодаря тому, что задняя крышка насоса имеет лабиринтное уплотнение, а рабочие колеса, на напорной стороне снабжены радиальными отбойными лопатками, уменьшающими перепад давления в лабиринтном уплотнении.
Погружной грунтовый насос в составе земснаряда «Моллюск-5» эксплуатируется с 1973 г. Эта машина используется для подачи песков, супеси и тяжелых суглинков с валунами. В связи с большой вибрацией и ударами насоса, закрепленного эластичными 194
Рис. 5.21. Погружной грунтовый насос земснаряда «Моллюск-5»:
/ ——уплотнение первой ступени; 2 — уплотнение второй ступени; 3 ——кронштейн иасоса; 4 — герметичный электропривод； 5 — корпус муфты； передающей вращение от электродвигателя； 6 — диафрагмы, уравнивающие давление внутри и снаружи насоса; 7 — лабиринтное уплотнение； 8 — рабочее колесо; 9 — задний бронедиск; /0 — ротор груито- вого насоса： 11 — уплотнительное кольцо； 12 — манжетное уплотнение электродвига- теля от полости кронштейна; /3 — отвод насоса； 14 — обмотка электродвигателя; /5 — корпус статора электродвигателя; 16 — ротор электродвигателя; /7 — кабельный ввод; J8 — противоударный кожух кабельного ввода; /9 — рым для подвески земснаряда
связями, все его резьбовые соединения должны быть закреплены ' шплинтами или контровочной проволокой.j
Необходимо отметить, что для предохранения трубопроводов , земснаряда «Моллюск-5» от заиления и сохранения преимуществ,: которые дает гидромуфта, вместо последней в насосе 1200; 700/27,' 49 целесообразно устанавливать гидротрансформатор.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОДВОДНОГО ЗЕМСНАРЯДА
ТИПА《МОЛЛЮСК»
Опытное и' промышленное использование земснаряда типа «Моллюск» осуществляется с 1972 г. (табл. 5.7).
Основной способ работы земснарядом типа «Моллюск» предусматривает разработку уступа с подрезкой и обрушением. Благодаря такому методу разработки частичное разрушение породы и подача ее к породозаборному устройству ос уществл я юте я за счет 、 гравитационных сил, что снижает удельную энергоемкость и среднюю скорость папильонажных перемещений.
В результате обрушения подрезанного уступа не только породозаборное устройство, но и часть всасывающей трубы земснаряда могут быть завалены породой. При этом земснаряд тапа «Моллюск» обеспечивает саморазмыв, если прекратить его перемещение. Из опыта работы было установлено, что саморазмыв завала в условиях моря Лаптевых осуществляется в течение 5— 15 мин. При установившейся работе земснаряд присасывается к забою с силой 100—200 кгс.
В 1975 г. в море Лаптевых земснаряд типа «Моллюск» опробовался для извлечения породы из-под льда, а в 1976 г. он использовался для подледной разработки траншеи методом воронок в Костроме. По оси будущей траншеи создавали три майны на расстоянии 8 м друг от друга при этом из воронок благодаря ма- # лому углу откоса получалась траншея. Таким образом на глубине 6,5 м была разработана подо льдом траншея длиной 24 м.
При засорении решетки всасывающей трубы негабаритными камнями чистка решетки может осуществляться после промывки пульпопровода водой при остановке приподнятого от забоя земснаряда или полном извлечении работающего земснаряда из воды. В первом случае возникает обратный поток воды, который выталкивает камни обратно в забой, а во втором случае пропадает присасывание камней к решетке и они выпадают из нее под собственной тяжестью.
Опыт эксплуатации земснаряда типа «Моллюск» показал, что запуск машины необходимо производить на воздухе, а затем следует медленно погружать ее в воду. При этом задвижка на напорном пульпопроводе может быть открыта.
При глубинах разработки породы под водой до 12 м и высоте подъема при этом над уровнем воды 14 м обратный и сливной клапаны на напорном и всасывающем трубопроводах общей длиной до 90 м могут не устанавливаться.
196
Использование земснаряда типа «Моллюск» на глубинах менее 5 м рационально только при небольших перепадах давления на породозаборном устройстве
РпЗ«Нвс+^ПВ' (5.45) где "вс ——высота всасывания насоса;用^ ——глубина погружения насоса.
При больших перепадах давления насос на малых глубинах кавитирует. Кавитация не приводит к прекращению работы насоса и потере его производительности, но он сильно вибрирует. В рабочем колесе через 100 ч работы появляется кавитационный износ и пульпа подается с неравномерным пульсирующим расходом.
При проходке траншей в условиях, когда выброс из пульпопровода закреплен на понтоне, необходимо иметь в виду, что понтон должен быть надежно заякорен, так как на выходе из пульпопровода возникает реактивная сила, достигающая 400——500 кгс. Наилучшее положение земснаряда в забое определяется по перепаду давления на породозаборном устройстве и по консистенции пульпы. Двигатель земснаряда рассчитан на продолжительную работу только в воде, поэтому на воздухе без нагрузки он должен работать не более 10——15 мин, а под нагрузкой 3——5 мин.
ПОДВОДНЫЕ БУЛЬДОЗЕРЫ
Подводные бульдозеры созданы в СССР и в Японии. В СССР подводные бульдозеры-планировщики применяются в портах при планировке дна и постели для молов. Созданы, например, подводные бульдозеры «Рижанин» и «ЦНИИС-1».
Бульдозер «ЦНИИС-1» представляет собой шагающую под водой машину с выдвижным отвалом. Машина устанавливается на специальных лапах, упирающихся в дно, а отвал выдвигается вперед, планируя расположенную перед бульдозером площадку. Затем бульдозер на катках по специальным лыжам перемещается на предварительно спланированную площадку, устанавливается на лапах и процесс повторяется. Длина шага машины 1 м, глубина разработки около 11—16 м.
Бульдозер-планировщик «Рижанин» создан в 1969 г. Он опирается на плавучее основание типа катамаран. Бульдозер снабжен грейферным краном для подсыпки камня перед отвалом. Эта машина может разрабатывать песчаный и гравийный грунты.
Значительный интерес представляют собой японские земноводные и подводные бульдозеры, которые могут осуществлять добычу песка, гравия и щебня, работая совместно с надводным землесосным снарядом, драглайном и грейфером. Существуют четыре типа японских подводных бульдозеров для глубин 3, 7, 15 и 60 м, созданных фирмой «Комацу».
Таблица 5.7 оо
Эксплуатационные параметры при работе земснарядов типа «Моллюск»
Район работ
Год эксплуатации или опробования
Группа грунта по СНиП IV—10
Метод разработки
S
Иде
Тнп породозаборного устройства
,6 о и п о Н и
я н ^ « ^ °普龍
Особенности работы
г. Уфа, р. Белая
г. Волжский,
р. Волга
г.
Ижевск, Ижевский пруд
^^j^^g^^^^
Северный ледовитый океан
г. Ярославль, р. Волга
г. Кострома
г. Казань
г. Ярославль
1972 г.
1973 г.
1974 г.
1976 г.
1975 г.
1976 г.
1976 г.
1977 г.
Песчано-гравийная поро
да, III
Пески, I и II
Супеси легкие II или суглинки легкие IV
Связаные алевритовые отложения торфов IV一VI
Тяжелые суглинки с большим содержанием валунов,
IV
Пески
Пески
Пески
Работа методом воронок, породо- забор из-под слоя породы
Работа воронками, породозабор из-под слоя породы
Веерное папильо- нирование, сопровождающееся небольшими обрушениями откосов выемки
Разработка воронками породозабора из-под слоя породы
Работа методом воронок с небольшими ударами породозаборным устройством по забою путем резкого спуска земснаряда краном
Подледнаявы
емка траншеи воронками через отдельные проруби
Воронки из-под слоя породы с подачей воды через всасывающий патрубок
То же
3
6
4—11
Ий
12
3—5
6,5
3—5
5
1
5
0,9
8—14
0,8
0,1
5
5
Овальный всасывающий наконечник Всасывающий наконечник землесосного снаряда
Всасывающий наконечник землесосного сн ар яда Круглый всасывающий наконечник на земснаряде типа «Моллюск» Земснаряд ТЗР-12А со свободным всасом
Всасывающий наконечник землесосного снаряда (с ножами) конечнык землесосного снаряда
То же
Круглый всасывающий наконечник
Всасывающий наконечник землесосного снаряда
То же
100
180
185
140 ПО
0,о 125^
50
200
200
0,07
0,185
Максимальная 2,4 Максимальная
1,6
0,1
0,12
0,1
0,125 ；
0,07
0,74
0,74
Работа велась в забое, образованном земснарядом 12А-5 Использовался «Моллюск-3»
Надводный уступ 10 м, укрепленный шпунтом через который проходил грунт
Работал 《Мол-
люск-3»
Забой засорен топляками
Работал «Мол- 1 люск-3»
Большие завалы породозаборкого устройства и земснаряда, требующие саморазмыва в течение 5—15 мин
Работал «Моллюск-5»
На каждые"4—5 м2 породы приходился один валун размером более 10 см
Работал«Мол
люск-3»
Работал«Мол
люск-3»
Работал«Мол
люск-5»
Работал «Моллюск-3»
Земноводный бульдозер типа Д125-18В может работать на суше и в воде на глубине до 3 м при возведении различных гидротехнических сооружений в морях и внутренних водоемах. Этот бульдозер имеет герметичный корпус, снабженный двумя шахтами для входа оператора и вентиляции машины.
Техническая характеристика бульдозера Д155-1
Глубина разработки, м 7
ПрИВОД ДИЗСЛЕЕЫЙ
Скорость перемощения вперед,км/ч 3,6
То же назад, км/ч 4.3
Ш [рина отвала, км 3800
Емкость отвала, м3 3,8
Удельное давление на грунт, кге/см2 0,6
Перепад давления внутри и снаружи бульдозера, кгс/см2 0,3—0,45
Основные размеры, мм9105,3800, 8995
Масса, т 43
Рис 5.22. Японский подводный бульдозерРис 5.22. Японский подводный бульдозерДля управления бульдозером применяется радио или телефон. Исполнительные механизмы системы управления пневматические. Бульдозер может управляться оператором, находящимся в кабине, или же без него. Отвал бульдозера имеет боковые стенки, защищающие грунт от смыва водой. Бульдозер для работы на глубинах 15 м имеет мощность 1100 л. с. и ширину отвала 10 м. Бульдозер для работы на глубинах 2——60 м имеет электрический привод. Управление бульдозером может быть дистанционным и непосредственно находящимся в бульдозере оператором. Система управления этого бульдозера включает телевизионные камеры, эхолот, датчики крена и дифферента. Мощность привода 300 л. с. Емкость кабельной лебедки для электроснабжения бульдозера 150 м. Масса бульдозера в воде 34 т. Емкость отвала 7 м3. Бульдозер может оборудоваться грейфером или буровой установкой.
Рис 5.22. Японский подводный бульдозер
Рис 5.22. Японский подводный бульдозер
Фирмы «Кокудокайцаху» и «Хитачи» создали бульдозер (рис. 5.22), имеющий две цистерны, обеспечивающий изменение массы буль* дозера под водой. Бульдозер имеет гидропривод мощностью 160 л. с. и обслужива-
ется с надводного судна. В обслуживающий бульдозер
комплекс входят также исследовательское судно и сонар.
МОРСКИЕ ДРАГИ
Наиболее распространенными являются м^огочерпаковые драги. В последние десятилетия построены и применяются также гидравлические драги. Морские многочерпаковые драги применяются, например, для добычи касситерита у берегов Индонезии. К таким драгам относится «Банка-1», введенная в эксплуатацию в 1966 г.на расстоянии 9 миль от о. Банка. Эта драга имеет черпаки емкостью 400 л, число черпаний в минуту 26 ——23, глубина разработки 40 м, мощность электропривода черпаковой цепи 600 л. с.
Многочерпаковая драга «Таиланд» имеет черпаки емкостью 420 л, число черпаний в минуту 10—15, глубина разработки 47 м, производительность 190 м3/ч, энергоемкость — четыре двигателя по 900 л. с. каждый.
Большой интерес представляет японская глубоководная многочерпаковая драга, которая предназначена для добычи конкреций и продуктивного песка с больших глубин. Принципиальная схема драги впервые была представлена Японией в 1973 г. на выставке «Интерокеан-73» в Дюссельдорфе. Конструкция драги основана на изобретении японского инженера Масуда, заключающемся в применении черпаковой цепи без жесткой рамы в виде бесконечного синтетического нескручивающегося каната с черпаками, закрепленными на нем стропами из манильского каната. Такая черпаковая цепь проходит вдоль борта судна от носа до кормы и свешивается с него на дно. В зависимости от глубины моря длина каната и емкость черпака меняются (рис. 5.23).
Полупромышленная установка была создана на базе грузового судна «Чиода Мару» длиной 79 м, шириной Ими грузоподъемностью 1400 т. На судне^установлены две тяговые машины для перемещения черпаковой цепи. Применялись черпаковые цепи двух типов, одна с диаметром каната 40 мм, длиной 8200 мне раз-3 ,
рывным усилием 20 тс, с 240/
черпаками, емкостью 45 кг каждый, другая с диаметром каната 20 мм, длиной 10 000 м и с разрывным усилием 7 тс. Расстояние между черпаками 25 м. Применялись также черпаки емкостью до 100 кг конкреций, минимальное расстояние между восходящей и нисходящей
Рис. 5.23. Японская глубоководная многочерпаковая драга:
/ — судно; 2 — черпаковая цепь； 3 — тяговые машины; 4 — черпаки; 5 — восходящая ветвь； 6 — нисходящая ветвь
^ис* 5.24. Дражная система HDS— CLB:
участок цепиучасток цепи/,2 — суда, несущие черпаковую систему; 3 —— нисходящая ветвь черпаковой цепи на судне /； 4 — восходящая ветвь черпаковой цепи на судне 2; 5 ——черпающий
участок цепи
участок цепи
ветвями 1 м на каждые 25 м глубины обеспечивают отсутствие зацепления между ковшами.
* Испытания этой драги осуществлялись около острова Гаити. С глубины 1000 м извлекался мелкозернистый известковый песок, с глубины 3700 м поднимались конкреции. При этих работах использовалась черпаковая цепь с диаметром каната 20 мм, длиной 1000 м и со 170 черпаками. При драгировании скорость бокового смещения судна составляет 0,2—0,5 м/с, а скорость черпаковой цепи 0,6—0,9 м/с. В процессе подъема песок вымывался из ковшей и происходило обогащение конкреций.
На основе этих работ подсчитано, что производительность установки 1,5 млн. т конкреций в год. При ковшах, емкостью 5 т и канате с разрывным усилием 2500 тс с глубины 6000 м можно будет поднимать 5000 т конкреций в сутки.
Объединение ряда фирм, получившее сокращенное название КНЕКСО, разработало модернизированные дражные системы с гибкой безрамной черпаковой цепью конструкции Масуда, Такая система экспонировалась в Бордо на выставке《Океан— экспо»-74.
Дражная система CLB представляет собой бесконечную черпаковую цепь, опирающуюся на два судна. Дражная система HDS——CLB предусматривает одно судно, но имеет гидродинамическое разделение восходящей и нисходящей ветвей черпаковой цепи, что позволяет осуществлять драгирование на большой глубине.
В системе HDS——CLB (рис. 5.24) для разделения ветвей используются силы, которые получаются аналогично силам от траловых досок. Гидродинамическая сила возникает при подвешивании ковшей, черпаков к канату под некоторым углом атаки на двух дужках ——короткой и длинной. Это обеспечивает на нисходящей ветви наклон ковша в одну сторону, а на восходящей в другую, что и вызывает гидродинамические силы, разводящие ветви.
Система HDS—CLB была испытана на глубине 20 м с судна водоизмещением 2 тыс. т, с полезной скоростью 3 тыс. м3. Ковши имели длину 2,5 м, диаметр 2 м и крепились к канату длиной 60 м через 15 м. Скорость движения черпакового каната 0,5 м/с. Сила натяжения восходящей ветви 10 тс, а нисходящей ——2,8 тс. Привод цепи имел мощность 90 кВт, а производительность до 700 т/ч. КНЕКСО приступил к созданию системы CLB производительностью 400 тыс. т конкреций в год.
Для морской добычи алмазов и конкреций применяются эрлифтные драги. Так для добычи алмазов у берегов Юго-Западной Африки применялись несамоходные эрлифтные драги. На несамоходной драге «Баржа-7» (США, компания «Коллинз»), имеющей глубину разработки 30 м и производительность по породе 90— 120 м3/ч на борту была установлена флотационная машина для извлечения алмазов из алмазосодержащего гравия. Выемка осуществлялась методом «воронок».
На больших глубинах, до 120 м, добычу алмазов вела другая драга, «Баржа-ПЬ, диаметр подъемной трубы 250 мм; на борту драги установлены вибрационные грохоты для удаления ила и крупного гравия. Для обогащения применяются также ленты, покрытые смазкой.
На небольших глубинах компания «Марин Даймонд Корпо- рейшн» применяет драгу «Диаманткус», имеющую три эрлифта диаметром 400 мм и три эжектора диаметром 250 мм. Драга имеет шесть папильонажных канатов, может работать при высоте волны до 5 м. Эжекторы обслуживаются насосом с напором 25 кгс/см2, эрлифты имеют компрессоры мощностью 450 л. с. с давлением сжатого воздуха до 7 кгс/см2 и расходом воздуха 60 м3/мин.
Компанией «Дипси Венчас» (США) была создана опытная эрлифтная драга, которая предназначена для добычи конкреций с глубин 900——2100 м (рис. 5.25). Она является прототипом драги в 5 раз превышающей построенную, которую компания собирается создать для промышленной эксплуатации. Испытания этой драги производились в 1970 г. в течение одного месяца на «Черном Плато» в 312 км от побережья Георгия——Флорида на глубине около 800 м. Драга построена на базе судна «Дипси Наймер» водоизмещением 7400 т, длиной 106 м, шириной 15,2 м. В судне прорезан сквозной колодец размером 6X9,2 м, над которым установлена грузоподъемная вышка высотой 22,9 м. Кроме того, судно имеет деррик-кран высотой 22,5 м.
Длина эрлифтного трубопровода 823 м, диаметр 257 м. Он составляется из отдельных свечей длиной 12 м, которые наращиваются в грузоподъемной вышке. Спуско-подъемные операции трубопровода осуществляются по аналогии с буровыми штангами. Кроме эрлифтного трубопровода имеется прикрепленный к нему обоймами воздушный трубопровод, который подает воздух в эр- лифтный трубопровод через задвижки с гидроприводом на глу- бине моря 243,8 м, 365,8 м и 487,7 м. Шланги для гидропривода,
Рис. 5.25. Энергетические преимущества контейнерного транспорта с гидродинамическим взвешиванием по сравнению с трубопроводным:Рис. 5.25. Энергетические преимущества контейнерного транспорта с гидродинамическим взвешиванием по сравнению с трубопроводным:а — влияние угла наклона а к горизонту траекторий контейнерного и гидравлического транспортирования породы на их относительную эффективность; 6 — влияние гидродинамического качества на эффективность наклонного под углом 75° контейнерного транспорта по сравнению с вертикальным гидроподъемом; в — влияние консистенции пульпы иа эффективность контейнерного подъема под углом 75° по сравнению с вертикальным трубопроводным гидроподъемом
Рис. 5.25. Энергетические преимущества контейнерного транспорта с гидродинамическим взвешиванием по сравнению с трубопроводным:
Рис. 5.25. Энергетические преимущества контейнерного транспорта с гидродинамическим взвешиванием по сравнению с трубопроводным:
электрокабели и телевизионные кабели размещаются на специальных барабанах. Применяются кабели диаметром 15,9— 31,7 мм.
Всасывающая труба породозаборного устройства соединяется с эрлифтной трубой шарнирно, что компенсирует неровности рельефа дна и качку судна. Всасывающая труба длиной около 60 м поддерживается фермой и наклонена к горизонту под углом 30°. Породозаборное устройство волочащегося типа смонтировано на санях длиной 7 м и шириной 3 м из толстостенных труб. Скорость волочения по дну 1,85——5,6 км/ч, породозаборник прижимается к дну с силой 675 кгс. Между полозьями смонтированы поперечные и вертикальные колосниковые решетки для классификации конкреций по трем фракциям. В первой фракции конкреции выше 88 мм. Прошедшие через вторую гребенку конкреции захватываются всасывающим патрубком насоса с гидроприводом, установленным на санях. Для обнаружения препятствий по курсу породо- заборника и наблюдениям за процессом породозабора применено
телевизионное устройство со светильниками. Для обеспечения устойчивого горизонтального движения по грунту и исключения опрокидывания установки над санями установлены на вертикальных кронштейнах поплавки из синтетики. Стоимость постройки проектируемой драги, которая в 5 раз производительнее испытанной, составляет 150—200 млн. долл., глубина разработки 6000 м.
В США, в Сан-Франциско строится специальный глубоководный дражный комплекс, включающий надводное судно «Хьюз Гломер Эксплорер», 120 метровую погружающуюся на дно баржу (контейнер), построенную в Сан-Диего, и подводное самоходное устройство, подобное экскаватору для загрузки баржи на дне океана. Надводное судно с помощью сжатого воздуха поднимает загруженную баржу со дна на поверхность воды. Дражный комплекс предназначен для добычи конкреций с глубины 5000 м.
В СССР испытывалась опытная несамоходная драга «Горняк», имеющая на своем борту земснаряд «Моллюск-5» и кроме того ав- нотомный земснаряд ЗГМ-1-350А; первый предназначен для глубин более 8 м, а второй для меньших глубин. Драга 《Горняк》 имеет производительность до 200 м3/ч перерабатываемой породы с максимальной глубиной всасывания до 100 м.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КАРЬЕРНОГО ПОДВОДНОГО ТРАНСПОРТА
ПОРОДЫ
Наряду с гидравлическим трубопроводным транспортом породы под водой, который широко применяется и на суше, представляет значительный интерес подводный транспорт породы в контейнерах с малым гидродинамическим сопротивлением и с гидродинамическим взвешиванием.
Черпаки глубоководных снарядов представляют собой контейнеры для подводного транспортирования породы и подъема ее на борт судна. При небольшой глубине разработки, например такой, какая существует у многочерпаковых снарядов с жесткой черпаковой рамой, форма черпаков, их гидродинамическое совершенство не имеют значения, так как скорость движения их небольшая и удельный вес энергии, затрачиваемой на породозабор и преодоление механических сопротивлений, во много раз превосходит затраты энергии на преодоление гидродинамических сопротивлений.
Но при работе таких глубоководных драг, как японская многочерпаковая драга системы инженера Масуда гидравлическое воздействие на черпаки-контейнеры имеет существенное значение.
Как указывалось выше компании США, Франции, Японии, Англии, ФРГ и Канады предложили многочерпаковую систему
HDS——CLB с гидродинамическим воздействием окружающей воды “| на черпаки. В настоящее время ведутся работы по повышению 1 гидродинамического совершенства черпаков у драги такого 个 типа. ；!
Такое же большое значение имеет гидродинамическое взвешивание контейнеров подводных скреперных установок.
Подводный транспорт породы в контейнерах с небольшим лобовым сопротивлением и с гидродинамическим взвешиванием имеет следующие преимущества по сравнению с трубопроводным гидротранспортом породы:
менее энергоемок; имеет меньшую материалоемкость; перемещает куски породы значительно большего размера; более долговечен; легче изменяется маршрут транспорта и место доставки.
Представляют интерес причины, в результате которых контейнерный транспорт породы экономичнее трубопроводного. Основными причинами являются следующие:
удельные силы сопротивления перемещению контейнера в воде и пульпы в трубе одного порядка, но для перемещения породы в контейнере не требуется транспортировать воду, а перемещение породы по трубе возможно только при транспорте воды в большем количестве, чем породы:
с и-нженерной точки зрения при контейнерной транспортировке легче снизить удельные сопротивления, чем при трубопроводной, так как процесс взаимодействия воды и контейнера является управляемым и доступен для усовершенствования, а процесс гидродинамического взаимодействия воды с частицами породы в трубе очень плохо управляем и недоступен для у сове р шенствова - ния. Главным образом от того, что частицы не имеют стабильной формы и последнюю нельзя менять.
Малая энергоемкость контейнерного транспорта может иллюстрироваться испытанием многочерпаковой японской драги на глубине 20 м. При работе японской драги с производительностью 700 т/ч породы (около 410 м3/ч) удельная энергоемкость составляла около 0,13 кВт-ч/т, между тем земснаряд с грунтовым насосом для подъема такого количества породы на борт с глубины 20 м, при объемной консистенции (порода : вода) равной 1 : 6 и высоте надводного борта 3 м имеет энергоемкость около 0,15 + 4-0J7 кВт-ч/т.
Наряду с этим подводный контейнерный транспорт имеет существенные недостатки по сравнению с трубопроводным, которые сводятся к тому, что системы контейнерного транспорта существенно усложняются наличием погрузочно-разгрузочных устройств и необходимостью создания больших тяговых усилий для перемещения контейнеров, хотя многие специалисты считают, что многочерпаковые, контейнерные и глубоководные снаряды эффективнее земснарядов.
Относительная энергетическая эффективность подводного транспорта породы бесконечной цепью контейнеров по сравнению с тру-
бопроводным может характеризоваться следующим критерием:бопроводным может характеризоваться следующим критерием:на единицу объема транспор- Лгт ——энергия, затрачиваемаяна единицу объема транспор- Лгт ——энергия, затрачиваемая
бопроводным может характеризоваться следующим критерием:
бопроводным может характеризоваться следующим критерием:
на единицу объема транспор- Лгт ——энергия, затрачиваемая
на единицу объема транспор- Лгт ——энергия, затрачиваемая
где Лкт—энергия, затрачиваемая тируемой в контейнерах породы; … на единицу объема транспортируемой по трубе породы; рг ——массовая плотность породы; GKB ——вес в воде конструкции конте*・ нера; у и уп ——соответственно, скорости контейнера и пульпы в трубе; и。，R —— соответственно объем контейнера и его емкость; Ка； Ка° — соответственно, относительная смоченная поверхность груженого контейнера и порожнего; Q ——площадь смоченной по верхности контейнера;氐 и 占乱 —— общий коэффициент гидравли- ческого сопротивления груженого и порожнего контейнера; угв; Ув —— удельный объемный вес породы в воде и воды; Ао —— коэффициент сопротивления трубопровода; DT—диаметр пульпопровода; К — гидродинамическое качество крыльев контейнера; а; а2 — угол наклона к горизонту траектории груженого и порожнего контейнера;母「丁 и i]KT — к. п. д. гидротранспортирующего насоса и движительной установки контейнеров.
Первое слагаемое в квадратных скобках в числителе пред ста вляет собой удельное гидравлическое сопротивление контейнера, отнесенное к единице объема транспортируемой породы; второе слагаемое является удельным лобовым сопротивлением крыльев
контейнера.
В случае придонного транспортирования породы, например при работе скреперных установок в прибойной зоне, вместо гидродинамического взвешивания контейнеров с помощью крыльев, можно совместно с колесами применить гидростатическое взвешивание водяным клином под эластичной завесой, ограждающей Днище контейнера по периметру.
При гидростатическом взвешивании контейнера эффективность определяется величиной утечек между грунтом и эластичной завесой. Для того, чтобы в районе транспорта не возникала большая мутность, отрицательно влияющая на подводную фауну и флору, скорость протечек воды между дном и эластичной завесой должна быть меньше размывающей скорости %
При применении в подводных контейнерах таких же устройств гидростатического взвешивания, как и у сухопутных аппаратов
207
на воздушной подушке, будут одинаковыми коэффициент сопротивления при истечении между завесой и грунтом и коэффициенты скорости <р и расхода ц. Это обстоятельство позволяет оценивать эффективность подводного гидростатического взвешивания контейнеров на водяном клине, по лабораторным и промышленным экспериментальным данным энергоемкости судов на воздушной подушке.
Выбирается типовое судно （прототип） на воздушной подушке с рабочим давлением Рв под днищем. Давление Рв должно обеспечивать скорость истечения воды
и =屮。"1/^-?： < 5（5.47）
Утечки воды из-под днища контейнера определяются по формуле:
Qy = Qy.Bj^,（5.48）
где Qy. в — утечки воздуха в прототипе; р и рв ——массовая плотность воздуха и воды.
Эффективность гидростатического взвешивания контейнера оценивается пропульсивным качеством [9].
仆=Qy「F：k（549）
小十Wb
где GBK ——вес груженого контейнера в воде; Рт ——тяговое усилие Для транспортирования контейнера;叮中 ^дв ——соответственно к. п. д. насоса подающего воду под днище и движительной установки, перемещающей контейнер.
В некоторых случаях эффективность взвешивания оценивается отношением мощности NH, затрачиваемой на взвешивание, к силе тяги Рт, необходимой для перемещения судна, контейнера.
Для оценки эффективности контейнерного транспорта с гидростатическим взвешиванием по сравнению с гидротранспортом в выражение для 1]э вместо К необходимо подставить
加=备=無（1+證），（&5。）
где М; ^в — соответственно мощности, потребляемые насосом, создающим водяной клин и движителем контейнера; У ——подъемная сила, создаваемая водяным клином.
Если контейнеры крылообразной формы, то
Угр +
Пз = ~^~ KiG TrB（7ftga+1）cosa '（5.51）
где
= （см + （斗三专 1） sin a,
* 一 удельные потери на трение гидросмеси по длине.
Существуют условия, при которых даже наклонный подъем породы в контейнерах с гидродинамическим взвешиванием менее энергоемок, чем вертикальный гидроподъем.
На рис. 5.25 изображены энергетические преимущества контейнерного транспорта с гидродинамическим взвешицанием по сравнению с трубопроводным гидротранспортом породы. В расчетах при а более 60° использовались формулы, предназначенные для вертикального гидроподъема, а при меньших углах формулы для горизонтального гидротранспорта. Потери при вертикальном гидроподъеме определялись по формулам А. П. Юфина [681 и А. Е. Смолдырева [53].
Кривые / получены по формулам А. П. Юфина, а кривые 2 по формулам А. Е. Смолдырева. Расчеты проводились для породы со средним размером частиц 1 мм и максимальными размерами кусков до 90 мм. Плотность скелета породы ут = 2,5 г/см3, гидродинамическое качество контейнера было принято равным К = 8, гидравлическая крупность Q = 2 м/с.
Диаметр трубопровода определялся из уравнений:
奴=Q + 3 MgStaP「 (5.52)
где uK ——критическая скорость; g ——ускорение силы тяжести;
—Yt—一Тв Тем二 Тв.
Yb Yt — Yb
Из рис. 5.25, видно, что при большом диапазоне значений различных параметров контейнерный подводный транспорт менее энергоемок, чем трубопроводный гидротранспорт.
При глубоководной разработке породы наиболее целесообразным является применение для выемки породы подводного земснаряда (экскаватора), а для подъема породы использование беско- нечной цепи контейнеров.
В этом случае режим процессов забора породы не влияет на режим транспортирования породы, что дает возможность добиться в обоих процессах оптимальных параметров.
Наиболее распространенным подводным контейнерным транспортом является перемещение породы канатно-скреперными установками (табл. 5.8). Эти установки не имеют гидродинамического взвешивания и перемещаются под водой с небольшой скоростью. Кроме того, в качестве одиночных контейнерных установок для подъема породы могут рассматриваться грейферные системы и волокуши.
В настоящее время скреперы в основном применяются на океанографических судах для извлечения образцов коренных пород с глубины до 9000 м. Они применяются также при подъеме боль-
Т а б л и ц а 5.8
Характеристики драглайнов и скреперно-каиатных установок для подводной добычи полезных ископаемых
Установка (страна)
Тип установки
Тип и характеристика тягового и разгрузочного устройства
й
鷗W
§ © i
盡
Примечания
Установка Чусов- стальстроя (СССР)
Скреперно-канатная
Самоходная гусеничная лебедка с бункером и настилом для поддержания скрепера при разгрузке
35
120
—
4
Мощность лебедки 50 кВ
Костромская установка (СССР)
С креп ерн о- кан ат- ная волокуша
Тяговым устройством служит бульдозер С-80, заброс ковша осуществляется драглайном Э-505
40
—
2
4
Длительность цикла около 3 мин, скорость скреперования 0,5 м/с
«Зауерман» (США)
То же
Головная башня выполнена на базе гусеничного крана со стрелой 24,4 м
Башня на одной раме с лебедками с бункером и подачей материала транспортером на обогатительную фабрику
153
106
240
3,82
0,25—11,5
3—
4,5
30
К забою ковш возвращается под действием собственного веса по направляющему тросу
Еоз количества горной массы для экспериментов по нзнсканню технопогниескнх процессов。В США такие скрепернне драги с емкостью ковша в 1 т применяются для добнин в нсследователт скнх цепях марганцевнх конкреций у берегов фпорнды" Кроме этого иногда применяются драгланн・ Земснаряд с драглайном применялся》например компанией《нэшнп минерале》 на участке Реухнд дпя подводной добычи рутнпа с обогащением на ппавуией обогатительной вабрнке к зачисткой дна землесосом. Имеются спуиан использования дразайнов дпя подводной д? со дна озер н рек.
Для подводной разработки на небольших Зубинах" в прибой— НХпрлвно,отлвнх зонах могут применяться самоходное прицепные подводные скреперн крнпообразной вормы с попоп， ннтельншш крыльями к эпастниной завес。
Прнработе на небольших глубинах прицепные скрепера §• дают твердой материал непосредственно на береговую обогатитель, ную вабрнкунпн в подводный зумпоткуда он перегружается земпесосом。
Подводный тягаимежет приводиться в движение от аккуму— лнторов с эпектродвнгатепем н маспонасосом》размещенных в Гер， меттеской капсупМаслонасос обслуживает ГНДРОПРНВО которой кроме перемещения тягаиа осуществляет также УПРавпе— нне скрепером* Ппн тягаиа может такме прнменнться днзеп， Современные аккумуляторы Могут обеспечить работу такого тя・ ^й^ без перезарядки в течение нескопькнх иасов・ благодаря налниню эпастниной завесы такие скреперь1HMeют гндравпниеское взвешивание даже при иастнином погружении в воду. По этой причине емкость скреперных ковшей, скоростьнх не— ремеЕення могут быть знаинтепьно увепниены，Прицепные скре， перн с мощностью двнгатепя до 200 п・ с・ к емкостью ковша 2。—3。SM рн расстояннм скреперования АО 300 м н n^s«s скорости пере; меЕеннн 15 км/u могут развивать производительность до 4— 500 мз/尸
52・ ЕМОНМЧЕСКМЕ МЕТОДЕ МЗЕСКАННЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ подводное BblEMKM М ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ порода
Подводная добниа попезннх нскопаемнх со дна морей н океа— нов характеризуется спедуюшдмн основными особенностями- большой глубиной подводной разработки》достигающей на шепьфе зм》на пеже океана ——6000 м; возникновением енпьннх воп- неннй" налнинем ледовой обстановки) динамичностью репьева морского дна; требованием максимального сохранения впоры к ваун; большой удаленностью места работы от сушнасепенннх мест S промнтпенннх предпрнятнi Эти особенности приводят к необходимости создания новых ^^Ехд- в основу которых запоженн новые принципы внемк尸 В со—
2二
здании таких конструкций машин одним из эффективных методов может оказаться бионический.
Естественный отбор животных в течение миллионов лет является надежным доказательством максимального их совершенства. По этой причине бионика может использоваться не только для изыскания новых технических решений, но и для оценки степени возможного совершенства уже имеющихся механических устройств.
Если какая-либо техническая система, созданная без использования бионики, оказалась аналогичной биологической системе, то это свидетельствует о высоком возможном совершенстве технической системы. Примером может служить высокоэффективный грушевидный всасывающий наконечник Д. В. Рощупкина, созданный без использования бионики. Следует отметить, что этот наконечник подобен всасывающему рылу морского конька, морской иглы, которые всасывают пищу с больших по сравнению с их собственными размерами расстояний, достигающих у морских коньков 4 см.
Основной интерес представляет структура биологического процесса разрушения и транспортирования породы, механические способы осуществления отдельных операций этого процесса, а также алгоритм процесса.
Для использования бионики в этой области необходимо предварительно установить принципы моделирования структур процесса и устройств реализующих этот процесс.
По аналогии с релейно-контактными схемами, системами гидроприводов и автоматики, а также с вычислительными машинами структура сложных систем, осуществляющих подводную выемку и транспортирование породы, может моделироваться с помощью булевой алгебры, математической логики и иметь символическое выражение в виде формул.
В отличие от указанных устройств в логических формулах для интерпретации процессов выемки и транспортирования породы важна иллюстрация физической сущности операций. По этой причине в рассматриваемом случае в логических формулах в качестве логических переменных используются предикаты, которые для данной области представляют собой алгебраические уравнения и условия, характеризующие физическую сущность и граничные условия реализуемых операций.
Кроме того, для связи операций с реализующими их элементами конструкции индексы выражений предикатов и элементарных логических переменных указывают место реализации переменной в конструкции.
Техническая система будет моделью биологической, если в интерпретирующей ее логической формуле члены и логические операции однозначно соответствуют членам и операциям формулы интерпретирующей биологическую систему, а соответствующие предикаты подобны или эквивалентны.
Аналитическая интерпретация структур процессов и устройств выемки и транспортирования породы целесообразна только при условии большой их сложности. Рассмотрим простой пример интерпретации выемочных устройств с помощью логических формул— работу надводного земснаряда с фрезерным рыхлителем и всасывающего устройства морского земснаряда (см. рис. 5.9).
Воспользуемся следующими логическими операциями: конъюнкции 《.》，дизъюнкции «+», строгой дизъюнкции « 4 »； означающей взаимно исключающие либо-либо, и эквивалентности《〜》.«Истину» обозначим через 1, а «ложь» через 0. Введем также оператор конъюнктивной последовательности 《二》，который означает, что данная операция над данным объектом может возникнуть только после окончания другой операции.
Будем рассматривать только следующие составляющие процесса породозабора:
Мр — механическое разрушение породы;
Рв — размыв поверхности забоя всасываемой водой;
Т — гидротранспортирование разрушенной породы до входного отверстия;
Тм — механический транспорт породы в направлении отверстия в породозаборное устройство;
В — всасывание из-под слоя породы;
Е ——установившийся процесс породозабора;
Элементы конструкции обозначим следующим образом:
Ф — фреза;
От — отвал;
Вх — область перед входом в породозаборное устройство;
Bxi — входное отверстие в породозаборное устройство;
Вх2 — входное отверстие во всасывающую трубу;
求一желобовидный канал породозаборного устройства.
Интерпретация породозабора фрезерным земснарядом будет иметь следующий вид:
«4(1 + 母)+ р；х] 3 7% 上 в.(1 + г：т + 峭〜Е. (5.54)
Интерпретация работы всасывающего устройства морского земснаряда следующая
[^^ТВ^ + Р^Т^^Е.[^^ТВ^ + Р^Т^^Е.(5.55)(5.55)
[^^ТВ^ + Р^Т^^Е.
[^^ТВ^ + Р^Т^^Е.
(5.55)
(5.55)
Морские животные эхиуриды и рострарии имеют в качестве пищезахватывающих устройств эластичные желоба с ресничками на дне желоба.
Реснички колышутся так, что гонят воду вдоль желоба. Попадающие в желоб по всей его длине пищевые частицы прогоняются водой вдоль него к ротовому отверстию. Если составить логиче-
213
скую формулу интерпретирующую забор пищи этими животными, то она будет аналогична последней формуле. Из этого следует, что всасывающее устройство морского земснаряда является моделью пищезахватывающего аппарата эхиуриды и рострарии.
При решении задач подводной разработки связных пород представляет интерес пищевой аппарат миноги. В качестве опоры при разрушении тела рыбы у миноги применена армированная хря- щем присоска, расположенная по краям ротового отверстия. Благодаря этому миноге не нужно использовать гидродинамические или гравитационные силы для воспринятая реакций от воздействия на тело рыбы. Внутри ротовой полости по краям присоски шарнирно относительно ее хряща подвешены на мышцах зубы. Зубами также снабжен язык миноги. Кроме того в ротовой полости имеются верхнечелюстная и нижнечелюстная режущие пластины.
Под действием присасывания миноги, тело рыбы нагружается гидравлическим давлением, втягивается внутрь рта и претерпевает от этого разрывающие нагрузки. Тело рыбы зажимается присосковыми зубами и разрушается режущими пластинами и языковыми зубами. Отделенная от рыбы масса подается языком в глотку. За счет разрушения тела рыбы минога внедряется в него все глубже. Принципиально сходный процесс разработки породы осуществляется гидромеханическим качающимся породо- заборником (см. рис. 5.11) особенно в том случае, когда он выполнен в виде двух породозаборных устройств с противоположным направлением качания, как у грейферных челюстей с гидроприводом. У этого породозаборника порода разрушается не только ножом, но и гидравлическим давлением, возникающим при всасывании.
Для того, чтобы моделировать методы использования животными особенностей окружающей среды, изучаются водные животные. Следует иметь в виду, что многие участки морского дна интенсивно, непрерывно разрабатываются различными организмами на глубину до 1—2 м, поэтому бионические методы разработки породы отличаются большим разнообразием.
В табл. 5.9 приведен перечень основных элементарных операций, из которых состоит процесс породозабора, и наиболее распространенные способы их реализации современными земснарядами и организмами.
Наиболее характерным для организмов является то, что они не имеют веса в воде и не используют напорных струй для разрушения породы. Кроме того, у некоторых животных размыв породы осуществляется не на коротком участке, а по всей длине потока, что обеспечивает большую консистенцию пульпы, которая поступает в ротовую полость. Животные осуществляют разрушение субстанции не на расстоянии от полости рта, а непосредственно внутри нее, иногда с применением присасывающихся элементов вокруг рта. Многие животные передвигаются теми же элементами, которыми разрушают субстанцию.
Таблица 5.9
Сравнение технических и бислогических способов забора породы и донных частиц
Наименование операции
Способ реализации операций
Пример организма,] реализующего операцию
Технические средства
Организмы
Устройство опор
1. Вес конструк-
1. Присасывание с
Осьминог, МИНО-
для восприятия
ции в воде
помощью несколь-
га, холлардиевая рыба
реакций от воздей-
2. Якорь
ких присосок и
ствия на породу
Создание усилия
1. Механическое
якорение крючьями вокруг присоски
2. Гидродинамическая сила, создаваемая 一 ундуля- циен (качанием) тела
То же
Рыба кефал ь, серый кит
То же
на забой
Ссгабление, унич-
усилие
2. Усилие за счет веса конструкции 1. Ввод в поры
1. Химическое воз-
Звезды, моллюски
тожение связности породы в неко-
породы напорной воды (гидродиф-
действие
2. Фильтрация во-
Некоторые рыбы
тором объеме
Гидравлическое
фузионный рыхлитель)
Вибрация массива
Фильтрацией воды, всасываемой через массив породы
1. Напорные,
ды через массив породы
1. Смыв частиц
Многие рыбы
разрушение породы
свободные затопленные струи
Смыв частиц породы всасываемым свободным потоком на небольшом участке его длины
Подвод энергии к разрушающим струям осуществляется вначале их
всасыванием, свободным потоком на небольшом участке его длины
Смыв частиц породы ограниченным по бокам и сверху потоком воды почти по всей его длине
Перемещение ограниченного телом объема соды по поверхности породы С ПОМОЩЬЮ ундулирующих движений
Подвод энергии осуществляется по всей длине потока
Рыбы лабео, теф- лонус; эхиурида, рострария
Камбала, лососевые рыбы
Продолжение табл. 5.9
Способ реализации операций
Пример организма, реализующего операцию
Наименование операции
Технические средства
Организмы
Механическое разрушение породы
Механическсе разрушение породы осуществляется на некотором расстоянии от Есасывающего отверстия 1. Резанием
2. Копанием
Механическое разрушение материи во многих случаях осуществляется внутри всасывающей полости
Резанием, скоблением 2. Копанием
Гидростатическим расклиниванием, вдавливанием породы в целик за счет его у пл от- нения
Отделением от целика отдельных кусков щупальцами с присосками
Минога
Рыба кефаль, серый кит
Черви
Осьминог, кальмар
Передача породы от забоя к загружаемой полости, к всасывающему отверстию
Гидротранспортом, всасываемым потоком
Механическим транспортом, например, ковшами
Гидравлическим транснортсм всасываемым потоком
Гидромеханическим способом с помощью желоба и параподий (ресничек, которые колышутся и создают потоки воды и частиц)
Многие рыбы
Эхиу1： ида, цисто- идея, бал аноглосс
Рабочие перемещения, подача в массив
Якорными, па- пил ьснажными лебедками
Гидродинамическим движитсля-
лсм
Весом конструкции
Перешагивание на ногах, плавниках
Гидродинамическими движителями
Перешагивание на присосках
Перемещением с помощью самих режущих, забирающих породу, пищу, элементов
Рыба протоптер
То же
Рыба-сомик циклопин
Минога, крабы
П родолжение табл. 5.9
Наименование операции
Способ реализации операций
Пример организма, реализующего операцию
Технические средства
Организмы
Поддерживание
1. Надводным
1. Почти одинако-
Подавляющее ко-
несущей конструкции или тела
судном
Спорой на дно
Продуваемыми цистернами
вой плотностью с окружающей средой
Большим сопротивлением, бол ьшой пл ощадью «весел»
Гидродинамической силой от ундуляций
личество водных животных
П; а Iктон
Рыбы
Попутная клгсси- фикация породы, массы
1. Решетка с периодической прочисткой. Решетка отделяет ненужный негабарит, а пропускает полезный материал
Решетка отделяет пищу, а пропускает не нужную воду
Локационный или визуальный предварител ьный отбор
Китовый ус
Рыбы
Эти особенности могут оказаться полезными при проектировании современных технических средств для подводной добычи полезных ископаемых.
Рассмотрим теперь подводный транспорт. В природе большей частью наблюдается дискретный транспорт. Трубопроводный транспорт массы на малые расстояния осуществляется животными перистальтическим способом. Перемещение животных к пище и движение животных с захваченной пищей можно рассматривать как транспорт самоходных сосудов с высокими гидродинамическими качествами.
Выше мы видели, что и с технической точки зрения дискретное транспортирование породы в сосудах с хорошим гидродинамическим качеством эффективнее трубопроводного, если решена задача загрузки и разгрузки контейнеров без их остановки.
Основное отличие биологических контейнеров от технических заключается в том, что первые хотя и могут иметь большие размеры, соизмеримые с техническими контейнерами, но имеют небольшую отрицательную плавучесть, а у технических контейнеров большую отрицательную плавучесть создает их вес в воде. При этом попытки уменьшения отрицательной плавучести за счет применения дополнительных емкостей с газом или легкой жидкостью приводят к чрезмерному увеличению размеров контейнера, прочности и веса этих емкостей, что лишает возможности получить существенный эффект от их применения.
При создании новых способов и технических средств подводного внутрикарьерного транспорта породы может оказаться полезным учет ряда биологических особенностей перемещения животных. Например, несмотря на малую отрицательную плавучесть, многие животные с помощью гидродинамических сил уравновешивают большие силы инерции, действующие на них на криволинейных участках траектории и в процессе разгона.
Представляют интерес системы гидравлического взвешивания у придонных животных, например, у камбалы, скатов, и других. Тело этих животных имеет в сечении форму крыла и плоской частью параллельно дну. При этом почти по всему периметру уплощенного тела, параллельно дну, расположена плавниковая кайма. Ундулирующие (качающиеся) движения всего тела или только плавниковый каймы создают между телом и дном повышенное давление, позволяющее животному взвешиваться, парить над дном и перемещаться.
Технической моделью таких животных может служить контейнер с крыльями, по периметру днища которого или даже по периметру крыльев расположена эластичная завеса. Под завесу у контейнера должна подаваться напорная вода, обеспечивающая между дном и контейнером водяной клин с давлением, взвешивающим контейнер, что обеспечивает хорошую проходимость его по дну.
НАПРАВЛЕНИЯ ПОИСКОВЫХ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОДВОДНОЙ ВЫЕМКИ
И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПОРОДЫ
В настоящее время в основном найдены более или менее эффективные технические решения подводной выемки и транспортирования породы для всех глубин, встречающихся в Мировом океане. Дальнейшая задача состоит в том, чтобы на основе приобретаемого опыта совершенствовать различные машины, предназначенные для этого, вплоть до изменения самих принципов работы такого оборудования.
Новой и наиболее важной задачей в области подводной выемки и транспортирования породы является защита флоры и фауны, ее сохранение или хотя бы обеспечение возможности быстрого восстановления при производстве подводных горных работ. Для этого необходимо избавиться от загрязнения окружающей воды взвесями, образующимися в процессе ведения выемки породы, избавиться от загрязнения воды техническими отходами от выброса масла и других смазочных материалов, стремиться сохранить неповрежденным верхний слой дна глубиной до 1——1,5 м, в котором обитает большое количество различных животных и устранить вредное акустическое воздействие машин на животный мкр.
Второй важной задачей является устранение необходимости погружения человека под воду при подводных горных работах 218
Необходимость присутствия человека под водой при осуществлении подводной выемки и транспортировании породы не только сильно снижает безопасность работ, но и значительно усложняет и удорожает механизмы, которые обеспечивают жиднедеятельность организма человека. В связи с этим актуальной проблемой современности в этой области является создание управляемых подводных роботов, которые могли бы выполнять функции управления механизмами в соответствии с окружающими условиями.
Одним из путей решения этих задач является бионика. Необходимо отметить, что даже при решении механических задач, связанных с повышением эффективности процесса породозабора и придонного транспорта механизмов, бионический подход является весьма плодотворным. При решении более сложных и тонких вопросов управления механизмами под водой с помощью роботов бионика может оказать решающее влияние на эту проблему.
Создание необитаемых подводных технических средств предусматривает решение задач по обеспечению оператора надлежащей информацией о забое. В связи с этим большое значение имеет проблема обеспечения видимости процессов в забое. Задача эта крайне усложняется замутненностью воды в забое не только из-за работы породозаборных устройств, но и главным образом в результате обрушения уступов в забое. В настоящее время такая задача не решена. В СССР исследования, связанные с наблюдением забоя с помощью телевизионных систем, проводились ВНИИНерудом. Испытывались телевизионные системы для наблюдения процесса свободного всасывания земснарядом 8ПЗУ с отключенным фрезерным рыхлителем, погруженным под воду на глубину 1,5——2 м・ Установлено, что дальность видения при работе земснаряда не превышала 0,1——0,15 м. Одним из направлений улучшения видимости ВНИИНеруд рекомендует снижение степени мутности путем химического воздействия на окружающую воду.
Сложность профилактического ухода за механизмами под водой, большие экономические потери в случае неисправности подводных механизмов ставят на одно из первых мест вопрос повышения надежности подводного оборудования. При ведении работ на больших глубинах (более 1 км) возникают трудности по энергоснабжению придонных агрегатов. Поэтому представляет большой интерес создание погружных придонных энергоисточников для обслуживания глубоководных агрегатов независимо от надводных судов. Кроме того, необходимо создать специальные глубоководные электрокабели для передачи больших мощностей. Для СССР, значительную практическую ценность представляет собой задача эффективного проведения горных работ подо льдом. Для этого необходимы специальные технические средства, которые могли бы длительное время непрерывно находиться в воде подо льдом, сохраняя необходимую работоспособность и не требуя какого-либо обслуживания человеком. Такие технические средства должны работать при наличии ледового покрова различной
Рис. 5.26. Выемочный комплекс для подледной разработки породы:Рис. 5.26. Выемочный комплекс для подледной разработки породы:/ — понтон земснаряда типа «Моллюск» с регулируемой плавучестью; 2 — земснаряд типа «Мол- {руемой плавучестью; 4 — папиль-
Рис. 5.26. Выемочный комплекс для подледной разработки породы:
Рис. 5.26. Выемочный комплекс для подледной разработки породы:
онажиыи каиат; 5 — надстройка для утепления майны; 6 — отвал негабаритных кусков породы; 7 — отвал хвостов обогащения; 8 — канатно-шпилевой привод якоря; 9 一 тяговая ветвь папильон ажно го каната; / 0 — опорный папильонажный блок;
толщины и структуры, включая торосящийся лед, при темпера- турах воды менее 0℃ и при различных придонных условиях, разном рельефе дна, при разной проходимости по дну.
^Повседневной актуальной задачей является повышение удель- ной^производительности машин, отнесенной к единице потребляемой мощности и единице массы конструкции.
В настоящее время Московский горный институт разрабаты- вает систему подледной выемки и транспортирования породы в условиях арктики для глубин от 5 до 50 м. Эта система основана на применении земснаряда типа «Моллюск». Принцип подледной разработки основан на том, что понтон земснаряда типа «Моллюск» н якорные устройства с регулируемой плавучестью заведены под лед и опираются на внутреннюю поверхность льда или перемещаются по его внутренней поверхности (рис. 5.26).
Подледная папильонажная система может быть аналогичной папильонажной системе для разработки связных пород (см. рнс. 5.12, ]V), т. е. представлять ее зеркальное отображение на внутренней поверхности льда. При этом папильонажные якоря совмещаются с якорными понтонами и внедряются в лед под давлением понтонов. В качестве якорей могут использоваться колеса большого диаметра, с помощью которых понтон движется по нижней поверхности льда. Плавучие якоря могут устанавливаться заранее до появления ледового покрова. После появления льда якоря оказываются вмороженными в него.
При подледной разработке может использоваться самоходный папильонажный якорь. Перемещение якоря осуществляется с помощью канатно-шпилевого привода. Папильонажный канат монтируется на опорный папильонажный блок. Один конец каната
закреплен на земснаряде через уздечку, а второй на барабане папильонажной лебедки, установленной на судне. Управляющий трос закреплен на водиле, соединенном с ведомой осью колес якоря. При изменении длины этого троса якорь либо удаляется от судна, либо приближается к нему. Канат для перемещения якоря имеет полиспаст для компенсации изменения расстояния до судна от самоходного папильонажного якоря. Для чистки решетки всасывающей трубы или небольшого ремонта земснаряд подводится к майне, размещенной внутри временного, установленного на льду помещения, и аквалангисты производят под водой необходимые ремонты. Майна служит для вывода из-под льда на лебедки всех канатов и пульпоэнергопровода с регулируемой плавучестью.
У перемещающихся по дну земснарядов, экскаваторов папильо- нажная система независимо от типа грунта обеспечивает наибольшую проходимость, наибольший напор на забой, передаваемый от разрыхлителя и наибольшие углы подъема и спуска машины при наименьших энергозатратах. Эта система позволяет преодолевать рвы, каньоны по канатам, без опоры на грунт и стабили- лирует выбранное направление перемещения.
В связи с этим важной задачей является создание подводных папильонажных лебедок, установленных на земснаряде, которые обеспечивают неподвижность папильонажных канатов относительно дна и большую долговечность.
Необходимо отметить, что колесные, гусеничные и другие современные опорные шасси допускают крен не более 15—30°, а боковой уклон дна относительно машины может существенно превышать эту цифру при разработке борта выемки и в других случаях. Применение стабилизирующих положение машины подводных понтонов ограничено большими глубинами, а использование домкратов возможно только при неподвижной машине. На основании этого можно считать весьма перспективной гидродинамическую стабилизацию машины винтовыми движителями, как у исследовательских подводных аппаратов.
Гидродинамические или основанные на архимедовой силе про- тивокренные устройства позволяют использовать только два поворотных колеса, лежащих в продольной плоскости симметрии машины.
Современные механические разрыхлители (фрезерные, роторные, качающиеся и другие), установленные на подвижной раме имеют шесть степеней свободы, существенно усложняющих глубоководное управление ими и имеющих сложную конструкцию. По этой причине представляют интерес разработка волочащихся породозаборных устройств для связных пород, устанавливаемых на земснарядах, перемещаемых по дну.
6. ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧЕ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В СССР
Морская граница Советского Союза имеет большую протяженность, составляющую около 47 тыс. км. Поисковыми и разведочными работами, проведенными в последние годы различными организациями, установлена перспективность в рудоносном отношении многих регионов континентального шельфа СССР и выявлены отдельные подводные месторождения твердых полезных ископаемых, имеющих промышленное значение.
Например, разведанные морские россыпи Балтийского моря расположены в зоне подводных валов и образуют полосу, протягивающуюся вдоль современной береговой линии на многие десятки километров, на удалении приблизительно 0,5——0,7 км от последней. Протяженность отдельных россыпей колеблется от 1,5 до 17 км, ширина — от 130 до 800 м. Часто четкого перерыва между отдельными россыпями нет, и он выражен лишь уменьшением в ширине россыпи. Мощность продуктивных песков невелика и колеблется от 0,1 до 1,5 м, редко 2,3 м. Продуктивный пласт расположен непосредственно на поверхности дна.
В Балтийском море известны также рудопроявлеиия железистых и фосфоритных конкреций, которые занимают относительно большие площади морского дна в заливах.
На дне Черного моря известно месторождение магнетитовых песков, протянувшиеся широкой полосой между реками Чорохи и Бзыбь, протяженность которых около 250 км. Пески в основном разнозернистые с незначительным содержанием глинистого материала, гравия и обломков ракушек. Наиболее высокой маг- нетитоносностью отличаются пески прибрежной полосы между реками Супса и Чорохи протяженностью 50 км, морская граница которых проходит на расстоянии 1—2 км от берега. Мощность песков на перспективных участках колеблется от 6 до 12 м* В целом, пески характеризуются средним содержанием железа 6,3%
В настоящее время установлены довольно значительные запасы строительных песков западного побережья Азовского моря и северо-западной части Черного моря. На дне Азовского моря в районе Каркинитского залива известны выходы железной руды, представляющие собой продолжение железорудных месторождений суши. Железная руда, с содержанием чистого железа до 53%, лежит на поверхности донных осадков в виде скальных гряд на глубинах 5——15 м от уровня моря.
Рекогносцировочные работы, проведенные МГИ совместно с Дальневосточным государственным университетом в Японском 222
море, показали, что в современных донных осадках отдельных бухт Приморья имеются промышленные концентрации тяжелых минералов. Установлено, что повышенные концентрации образуют полосы, вытянутые вдоль современной береговой линии. Первая обогащенная тяжелой фракцией полоса расположена в зоне пляжа, вторая — на глубине моря 5——7 м и третья приурочена к глубинам 15——17 м. Тяжелые минералы концентрируются в хорошо отсортированной песчаной фракции с размером частиц меньше 0,25 мм. Зерна минералов имеют различную степень окатанности в разных бухтах. Запасы титаномагнетита и титановых минералов имеются на подводном склоне восточного и юго-восточного побережий о. Сахалин и группы Курильских островов. По предварительным данным, на западном побережье о. Сахалин и в Татарском проливе возможны залежи тяжелых минералов.
На дне Северного Ледовитого океана, по геологическим предпосылкам, должны содержаться разнообразные морские россыпи. В Баренцевом и Белом морях давно известны редкометальные «черные пески», в районе от устья р. Лены до Чукотки включительно известны повышенные содержания тяжелых минералов как на пляже, так и на подводном склоне. При изучении донных отложений наибольший интерес представляют те акватории, которые являются продолжением рудных провинций.
. Морскими россыпями богаты и наши внутренние моря — Каспийское и Аральское, озера Балхаш, Байкал и другие. Особо следует отметить большие запасы песка и гравия, находящиеся повсеместно на морском дне и столь необходимые для строительных целей в прибрежных районах страны.
ОПЫТНО-РАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ
НА БАЛТИЙСКОМ МОРЕ
На основании теоретических исследований по подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов и анализа зарубежного опыта была установлена возможность организации подводной добычи ильменито-рутило-цирконовых песков на подводном склоне восточной Балтики.
Были произведены опытно-разведочные работы, главные задачи которых следующие:
создать методику проведения морских геологических работ и определить запасы подводной россыпи ильменито-рутило- цирконовых песков на Балтийском море;
разработать технологические схемы по разработке подводного месторождения и провести апробацию в опытно-промышленных условиях наиболее перспективных схем подводной добычи;
разработать и проверить в опытно-промышленных условиях наиболее эффективные методы обогащения морских песков как на суше, так и в условиях морских волнений при установке обога-
223
Рис. 6.1. Научно-исследовательское судно «Профессор Добрынин》
Рис, 6.2. Морской самоотвозный земснаряд «Выборгский» на участке добычных работ
m戒2门砌坤UH
тительного оборудования непосредственно на борту добычного судна.
Геологическое опробование подводной россыпи проводилось в мае—июне 1966 г. силами Московского горного института, Верхнеднепровского горно-металлургического комбината, Калининградского отделения Института океанологии АН СССР и Института геологии МГ СССР (г. Рига). Опробование производилось при помощи вибропоршневой трубки ВПГТ-59 и дночерпателя «Океан» грейферного типа с научно-исследовательского судна «Профессор Добрынин» (рис. 6.1).
Был разведан участок общей протяженностью до 40 км. Рудо- носность прослежена по четырем залежам общей протяженностью 33 км на глубинах моря от 3,5 до 10 м. При средней мощности продуктивного пласта 0,73 м ширина россыпей колеблется от 0,25 до 1 км. Со стороны берега россыпи ограничены зоной развития
о
250
5仞
Q-n
加了友班
м бод. cm.
勿〃
20
.Граница
伽
300
16
при г.огном запол
4+
200
180
100
0
Производительность
мокрести
пра 10%用而
6000
1670
2000
556
5000 /3勿
3000 曲4
1000
27J
4000
1112
по воде
S50 幽。
Рис. 6.3. Характеристика землесоса морского
пеоегрузке /[ран^包 口。при ~r работе 女 трюм
нении Содой
Q-N
220
224
8
2Ю 200
Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
Z0
Z切2乃 230
земснаряда «Выборгский»
Рис. 6.4. Участок разработки подводной россыпи в 1966 г.:
1 — береговая линия； 2 — граница морены; 3 — светящиеся морские буи； 4 — береговые створы
внешнего подводного вала. Мористая граница россыпей четко отбивается по выходу на дне моря ледниковых отложений.
Донные отложения представлены в подавляющем большинстве алевритами. Тяжелая фракция практически приурочена к алевритовой фракции и содержание ее колеблется от 0,5 до 6%, реже до 12%.
Исходя из горно-геологических условий подводных россыпей Балтийского моря, имеющих незначительную мощность продуктивного слоя, большую длину вдоль береговой линии и расположенных на глубинах моря от 5 до 10 м, а также принимая во внимание почти постоянные волнения в прибрежной части восточной Балтики и мощный вдольбереговой поток песчаных наносов, для производства горных работ был принят морской самоотвозной земснаряд «Выборгский» с волочащимися всасами (рис. 6.2). Грунтозабор песков осуществлялся двумя землесосами общей производительностью 11 000 м3/ч пульпы через два всасывающих устройства волочащегося типа. Характеристика землесоса приведена на рис. 6.3.
Участок опытных работ был расположен на расстоянии 600 м от береговой линии на глубинах от 5 до 8 м и имел размеры в плане 300х 1000 (рис. 6.4).
Технологическая схема работ состояла в следующем. На оконтуренном буями участке работ производилась выемка горной массы при траншейном перемещении земснаряда отдельными за- 226
Рис. 6.5. Схема расположения причала и оборудования в порту:
/ ——земснаряд «Выборгский»; 2 ——шаланда; 3 — причальные палы; 4 — пульповод Д-700 мм на шаровых соединениях； 5 — береговой пульповод; 6 ——насосная станция;
7 — обогатительная установка; 8 — экскаватор «Шкода»; 9 — бульдозер; /0 — выпуски D = 150 мм для намыва песков； 11 ——шпунтовый ряд; /2 — осветительная линия; 13 — трансформатор; /4 — железная дорога; /5 — бетонная стенка; 16 — урез воды
ходками шириной 16 м. При толщине вынимаемого слоя за один проход 30 см заполнение трюма земснаряда горной массой производилось за 2 ч, после чего тот же земснаряд производил доставку горной массы в порт на береговой участок. Участок для приема горной массы был оборудован специально построенным причалом из отбойных пал, переоборудованной для передачи пульпы на берег шаланды и берегового пульпопровода с выпусками (рис. 6.5).
После швартовки к причалу пульпа через переходное устройство земснаряда поступала в пульпопровод диаметром 500 мм и укладывалась на приемном участке. После намыва пески разрабатывались бульдозером и грейферным краном для подачи на обогатительную установку (рис. 6.6).
При проведении опытно-разведочных работ земснарядом было разработано около 200 тыс. м3 песков, 47 тыс. т песков было намыто на берег в порту.
В результате исследований по гидравлическому грунтозабору ильменито-рутило-цирконовых песков было установлено следующее. При применении самоотвозных земснарядов типа «Выборгский» для разработки подводных россыпей Балтики и толщине снимаемого за один проход слоя равной 30 см оптимальная скорость хода земснаряда составляет 1,5—2 км/ч.
Рис. 6.6. Береговая обогатительная установка
На основании проведенных исследований было также установлено, что для алевритовых песков размывающие скорости составляют 70——90 см/с, а для тяжелых минералов, входящих в состав этих песков, размывающие скорости имеют значения порядка 100——150 см/с. При разработке подводного забоя волочащимися грунтоприемниками скорость движения гидросмеси в щели всасывания составляет 189 см/с, что выше необходимой скорости размыва для тяжелых минералов.
При исследованиях были установлены основные параметры подводной разработки россыпей Балтики: эффективная длина фронта работ и скорости его подвигания, основные элементы системы разработки с определением оптимальной мощности разрабатываемого за один проход земснаряда слоя, ширины заходки и других параметров.
Для улучшения процесса грунтозабора и увеличения количества грунта, осаждаемого в трюме земснаряда, который работает с переливом пульпы, в 1966——1968 гг. Л. М. Ворониной проводились исследования по коагуляции алевритовых песков при помощи полиакриламида. Установлено, что применение полиакриламида увеличивает скорость осаждения титаносодержащих песков в морской воде до 0,6—0,7 м/с при расходе полиакриламида 2,5 г/м3.
Особого внимания заслуживает снижение содержания тяжелой фракции в пульпе, переливаемой за борт земснаряда, в 15 раз при 228
продуктпродукт呼」呼」ПескиПескиI /1+4“ ГBornean例'訥w^°"“eI /1+4“ ГBornean例'訥w^°"“eОсноОна^ кониентоацияОсноОна^ кониентоацияПромпроштПромпрошт伽询Ж* *咖сть，6от&叫」 концентрата伽询Ж* *咖сть，6от&叫」 концентратаПрОмпрМ而 Про^продукт * tJКолштибный концентратПрОмпрМ而 Про^продукт * tJКолштибный концентратРис. 6.7. Схема обогащения песковБалтийского моряРис. 6.7. Схема обогащения песковБалтийского моряприменении полиакриламида, что свидетельствует о возможности попутного обогащения ильменито - рутило - цирконовых песков. При применении раствора полиакриламида время наполнения трюма земснаряда горной массой снижается на 20—25 мин, что позволяет повысить производительность земсна- ряда^на 30%, а производительность труда на 20—25%.
продукт
продукт
呼」
呼」
Пески
Пески
I /1
+4“ Г
Bornean例'訥w^°"“e
I /1
+4“ Г
Bornean例'訥w^°"“e
ОсноОна^ кониентоация
ОсноОна^ кониентоация
Промпрошт
Промпрошт
伽询Ж* *咖сть，6от&叫」 концентрата
伽询Ж* *咖сть，6от&叫」 концентрата
ПрОмпрМ而 Про^продукт * tJ
Колштибный концентрат
ПрОмпрМ而 Про^продукт * tJ
Колштибный концентрат
Рис. 6.7. Схема обогащения песков
Балтийского моря
Рис. 6.7. Схема обогащения песков
Балтийского моря
песков восточной Балтики.песков восточной Балтики.В 1969—1970 гг. К. А. Пятницким были выполнены исследования по з^величению производительности морских земснарядов с волочащимися всасами за счет гидравлического рыхления плотных титаносодержащих
песков восточной Балтики.
песков восточной Балтики.
мышленная проверка теоретических исследований проходила на земснаряде «Выборгский», на волочащихся всасах которого были установлены гидрорыхлители оригинальной конструкции, позволившие в 2 раза повысить производительность земснаряда по грунту. В результате данных исследований было установлено оптимальное расстояние насадок гидрорыхлителя от забоя и их размещение относительно грунтоприемника, определены необходимые расходы и напоры воды для рыхления плотных пород подводного забоя. В настоящее время гидрорыхлители устанавливаются на других морских земснарядах с волочащимися всасами, что резко повышает производительность земснарядов, разрабатывающих плотные породы на подходных каналах к портам.
Исследовательские работы по выбору наиболее эффективных схем обогащения ильменито-рутило-цирконовых песков проводились сотрудниками института ГИРЕДЛ4ЕТ, Верхнеднепровского горно-металлургического комбината и Московского горного института.
Для обогащения этих песков на берегу была смонтирована установка, оснащенная тремя струйными концентраторами СКГ-2. Два из них работали на основной операции с получением отвальных хвостов и черновых концентратов, которые перечищались на третьем концентраторе. Схема установки представлена на рис. 6.7.
Исходный материал представлен хорошо отмытыми песками крупностью —0,4 +0,044 мм. Содержание полезных компонентов ильменита, рутила и циркона составляет соответственно 1,68, °,45 и 0,40%. Легкая фракция на 90% представлена кварцем. Все минералы преимущественно имели форму неправильных, округлых, хорошо окатанных зерен. Полезные минералы сосредото- чены свыше 90% в классе —0,^74 мм.
Рис. 6.8. Принципиальная схема ленточного сепаратора трения конструкции МГИ:
/ — питающий патрубок; 2 — резиновая лента; 3 — промывочная трубка; 4 — промывочная трубка для снятия концентратов с ленты； 5 — постоянный магнит
Работа обогатительной установки происходила следующим образом: пески экскаватором «Шкода» с помощью ленточного питателя ПТС-2 подавались вместе с водой на неподвижное сито с диаметром отверстий 3 мм. Подрешетный продукт песковым насосом подавался в гидроциклон для сгущения, а слив возвращался в исходное питание в виде оборотной воды. В связи с отсутствием в песках шламов слив гидроциклона был чистым. Пески гидроциклона плотностью 50—55% твердого поступали самотеком на два струйных концентратора. Хвосты концентраторов в количестве 90——94% сбрасывались в отвал, концентрат направлялся на третий струйный концентратор с получением чернового концентрата с содержанием тяжелой фракции 50——60% и промпродукта, направляемого в голову процесса. Угол наклона желобов на основной операции составлял 14——15° и на перечистной 13°. Размер щелей соответственно 1,5 и 0,8—1 мм. При производительности установки 8— 10 т/ч были получены черновые концентраты с содержанием тяжелой фракции 50——60% при извлечении 70——74% ильменита, 68— 80% рутила и 80——90% циркона. Эти показатели, полученные при переработке более 1000 т песков, показали возможность обогащения на струйных концентраторах СКГ-2 морских песков Балтийского моря.
При доводке комплексного концентрата чередовались процессы гравитационного обогащения на струйном желобе для удаления крупных частиц и на ко нцентр ацио и ном столе для удаления мелких частиц легких минералов. Такой метод обогащения позволил довести содержание тяжелых минералов в концентрате до 95%. Путем магнитной сепарации был выделен из концентрата магнетит, а затем -ильменит, загрязненный гранатом. Доводка ильменитового концентрата проводилась электросепарацией. Немагнитная фракция после удаления ильменита была подвергнута восстановительному обжигу при температуре 800° С, после чего были выделены электросепарацией цирконовый и рутиловый концентраты при напряжении 40 кВ и частоте вращения 250 об/мин.
二ИВ 二三二ИВ 二三сс_二3_二3［二一二-二-4 —- 一 一二［二一二-二-4 —- 一 一二眩妤加Ki：）?「眩妤加Ki：）?「Г行行行n~*T丁T立刀7T百疗ТГ行行行n~*T丁T立刀7T百疗Т岳'岳'；.华；.华VVVVРис. 6.9. Схема расположения опытного участка разработки:Рис. 6.9. Схема расположения опытного участка разработки:/, 2 — подводный отвал; 5 — промерные галсы; 4 — граница морены; 5 — морские бун： 6 — урез воды; 7 — рыбачий причал; 8 — береговые створы; 9 — дюны/, 2 — подводный отвал; 5 — промерные галсы; 4 — граница морены; 5 — морские бун： 6 — урез воды; 7 — рыбачий причал; 8 — береговые створы; 9 — дюны
二ИВ 二三
二ИВ 二三
с
с
_二3
_二3
［二一二-二-4 —- 一 一二
［二一二-二-4 —- 一 一二
眩妤加Ki：）?「
眩妤加Ki：）?「
Г行行行n~*T丁T立刀7T百疗Т
Г行行行n~*T丁T立刀7T百疗Т
岳'
岳'
；.华
；.华
V
V
V
V
Рис. 6.9. Схема расположения опытного участка разработки:
Рис. 6.9. Схема расположения опытного участка разработки:
/, 2 — подводный отвал; 5 — промерные галсы; 4 — граница морены; 5 — морские бун： 6 — урез воды; 7 — рыбачий причал; 8 — береговые створы; 9 — дюны
/, 2 — подводный отвал; 5 — промерные галсы; 4 — граница морены; 5 — морские бун： 6 — урез воды; 7 — рыбачий причал; 8 — береговые створы; 9 — дюны
Для определения влияния морских волнений на устойчивость процесса обогащения в 1967—1968 гг. были проведены опытно- промышленные испытания обогатимости ильменито-рутило-цирконовых песков. Исследования проводились на морском землесосном снаряде «Выборгский», на борту которого были смонтированы струйный концентратор СКГ-2 и ленточный сепаратор конструкции МГИ (рис. 6.8).
Кроме работ по технологии подводной добычи и обогащению титано-цирконовых песков, А. И. Меньшиковым в 1967—1968 гг. проводились исследования по подводному отвалообразованию. Работы проводились с использованием меченых песков, окрашенных светло-желтым люминофором, методика работы с которыми разработана Институтом океанологии АН СССР и Институтом органической химии АН СССР им. Зелинского.
Для создания подводного отвала был привлечен морской земснаряд «Выборгский» управления «Балтморпуть», который в течение 7 дней создал на экспериментальном участке подводного склона отвал объемом в 30 тыс. м3 песка. Для намыва отвала были взяты пески с глубины моря 4——8 м. При разработке их земснарядом образовалась прорезь длиной 400 м, шириной 60——80 м и глубиной от 0,5 до 1,3 м, которую условно можно назвать карьером. Расстояние между карьером и отвалом составляло 3,5 км (рис. 6.9).
Отвал был расположен на глубине моря 10—14 м в районе выхода на дне моря морены за границей распространения песков. После окончания формирования отвала в него было уложено 500 кг меченых песков, идентичных по гранулометрическому составу и гидравлической крупности намытым породам. Затем было
231
проведено опробование для установления границ отвала и гранулометрического состава пород на всей его площади.
В последующее время были проведены серии контрольного опробования по закрепленным галсам, начиная от пляжа до выхода морены в полосе побережья длиной 10 км. Первое контрольное опробование проведено через 4 суток после выброса меченных песков в отвал; второе по истечению 15 суток, после небольшого шторма с волнением 4——5 баллов; третье ——через месяц и последнее через 58 суток после образования подводного отвала. При этом при последнем опробовании, прошедшем после ряда штормов силой до 7——8 баллов, меченые пески были обнаружены только в двух пробах.
В 1967——1968 гг. проводилась также опытно-промышленная проверка технических средств для разработки прибрежных участков морского дна, подверженных активному воздействию волнений моря. Скреперная установка, созданная В. А. Барановым, была снабжена ковшом крылообразной формы, емкостью 2 м3 со шнековым механизмом наполнения. Конструкция ковша позволяла производить послойную выемку горной массы с одновременным транспортированием. В качестве привода использовался трактор С-80. Тяговые усилия замерялись динамометром в интервале скоростей 0——2,7 м/с. Экспериментально установлено, что скорость, при которой происходит полное взвешивание породы, полностью заполняющей объем ковша, равна 2,66 м/с, а полный путь наполнения ковша составляет 80—100 м.
Установлены также значения удельных сопротивлений донных пород копанию, которые составили 1,5——2,0 кгс/см2 для алевритовых песков Балтики. В дальнейшем были разработаны две новые конструкции подводного скреперного устройства с использованием гидродинамической силы взвешивания ковша в водной среде, устойчиво работающие в прибрежной зоне моря при морских волнениях до 5 баллов и температурах воздуха до ——10° С.
В результате изучения перспективных технологических схем и с учетом проведенных опытных работ Московским горным институтом были разработаны следующие схемы разработки подводных россыпей Балтики: с береговой обогатительной установкой, расположенной в ближайших портах; с обогащением на борту добычного агрегата и укладкой хвостов обогащения в выработанном пространстве; с береговой обогатительной установкой в районе разработки; с расположением обогатительного комплекса в море на специальной платформе в районе добычи.
Технико-экономический анализ рассматриваемых технологических схем показал, что наиболее перспективной схемой для россыпи Балтики является схема с размещением обогатитель но го оборудования на борту добычного судна и укладкой хвостов обогащения в выработанное пространство подводного карьера.
На основании теоретических исследований и опытно-промышленных работ на Балтийском море установлено следующее:
232
выявлены, оконтурены и подсчитаны запасы подводных россыпей ильменито-рутило-цирконовых песков и установлены основ- ные горно-геологические условия их залегания;
установлены взаимосвязь гидродинамических и метеороло^ гических условий с параметрами технологии подводной добычи титано-цирконовых песков и условия применения различных технических средств для разработки россыпей Балтики;
определены основные параметры гидравлического грунтозабора ильменито-рутило-цирконовых песков морскими самоот- возными земснарядами с установлением скорости хода земснаряда во время грунтозабора и оптимальной длины пути грунтозабора, скорости всасывания тяжелых минералов из условия неразубожи- вания горной массы;
установлена область применения гидравлического рыхления пород и определены основные технологические и конструктивные параметры гидрорыхления на волочащихся грунтоприем- никах морских самоотвозных земснарядов;
проведены исследования по выявлению наиболее рациональных технологических схем подводных россыпей с установлением горнотехнических параметров подводных карьеров;
установлены основные параметры подводного отвалообра- зования с определением минимального расстояния подводных отвалов от участков разработки для неразубоживания исходной горной массы;
проведены исследования по получению чернового ильменито-рутило-цирконового концентрата на струйных концентраторах и ленточном сепараторе на берегу и в условиях морских волнений с установлением основных параметров обогащения;
получены экспериментальные данные по резанию грунтов в подводных условиях ковшами и разработаны конструкции скреперных устройств для разработки подводных россыпей в прибрежной зоне моря.
Опытно-промышленные работы по подводной добыче ильменито-рутило-цирконовых песков на Балтийском море явились первым опытом в СССР по подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и позволили на основании результатов этих работ перейти к дальнейшим исследованиям по разработке подводных россыпей в других морях Советского Союза.
6.2. ОПЫТНАЯ РАЗРАБОТКА МОРСКИХ МАГНЕТИТОВЫХ РОССЫПЕЙ *
В период с мая по сентябрь 1970 г. Проблемная лаборатория по подводной добыче полезных ископаемых со дна океанов и морей при Московском горном институте провела разведочно-поисковые и технологические работы на Ручарском и Рейдовском месторожде-
Параграф написан совместно с инж. М. Л. Кронгаузом.
ниях титано-магнетитовых песков, находящихся на побережье и на дне залива, открытого в сторону моря. Основной целью проводимых работ являлось определение запасов подводных россыпей, установление основных параметров подводной добычи и получение титано-магнетитовых концентратов из песков шельфа.
Поисково-оценочные работы по предварительной оценке запасов и установлению основных горно-геологических условий подводной россыпи на подводном склоне на глубинах моря от 0 до 50 м велись с переоборудованного буксира МБ-301 при помощи ви- бропоршневой трубки ВПГТ-59 по методике, разработанной проблемной лабораторией МГИ. На основе изучения имеющихся геологических материалов был выделен наиболее перспективный участок приглубого шельфа общей длиной до 28 км. Разведочные створы были ориентированы перпендикулярно к береговой линии и закреплены на берегу хорошо видимыми с моря створными знаками. Расстояние между створами колебалось от 5 до 2 км, а станции бурения на створах располагались через каждые 5 м глубины моря, начиная с пятиметровой изобаты моря до 50-метровой изобаты. Минимальная глубина ограничивалась осадкой буксира, максимальная —трудностью постановки на якорь буксира на глубине свыше 50 м. Средняя уходка” буровых скважин на дне моря составила 2,35 м, при максимальной уходке 4,2 м. Из керна, поднятого на палубу судна, было отобрано 544 пробы. Интервал опробования составлял 0,5——0,6 м. Всего было пробурено 109 скважин по 11 профилям и пройдено 256,5 м осадков подводного склона.
В результате поисково-оценочных работ было обследовано около 95 м2 подводного склона шельфа и было установлено, что подводные россыпи имеют вытянутую вдоль берега форму на глубине моря от 0 до 50 м. Средняя мощность россыпей составляет 1,93 м, варьируя от 0,75 до 2,94 м.
Пески представлены крупно-, средне- и мелкозернистыми разностями. Крупнозернистые пески состоят преимущественно из неокатанных и плохоокатанных обломков пемзы. Они, как правило, светло-серого цвета, часто содержат в себе пемзовый щебень и гальку. Средне- и мелкозернистые пески более темные, их цвет зависит от содержания в песке темноцветных минералов. Эти пески также содержат пемзовую и эффузивную гальку и в отдельных случаях створки раковин.
Минералогический состав ильменито-магнетитовых песков Ру- чарского морского месторождения однообразен, основными рудными минералами в песках являются магнетит, ильменит, реже титаномагнетит; основными нерудными — пироксен (2—40%), полевые шпаты (10—40%) и кварц (1—15%). В незначительном количестве присутствуют эпидот, лимонит, роговая обманка, гематит, апатит, рутил, цирит, турмалин, мартит, барит, циркон.
Основная масса рудных минералов заключается в мелко-среднезернистых песках крупностью — 0,25 мм. Подсчет сростков в различных классах крупности песков показал, что меньше всего их 234
Рис. 6.10. Технологическая схема разработки и обогащения магнетито-； вых песков шельфа о. Итуруп:
/ — землесос с гибким всасом; 2 — классификационный грохот; 3 — магнитный сепаратор； 彳—— перечисткой магнитный сепаратор； 6 — система трубопроводов
в классе — 0,1 мм (10—60%), в классе — 0,25 十 0,1 мм содержится от 18 до 93% сростков, в классе ——0,5 + 0,15 мм от 59 до 96%. Магнитная фракция крупнее 0,5 мм практически на 100%~ состоит из сростков. Приведенные факторы говорят о том, что наиболее ценными с практической точки зрения являются мелкозернистые, хорошо отсортированные пески, содержащие наибольшее количество рудных минералов при наименьшем содержании в них сростков.
Опытно-промышленная разработка подводных россыпей велась по нескольким профилям на глубинах моря от 3 до 5 м при помощи переоборудованной рефулерной баржи, на которой был установлен землесос РБ-200 с производительностью по пульпе 500 м3/ч. Грунтозаборное устройство представляло собой гибкий резиновый шланг 0 250 мм и длиной 8,5 м, армированный проволокой, со всасывающим наконечником. На всасывающем наконечнике была приварена решетка, предотвращающая попадание крупных включений во всас. Максимальная глубина разработки составляла 7 м. Разработка подводной россыпи велась методом отдельных воронок при якорном папильонаже. Воронки представляли собой конус с эллиптической образующей и углом конусности 32——40°. С одной якорной стоянки разрабатывалось 800——1000 м3 песков при объеме каждой отдельной воронки около 90——100 м3. Консистенция засасываемой пульпы колебалась от 1 : 3 до 1 : 6. Хвосты обогащения сбрасывались в выработанные воронки. Колебания консистенции были связаны с постоянной качкой и отсутствием специальных приспособлений, обеспечивающих непрерывный контакт всасывающего оголовка с забоем.
Рис. 6.11. Магнитные сепараторы на борту переоборудованной баржи
В сложных метеорологических условиях Охотского моря была достигнута высокая промышленная производительность добычного агрегата, позволившая обеспечить исходным питанием обогатительную установку без потерь магнитной фракции во время грун- тозабора.
Двухсекционная обогатительная установка (рис. 6.10) включала в себя классификационные неподвижные сита, магнитные сепараторы для первичного обогащения, насосы и другое вспомогательное оборудование. Добываемые со дна пески классифицировались на неподвижном сите по диаметру 6 мм и поступали на магнитную сепарацию в сепараторы 167А-СЭ (рис. 6.11) с прямоточными ваннами, установленные по два в каждой секции. Магнитный продукт первичной сепарации в каждой секции перечищался на аналогичном сепараторе. Хвосты и промпродукт магнитной сепарации по наклонным лоткам сбрасывались за борт в выработанное пространство. Готовый магнетитовый концентрат складировался в трюм, оборудованный переливными устройствами, позволявшими сбрасывать за борт лишнюю воду.
Общая производительность обогатительной установки доходила до 30 т/q концентрата. Одной из основных задач обогащения было получение концентрата максимально лучшего качества при существенно неоднородных параметрах таких, как консистенция пульпы, гранулометрический и минералогический состав питания (рис. 6.12).
Объектом особого исследования явилась качка добычного судна, в значительной степени определившая эффективность работы обогатительной установки.
Магнитные сепараторы устанавливались на палубе добычного судна таким образом, чтобы ось магнитного барабана была перпендикулярна к диаметральной плоскости корабля. В процессе исследования влияния качки корабля на эффективность работы сепаратора изучались следующие основные вопросы:
влияние различных типов качки и их интенсивность на ка
рие. 6.12. Содержание железа в исходных пескахрие. 6.12. Содержание железа в исходных пескахчество продуктов сепарации;
рие. 6.12. Содержание железа в исходных песках
рие. 6.12. Содержание железа в исходных песках
определение оптимального режима сепарации в зависимости от характера и интенсивности морского волнения.
Результаты исследований представлены на рис. 6.13. Очевидно, что влияние бортовой качки на работу магнитного сепаратора имеет двоякий характер. При размахе поперечных колебаний ванны сепаратора в пределах от 0 до 1,5° качество концентрата несколько улучшается (от 52,4 до 53,2%), а затем при увеличении качки непрерывно падает. При увеличении поперечных колебаний сепаратора от 3 до 10° и выше наблюдалось расплескивание рабочей пульпы через бортовые стенки ванны, и нормальный процесс сепарации практически прекращался. Некоторое улучшение качества концентрата при малой бортовой качке судна можно объяснить тем, что при поперечном покачивании сепаратора наблюдается некоторое разрыхление исходного питания в ванне. При увеличении размаха колебаний наряду с разрыхлением наблюдается взмучивание немагнитных зерен со дна ванны и их последующее заклинивание в магнитных прядях на поверхности рабочего ба
рабана.
С другой стороны, килевая качка сразу же начинает ухудшать процесс магнитной сепарации, хотя в пределах от 0 до 1,5° качество концентрата меняется незначительно. Вероятно, ухудшение качества концентрата объясняется тем, что при килевой качке поступающий в ванну материал значительно интенсивнее входит в контакт с рабочим барабаном, чем это имеет место при нормальной работе сепаратора. При неподвижной ванне сепаратора к барабану притягиваются только магнитные частицы. При килевой качке немагнитные частицы начинают касаться поверхности барабана, неизбежно захватываются и заклиниваются магнитными частицами и
попадают в концентрат.
Аналогичное явление должно наблюдаться и при воздействии на процесс магнитной сепарации вертикальной качки.
Таким образом, исследования влияния качки на результаты магнитной сепарации позволяют сделать следующие выводы:
любой вид качки судна (а, следовательно, и магнитного сепаратора) в пределах до 1,5——2° не искажает заметно результатов сепарации, увеличение размаха колебаний свыше 4,5° резко ухудшает работу сепаратора;
наименьшее влияние качки наблюдается при расположении обогатительного оборудования в центре тяжести судна;
наименее чувствительны к качке обогатительные высокона
порные аппараты центробежного типа (гидроциклоны и т. п.), наиболее чувствительны низконапорные аппараты (логки, концентрационные столы, барабанные сепараторы и другие).
Проведенные исследования по обогащению ильменито-магнетитовых песков в условиях морских волнений, а также доводка черновых концентратов в лабораторных условиях позволяют предложить окончательную технологическую схему обогащения с получением магнетитового концентрата, удовлетворяющего стандартным требованиям (рис. 6.14).
Производительность обогатительной установки и отдельных ее узлов, а также компоновка оборудования должны выбираться в зависимости от типа добычного судна и добычных устройств.
Исходные пески подаются в виде пульпы на операцию мокрой классификации по размеру 6 мм. Подрешетный продукт усредняется и поступает на мокрую классификацию в гидроциклоны по граничному зерну 0,25 мм. Надрешетный продукт крупностью + 6 мм и продукт +0,25 мм удаляются из процесса. После операций классификации рабочая пульпа с консистенцией 25——50%
^гх одные пески(-25 мм)^гх одные пески(-25 мм)Мокрое грохочениеМокрое грохочениен и ен и еМокра歹 кла с с и巾иканийМокра歹 кла с с и巾иканийМокраяма2Hlimнаа, сепарсщиа
^гх одные пески
(-25 мм)
^гх одные пески
(-25 мм)
Мокрое грохочение
Мокрое грохочение
н и е
н и е
Мокра歹 кла с с и巾иканий
Мокра歹 кла с с и巾иканий
Хвосты за бортХвосты за бортМокраямаенитнан сепарацииМокраямаенитнан сепарацииКонцентратКонцентратПромпродиктза бортПромпродиктза бортПроппродуктза бортРис. 6.14. Технологическая схема обогащения титаномагнетитовых песковПроппродуктза бортРис. 6.14. Технологическая схема обогащения титаномагнетитовых песковМокраямагнитная сепарация
Хвосты за борт
Хвосты за борт
Мокраямаенитнан сепарации
Мокраямаенитнан сепарации
Концентрат
Концентрат
Промпродиктза борт
Промпродиктза борт
Проппродуктза борт
Рис. 6.14. Технологическая схема обогащения титаномагнетитовых песков
Проппродуктза борт
Рис. 6.14. Технологическая схема обогащения титаномагнетитовых песков
подается на мокрую магнитную сепарацию на сдвоенные магнитные сепараторы типа 209-СЭ с прямоточной ванной. Черновой концентрат переобогахцается на сепараторе 209-СЭ с полупротивоточ- ной ванной. Хвосты сепарации выводятся из процесса. Полученный концентрат складируется в дренируемый трюм.
Представляют также интерес опытно-разведочные работы по подводной добыче и обогащению магнетитовых песков Черного моря, проведенные в 1969——1970 гг. Проблемной лабораторией подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов Московского горного института и Институтом горной механики, разработки месторождений и физики взрыва АН ГССР (ИГРИФ) с привлечением технического флота Грузинского морского пароходства .
Месторождение магнетитовых песков занимает неширокую полосу между реками Чорохи и Бзыби. Наиболее высокой магнетито- носиостью отличаются пески прибрежной полосы между реками Супса и Чорохи протяженностью 50 км. Состав песков: амфиболо- пироксено-магнетитовый с обломками сильно выветренных лав, слюдистых сланцев, известняков, интрузивных и эффузивных пород. Пески, в основном, разнозернистые, местами тонкозернистые с незначительным содержанием илистого материала, гравия и обломков ракушек.
Рис. 6.15. Теплоход «Кодор» с эжекторным всасом и гидравлическим р ыхлителем
Магнитная фракция удельным весом 3,58 кгс/см3, с которой связаны полезные компоненты песков, составляет около 3% по объему от общей массы песков. Около 60% кондиционных песков приходятся на подводную часть россыпи, которая простирается от 0,2 до 2,5 км от береговой линии (в среднем на 1,5 км) и залегает на глубинах 20——25 м. Мощность продуктивных песков колеблется от 6 до 12 м.
Опытная добыча магнетитовых песков проводилась на участке между устьями рек Супса и Кинтриши на расстоянии 400——2000 м от берега на глубинах моря от 5 до 16 M при волнениях моря до 5 баллов. Разработка песков проводилась отдельными воронками глубиной до 6 м.
Согласно разработанной технологической схеме, грунтозабор морских песков производился гидравлическим способом, обогащение осуществлялось на принципах мокрой магнитной сепарации, а обезвоживание полученного концентрата производилось в дренирующем трюме.
Опытные работы на Черном море проводились под руководством инж. М. Л. Кронгауза на самоходном морском земснаряде «Кодор» (рис. 6.15), оборудованном эжекторным наконечником с гидравлическим рыхлителем при подаче воды насосом 12НДС-М. Кроме того на борту судна были дополнительно смонтированы магнитный сепаратор 167А-СЭ, неподвижный грохот для отсева ракушечника и крупных классов (рис. 6.16). При этом определялось следующее:
Рис. 6.16. Обогащение песков на борту теплохода «Кодор» (схема расположения оборудования):
I — неподвижный грохот; 2, 4 — бункера; 3 — магнитный сепаратор
эффективность гидравлического способа подъема рудной массы;
возможность магнитного обогащения песков на борту добычного судна в условиях морских волнений;
возможность получения из подводных россыпей черноморских магнетитовых песков концентрата, пригодного для использования в металлургическом процессе.
При проведении наблюдений на борт судна эжектором (рис. 6.17) подавалась пульпа, часть которой отбиралась на обогащение, остальная сбрасывалась за борт. Пройдя неподвижный грохот, горная масса поступала на магнитный сепаратор. Первичный концентрат тут же на судне подвергался перечистке. Контроль за процессами грунтозабора и обогащения проводился путем отбора проб и определения содержания магнитной фракции.
В процессе работ было установлено, что подъем магнитной фракции гидравлическим способом осуществляется практически без потерь, причем при разработке песков методом воронок за счет обрушения откосов воронок в определенные моменты происходит некоторое обогащение всасываемых песков за счет естественной гидравлической классификации минералов по удельному весу ・ С момента заглубления наконечника в грунт на глубину 0,5 м консистенция пульпы колебалась незначительно, составляя в среднем 1 : 8 по объему.
За время опытных работ было добыто 10 000 м3 исходных песков, свыше 500 м3 которых было обогащено на магнитных сепараторах. Получено 10 т первичного концентрата, из них перечищено —4 т.
Рис. 6.17. Эжекторный всас
Анализ исходных песков, произведенный в лаборатории обогащения АН ГССР, подтвердил идентичность минералогического состава песков береговой и подводной части месторождения. Гранулометрический состав, песков, подаваемых на магнитную сепарацию и распределение магнитной фракции по классам крупности приведен в табл. 6.1.
Хорошая степень раскрытия рудной фазы позволила (производя обогащение песков в естественной крупности) однократной перечисткой коллективного концентрата первичной магнитной сепарации получить концентрат следующего состава (%):
Fe = 52,17, SiO2 = 8,93, СаО = 1,79, HgO = 2,76, TiO2 = 4,6, V2O2 = 0,46, SO3 = 0,23, P = 0,1.
T а б ц и ц a 6.1
Анализ исходных проб в районе пос. Уреки
Классы, мм
Выход класса, %
Магнитная фракция: выход в %
от класса
от пробы
—1,0+0,5
—0,5+0,25
8,62
0,41
—0,25+0,14
46,20
1,75
—0,14+0,10
24,64
1,93
—0,10+0,063
19,51
16,32
3,18
—0,063
1,03
40,00
0,41
Получеййыи концентрат но заключению Института металлургии АН ГССР, которому были переданы 1,5 т концентрата, может быть использован в качестве подшихтовочкого материала при производстве предельного чугуна в доменных печах Руставского завода. Причем расчеты материальных балансов доменной плавки показали, что с технической точки зрения целесообразно заменить 30% дашкесанского концентрата концентратом, полученным из черноморских магнетитовых песков.
На основании проведенных исследований Московским горным институтом и Институтом горной механики АН Грузинской ССР разработана технология добычи и обогащения подводной россыпи черноморских магнетитовых песков с учетом повышения устойчивости береговой линии.
Технология подводной добычи опытно-разведочного предприятия основана на использовании морского самоотвозного земснаряда «Кодор». Теплоход 《Кодор》должен быть дооборудован и, в частности, необходимо смонтировать на борту конический грохот (диаметром 2,5 м) для выделения гравия с отверстиями 6 мм, магнитные сепараторы 209-СЭ для первичной сепарации и переочи- стки. Для обеспечения заданной производительности по исходному питанию рационально смонтировать второе всасывающее устройство, оборудовав его эжекторным грунтозаборным устройством.
При работе переоборудованного теплохода《Кодор》со сбросом хвостов за борт производительность по твердому определяется порядка 200 т/ч. При выходе концентрата 4% производительность по готовой продукции за 1 ч чистой работы определяется 8 т/ч. При этой производительности время заполнения трюмов определяется 350 : 8 = 44 q. При скорости движения около 10 узлов, продолжительность рейса составит 48 ч, т. е. 2 суток. Необходимое число рейсов в год при принятой производительности по концентрату 40000 т должно быть 115. Число дней по добыче концентрата тогда составит 230 суток.
Необходимые затраты, связанные с переоборудованием судна (140 тыс руб.) и установкой на нем дополнительного оборудования (землесос 8Гр-8, сепаратор 209-СЭ, гидроциклон 83А-КГ, дизель- генератор ЗД-12) составят 210 тыс. руб. без учета балансовой стоимости судна. Годовые эксплуатационные затраты по судну «Кодор» после переоборудования его в морскую драгу составят 119 тыс. руб.
Особо следует рассмотреть вопрос устойчивости пляжей и подводного склона в районе производства подводных горных работ. В результате проведенных исследований выявлены границы разделения питания берега, установлены границы общего перемещения наносов. Большую роль в питании пляжей и подводного склона Аджарского инженерно-геологического района играют наносы р. Чорохи, материал которой распространяется на север от курорта Кобулети.
Побережье от р. Супса до Натанеби представляет собой как бы нейтральную зону, где отсутствует однонаправленный поток на-
носов, и наблюдается миграция их в обе стороны в зависимости от направления волн. От р. Супса до створа № 25 берега практически стабильны, и в настоящее время не требуют укрепления, так как дефицит наносов, вызванный изъятием пляжевых материалов в ближайшем будущем будет восполнен выносами пляжепитающих источников и в первую очередь р. Супса. В остальной части исследуемого района берег размывается и особенно Кобулетский участок («Пиченари»).
Учитывая данные по динамике наносов сброс хвостов следует производить параллельно берегу на изобатах 3—4 м: преимущественно на размывочных участках.
Кроме района Супса-Кобулети в смысле наличия геологических запасов песчаного материала представляет интерес участок подводного склона от левобережья р. Чорохи до р. Гонио. На этом участке пески развиты до глубины 30 м на расстоянии 800 мм от уреза, после чего наступает свал глубины с характерным уклоном 0,16 и пески сменяются илами. Уклон прибрежного подводного склона характеризуется разными величинами, что обусловливается наличием подводного вала, прослеживающегося вдоль берега на глубине 3—4 м. Запасы песков на дне пополняются твердыми выносами р. Чорохи (твердый сток р. Чорохи 14 млн. т в год) и только в незначительной степени выносы перемещаются с юга на север.
Такое положение с устойчивостью береговой полосы делает весьма рациональной технологию подводной добычи полезных ископаемых с подачей на глубины 4——6 м сбрасываемых хвостов обогащения, т. е. песков, из которых извлечена магнитная фракция. На эти же отметки необходимо сбрасывать завозимые с участков намыва пески для восполнения забираемого объема 10 тыс. м3. Завоз песков для восполнения забираемого объема может быть осуществлен судами Сухумского морского порта, занятыми добычей строительных песков в данном районе и доставкой их в порты Поти и Сухуми с себестоимостью 0,57 руб/м3.
Таким образом установлено, что при сбросе хвостов обогащения в выработанное пространство и дополнительном сбросе 10 тыс. м3 песков для восполнения забранного объема, представленного концентратом, устойчивость пляжей и берегов не будет нарушена.
ПОДВОДНАЯ ДОБЫЧА НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В Советском Союзе в связи с интенсивным развитием промышленного и гражданского строительства потребность в нерудных строительных материалах все время возрастает. Организация многочисленных мелких карьеров на суше по добыче песка и гравия ведет к отчуждению из сельскохозяйственного пользования значительных площадей земли, требует больших затрат на рекультивацию и приводит к большой себестоимости разработки.
В центральных районах СССР, не имеющих выхода к морю, организация подобных карьеров необходима, но в прибрежных р айонах, где не имеется месторождений песка и гравия или разработка на пляжах ведет к эрозии берегов, целесообразно организовать добычу нерудных строительных материалов со дна моря, с учетом устойчивости пляжей и береговой линии.
В настоящее время в Советском Союзе ведется разработка подводных месторождений песка и гравия на многих морях. Предварительные сведения о подводных разработках приводятся в табл. 6.2.
Черное и Азовское моря. Шельф Черного моря до настоящего времени еще не изучался детально для выявления месторождений нерудных полезных ископаемых. Однако местные организации в больших масштабах вели разработку пляжевых месторождений песка и гравия, что вело к оползням, абразии берегов и смыву пляжей морем. Например, в районе г. Одессы до 1965 г. добывалось из пляжевых месторождений 2——2,5 млн. т в год песка и гравия, что привело к значительным оползневым явлениям в районе города. В связи с этим начались активные поиски подводных месторождений песка и гравия на шельфе у г. Одессы, проводимые проблемной лабораторией морской геологии Одесского государственного университета, в результате которых было выявлено крупное месторождение песков в районе Одесской балки в 20 км восточнее г. Одессы, пригодных для производства бетона и строительных растворов.
Одесская банка представляет собой подводную аккумулятивную отмель шириной 8——10 км и длиной до 50 км, находящуюгя на глубинах до 10 м. Банка отделена от берега желобом глубиной до 15—17 м и шириной 4,5—9 км. Разведка банки проводилась при помощи отбора поверхностных проб и бурением скважин глубиной по 9——10 м (рис. 6.18). Продуктивные пески перекрыты слоем современного детрита или детрита с песком мощностью от 1 до 4 м.
Запасы песков Одесской банки, по оценке Л. Б. Розовского, составляют 69 млн. м3 по категории С2. Прогнозные запасы песка при площади распространения 100 км2 и мощности 9——10 м составляют 900—1000 млн. м3 [36].
Представляют интерес Терновское месторождение песка, расположенное около с. Терновка на расстоянии 5——7 км от берега на глубинах от 9 до 11 м, а также Днестровская банка, находящаяся в 12——15 км от берега в районе Днестровского лимана на глубинах 5——10 м, которая является реликтовым аккумулятивным образованием и имеет среднюю длину около 12 км, ширину ——6 км. Запасы Терновского участка, расположенного за Днестровской банкой и разведанного в 1970——1971 гг., составляют по категории Clt около 5 млн. м3. Мощность продуктивной толщи песков составляет 1,5—— 2,5 м, пески средне- и мелкозернистые с небольшим содержанием раковинно-детритового материала (до 12—15%). Характеристика песков приведена в табл. 6.3. По данным лаборатории треста
Место расположения
Характеристика продукции
Организация, ведущая разработку
Технические средства для добычи
Объем добычи
Затраты на разработку ру@/м& руб/т
Отпускная цена руб/м* руб/т
Примечание
Терновский участок
Днестровской банки (5—7 км от берега, глубина моря 9—11 м, мощность 1,5—2,5 м)
Средне- и мелкозернистые пески с ракушками (12— 15%)
Черноморпуть СССР, Черно- мортехфлот
3. с.* ЗС—20
3. с. «Арабат- ский»
3. с. «Азовский»
1102 тыс. т/год
2,37 ТЛ8
3,02
Запасы около 5 млн. м3
Одесская банка' (в 20 км к востоку от Одессы, 50Х 10 км, глубина моря 4,5— 15 м, мощность ракушки —2 м, песка —3 м)
Ракушка, мелко- и разнозернистые пески
Черномортех- флот
3. с. «Ирбен»
3. с. «Черноморский»
3. с. «Азовский»
1730 тыс. т/год
1,56
1,90
Добыча ведется с 1965 г. Запасы около
1 млрд. ма
Тендровская коса
Песок
Одесский морской торговый порт
15-тонный грейферный кран《Елей- херт»
335,7 тыс. т/год
Добыча безтранспорта 0,32 р/т
2,93 丽
一
Донузлавское месторождение (в
Ракушечный песок с примесью глини-
Евпаторийский порт, Чераз-
3. с. «Черное море» и
600 тыс. м3/год
1,75 ТТ7
2,70 Тз"
Добыча ведется с 1963 г. Запа-
^Таблицаб.2
6
Предварительные сведения по подводной добыче строительных материалов со дна морей СССР
32 км к северо-западу от Евпатории)
стых частиц до 5% М - 1,303
морпуть
3. с. «Ясен- ский»
сы 20—
25 млн. м3
Любимовское месторождение в 1,5 км от берега между с. Любимовка и р. Кача, в 6 км к северу от Севастополя)
Средне-и крупнозернистые пески с глинистыми примесями (2,0% М = :- 2,16,) ракушки до 50%
Севастопольский морской порт
Рефулерный земснаряд
200 тыс. м3/год
Стоимость привозных песков в Крыму 6—12 руб/т
Ялтинская бухта (в 2 км от р. Водопадная)
Гравий (5 мм) 13+ 18%, глинистые —4ч- 6%, ракушка —20%, песок —60%, М = 二 2,6
Ялтинский порт
Несамоходная рефулерная баржа
242 тыс. м3 или 387 тыс. тонн в год
1,68
1,05
2,3
1,44
С 1952 г. добыто 5,6 млн. м3
Чалкинское месторождение (в 15 км к юго-зап. от м. Киик—Атлама в 3 милях от берега, глубина моря 12+ + 16 м)
Песок
Феодосийский порт
То же
70—
75 тыс. м3/год
3
3,75
2,5
Керченское месторождение в 10 милях от Керчи в проливе, мощность песков 4 м, сверху и мощностью 2—3 м)
Ракушка — 30% песок — 70%
Керченский порт
Грейферный снаряд
100—150 тыс. м3/год
2,29 ТбЗ
2,47 碼
吧 П родолжение табл. 6.2
Место расположения
Характеристика продукции
Организация, ведущая разработку
Технические средства для добычи
Объем добычи
Затраты иа разработку руб/ма руб/т
Отпускная цена руб/м3 руб./т
Примечание
Скадовское месторождение (Херсонская обл. порт Ска- довск)
Песок
Скадовский морской порт
Рефулерная баржа
72 тыс. м3 в год
0,75
1,87 取
—
Село Гонио (Аджария, 11 миль от Батуми, глубина 4 м)
То же
Батумский морской порт
1000-тонный несамоходный лихтер с двумя грейферными кранами
250 тыс. т/год
"КбЭ
Грузинское геологическое управление не имеет на балансе
Кабардинка (глубина 5—8 м)
Новороссийский морской порт
Рефулерная несамоходная баржа
8—10 тыс. т в год
Ь32
森
—
Финский залив
Северо-западное речное пароходство МРФ СССР
3. с. ДЭ—725 Q = 1458 т/ч 3 шт.
3. с. ДЭ—250 Q = 1019 т/час 1 шт. транспорт —— шаландами
6910,6 тыс. т в 1973 г.
Добыча без транспорта 0,061 руб/тн
Для строительных организаций г. Ленинград
Финский залив
Ленинградское СУ треста «Гидромеханизация» Минэнерго СССР
3. с. 500— 600 — 1 пгт.
3. с. 300 — 40—3 шт.
3. с. 350 —
50 — 1 шт.
〜1500 тыс. м3 в год
Намыв территорий в объеме 112 млн. м3
Вентспилс
«Балтморпуть» ММФ СССР
3. с. «Выборгский»
554,553 тыс. м3 в 1972 г.
0,3
0,69
Для намыва территории на берегу
Татарский пролив (около порта Ванина)
Ванинский торговый порт
Рефулерная баржа
200 тыс. т в 1965 г.
30 тыс. т в 1973 г.
0,3
6
Уменьшение добычи связано с запретом разработок
Залив Анива (Сахалин)
Корсаковский торговый порт
То >ке
100 тыс. т в юл
0,4
6
Примечание: *3. с. — земснаряд. 2
合
医3’冒2臣孙Q^后3£司6
室7宮8回9■勿E"
Рис. 6.18. Литологические разрезы через Одесскую банку:
< —песок с детритом; 2 — алеврит； 3 — гравий; 4 — ил; 5 — песок кварцевый средний;
6 — песок мелкий; 7 — песок очень мелкий; 8 — песок алевролитовый; 9 — детрнт; /0 — торф; 11 — контур подсчета запаса С2
Таблица 6.3
Характеристика песков Териовского участка
№ скважин
Модуль крупности
Плотность, т/м8
Пористость
Содержание глинистых частиц, %
Содержание ракушки, %
-145
1,87
2,62
47,7
1,69
12
147
2,30
2,68
50,0
2,63
17
«Черноморгидрострой», указанные пески могут применяться для изготовления бетонов.
Лабораторией инженерной геологии Одесского государственного университета в 1965 г. были проведены буровые работы для разведки Тилигульского месторождения песков, расположенного против Тилигульского лимана. Разбуренный одиннадцатью скважинами участок находится в 10——12 милях от Одессы на глубинах моря от 8 до 10 м. Определены запасы в объеме до 1 млрд, м3 на площади 19 км2. Для окончательного определения запасов и площадного распространения песков на дне моря необходимо произвести доразведку.
Основными организациями, ведущими подводную добычу песка в северо-западной части Черного моря, являются управление «Черномортехфлот», бассейновое управление пути ММФ СССР «Черазморпуть» и морские торговые порты, которыми в 1970— 1972 гг. ежегодно добывалось до 2,6 млн. м3 морских песков. В 1973 г. было добыто 4,2 млн, м3, что составляет около 40 % добычи пескав УССР.
С учетом разработки подводных месторождений песка игравия в дельте Дуная, возле побережья Крыма, Кавказа общий объем ежегодной добычи морского песка и гравия составляет около 5 млн. м3.
Разработка Одесской банки ведется с 1965 г. Район подводных выработок обозначается одним морским буем-сигарой, возле которого земснаряд начинает вести грунтозабор.-Для этого опускается всасывающая труба до соприкосновения с грунтом, включается грунтовый насос, после чего земснарад начинает перемещаться задним ходом, постепенно заглубляя всасывающую трубу в грунт；.
Разработка грунта ведется траншейным способом с заглублением всасывающей трубы в грунт до 3—3,5 м. Длина траншеи составляет 30—50 м с нулевыми отметками в начале грунтозабора и постепенным углублением до 3,5 м. Направление разрабатываемой траншеи определяется капитаном-багермейстером и обычно перпендикулярно к фронту волн в момент грунтозабора.
Наполнение трюма песком происходит за 0,7—0,8 ч. После заполнения трюма песком грунтозабор прекращается, поднимается
Рис. 6.19. Береговой склад для приема песка при разработке подводного месторождения на Одесской банке:
/ — водоотвод T3U; 2 — водосборный колодец; 3 ——конусный грохот； 4 — деревянная эстакада; 5 — пульповод диаметром 500 мм; 6 ——участок эстакады на железобетонных сваях длиной 9 м; 7 — участок эстакады на металлических сваях длиной 11 м; 8 — швартовые палы
всасывающая труба и земснаряд транспортирует песок на расстояние до 25 км в Одесский порт. Ходовое время обычно равно 6——6,5 q, что составляет около 43% времени рабочего цикла. Простои по метеорологическим условиям составляют 19%, коэффициент использования рабочего времени в среднем равен 0,69. После захода в нефтегавань земснаряд швартуется к железобетонным палам и по трубопроводу диаметром 500 мм и длиной около 350 м, уложенному на опорах в море, рефулирует пульпу на береговой склад намыва с геодезической высотой подъема до 6 м (рис. 6.19). Береговой склад намыва Одесского завода железобетонных изделий представляет собой площадку размером ЮОХ 100 м с первичным обвалованием по периметру. Пульпа, поступающая на склад намыва, проходит через конический грохот, на котором отбивается ракуша. Обычно объем ракуши составляет 50——60 м3 от объема трюма земснаряда. Ракуша используется в качестве подкормки на птицефабриках, как балластный материал или утеплитель и отпускается по цене 6 руб/м3. Подрешетный продукт (песок) намывается на складе. Осветленная вода через водосбросные колодцы самотеком сбрасывается в море. На классификации и погрузочных работах занято 13 человек, два бульдозера, драглайн и мехлопата.
Терновский участок морских песков разрабатывается земснарядом «Азовский». Подводное месторождение оконтурено четырьмя буями-сигарами, в контуре которых ведется подводная добыча песка. Разработка ведется траншейным способом. Длина разрабатываемой траншеи составляет 70——80 м, глубина — 2——2,5 м. Расположение траншей также бессистемное, в зависимости от направления волнения на момент разработки. При разработке мелкозернистого песка на глубинах до 9 м трюм земснаряда заполняется 252
за 30—40 мин. После окончания грунтозабора земснаряд транспортирует песок на расстояние до 48 км в порт Ильичевск. Время транспортирования колеблется от 4,5 до 5 ч. В порту сделан специальный канал, позволяющий подходить земснаряду к береговому складу намыва Ильичевского завода железобетонных изделий. Швартовка земснаряда производится у барж, на которых смонтировано переходное устройство для соединения напорного патрубка земснаряда с береговым пульпопроводом длиной 460 м. Высота подачи пульпы составляет 6 м. Пульпа поступает в конусный грохот для отбивки ракуши. Время рефулирования пульпы на береговой склад составляет 1——1,2 ч. Песок используется для собственных нужд Ильичевского завода железобетонных изделий.
Земснарядом № 20 бассейнового управления «Черазморпуть» ведется добыча морских песков на Терновском участке для Ильичевского морского порта. Грунтозабор ведется до глубины 13 м всасывающим наконечником волочащегося типа длиной 15,5 м. Грунтовый насос, расположенный в трюме земснаряда ниже ватерлинии» работает от паровой машины мощностью 2500 л. с. и при частоте вращения 150 об/мин развивает производительность до 12 000 м3/ч по пульпе. Пульпа по разводящим пульпопроводам диаметром 700 мм поступает в два трюма общей емкостью в 2900 м3. Разработка песка ведется земснарядом траншейным способом с заглублением в грунт всасывающей трубы волочащегося типа на 1—1,5 м. Скорость земснаряда при грунтозаборе изменяется в пределах 1——1,5 узлов. Для полного заполнения трюмов песком земснаряд проходит одну—две траншеи длиной 1,5—2 км. Ориентация разрабатываемых траншей производится в зависимости от направления морских волнений и, в основном, от направления ветра из-за большой парусности над водной частью земснаряда. Время загрузки трюмов песком в среднем составляет 2 ч, время хода в порт 4—4,5 ч. Разгрузка трюмов земснаряда занимает 6—9 ч, что вызвано уплотнением песка в трюмах и различными техническими причинами. Пульпа по береговому трубопроводу диаметром 700 мм подается на береговой склад намыва. Земснаряд делает два рейса за сутки, намывая на береговой склад около 5 тыс. т песка.
Береговой склад намыва имеет площадь 28 тыс. м2 и огражден дамбами первичного обвалования. Осветленная вода сбрасывается через два водосбросных колодца, расположенных в противоположных частях карты намыва. Береговой склад песка обслуживают около 50 человек, четыре экскаватора Э-652 с ковшами емкостью 0,75 м3 и шесть бульдозеров марки Д-250 и С-100. Ежемесячно реализуется строительным организациям 75—80 тыс. т песка по цене 1,89 руб/т. —
Одесский морской торговый порт ведет разработку морского песка в Тендровском заливе в объеме до 1 млн. т в год при помощи плавучего грейферного крана «Блейхерт» с грейфером емкостью 4,5 м3 на глубине до 3 м. Плавучий кран ведет загрузку несамо-
ходных барж грузоподъемностью 1000 т за 2,5—4 4 в зависимости от условий погрузки.
Добытый песок транспортируется на береговые склады, расположенные в Белгород—Днестровском порту на расстоянии 67 км от подводного карьера, и в портпункт Бугаз на расстояние 34 км. Выгрузка песка из барж в порту производится за 3—4 ч плавучим краном《Влейхерт» на причал, в портпункте — портальным краном. Время цикла баржи при транспортировке в порт составляет 23,5 ч, а в портпункт — 11,25 ч.
Портофлот Белгород—Днестровского морского порта ведет добычу морского песка в объеме до 750 тыс. т ежегодно. Для добычи песка используются три несамоходных баржи грузоподъемностью 1000 т и одна несамоходная баржа грузоподъемностью 300 т, на которых смонтированы грунтовые насосы производительностью 800 м3/ч по пульпе. Всасывающая труба, размещенная вдоль одного из бортов, диаметром 350 мм и длиной 15 м позволяет вести подводную добычу песка на глубине моря до 12 м. Разработка подводного месторождения ведется методом отдельных воронок, глубиной 4—5 м.
Известны также примеры разработки подводных месторождений песка возле побережья Крыма, что особенно важно для промышленности Крымской области, так как пески ввозятся в Крым морским или железнодорожным путем из Одесской, Херсонской, Запорожской и других областей.
По данным Ю. А. Германова, с 1963 г. ведется интенсивная разработка Донузлавского подводного месторождения песков, находящегося в 32 км к северо-западу от Евпатории на акватории оз. Донузлав. По имеющимся предварительным данным, запасы Донузлавского месторождения достигают 20——25 млн. м3. Пески ракушечные, содержат глинистые примеси и ил в количестве от 0,13 до 10%. Плотность в насыпке 1,54 г/см3, модуль крупности 1,808, примесь кварцевых зерен от 6 до 20%. Объем добычи до 600 тыс. м3/год.
В 1,5——2 км к югу от р. Водопадной в Ялтинской бухте разрабатываются морские пески с большим содержанием мелкого гравия, целой и битой ракуши. Содержание гравия +5 мм — 13——18%, глинистых частиц 4—6%, модуль крупности — 2,6. С 1952 г. добыто；более 5,6 млн. м3 песка и песчано-гравийной смеси. При этом наблюдениями установлено, что объем подводного карьера на дне Ялтинской бухты составляет только около 300 тыс. м3. Это говорит о том, что запасы подводного месторождения после разработки восстанавливаются и если вести добычу морских песков в . объемах равных объемам приносимого морем материала, то не происходит нарушения динамической устойчивости подводного берегового склона.
В течение многих лет добывался песок-ракушечник на Арабат- ской стрелке в Азовском море предприятиями МПС СССР при ежегодной производительности до 700 тыс. т. В настоящее время эти 254
работы прекращены из-за возможности прорыва тела Арабатской стрелки.
Возможно значительное увеличение запасов стекольного песка для карьера Керченского стекольного завода за счет вовлечения в разработку песка в южной части Казантинского залива.
Анализ потребностей в нерудных строительных материалах Одесской и Крымской областей показывает, что потребности промышленности Одесской области в основном покрываются поставкой песка, добытого на дне моря (добыча песка на суше составляет около 150 тыс. м3), а дефицит песка в Крымской области покрывается за счет привозного песка. По данным Ю. А. Германова, стоимость привозных песков превышает стоимость песка, добытого у побережья Крыма, в 5—8 раз и колеблется от 6 до 12 руб., причем они имеют невысокое качество и большое (до 10—12%) количество глинистых примесей. Так например, николаевские пески, доставляемые морским путем в Ялту, стоят. 7,57 руб. за 1 т, в Керчь — 8,23 руб., в Севастополь — 8 руб. В то же время отпускная цена 1 т морских песков составляет: в Евпаторийском порту — 1,8 руб., в Керченском— 1,65 руб., а в Ялтинском — 1,44 руб. за 1 т.
Кроме вышеуказанных объектов подводной добычи песков на Черном море разрабатываются месторождения в Цемесской бухте около Новороссийска, возле портов Батуми, Поти и других.
Балтийское море. В акватории Балтийского моря наиболее значительные объемы морского песка добываются в Финском заливе. Северо-Западное речное пароходство МРФ СССР ведет разработку песка на глубине до 2—3 м в 60 км от Ленинграда земснарядами чехословацкой постройки. На добыче занято три земснаряда ДЭ-725 производительностью до 1460 т/ч и один земснаряд ДЭ-250 с производительностью 1000 т/ч. Земснаряды оборудованы всасывающими устройствами атакующего типа и имеют фрезерные рыхлители. Перемещение земснарядов осуществляется за счет тросов. Разработанный грунт вместе с водой подается в шаланды, которые транспортируют песок в Ленинградский порт. На транспортировке занято 75 шаланд. Выгрузка шаланд в порту произвол дится портальными кранами в штабели. Объем добычи морских песков достигает 7 млн. т в год.
Ленинградское СУ Всесоюзного треста «Гидромеханизация» Минэнерго СССР ведет разработку морских песков в Финском заливе для намыва территорий на берегу под промышленное и гражданское строительство. Намыв ведется в Ждановском и Кировском районах, на Васильевском острове и в других районах. Общий объем намыва территорий составляет 112 млн. м3 при ежегодной добыче в пределах 1,5—1,7 млн. м3. Разработку песков на глубинах моря 0,5——1,5 м ведут земснаряды отечественной постройки речного типа (один земснаряд типа 500—60, три земснаряда типа 300 — 40 и один земснаряд типа 350-50). Все земснаряды оборудованы всасывающими устройствами атакующего типа и фрезерными
разрыхлителями. Разработка ведется широкими заходками (до 80 м) при тросовом папильонаже на расстоянии до 1—1,5 км от берега. Пульпа подается грунтовым насосом вначале по плавучему трубопроводу длиной 50——60 м, а затем по затопленному трубопроводу диаметром 600 мм, уложенному по дну Финского залива. Затопленный пульпопровод состоит из отдельных звеньев труб длиной 50——60 м с шаровыми соединениями, что позволяет придать определенную гибкость трубопроводу при местных подвижках грунта морского дна.
Балтийское управление морских путей ММФ СССР ежегодно добывает со дна моря 1,0—1,5 млн. м3 песков и рефулирует их на берег. Например, земснаряд «Выборгский» вел грунтозабор песка юго-западней головы южного мола Вентспилского порта в объемах до 0,5 млн. м3 в год для намыва территории на берегу. Земснаряд, оборудованный двумя волочащимися всасами, производил разработку подводного карьера траншейным способом с длиной отдельных траншей до 1,2——1,5 км, ориентированных вдоль береговой линии. Разработанный песок подавался в трюм земснаряда с переливом осветленной воды через специальные сливные устройства, расположенные по бортам земснаряда. После окончания грунтозабор а земснаряд транспортировал песок к берегу, где швартовался у причальных пал и подсоединялся через специальное устройство, смонтированное на барже, к береговому трубопроводу. Себестоимость разработки и намыва составила 0,3 руб/м3 при отпускной цене 0,69 руб/м3.
Дальневосточные моря. В настоящее время потребности Дальневосточного экономического района в песке и гравии удовлетворяются в неполной мере в основном за счет разработки песчано-гравийных месторождений, расположенных на суше, и в очень незначительных размерах за счет разработки пляжевых месторождений. По оптимальному плану развития потребность приморского края к 1980 г. должна возрасти до 7,6млн. м3 гравия и 6,5 млн. м3 строительного песка. Для удовлетворения такой потребности необходимо построить около 30 новых предприятий, которые будут вести разработку песчано-гравийных месторождений, расположенных в необжитых районах и удаленных от транспортных коммуникаций.
В то же время не используются значительные запасы песка и гравия на подводном склоне дальневосточных морей. По данным Т. Г. Баскаковой, в Приморском крае имеется много месторождений песка и гравия, которые могут эффективно отрабатываться. Например, на северо-западном берегу Амурского залива и залива Петра Великого имеется много аккумулятивных форм, сложенных песчаным и песчано-гравийным материалом. Известны пляжевые и подводные песчано-гравийные месторождения с утвержденными запасами в заливе Восток, в приустьевой части рек Сидими, Адими и Монгугай, в заливах Посьет, Восток, в бухтах Тинкан, Наездник, Тазгоу и в других местах. Были проведены испытания песка бухты 256
Таблица 6.4
Результаты испытаний зернового состава песков
Место отбора проб песка
Остатки на ситах, %
Размеры отверстий сит, мм
Прошло через сито 0,14
1,25
0,63
0,315
0,14
Бухта
Частные
7,2
9,4
16,3
25,8
41,3
Тинкан
Полные
7,2
16,6
32,9
58,7
100,0
Бухта
Частные
3,3
5,4
26,8
51,4
13,1
Наездник
Полные
3,3
8,7
35,5
86,9
100,0
Таблица 6.5
Общие результаты испытаний природного морского песка бухт Тинкан и Наездник
Вид испытаний
Условное обозначение
Единица измерения
Значения для песка
Требования ГОСТ 8736 — 67
Отметка об удовлетворении требований ГОСТ
бухты Тинкаи
бухты Наездник
Удельная масса
Ууд
г/см3
2,6
2,55
Удовлетворяет
Объемная насыпная масса в неуплотненном стандартом состоянии
Ун
кг/м3
1400
1430
1200
Пустотность в стандартном неуплотненном состоянии
Мк
%
46
44
—
Модуль крупности
1,15
1,34
Очень мелкие
На применение необходимо технико-экономическое обоснование
Содержание пылеватых и глинистых (илистых) частиц
°тм
%
2
1
Менее 3%
Удовлетворяет
Колориметрическая проба на содержание органических примесей
Светлее эталона
Светлее эталона
Светлее эталона
»
Тинкан и бухты Наездник для определения возможности использования морских песков для строительных работ (табл. 6.4, 6.5)
257257Как видно из табл. 6.5 пески бухт Тинкан и Наездник не удовлетворяют требованиям ГОСТа по модулю крупности. Однако применение песков с модулем крупности Мк < 2,1 допускается при соответствующем технико-экономическом обосновании их применения без превышения нормативного расхода цемента, предусмотренного «Типовыми нормами расхода цемента в бетонах»
257
257
9 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
(CH 386—68). Кроме этого, увеличение модуля крупности морских песков возможно при проведении добычных работ за счет установки гидроциклонов на напорной линии земснаряда для отбивки мелких фракций исходной горной массы. Годовой объем добычи песков со дна моря в бухтах Тинкан и Наездник, по предварительным подсчетам, может составить 1,3—1,5 млн. м3. Разработка других песчаногравийных месторождений, расположенных в заливе Петра Великого, Посьет и других заливах и бухтах, может полностью удовлетворить потребности народного хозяйства Приморского края.
В Сахалинской области добычей песка и гравия занимаются морские порты Корсаков, Ванино и другие, а также трест «Саха- линморстройматериалы», который ведет разработку месторождения «Взморье——Стародубское» и других. Например, Корсаковский морской торговый порт ведет разработку подводного месторождения песка, расположенного на расстоянии до 73 км у пос. Мраморное на глубинах от 0 до 20 м. Разработка ведется несамоходной рефулерной баржей СБ-245 грузоподъемностью 500 м. Землесос производительностью 500 м3/ч и с напором 15 м смонтирован в машинном отделении в носовой части баржи. Всасывающее устройство выполнено в виде армированного проволокой шланга диаметром 250 мм и длиной 8,5 м со всасывающим оголовком на конце. Подъем и опускание всаса производится с помощью ручной лебедки грузоподъемностью 1,5 т, установленной в центральной части баржи между трюмами. Напорный трубопровод выполнен из труб диаметром 250 мм и позволяет производить при помощи задвижек поочередную подачу пульпы на оба трюма, а также сбрасывать излишний расход за борт. При заполнении трюма пульпой песок осаждается на дно трюма, а осветленная вода через систему водосливных отверстий сбрасывается за борт в море. Транспортировка рефулерной баржи к месту работы осуществляется буксиром.
Разработка подводного месторождения песка производится методом отдельных воронок глубиной до 6——6,5 м. По мере отработки очередной воронки баржа с помощью своих якорей перемещается на новое место, и цикл повторяется. Консистенция пульпы в зависимости от глубины разработки и физико-механических свойств песка колеблется от 1 : 3 до 1 : 6. При грунтозаборе на глубинах до 3,5 м заполнение трюмов баржи происходит за 2,5—3,5 ч. Рабочий цикл обычно составляет 15——17 ч, что практически приводит к выполнению только одного рейса за сутки. Отпускная цена на песок составляет 6 руб/т.
Разработка подводных месторождений песка и гравия на шельфе о. Сахалин при помощи более совершенных технических средств добычи позволила бы удовлетворить потребности в строительных материалах промышленности Сахалинской области.
Кроме рассмотренных примеров разработки подводных месторождений песка и гравия в различных акваториях СССР для получения строительных горных пород имеется еще одна возможность: 258
попутная добыча нерудных строительных материалов при производстве дноуглубительных работ. В настоящее время дноуглубительный флот ММФ СССР ежегодно удаляет при ремонтном углублении каналов и акваторий портов около 30——35 млн. м3 различных пород. По предварительным подсчетам инж. В. Г. Королева, 9——10 млн. м3 из этих пород представлены песками различной крупности или заиленными песками. Пески, пригодные для строительных целей, складируются в подводные отвалы вместе с другими породами в районах, прилегающих к подходным каналам. Это приводит в некоторых случаях к отрицательному влиянию на окружающую среду, а также к обратному попаданию грунта в каналы за счет морских течений. В связи с этим в последнее время резко увеличился цикл работы земснарядов и грунтозаборных шаланд из-за расположения подводных отвалов на больших глубинах моря и на значительном расстоянии от места разработки, что привело к увеличению себестоимости дноуглубительных работ.
В ближайшие годы вообще могут быть запрещены подводные отвалы некоторых видов разрабатываемых на каналах пород из-за высокого содержания в них вредных веществ. В связи с этим для уменьшения вредного влияния складируемых на дне моря пород, для удовлетворения строительных организаций в песке и гравии и для равномерной загрузки судов технического флота ^в течение года необходимо в ближайшее время определить возможные объемы попутной добычи стройматериалов при производстве дноуглубительных работ и разработать рациональные технологические схемы рефулирования песка и гравия на береговые склады намыва. Кроме этого следует рассмотреть вопрос и об использовании илов, разрабатываемых на каналах, для нужд сельскохозяйственного производства.
Данному вопросу в настоящее время уделяется большое значение, особенно с учетом охраны окружающей среды и уменьшения объема подводных отвалов.
ОПЫТ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ МИРАБИЛИТА-СТЕКЛЕЦА озера КУЧУК
В отечественной и зарубежной практике подводной добычи полезных ископаемых до настоящего времени отсутствует опыт промышленной разработки и транспортирования на большие расстояния монолитных полускальных растворимых горных пород подводных солевых месторождений. Большой интерес в этом вопросе представляет Кучукское месторождение мирабилита——стек- леца, находящееся в центральной части Кулундинской степи Алтайского края. Озеро. Кучук представляет собой замкнутый бес- точный бассейн с речным питанием, расположенный на окраине Западно-Сибирской низменности. Котловина оз. Кучук в плане
имеет форму эллипса, вытянутую в меридиональном направлении (а「11 + 12 км, b = 17十 18 км). Площадь озера составляет 178,6 км2, средняя глубина 2,5 м. Котловина озера является бази- сом эрозии и конечным стоком р. Кучук, среднегодовой сток кото- Р°й составляет в среднем 0,3-0,5 м3/с. Рапа в оз. Кучук из-за высокой концентрации солей (22+28%) не замерзает. Среднемесячный минимум температуры рапы (декабрь—январь) —15℃4-—20℃. Преобладающие ветры «ю—з», «ю» и《з》со средней скоростью 7—10 м/с и максимальной до 30 м/с. Направление ветра в отдельные периоды неоднократно меняется в течение суток.
Озерные отложения Кучукского месторождения гидромине- ральных солей представлены песчано-глинистыми и соляно-илистыми отложениями. Наиболее полно изучены верхние горизонты 4。глубины 6—10 м, сложенные мирабилитом—стеклецом, мираби- литом с илом, песчано-илистыми породами. К мирабилиту-стек- лецу отнесены все разности с содержанием Na2SO4 (в пересчете на мирабилит) не менее 75% и с содержанием нерастворимого осадка не более 10%.^Верхние горизонты озерных отложений представ- ленм линзовой залежью. Линза эллипсоидовидная мощностью 4。5,5 м с ровной кровлей и неровной выпуклой подошвой. Размеры залежи в плане 16Х 12,5 км. Общая площадь линзы 130 км2. Основ- ннм сырьем месторождения является мирабилит-стеклец, который представляет собой монолитную, жестко кристаллическую породу с включением нерастворимых осадков (до 4%). Химическая фор- мула Na2SO4* ЮН2О. Мирабилит-стеклец обладает высокой электропроводностью, значительной теплопроводностью, высокими коррозийными свойствами и значительной крепостью. Плотность в массиве мирабилита-стеклеца в зависимости от содержания в нем нерастворимых осадков колеблется в пределах ум = 1,49^1,9 т/м3. Порода имеет массивную текстуру и разнозернистую, но в основном крупнокристаллическую структуру. В отдельных участках порода имеет вид аморфной массы. Физико-механические свойства мира- билита-стеклеца и подстилающих его пород приведены в табл. 6.6. В пересчете на шкалу проф. М. М. Пр отодья ко нов а коэффициент крепости мирабилита-стеклеца находится в пределах /кр — 2 + 3,5.
В настоящее время на Кучукском сульфатном комбинате мирабилит получают бассейновым методом с последующей заводской переработкой, который заключается в следующем. В летнее время (июнь—август месяцы) рапа оз. Кучук, обогащенная сульфатом натрия, закачивается в садочный бассейн оз. Селитренного. В Осенне-зимний период при низких температурах (—35°+—40° С) сульфат натрия выпадает из рапы в осадок слоем мощностью до 1 + 1,5 м. После этого маточный рассол (обедненная рапа) сбрасм- вается^путем откачки обратно в оз. Кучук. Высаженный и осу- шенный порошкообразный мирабилит собирается бульдозерами в навалы, а затем экскаваторами грузится в железнодорожные думпкары узкой колеи и подается в цех сульфата натрия на переработку.
Таблица 6.6
Физико-механические свойства мирабилита и подстилающих его пород
Описание пород
/
蟲
凳
5,5
Мирабилит-стеклец в виде сросшихся кристаллов
—
1,8
20
1,65 (1,49—1,9)
30°
2,5
Призматической формы тенардит
1,8
25
1,90
25。
2,1
Илы темно-серого цвета вязкие с включением кристаллов и обломков мирабилита
20
2,6
0,47
1,98
35
2,1
Супесь бурого цвета заилинис- тая с включением мирабилита
25
2,7
0,2
1,85
1,0
Прослои разнозернистого песка серого цвета
35
2,6
0,16
1,9
30
8,0
Глина голубого цвета, плотная вязкая иловатая с прослоями черного ила и суглин
3
2,2
0,18
2,02
35
Запасы солей оз. Кучук сосредоточены в двух фазах — поверхностной рапе, используемой как основной источник сырья в существующей технологии химического производства, и донных отложениях мирабилита-стеклеца. Увеличение производственных мощностей действующего предприятия по выпуску сульфата натрия, калия и других химических продуктов требует увеличения производства первичного сырья-мирабилита ——почти в 2 раза. Эти мероприятия возможны только при условии вовлечения в производство запасов мирабилита, сосредоточенных в твердой фазе месторождения донных отложениях оз. Кучук. Таким образом, подводная разработка мирабилита-стеклеца оз. Кучук приобрела важное народнохозяйственное значение.
В работах, проведенных по выбору технологии и средств механизации добычи донных отложений мирабилита-стеклеца, были опробованы некоторые варианты способов разработки корневой линзы, но ни один из них не был принят к внедрению. Проблемной лабораторией подводной добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей Московского горного института в 1971—73 гг. проведен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, целью которых являлось определение способа подводного разрушения мирабилита-стеклеца, изучение технологических параметров разработки подводного массива и исследование процессов гидравлического транспортирования разрушенной горной массы.
Рис. 6.20. Общий вид опытно-эксперимеитальиой установки иа базе земснаряда 8ПЗУ на оз. Кучук
Научный анализ теоретических и экспериментальных работ в области разрушения горных пород, изучение опыта работы соледобычных предприятий средств гидромеханизации и подводной добычи, а также анализ горно-технических условий Кучукского месторождения показал, что эффективным методом подводной разработки мирабилита-стеклеца является метод гидромеханизации с применением плавучего добычного агрегата-земснаряда, оснащенного рыхлителями специальной конструкции. В экспериментальных работах по подводной добыче мирабилита-стеклеца, проведенных на опытно-промышленной установке (рис. 6.20), смонтированной на серийном земснаряде 8ПЗУ, были проведены в натурных условиях оз. Кучук (рис. 6.21) исследования процессов механиче-
Рис. 6.21. Схематический план района работ опытно-экспериментальной установки МГИ на оз. Кучук:Рис. 6.21. Схематический план района работ опытно-экспериментальной установки МГИ на оз. Кучук:/ — ил с мирабилитом; 2 — изогипсы мощности залежи; 3 — скважииа 4 — район работ; 5 — берег озера/ — ил с мирабилитом; 2 — изогипсы мощности залежи; 3 — скважииа 4 — район работ; 5 — берег озераномер 、； глубина 丿номер 、； глубина 丿
Рис. 6.21. Схематический план района работ опытно-экспериментальной установки МГИ на оз. Кучук:
Рис. 6.21. Схематический план района работ опытно-экспериментальной установки МГИ на оз. Кучук:
/ — ил с мирабилитом; 2 — изогипсы мощности залежи; 3 — скважииа 4 — район работ; 5 — берег озера
/ — ил с мирабилитом; 2 — изогипсы мощности залежи; 3 — скважииа 4 — район работ; 5 — берег озера
номер 、； глубина 丿
номер 、； глубина 丿
Рис. 6.22. Фрезерный рыхлитель открытого типа с криволинейными лопастями и с резцами, установленными по рабочим кромкам лопастей
Рис. 6.23. Цилиндрический рыхлитель с резцами иа поверхности лопастей
ского разрушения и гидротранспортирования по плавучему напорному пульпопроводу. При этом использовались специальные фрезерные рыхлители, разработанные и изготовленные в проблемной лаборатории подводной добычи МГИ (техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 6.7) и стандартные секции плавучего пульпопровода.
Лопасти фрезерных рыхлителей оснащены зубьями, режущая часть которых армирована твердосплавным металлом (рис. 6.22, 6.23).
Применение резцов в качестве режущих элементов было обусловлено предпосылкой о хрупком характере разрушения мираби-
Таблица 6.7
Техническая характеристика фрезерных рыхлителей с резцами
Параметры
Модель I
Модель II
Диаметр рыхлителя ^о лопастям Рф, мм
440
490
Длина по резцам /, мм
345
357
Число лопастей /п
4
6
Частота вращения рыхлителя Лф, об/мин
Скорость папильонироваиия t?n, м/мин
37,5
37,5
4,1
Скорость резания Up, м/с
0,9
Ширина резания Ь、мм
22
Высота контакта резца с породой а, мм
18
Статический угол резаиия 6, градус
82—85
70—72°
Кинематический параметр рыхлителя X
13,8
19,3
лита-стеклеца. Предварительно лабораторные исследования по резанию образцов мирабилита-стеклеца одиночными резцами показали, что процесс внедрения инструмента в породу-<сопровождается возникновением развала боковых стенок, развитием опережающей трещины и вы коле отдельных элементов, т. е. наличием признаков хрупкого разрушения. Следовательно, установка резцов на лопастях фрезерных рыхлителей с перекрывающимся шагом резания приведет к концентрации напряжений в предрезцовом пространстве при внедрении последних в массив, развитию систем трещин и предварительного ослабления массива, что в свою очередь приведет к снижению энергоемкости рыхления породы. Исследование процесса резания с помощью математической модели показало необходимость учета изменения нагрузок на рыхлитель в зависимости от кинематических условий резания, которые нашли отображение в полученных теоретических зависимостях усилий резания 匕 и подачи %
р _ %к№「格& (В + В7)&
Р _ %ж/6「КА (В + В1)燈 5 sin Y ] 6
где Pz, Pn ——усилия резания и подачи, кгс; аСЖо — предел прочности на одноосное сжатие, кгс/см2; а, b — текущая толщина и ширина резания; 7G； К；; К4； К彳；KZ; Л1； В； В1； С1； DX} ^1； К%； К% — коэффициенты, характеризующие изменения углов резания 6, заднего угла резания у, координатного угла поворота рыхлителя /, а также зависящие от коэффициента трения породы о резец и угла внутреннего трения породы р.
Экспериментальные исследования в натурных условиях Ку- чукского месторождения мирабилита-стеклеца показали высокую работоспособность фрезерных рыхлителей. В процессе опытной выемки изучались вопросы влияния геометрических параметров рыхлителя на изменение усилия резания, влияния гидродинамических сопротивлений рапы на энергоемкость рыхления. Устанавливалась взаимосвязь параметров забоя рыхлителя и энергоемкости резания. Для этого использовались тензометрические методы изме- рення нагрузок на валу рыхлителя с записью изменения крутя- тцег。момента сопротивления породы фрезерованию на осциллограмме и замеры активной составляющей мощности на электродвигателе рыхлителя.
Анализ экспериментальных величин активной составляющей мощности, расходуемой на резание, показал изменение коэффициента вариации в пределах Квар = 6,29+0,3, что св и детельствует об изменении технических условий резания (нарушение контакта рыхлителя с забоем, колебание прочности и т. д.).
Эти погрешности необходимо устранить при проведении опытно-промышленных работ по добыче мирабилита-стеклеца созда- 264
нием устройства, контролирующего и обеспечивающего прочный контакт рыхлителя с забоем. Средняя удельная энергоемкость рыхления, по полученным экспериментальным данным, составила 0,4 кВт-ч/м3. Вариации крутящего момента сопротивления породы резанию в подводных условиях составили: v^Kp = 0,06 (для рыхлителя модели I) и и^кр = 0,038 (для рыхлителя модели II). Невысокие коэффициенты динамичности процесса *= 1,01 + 1,06; 厩=1,11 + 1,18 — для рыхлителя модели I ^д = 1,1,々；=1,3 —— для рыхлителя модели I показывают, что заданные параметры рыхлителей хорошо сглаживают динамические нагрузки на рабочий орган и могут учитываться при расчете автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя рыхлителя в зависимости от изменения крепости разрушаемого массива.
Достоверные границы изменения суммарной нагрузки на рыхлителе определялись по основному уравнению расчета допусков размерной цепи. Среднее значение удельного усилия резания для рыхлителя модели I составило 18,1——19,1 кгс/см2, для рыхлителя модели II среднее удельное усилие резания равно 50,2 кгс/см2. Средневзвешенный коэффициент перегрузки не превышал 1,3.
В процессе резания был получен материал следующего ситового состава: класса до 5 мм — 28%; класса 5—10 мм —22%; класса 10—20 мм — 18%; класса 20—30 мм — 20%; класса 30— 40 мм ——18%; класса 40 мм — 4%. Данный гранулометрический состав является характерным для фрезерных рыхлителей с диаметром 500 мм, шагом резания до 40 мм и изменяющимся в процессе работы углом резания 6 = 85 + 65°. Полученные фракции имеют разнообразную форму в зависимости от содержания илов и степени цементации. Крупная фракция, содержащая большой процент иловых включений, имеет крупнокристаллическую структуру и неправильную форму куска, близкую к шаровой или кубической.
Фракции, содержащие небольшой процент иловых включений или без илов, имеют резко выраженную мелкокристаллическую или полуаморфную структуру и призматическую форму со стеклянным блеском на изломе.。
Для определения экономической эффективности подводной добычи мирабилита-стеклеца, кроме расчета энергетических показателей рыхления, необходимо было установить энергоемкость гидротранспорта кусковатого стеклеца в рапе по напорному пульпопроводу.
Высокий удельный вес рапы при сравнительно незначительном параметре Архимеда для мирабилита-стеклеца (по отношению крапе) потребовал в процессе натурных экспериментов постановки специальных замеров параметров гидропотока, которые производились на специально смонтированном жестком участке плавучего пульпопровода диаметром 300 мм, длиной 20 м, снабженном датчиками индукционного электромагнитного расходомера РИ・4, мембранного дифманометра типа МД модели 3564, радиоизотопного 265
плотномера ПР-1024, а также образцовыми манометрами, шприцем для ввода в поток красителя при определении движения пульпы, щупа для замера величины заиливания трубопровода при малых скоростях транспортирования, т. е. при vTp > vKp.
Вторичные приборы с самозаписывающими устройствами размещались в корпусе земснаряда. Запись показаний приборов производилась одновременно самописцами и регистрировалась визуально со шкал в картах наблюдения. Отбор проб на анализ средней крупности твердой фазы и консистенции гидропотока производился при помощи специально изготовленной плавучей мерной емкости гр узоподъемностью 10 т. Температура гидросмеси экспериментального участка пульпопровода, а также температура рапы в зоне работы фрезерного рыхлителя и в районе сброса пульпы замерялись ртутными погружными термометрами. Одновременно определялась вязкость отбираемых проб рапы и пульпы, а также растворимость твердой фазы потока при различных скоростях транспортирования. В процессе экспериментов плотность пульпы мирабилита-стеклеца изменялась в пределах от 1,22 до 1,45 т/м3, средняя крупность твердых частиц (кусков) в потоке была от 10 до 40 мм..
Расшифровка полученных диаграмм и статистического материала наблюдений показали, что при гидротранспортировании рапа проявляет себя как жидкость, близкая к ньютоновской, а пульпа кускового мирабилита-стеклеца транспортируется с меньшими сопротивлениями по сравнению с песчано-гравийными и угольными гидросмесями аналогичной консистенции и средней крупности твердого в потоке.
Обработка опытного материала и анализ ранее полученных зависимостей, описанных в работах целого ряда исследователей при изучении параметров гидротранспорта песчано-гравийных пульп, водоугольных смесей, нерастворимых крупнокусковатых полускальных пород, и т. д. позволили найти зависимость для расчета потерь напора i при гидравлическом транспортировании растворимой кусковой полускальной породы — мирабилита-стек- лена в напорном потоке рапы — естественном насыщенном солевом растворе:
* (汐£ 徐+ МкрОкр 芷不 У%) ,(6.3)
где i — потери напора при движении пульпы мирабилита- стеклеца по напорному пульпопроводу, м. вод. ст.; °тр， °кр ——соответственно действительная и критическая скорости гидропотока, м/с.
九 о ——коэффициентгидравлических сопротивлений
трубопровода
л0,31
(Ig Re - I)2 ?
где Re ——число Рейнольдса;
D — диаметр пульпопровода, м；
Кр — поправочный коэффициент на плотность рййь!, установлен экспериментально, Лр = 0,82 +0,87 соответственно при плотности рапы ур ^= 1,18 -ь1,31 т/м3;
6 — коэффициент, учитывающий влияние относительной крупности транспортируемых частиц 6 = -^-;
%)— средневзвешенная крупность транспортируемого, материала, мм;
Ккр ——поправочный коэффициент критической скорости пульпы, учитывающий растворимость транспортируемых частиц, установлен экспериментально, Лкр = —0,06 —0,14 соответственно при плотности пульпы Yn 1,41—1,22 т/м3;
С —— съемная концентрация твердой фазы в пульпе;
Jp — ср едневз вешен ны йкоэффициент разнозернистости
твердого в потоке:
где d® d90 — крупности частиц, меньше которых в составе пульпы содержится соответственно 10 и 90%.
Растворимость мирабилита-стеклеца в процессе его гидротранспортирования является весьма важным элементом в оценке экономической эффективности технологического процесса выемки, гидротранспортирования и последующей переработки полезного ископаемого.
Данный процесс является функцией многих переменных, т. е. находится в зависимости от температуры окружающей среды /ср» температуры транспортируемого материала С и рапы 点 от скорости движения пульпы итр, плотности гидросмеси 丫口, от вязкости 丫口，объемной концентрации С, средней крупности dcp, плотности твердых частиц пульпы уп и выражается соотношением:
В = / %； %； (R;).(6.4)
\ Yn； Wn； С； dcp； Y%； Yp /
Исследование параметров движения в напорном потоке рапы кускового мирабилита-стеклеца показало, что при скорости транспортирования гидросмеси vTp = 3——3,5 м/с растворимость твердой фазы составляет 6,1+0,15% на 100 м пульпопровода.
Опыты, проведенные в лабораторных условиях, позволили установить, что наиболее интенсивная растворимость твердой фазы наблюдается в первые 4——5 мин, а через 15 мин практически прекращается.
В результате насыщения жидкой фазы потока пульпы наносами растворяющихся солей кусковатого и мелкообломочного мирабилита-стеклеца, полученных в процессе рыхления в забое и истира-
267
/ ——земснаряд 8НЗДМ-За; la ——фрезерный разрыхлитель конструкции МГИ; 2 ——пл а и остью 0*5,5 м; 5 — слой стеклеца иа подошве подводной выработки h = 0,2 — 0,25 м, станция производительностью 80告 100 м3/ч; 7 —дюкерная часть пульповода, укладывающая
ния в трубопроводе, значительно возрастает его плотность и, как следствие,——несущая способность. За счет этого снижаются местные энергозатраты на перемещение кускового мирабилита-стек- леца в потоке пульпы.
Энергоемкость гидротранспорта кусковатого мирабилита-стек- леца в рапе при ур ~ 1,32 т/м3 и скорости транспортирования 3,5 м/с характеризуется сопротивлением 4—4,5%. Затраты электроэнергии на 1 т/км гидротранспортирования мирабилита-стек- леца ориентировочно составили 6,7 кВт-ч/т.
Совокупный анализ результатов исследований режимов подводного резания мирабилита-стеклеца в неразрывной технологической связи с параметрами его гидротранспорта в напорном потоке рапы показал необходимость автоматического регулирования данных процессов с учетом требований, предъявляемых к гранулометрическому составу полезного ископаемого, получаемого на сливе пульпопровода в конечной точке транспортирования.
Проблемной научно-исследовательской лабораторией по подводной добыче (МГИ) разработан ряд вариантов технологических 268
—JIVJ,
ных отложений оз. Кучук (вариант I):
вучий пульповод; 3 ——компенсатор; 4 ——корневая лииза мирабилита-стеклеца мощ- предохраияющий рапу от загрязнения подстилающими илами; 6 — плавучая иасосиая ся непосредственно на ди о озера
схем добычи мирабилита-стеклеца донных отложений оз. Кучук с учетом специфики горно-технических и гидрологических условий Кучукского месторождения гидроминеральных солей. При этом была предусмотрена взаимозаменяемость отдельных звеньев предлагаемых вариантов, два из которых приведены ниже.
Технологические схемы рассматривались на годовую потребность химического предприятия в сухом сырье ——3 млн. т при Ум = 1,48 т/м3. Организация работ предусматривала сезонный режим при непрерывной неделе в течение 250 дней в году.
Технологическая цепь первого варианта (рис. 6.24) выполняется в основном из стандартного оборудования. Последовательность рабочих операций состоит из рыхления (фрезерования) монолитного массива мирабилита-стеклеца под слоем рапы мощностью до 3 м, выемки из забоя горной массы и гидротранспортирования его на берег. По данной технологической схеме добыча полезного ископаемого производится при помощи земснаряда 8НЗДМ-За, оборудованного специальными фрезерными рыхлителями. Транспортирование горной массы ——гидравлическое.
Рис. 6.25. Технологическая схема подводной добычиРис. 6.25. Технологическая схема подводной добычимирабилнта-стеклецамирабилнта-стеклецадонныхдонных/ — линза мирабилита-стеклеца; 2 — рапа; 3 — земснаряд катамаранного типа с дн- поперечным рельсовым ходом; ЗЬ — погружной землесос типа «Моллюск»; Зс — сваи с иа- погружеиия, перемещения по дну и для подъема на судно землесоса типа «Моллюск»; мещеиия последнего в вертикальной, продольной, поперечной осях судна; 4 — полуза- Д&С, мехмастерской и жильем на шесть человек; 5a ——леиточиый коивейер-погрузчик; стеклецом баржа; 9 — механизированный причал; 10 — баржа у причала под разгруз- иый край); 12 — приемный бункер на рельсовом ходу с леиточиым питателем-погрузчиком/ — линза мирабилита-стеклеца; 2 — рапа; 3 — земснаряд катамаранного типа с дн- поперечным рельсовым ходом; ЗЬ — погружной землесос типа «Моллюск»; Зс — сваи с иа- погружеиия, перемещения по дну и для подъема на судно землесоса типа «Моллюск»; мещеиия последнего в вертикальной, продольной, поперечной осях судна; 4 — полуза- Д&С, мехмастерской и жильем на шесть человек; 5a ——леиточиый коивейер-погрузчик; стеклецом баржа; 9 — механизированный причал; 10 — баржа у причала под разгруз- иый край); 12 — приемный бункер на рельсовом ходу с леиточиым питателем-погрузчиком
Рис. 6.25. Технологическая схема подводной добычи
Рис. 6.25. Технологическая схема подводной добычи
мирабилнта-стеклеца
мирабилнта-стеклеца
донных
донных
/ — линза мирабилита-стеклеца; 2 — рапа; 3 — земснаряд катамаранного типа с дн- поперечным рельсовым ходом; ЗЬ — погружной землесос типа «Моллюск»; Зс — сваи с иа- погружеиия, перемещения по дну и для подъема на судно землесоса типа «Моллюск»; мещеиия последнего в вертикальной, продольной, поперечной осях судна; 4 — полуза- Д&С, мехмастерской и жильем на шесть человек; 5a ——леиточиый коивейер-погрузчик; стеклецом баржа; 9 — механизированный причал; 10 — баржа у причала под разгруз- иый край); 12 — приемный бункер на рельсовом ходу с леиточиым питателем-погрузчиком
/ — линза мирабилита-стеклеца; 2 — рапа; 3 — земснаряд катамаранного типа с дн- поперечным рельсовым ходом; ЗЬ — погружной землесос типа «Моллюск»; Зс — сваи с иа- погружеиия, перемещения по дну и для подъема на судно землесоса типа «Моллюск»; мещеиия последнего в вертикальной, продольной, поперечной осях судна; 4 — полуза- Д&С, мехмастерской и жильем на шесть человек; 5a ——леиточиый коивейер-погрузчик; стеклецом баржа; 9 — механизированный причал; 10 — баржа у причала под разгруз- иый край); 12 — приемный бункер на рельсовом ходу с леиточиым питателем-погрузчиком
Укладка пульпопровода может быть выполнена по комбинированной схеме с берега ——(основная часть пульпопровода), затем пульпопровод выходит на поверхность озера и укладывается на плавучие понтоны для обеспечения возможности свободного папильони- рования земснаряда в забое. Предусмотрено применение плавуче- затопляемого пульпопровода. При данном технологическом решении расчеты показывают, что при гидротранспортировании куско- ватого мирабилита-стеклеца с помощью земснаряда на расстояние 4 км потребуется одна плавучая перекачная насосная станция.
Вторая технологическая схема (рис. 6.25) отличается от первого варианта наличием грузотранспортных плавучих средств (барж, буксиров) для перевозки извлеченной горной массы из района добычи к береговому складу и отсутствием перекачных станций. Структура добычного комплекса данного варианта включает земснаряд катамаранного типа (конструкция МГИ). В этой конструкции земснаряда вал фрезерного рыхлителя установлен вертикально в специальной платформе на рельсовом ходу и имеет механизм подъема и опускания (напора). Платформа обеспечивает рыхлителю ход вдоль главной оси земснаряда. Привод вала рых- 270
отложений оз. Кучук (вариант II):
зельной установкой; За ——фрезерный рыхлитель вертикального исполнения с продольио- порио-опориым приводом; 3d — передвижная башня на рельсовом ходу; служащая для Зе — платформа на рельсовом ходу с электроприводом фрезерного рыхлителя для пере- топляемый гибкий (резиновый) пульповод； 5 ——плавбаза с погрузочными средствами, 6 — сухогрузная баржа под погрузку у плавбазы; 7 — буксир-толкач； 8 — груженная кой; 11 — вакуумиасосная установка на рельсовом ходу для разгрузки баржн (грейфер-
лителя смонтирован на каретке, которая передвигается по платформе перпендикулярно к оси хода платформы. Выемка разрыхленной горной массы производится погружным землесосом «Моллюск-3» конструкции МГИ и подается по полузатопляемому гибкому пульпопроводу на плавбазу. Подъем, опускание и перемещение землесоса в забое производится башенным подъемником, имеющим рельсовый ход для перемещения вдоль оси судна. Передвижение земснаряда в забое, а также создание лобового усилия на фрезерном рыхлителе выполняется при помощи свайно-напорного механизма, состоящего из двух свай с тележками поперечного хода, расположенными в носовой и кормовой частях земснаряда. Пульпопровод выполнен из резиновых гофрированных рукавов диаметром 300 мм или из резино-тканевых (капроновых) эластичных шлангов диаметром 270—300 мм.
Пульпа кускового мирабилита-стеклеца от земснаряда аналогично первому варианту подается по плавучему пульпопроводу или на плавучую базу. Длина пульпопровода принимается равной длине, обеспечивающей маневренность земснаряда в забое, но не более 250 м. Плавучая база снабжена оборудованием для приема
и отсадки из пульпы кусковатого материала. Обезвоженный кусковой мирабилит-стеклец при помощи конвейера-погрузчика подается в баржи —■ или шаланды, буксируемые из района подводного карьера к механизированному причалу буксирами-толкачами. Разгрузка барж у причала производится грейферными кранами, экскаваторами с драглайновым оборудованием или насосной установкой.
Эксплуатация плавучих средств (земснаряда, плавучего пульпопровода, и т. д.) в условиях оз. Кучук технически затруднительна, так как в данном районе имеют место ветры со скоростью 25——30 м/с. Они образуют волны высотой до 1,5 м, обладающие большой разрушительной силой. В связи с этим в настоящее время в МГИ ведутся работы по созданию придонного добычного оборудования автономного действия, способного при необходимости всплывать. При использовании таких средств добыча на оз. Кучук может быть круглогодичной. •
ОПЫТНАЯ РАЗРАБОТКА МОРСКОЙ ТЕХНОГЕННОЙ РОССЫПИ 东
В 1971 —1972 гг. Лабораторией подводной добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей (МГИ) были проведены исследования по определению параметров технологии разработки россыпи Восточно-Сибирского моря. '
Сброс хвостов обогащения в морскую акваторию производится с 1941 г. Отвал подвергался длительному воздействию моря, в результате чего была сформирована техногенная россыпь. Образовавшаяся техногенная россыпь по всем параметрам (кроме генезиса) аналогична прибрежно-морским залежам касситерита, поэтому ее разработка имеет большой интерес для накопления опыта подводной добычи. При проектировании и опробовании осадков был определен коэффициент сохранности хвостов в отвале, который равен 0,92—0,93, при этом подводные запасы сосредоточены главным образом в прибрежной полосе, где находится 94% песков и только 6 % разнесены тонким слоем по обширной акватории.
Мощность образовавшейся россыпи изменяется от 7 м у уреза в°Ды до 1 м на расстоянии от берега до 300 м, где глубина моря достигает 8—9 м. Горно-геологические параметры россыпи и гидрометеорологические условия в районе работ, а также физико-механические свойства полезного компонента и вмещающих песков предопределили выбор технологических схем добычи и обогащения песков.
В 1971 г. были проведены экспериментальные исследования по определению параметров технологии добычи и оптимальной схемы
* Параграф написан каид. техн, наук В. С. Шилыковским. 272
Рис. 6.26. Экспериментальная плавучая добычная установка
обогащения песков из техногенной россыпи. С этой целью были созданы плавучая добычная установка и береговая обогатительная установка, связанные между собой плавучим и береговым пульпопроводами.
Плавучая добычная установка (рис. 6.26) была смонтирована на понтоне, в трюме которого был установлен песковый насос ЗПС-9 с параметрами Q — 54 м3/ч, /7 = 18 м вод. ст., насос ЗК-6 для гидроразмыва и подачи отжимной воды на песковый насос, регулирующая и измерительная аппаратура. Грунтозаборное устройство добычной установки было выполнено в виде всаса с гидравлическим рыхлителем (рис. 6.27). Подсоединение грунтозаборной головки к всасывающему патрубку пескового насоса и к напорному патрубку водяного насоса осуществлялось гибкими шлангами, что обеспечивало постоянный контакт первой с разрабатываемым забоем, независимо от волнения моря. Для определения оптимальных параметров процесса грунтозабора установка была снабжена индукционными расходомерами на пульпопроводе и водоводе, а также регулирующей аппаратурой.
Плавучий пульпопровод был выполнен в виде гибкого шланга, подвешенного на поплавки. От уреза воды до приемного зумпфа береговой обогатительной установки исходное питание подавалось по береговому пульпопроводу.
Технологическая схема обогащения включала удаление в отвал крупного материала (十2 мм), гидравлическую классификацию песков, пофракционную классификацию их на столах с выделением на каждом чернового концентрата, промежуточного продукта и
273
、Рис, 6.27. Грунтозаборное устройство с кольцевым гидрорыхлителем
отвальных хвостов. Черновой концентрат по спиготам собирался для последующей доводки во флотационном цехе фабрики.
Промежуточные продукты всех стволов подавались на гидравлическую классификацию и последующую концентрацию на столах. Отвальные хвосты намывались не в зоне укладки хвостов фабрики.
.Эксплуатация установки осуществлялась в августе 1971 г. В результате проведенных работ было установлено, что горно-геологические условия техногенной россыпи, физико-механические свойства пород и гидро-метеорологические условия не создают принципиальных препятствий для разработки затопленных хвостов способом подводной добычи с применением грунтозаборного устройства с принудительным гидравлическим рыхлением. Экспериментально определены оптимальные параметры добычного устройства, обеспечивающие максимальную консистенцию пульпы. При поддержании оптимального расхода землесоса Qn = 50 + н-55м3/ч и расхода размывной воды в диапазонах Qb = 12+ 18 м3/ч достигнута консистенция пульпы Т : Ж = (1 ： 2) + (1 : 3).
Удельные затраты электроэнергии на добычу и транспортировку горной массы на береговую обогатительную установку при длине транспортирования 150T200 м составляют 1,2 + 1,5 кВт• ч/м3.
Повышение извлечения металла из песков связано с дроблением крупных классов, экономическая целесообразность которого должна быть подтверждена экономическими расчетами.
Работы 1971 г. носили экспериментальный характер, основной задачей которых являлось доказательство возможности добычи и обогащения затопленных песков техногенной россыпи и определение основных характеристик процессов. Сжатые сроки строительства, неполный набор запланированного оборудования не позволили в течение короткого промывочного сезона дать исчерпы- 274
в&ющме ответы на асе поставлеиные вопросы. Тем не [менее проведенные исследования позволили получить целый ряд положительных результатов.
В результате обогащения рудосодержащих песков на экспериментальной обогатительной установке получены основные показатели процесса обогащения, что позволило установить рентабельность отработки россыпи. Это явилось одной из причин положительного решения вопроса о детальной геологической разведке россыпи. Было решено продолжить работу установки на стадии опытно-промышленной добычи после соответствующей реконструкции как добычного, так и обогатительного комплексов.
В соответствии с этим в 1972 г. были проведены мероприятия по реконструкции добычной и обогатительной установок.
Для организации непрерывной, устойчивой подачи исходной горной массы на обогащение в конструкцию добычной установки необходимо было ввести следующие усовершенствования:
обеспечить механизацию передвижки установки во время отработки россыпи;
обеспечить механизацию управления грунтозаборным устройством установки для организации отработки россыпи траншеей с шириной заходки, превышающей ширину понтона.
Механизация передвижения добычного снаряда достигалась установкой двух электрических лебедок, одна из которых была установлена на борту снаряда, а другая,——на берегу. Управление обеими лебедками осуществлялось с добычной установки.
Для управления всасывающим устройством и гидрорыхлителем в конструкции добычного снаряда была предусмотрена поворотная стрела, на которую через блок подвешивалась головка рыхлителя, 'соединенная с понтоном гибкими шлангами. Угол поворота стрелы обеспечивал перемещение всасывающей головки на 3 м по фронту отработки, что позволило при повороте стрелы на полный угол и с учетом обрушения бортов траншеи разрабатывать траншею шириной 5 м. Для подъема и опускания всаса на стреле была установлена лебедка, позволяющая быстро перемещать всас из одного положения в другое. Схема работы добычной установки в прибрежной зоне показана на рис. 6.28, при работе установки вдали от берега лебедка 4 заменяется вторым бортовым якорем.
Такая схема перемещений установки позволяет обрабатывать максимальную площадь при минимальных перемещениях, причем позволяет механизировать поперечное папильонирование, наиболее часто повторяющееся, а рациональное расположение бортовых якорей позволяет с помощью лебедок механизировать и продольное перемещение снаряда.
Для увеличения производительности обогатительной установки "были смонтированы дополнительно один гидравлический классификатор КГ-4, два виброкоыцентратора ВК-2М, пять концентрационных столов СКМ-1А, узел флотации и новая насосная
станция.
Рис. 6.28. Технологическая схема работы добычной установки:Рис. 6.28. Технологическая схема работы добычной установки:1 ——добычная установка; 2 — бортовая лебедка; 3 ——плавучий пульпопровод; 4 — береговая лебедка; 5 — береговой пульпопровод； 6 — блок; 7 — становой трос; 8 — эстакада морской насосной станции1 ——добычная установка; 2 — бортовая лебедка; 3 ——плавучий пульпопровод; 4 — береговая лебедка; 5 — береговой пульпопровод； 6 — блок; 7 — становой трос; 8 — эстакада морской насосной станции
Рис. 6.28. Технологическая схема работы добычной установки:
Рис. 6.28. Технологическая схема работы добычной установки:
1 ——добычная установка; 2 — бортовая лебедка; 3 ——плавучий пульпопровод; 4 — береговая лебедка; 5 — береговой пульпопровод； 6 — блок; 7 — становой трос; 8 — эстакада морской насосной станции
1 ——добычная установка; 2 — бортовая лебедка; 3 ——плавучий пульпопровод; 4 — береговая лебедка; 5 — береговой пульпопровод； 6 — блок; 7 — становой трос; 8 — эстакада морской насосной станции
Схема обогащения предусматривала грохочение исходных песков, поступающих по плавучему пульпопроводу от добычного устройства по классу 2 мм на вибрационном грохоте. Плюсовой продукт сбрасывался в отвал, минусовой песковым насосом «Моррис» подавался на гидроклассификаторы, слив которых сбрасывался в отвал.
Классифицированный материал первых двух камер перерабатывался на виброконцентраторах ВК-2М, которые давали два продукта: черновой концентрат и отвальные хвосты.
Продукты третьей и четвертой камер перерабатывались на концентрационных столах СКМ-1А с получением трех продуктов: чернового концентрата, промпродукта и отвальных хвостов. Черновые концентраты первичного обогащения сгущались на гидроциклоне ГЦ-7,5, слив которого заворачивался на гидроклассификаторы, а сгущенный черновой концентрат поступал на флотацию в шестикамерную флотомашину. В процессе работы были использованы три камеры: одна для агитации с реагентами, две — непосредственно для флотации.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
J. морские пески могут разрабатываться грунтозаборньш устройством с кольцевым гидравлическим рыхлителем;
для организации траншейной разработки россыпи, как наиболее совершенной при подаче исходного питания непосредственно на фабрику, необходимо дальнейшее совершенствование механизма перемещения всаса и всего снаряда.
ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ФЛОТА РАЗВЕДОЧНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ (РЭП)
Влияние масштабного фактора при проведении опытных работ на шельфе можно было установить только непосредственной эксплуатацией технического флота. Такая опытная эксплуатация судов горнодобывающего флота была осуществлена на морском россыпном месторождении одного залива Северного Ледовитого океана. Разведочно-эксплуатационные работы проводились специальным предприятием ——РЭП. При этом испытывался непрерывный технологический поток процессов выемки, транспорта, переработки и складирования хвостов обогащения россыпных песков с проверкой достоверности различных методик опробования морских донных отложений в прибрежной зоне мелководного залива.
При формировании комплекса плавучих судов горнодобывающего флота учитывались возможности проверки технических решений, когда оборудование размещается как в пределах одного судна, так и дискретно на различных плавучих основаниях.
Одновременно проводилась экспериментальная проверка принципов организации, строительства и перемещения флота. Последняя задача определялась необычными климатическими условиями^, характерными для залива шельфа, выбранного для испытаний технических средств и технологических решений.
Выбор залива для испытаний технологического горнодобывающего флота был предопределен типичными условиями, характерными для морских россыпных месторождений.
Испытанию флота промышленного масштаба предшествовало проведение большого комплекса геолого-тематических работ, а.также опробование донных морских отложений как непосредственно в прибойной зоне, так и на глубинах. Проведение этого комплекса исследований из-за транспортных сложностей доставки оборудования проводилось со льда при грузоперевозках, осуществляемых также по ледовой поверхности океана.
При испытаниях оборудования промышленного масштаба происходили испытания структурных построений морских судов, особенности маневрирования и перемещения судов по формируемым выработкам, создавались условия для изучения формирования и деформационных изменений, создаваемых выработок и отвалов вынимаемых пород.
Проведение предварительных исследований и испытание горнодобывающего флота РЭП усложнялось сложными гидрометеорологическими условиями залива.
Воды залива замерзают во второй половине октября, освобождаются ото льда ——в первой половине июля. Температура воды в летние месяцы колеблется от +3,6 до 15,4°. Реки и озера за、
мерзарт в конце сентября и вскрываются в начале нюня. СнбГ ложится покровом во второй половине сентября и полностью стаивает в начале июня. Летние осадки незначительны. Зимой образуется довольно мощный снежный покров, но из-за частых сильных пург в январе——феврале, особенно на побережье самой акватории, снег сдувается.
Побережье акватории относится к районам вечной мерзлоты. На площади собственно акватории вечная мерзлота отсутствует. На участках с водной поверхностью зимой образуется ледовый покров мощностью 1,4—2,4 м. На мелководье мощность льда не превышает 0,4—0,8 м.
В динамике воздуха и вод залива огромную роль играют ветры. Преобладающее направление ветра ——восточно- юго-восточный. В осенний период превалирует сильный ветер западного направления, приносящий штормы. Среднегодовая скорость ветра —— 6,2 м/с, максимальная более 15 м/с, штилевые дни не превышают 2% в год. Исключительно большое влияние ветры оказывают на уровень вод залива. Приливы не превышают 0,4一0,6 м.
В плане россыпь имеет вид усеченного треугольника, вытянутого длинной стороной вдоль современной береговой линии. По мере удаления от берега в сторону моря продуктивный пласт песков полого погружается согласно с поверхностью коренных пород. Мощность пласта довольно выдержана и колеблется в центральной части россыпи от 30 до 40 м. На глубине 65 м подошва пласта выполаживается и отходит от коренных пород. Продуктивный пласт на расстоянии 200——300 м от берега перекрыт практически безрудными породами, мощность которых постепенно увеличивается в сторону моря и на внешнем крае россыпи достигает 30 м.
Рыхлые отложения, слагающие россыпь, талые. Зона многолетнемерзлых пород установлена лишь в пляжевой части россыпи и круто обрывается в сторону моря. Сезонное промерзание происходит только в тех местах, где лед непосредственно ложится на дно. Глубина промерзания колеблется от 0,7 до 1 м.
Пески представлены, в основном, тонкими разновидностями с размером зерен около 0,1——0,15 мм. В толще пласта наблюдаются маломощные горизонты грубозернистых и гравийно-галечных пород. Количество валунов с диаметром более 100 мм составляет немногим больше 2% горной массы, включения от 10 до 100 мм — до 12%.
Технологические исследования по подводной добыче полезных ископаемых непосредственно на шельфе были начаты в 1969 г. одновременно с поисковыми геологическими работами. Тонкая зернистость первых отобранных проб рудосодержащих песков поставила вопрос об обогатимости россыпного материала. Для решения этих вопросов в 1969 г. непосредственно на россыпи была проведена опытно-разведочная выемка песков из слоя мощностью 2 м. Для добычи песков силами экспедиции
Ри«. 6^9. Общий вид землесосного снаряда
Московского горного института был смонтирован земснаряд производительностью 30 м3/ч по пульпе с гидрорыхлителем (рис. 6.29).
Для переработки песков на берегу была смонтирована обогатительная установка (рис. 6.30), состоящая из неподвижного грохота, пескового насоса НП-1 с зумпфом, гидроциклона ГЦ-150, четырех струйных желобов, винтового шлюза и концентрационного стола ЗОКЦ-1. 丄
Пульпа по дюкеру поступала на неподвижный грохот с размером отверстий 2 мм. Верхний продукт (十2 мм), не содержащий полезных минералов, сбрасывался в отв а л. Подр ешет ны й продукт (—-2 мм) поступал в зумпф пескового насоса и затем в гидроциклон для сгущения. Слив гидроциклона сбрасывался в отвал, а сгущенные пески через пульподелитель поступали на струйные желоба (1000x250x20 мм) и винтовой шлюз диаметром 500 мм.
Ситовая характеристика перерабатываемых песков отличалась наличием класса 十1 мм — 6,1 %, класса 十0,5 MM — 7,1%, класса 十0,25 мм —23,8%, класса 一 0,10 мм — 47,2%. Почти на 100% полезные минералы были сосредоточены в классе — 0,25 мм.
Полученный черновой концентрат был доведен до стандартного и определил технологическую схему обогащения, заложенную в проект этого предприятия.
В основе проекта было заложено технологическое решение по созданию полностью плавучего предприятия. Практическая
279
Рис. 6.30. Общий二вид землесосного снаряда и обогатительной установки
работа в северных условиях плавучих технических средств добычи и обогащения морских россыпей, а также плавучих средств энергоснабжения, ремонтно-механических мастерских и комплекса жилищно-социальных сооружений создает основы для широкого освоения минеральных богатств арктического шельфа.
Необходимость выполнения на плавучих судах обогатительной фабрики добычных земснарядов и других устройств потребовало проведения комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных Проблемной научно-исследовательской лабораторией МГИ по подводной добыче полезных ископаемых.
Теоретические исследования гидродинамических процессов движения и расслоения потоков на аппаратах гравитационного и электромагнитного обогащения, размещенных на морских судах показано, что при выборе соответствующих параметров судна эти процессы являются достаточно устойчивыми. Установление взаимосвязи между параметрами процесса передела и качки судна позволило определить методику расчета необходимого водоизмещения судна, его основных размерений (ширины, длины и осадки) для определенных гидрометеоусловий на участке разработки.
Установленные закономерности были проверены испытаниями на специальных стендах, смонтированных на экспедиционном судне Московского горного института《Тура》водоизмещением 1520 т в Японском море и на морском земснаряде «Выборгский» водоизмещением 3500 т.
Стенды, на которых проводилось изучение на обогатимость морских отложений, включали аппараты грохочения и концентрации: струйный концентратор и винтовой шлюз. Испытания проводились в условиях волнений и показали достоверность теоретических методик при волнении моря до 4—5 баллов. Решение этой научно-исследовательской задачи позволило определить параметры судна для создания плавучей обогатительной фабрики.
Не менее важным было решение вопросов вскрытия месторождения. Научно-исследовательскими работами были обоснованы параметры подводных траншей, обеспечивающих проведение горнодобывающих судов к различным участкам россыпи. Полученные методики расчета учитывают не только размеры судов, но гидрометеорологические условия морской акватории.
Для определения способа укладки пустых пород в морскую акваторию после процесса обогащения были установлены основные закономерности переноса породных частиц при осаждении их в подводный отвал в зависимости от физико-механических характеристик песков и гидрометеорологических условий сброса.
Технологическая схема подводной добычи рудосодержащих песков на шельфе моря предусматривает размещение всех добычных, транспортных и обогатительных средств на плавучих судах. Исходя из данных о физико-механических свойствах пород и глубин выемки в качестве добычных средств были приняты гидравлические земснаряды с различным способом создания рабочего напора.
Для исключения промежуточного транспорта в технологической схеме преобладает тенденция к размещению средств выемки и обогащения на одном судне. В процессах обогащения предусматривается только мокрое грохочение, концентрация тяжелых минералов на принципе гравитационного разделения и электромагнитная сепарация. Процессы, связанные с использованием тех или иных химических соединений исключались. Все процессы выполняются с использованием морской воды.
Проектная технологическая схема предусматривает выемку песков с подачей пульпы на плавучий комплекс «Горняк», где происходит обогащение с получением товарного концентрата, а оставшаяся порода (хвосты) по плавучему пульпопроводу намывается на морское дно.
Исходя из арктических условий и отсутствия опыта работы при наличии ледового покрова эксплуатация морской россыпи планировалась сезонной в течение 81 дня по чистой воде, а все обогатительное оборудование размещалось в неутепленных цехах.
Вскрытие месторождения осуществляется отдельной траншеей (каналом) глубиной 6 м (исходя из осадки судов) и шириной по низу 26 м. Для обеспечения минимальных объемов траншеи она заложена в районе 12 геологоразведочной линии (рис. 6.31).
Рис. 6.31. Схема подводных выемок, пройденных в 1975 г.:
/ — карьер; 2 — перемычка, перекрытая плавучим пульпопроводом； 3 — траншея;
4 — намытые участки дамбы из хвостов обогащения; 5 — створ траншеи
Система разработки предусматривает валовую выемку на участке россыпи, где пески непосредственно располагаются на дне моря. Горно-геологические условия разработки характеризуются наличием россыпных песков, залегающих от поверхности до глубины 30—90 м. Ни у нас в СССР, ни за рубежом не имеется надежного серийного технического средства выемки песков такой мощности и на таких глубинах. Но учитывая, что россыпные пески непосредственно располагаются на дне на глубинах моря до 1,5—2 м и для обеспечения работы предприятия при освоении земснарядов глубоководной выемки, было предусмотрено использование серийного землесосного снаряда. ЗГМ-1-350А на пон- 282
тоне которого находится землесос ЗГМ-1-350 производительностью по пульпе 1300 м3/ч и напором 43 м. Глубина выемки этого земснаряда составляет 6 м от уреза воды. Для рыхления породы перед всасыванием имеется фрезерный разрыхлитель открытого типа, размещенный на раме жесткой конструкции. Снаряд осуществляет выемку подрезкой забоя с обрушением породы на раму. Ширина заходки 26 м. Для подачи гидросмеси от этого земснаряда на плавучую фабрику был запроектирован плавучий трубопровод со специальной системой поплавков. Земснаряд был изготовлен заводом с серийным плавучим трубопроводом, где поплавки располагаются вдоль труб.
Для отработки месторождения на всю мощность Московским горным институтом и Уфимским заводом был создан необитаемый подводный земснаряд «Моллюск-5». Схема переработки песков предусматривает разделение поступающей на плавучую обогатительную фабрику горной массы на три фракции по крупности 十20 мм, 4—20 мм и 一4 мм (рис. 6.32). Для этой операции используется конический и вибрационный грохоты.
Конический грохот представляет собой перфорированное цилиндрическое сито диаметром 3200 мм с отверстиями 0 6 мм, на которое пульпа подается по касательной. Назначение его ——выделение основной массы песчаной продуктивной фракции.
Крупная фракция с конического грохота поступает на вибрационные грохота, где выделяется класс 十20 мм, который идет в отвал, класс 4—20 мм направляется в двукамерную диафрагмовую отсадочную машину МОД-4 для извлечения из этой фракции сростков минерала.
Пульпа песков крупностью —4 мм подается через систему гидроциклонов диаметром 500 мм, предназначенных для сгущения пульпы и дешламации песков, на 22 струйных концентратора СКГ-ЗМ конструкции института «Гиредмет». Выделяемый концентрат перекачивается на вторую ступень струйных концентраторов, промпродукт обогащения направляется снова в зумпф исходного питания, где смешивается с исходными песками. Хвосты первой ступени обогащения сбрасываются в отвал. На второй ступени концентрации установлены шесть струйных концентраторов СКГ-ЗМ. Выделенный на этих аппаратах черновой концентрат перекачивается в узел доводки концентрата, промпродукт смешивается с концентратом I ступени, а хвосты — с исходным питанием II ступени концентрации. Концентрат II ступени после разделения на два класса по граничному зерну 0,2 мм в гидравлическом классификаторе КГ-4С, работающем на принципе разделения зерен по их равнопадаемости, доводится на концентрационных столах СК-22п.
Конструктивной особенностью концентрационного стола СК-22 является тросовая система подвески всех дек длиной 3970 мм и шириной 1876 мм.
勿т? 3「М+350A
\Конич. Lгрохот
От „Моллюска11
Слаб б отвал
S)—
6 отдал
6 отбан
КЛ.+2ММ
Исходный 0-2 мм
Слив - 〃044 "“
&卩而qk*2-30mm
\кп2-30!ш
kjiZ+ЗИмм
ЮГрул-8
^слоЬнь/е обозначения
F
мт-2
%W0 хвостов
Прооа
исходного трюм
Зум呷 хвостов
丽3^^
^^-32/
Щелевой сократитесь
区 Пробоотборник 屮 Обратный клапан О Задбижка „Лудлои О Насос грунтовый (пеокоёый}
Нотркшсамот.
Скг
Рис. 6.32. Схема цепи аппаратов ПОФ «Горняк»
Хёость/ кл 2-30мм
I I I
12!рул~12
WW^w
必勿偿
СкЗ-2石
Слаб о；044 MM
Слив 0,044 мМ
51р『8
k〃 0.8-2 мМ
МЗМ中
，加力
81tHM2
6 зумпф хбосм Но шрю.ма cam.
Кон- “ центраш f ^* лу или，а да- 勿部夕
Н吁3
Слаб
Доведенный на столах, установленных в две ступени, концен- трат подвергается мокрой электромагнитной сепарации в аппа- ратах ЭРМ-1 для удаления из концентрата магнитной и электромагнитной его составляющих. В удаляемой фракции должны находиться такие минералы, как ильменит, магнетит и другие. Немагнитная фракция концентрата представляет собой товарный концентрат руды, который подвергается сушке. Концентрат подается в контейнеры для отправки на завод, а хвосты обо га-
щения перекачиваются в хвостовой зумпф, откуда насосом по специальному трубопроводу намываются на морское дно.
В последующем, укладка хвостов должна производиться на освобождающейся за счет выемки поверхности морского дна непосредственно из торца плавучего пульповода.
Добычное, обогатительное, транспортное и энергетическое оборудование размещается на плавучем судне. Таким судном является «Горняк», которое переоборудовано из несамоходного
Рис. 6.33. Плавучая фабрика «Горняк»
лихтера водоизмещением 3080 т, длиной 87 м и шириной 13,4 м (рис. 6.33). На этом судне размещается вышеописанное обогатительное оборудование и дизельная электростанция из четырех дизель-генераторов ДГ-66 мощностью 2520 кВа.
Дня размещения людей и обеспечения их социально-культурных нужд, складирования топлива и других материалов и для перевозок по акватории людей и грузов в составе флота РЭП имеется:
плавбаза предприятия на пассажирском судне «Петродворец» водоизмещением 3500 т, имеющем каюты I и II класса для проживания личного состава предприятия, а также столовую, медпункт и другие помещения для обеспечения жизнедеятельности предприятия;
танкер «Мордовщиково» грузоподъемностью 4000 т топлива;
плавучий склад оборудования и материалов на барже-площадке МП-827 грузоподъемностью 800 т;
самоходная баржа водоизмещением 45 т для подвоза пресной воды, удаления подс^чанцевых вод и перевозки людей;
самоходная десантная баржа типа «Северянка» для перевозки людей； буксирный катер «Шторм» типа РБТ.
Такой флот (рис. 6.34) существовал на предприятии в 1975—— 1976 г.
Одно из преимуществ подводной добычи полезных ископаемых заключается в возможности строительства плавучих горно-обогатительных комплексов в обжитых районах. Такой принцип ор- 286
Рис. 6.34. Флот^РЭП:
/ — ПОФ «Горняк»; 2 — землесосный снаряд «ЗГМ-1-350А»; 3 — хвостовой пульповод； 4 — пассажирское судно «Петродворец»; 5 — танкер «Мордовщиково»; 6 — наливная баржа ИБ-1
.ганизации и был использован при оборудовании судов предприятия.
Одновременно с монтажом плавучий фабрики на барже-площадке был собран землесосный снаряд ЗГМ-1-350А. На эту же баржу были погружены два гусеничных вездехода и бульдозер на базе С-100. Этот караван судов в 1973 г. был отбуксирован в поселок Тикси, куда прибыл переданный РЭП из Мурманского пароходства пассажирский теплоход «Петродворец». В зиму 1973— 1974 г. продолжались монтажные работы при морозах, достигающих ——40——45° С в условиях полярной ночи.
К моменту перегона на плавучей обогатительной фабрике «Горняк» была смонтирована специальная палуба для установки обогатительных аппаратов свыше 900 т оборудования и металлоконструкций свыше 8 км технологических трубопроводов. На судне были установлены два трансформатора, понижающие напряжение главных генераторов для питания низковольтных потребителей, проложено более 7,5 км кабелей различного сечения. Были смонтированы пожарные системы, системы аварийной сигнализации и другие системы жизнеобеспечения судна. Для закрытия цехов наращены борта судна до высоты 15 м от киля.
Переоборудов ание судна в основном закончено, за исключением балластной системы, предназначенной для выравнивания
положения судна. Сложность создания такой системы связана с тем, что объем жидкости на различных аппаратах весьма не стабилен. Вызывает трудности и осушка днища судна, где в шпациях между переборками собирается песок. Ведутся работы по созданию системы перемещения судна лебедками.
В навигацию 1973 г. плавучая обогатительная фабрика «Горняк» и баржа-площадка с оборудованием были проведены буксиром «Вайгач» по извилистому фарватеру р. Лены на расстояние 3000 км. Это оказалось весьма сложным из-за параметров ПОФ «Горняк». «Горняк» к тому времени имел осадку около 2 м при высоте 14 м, а ширина судна в отдельных точках была увеличена на 2,5—3 м. Буксировка осуществлялась в течение почти трех недель.
В навигацию 1974 г. буксиры «Совершенный», «Стремительный» и «Спокойный» Северо-восточного управления морского флота под руководством капитана-наставника Н. А. Парикова и капитана каравана М. А. Осиповича осуществили буксировку флота РЭП из порта Тикси в морской залив. Перегон производился в три этапа. Сложность перегона состояла в том, что такая операция применительно к горнодобычным судам осуществлялась впервые в советской практике. При этом необходимо отметить, что ледовая обстановка была весьма трудной (янский ледовый щит практически не растаял) и при проводке ПОФ «Горняк» ветер достигал 5—6 баллов по Бофорту.
Одной из задач являлось снятие с баржи-площадки земснаряда ЗГМ-1-350А, бульдозера, плавучих гусеничных транспортеров и малого флота. Для снятия земснаряда баржа была затоплена, а затем поднята при выкачке из ее корпуса воды.
После установки судов по акватории земснаряд ЗГМ-1-350А был соединен плавучим пульпопроводом с ПОФ《Горняк》и 11 сентября 1975 г. было произведено опробование технологической цепочки. Эти работы, продолжавшиеся до ледостава, который в 1974 г. произошел необычно рано (27 сентября), позволили выявить некоторые конструктивные недостатки, которые были устранены зимой 1975 г.
В 1975 г. была проведена опытная эксплуатация горно-обогатительного комплекса, целью которой было проведение вскрывающих выработок (см. рис. 6.31), обеспечивающих проводку плавучей обогатительной фабрики «Горняк》 на участок россыпи и добычные работы с получением товарного концентрата. Выемка песков производилась земснарядом ЗГМ-1-350А. Наблюдения показали, что земснаряд может работать при скорости ветра до 11—16 м/с. Сравнительно значительными (до 6%) были простои по технологическим причинам, связанные с переукладкой якорей и очисткой всаса, что объясняется освоением техники его бригадой в необычных морских условиях. Основные простои (свыше 30%) связаны с поломками вала рыхлителя, механизма напорной сваи и обрыва тросов.
Поломки вала рыхлителя никогда ранее не наблюдались у земснарядов этого типа (а их находится в эксплуатации около 200 шт.). Это вызвано жесткой связью всасывающего устройства, находящегося в забое, с понтоном земснаряда, положение которого меняется на волне.
Земснарядом была пройдена траншея длиной 400 м, по которой вслед за ним перемещалась подтягиванием тросами к якорям плавучая обогатительная фабрика «Горняк». При выемочных работах было зафиксировано, что подводные выработки имеют откосы 50——78° и их оползания не наблюдается. Для песков такого типа обычно по данным СНиП откосы должны быть 15—20°. Работа земснарядов в забое с такими характеристиками требует корректировки системы рабочих перемещений (папиль- онажа).
После выхода земснаряда на участок россыпных песков была произведена промывка вынимаемых песков. Конический и вибрационные грохоты в целом работали удовлетворительно, но был отмечен повышенный износ сит на них. Для повышения срока службы рекомендовано заменить плетеные сита на сита из износостойких шпальт. Полученный на грохотах материал соответствовал требованиям дальнейшей переработки.
Работа узла первичной концентрации показала, что гидроциклоны 0 500 мм практически полностью удаляют из песков класс — 0,044 мм, но потери олова со сливом были около 15% до 10—12% по проекту. Для снижения потерь необходимо отрегулировать работу этого аппарата на несколько меньшее граничное зерно.
Изучение работы струйных концентратов показало, что процесс концентрации на этих аппаратах на продуктивных песках происходит с показателями, близкими к проектным, т. е. 90% против 90—95%.
При работе возникали сложности с эксплуатацией СКГ-ЗМ. Наличие в нем большого числа патрубков диаметром 1"——1/2" (по 28 на каждом аппарате) вызывает их забивку при попадании в питание крупных зерен. Изменение нагрузки на желоба заиливает патрубки, и в конечном итоге аппарат выводится из устойчивого режима эксплуатации. Крупные зерна попадали из-за высокого износа сит грохотов. Для исключения этого нежелательного явления необходимо повышение технической дисциплины обслуживающего персонала.
Полученный черновой первичный концентрат системой грунтовых насосов перекачивается в отделение доводки, где он подвергается после гидравлической классификации по граничному зерну 0,2 (0,25 мм) перечисткой концентрации на столах СК-22П.
Изучение работы четырехкамерного гидравлического классификатора КГ-4с показало, что его работа вполне удовлетворительна. По данным анализов, пески 2—4-й камер содержат зерна круп-
10 Пбд ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока 289
костью —0,25 мм (80—85%), а 1-й камёры в основном класс +0,16мм (до 80%), т. е. эти показатели близки к требуемым.
Большую реконструкцию пришлось провести и вероятно еще придется эти работы продолжить с концентрационными столами СК-22П с гибкой тросовой подвеской. Испытание их в 1974 г. показало, что при наличии малейшего волнения подвески дек начинают раскачиваться и положение дек становится нерабочим. В течение зимы 1974—1975 г. эти столы были частично реконструированы. Гибкая тросовая подвеска дек и приводов была заменена жесткой штоковой. Работа этого узла особенно зависела от крена судна «Горняк», которое работает с креном до 3° на правый борт. Отсутствие балластной системы не позволило устранить это явление. При правобортном крене концентрационные столы основной ступени (4 шт.), находящиеся на палубе, а также стол перечистки концентрата и контроля промпродукта работали с достаточно высокими показателями обогащения. Но при изменении крена или дифферента (максимального расчетного крена) судна поперечно-продольная регулировка наклона дек весьма была затруднена и очень длительна во времени. Для устранения этого недостатка необходима система стабилизации положения судна, а также упрощение конструкции регулировки подвески дек.
Результаты работы столов показали, что даже при неблагоприятных условиях их эксплуатации процесс концентрации происходит с достаточной точностью. На основной операции извлечение олова в концентрат составляло около 70% при коэффициенте концентрации 8,7—10. Несколько ниже был коэффициент концентрации на столе контрольной перечистки промпродукта и составлял — 6,7. Это вызвано тем, что питание этого стола весьма неоднородно по крупности от 0,1 до 1 мм. Для оптимизации этой операции предусматривается раздельная доводка промпродуктов шламовых и пескового столов.
В целом, опытная эксплуатация показала, что обогатительная фабрика может быть доведена до проектных показателей по извлечению олова. Основным узким местом технологической цепи являются землесосные снаряды.
При добыче рудосодержащих песков при ледоставе и температуре воздуха до 10—18° С мороза хвосты обогащения по плавучему пульпопроводу сбрасывались в акваторию морского залива. При сбросе песков изучалось изменение мутности на различных расстояниях. Наблюдения показали, что непосредственно в районе сброса хвостов происходит интенсивное уменьшение мутности за счет выпадения крупной гравийно^галечной фракции хвостов. На расстоянии первых метров от слива концентрация мути уменьшается в 10—20 раз. На расстоянии 20—40 м пульпа достигает дна. Анализ отобранных проб показывает, что сброс хвостов повышает мутность выше средних значений при естественном состоянии акватории только в радиусе 100 м от конца трубо- 290
провода. Комплекс был остановлен при смерзании пульп, двигающихся в тонком слое по аппаратам ПОФ «Горняк».
Перспективы и состояние сырьевой базы создают возможности для дальнейшего развития РЭП. Наиболее целесообразно при этом научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы сосредоточить на переходе горнодобывающего флота к круглогодичной эксплуатации. Этому способствуют следующие природные факторы:
состояние песков россыпи, защищенных от промерзания слоем льда в 2,0—2,5 м;
наличие неограниченного количества воды;
большая мощность продуктивных песков, которая позволяет сконцентрировать выемочные работы на сравнительно малой площади;
отсутствие морской фауны, которая уходит зимовать в реки Яну и Лену;
возможности создания отвалов подо льдом;
эксплуатация при отсутствии качки судов.
Создание круглогодичной технологии разрешает ряд социологических задач:
исключается набор и увольнение сезонных рабочих, закрепляются квалифицированные кадры;
круглогодичная эксплуатация увеличивает объем продукции в несколько раз при практически незначительном увеличении затрат, так как при сезонной эксплуатации необходимо круглогодично поддерживать живучесть флота.
Представляется, что в условиях полярной зимы перемещать плавучую обогатительную фабрику нецелесообразно. Будучи утепленной и обогреваемой для полярной зимы (t ~ ——45 ——50° С), она размещается в центре участка подледной выемки. Для подледной (270 дней) выемки может быть использована схема, приведенная на рис. 5.26.
ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО ВЫЕМКЕ РОССЫПЕЙ
НА МЕЛКОВОДЬЕ ЯПОНСКОГО МОРЯ *
Особую группу по способу и средствам ведения горных работ представляют приурезовые мелководные россыпные месторождения полезных минералов, расположенные в открытых акваториях. Эти месторождения залегают на весьма малых глубинах, не доступных для плавучих средств добычи, но достаточно удаленных от береговой линии. Одновременно сложный гидродинамический режим приурезовой полосы открытых акваторий, постоянные воздействия прибойных волн, приливы и отливы требуют создания
Параграф написан канд. техн, наук В, А. Барановым. 10*
/ — передняя подвижная емкость; 2 — задняя неподвижная емкость; 3 — боковая балка; 4 — верхняя ось поворота подвижной емкости; 5 ——переднее колесо; 6 — заднее колесо; 7 — вертикальный вал; 8 —— приводная шестерня; 9 — шестерня шнека; /0 — шнек; 11 一 обгонная муфта; /2 — режущий контур; 13 — крыло для удержания передней подвижной емкости； 14 — замок; /5 — передняя упряжка; 16 — мачта
специальной технологии и технических средств разработки таких месторождений.
Для разработки приурезовой зоны подводного месторождения могут быть использованы установки, подобные канатно-скреперным установкам, башенным или кабельным экскаваторам с расположением приводной станции вне воздействия волн.
Основным недостатком указанных установок является невысокая их производительность особенно при большой удаленности от забоя места разгрузки, вызываемая малой емкостью ковшей по сравнению с колесными скреперами или экскаваторами, а также низкой скоростью движения ковша, особенно из-за воздействия гидродинамического сопротивления.
Для увеличения скорости перемещения ковша под водой и его емкости без существенного повышения мощности привода было предложено использовать эффект гидродинамического взвешивания ковша с горной массой при его движении под водой .
Для этого в лаборатории подводной добычи полезных ископаемых разработаны специальные рабочие органы для выемочных установок. Их особенность заключается в том, что корпус ковша
Рис. 6.36. Подводный скреперный ковш с крыльями:
/ — ковш емкостью 0,5 м3; 2 — крышка; 3 — каток; 4 — крыло; 5 — крепление холостого троса; 6 — рабочая упряжка; 7 — транспортная упряжка
имеет крылообразную форму или снабжен крыльями. Возникающая при движении ковшей под водой гидродинамическая подъемная сила позволяет значительно снизить тяговое усилие за счет резкого уменьшения давления ковша с горной массой на дно водоема, а следовательно, и повысить скорость перемещения и емкость ковша по сравнению с подобными существующими установками.
На Балтийском полигоне была построена и испытана опытная установка для разработки прибрежной части морских песков. Рабочий орган установки представляет собой емкость крылообразной формы полезным объемом 2 м3, установленную на колесах (рис. 6.35). В нижней части неподвижной емкости был установлен нож с режущим периметром прямоугольной формы 200 X Х200 мм. Стружка, вырезаемая ножом при рабочем ходе подавалась шнековым механизмом в подвижную емкость. Привод шнекового механизма осуществлялся от задних колес.
Рабочий орган направляется в море холостым тросом, переброшенным через блок, закрепленный на якоре в море в 300 м от берега, а рабочий ход — путем протягивания рабочего троса в сторону берега. Конструкция рабочего органа позволяет разгружать добытый песок на берегу путем опрокидывания передней части подвижной емкости вокруг оси.
При комплексных работах по опробованию песков в бухте Рудная Японского моря была проведена опытно-промышленная добыча горной массы со дна залива канатной установкой с рабочим органом, снабженным крыльями. Рабочий орган представ-
ляет собой ковш емкостью 0,5 м3, выполненный по типу ковша драглайна (рис. 6.36). Для предотвращения вымывания породы ковш был закрыт сверху, а переднее отверстие в транспортном положении также закрывалось крышкой. Ширина ковша составляла 800 мм, радиус закругления режущей кромки в вертикальной плоскости 800 мм. Ковш мог занимать два положения: рабочее, когда режущая кромка врезается в дно, и транспортное, когда переднее отверстие ковша находится в горизонтальной плоскости, и крышка плотно прилегает к кромкам отверстия.
К боковым стенкам ковша прикреплены крылья. Каждое крыло состоит их двух пластин, расположенных друг над другом, размером 800 мм в длину и 700 мм в ширину. В транспортном положении крылья имеют угол атаки 10°. Ковш имеет две упряжки. Первая упряжка крепится около боковых стенок ковша аналогично креплению упряжки у ковшей драглайна, и при ее натяжении ковш занимает рабочее положение копания. Вторая упряжка крепится за низ ковша, и при ее натяжении ковш с горной массой поворачивается вокруг специальных катков и занимает транспортное положение, при котором он представляет собой как бы бадью с закрытой крышкой, а крылья занимают расчетный угол атаки.
Опытно-промышленная добыча песков в Японском море позволила установить, что подводное транспортирование горной массы в ковшах с гидродинамическим взвешиванием более эффективно по сравнению с другими видами транспорта, применимыми в данных условиях. Так, например, фактические удельные энергозатраты при транспортировании горной массы с гидродинамическим взвешиванием ковша, полученные в Японском море, составили 1 кВт-ч/т*км, тогда как без взвешивания (со снятыми крыльями) они составляют 3,9 кВт-ч/т-км, а на суше 4,8 кВтХ Хч/т・км.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в лаборатории подводной добычи МГИ； позволили установить основные расчетные зависимости между конструктивными и технологическими параметрами установок для подводной разработки прибрежных россыпей при использовании рабочих органов с гидродинамическим взвешиванием.
При расчете подводной выемочной установки такой конструкции определяется оптимальная скорость движения рабочего органа под водой при транспортировании горной массы, т. е. такая скорость, при которой работа, затрачиваемая на транспорт с использованием гидродинамического взвешивания при заданных производительности установки и длине пути будет минимальной.
При определении оптимальной скорости транспортирования исходными положениями будут следующие:
1* Заданная производительность установки обратно пропорциональна длине пути транспортирования и прямо пропорцио- 294
нальна объему транспортируемой горной массы и скорости транспортирования:
H2Lm = Qt^p = const, (6.5)
где П ——производительность установки; £ ——путь транспортирования; т — коэффициент, учитывающий время, затрачиваемое на наполнение, разгрузку и вспомогательные операции; Q — объем транспортируемой горной массы; итр ——транспортная скорость рабочего органа.
Площадь поперечного сечения движущейся под водой емкости с горной массой при расчете силы лобового гидродинамического сопротивления прямо пропорциональна объему транспортируемой горной массы:
F = К?/* (6.6) где п ——коэффициент формы и наполнения емкости.
Значение гидродинамической подъемной силы крыльев рабочего органа Ру должно быть равным сумме нормальных составляющих весов емкости и транспортируемой в ней горной массы:
Pg = (G； + G；)ssK (6.7)
где Ge и Gm — соответственно вес емкости и горной массы под водой, Р ——угол наклона дна по трассе движения рабочего органа к горизонту.
G； = gQ[pM-P(l—P)]， (6.8)
где g —— ускорение свободноЛ) падения; рм и р —— плотность соответственно горной массы и воды; р ——пористость горной массы (отношение объема пор к объему породы).
Тяговое усилие на рабочем органе при транспортировании в нем породы с гидродинамическим взвешиванием равно сумме лобовых гидродинамических сопротивлений крыла и емкости, а также тангенциальных составляющих веса ковша и горной массы под водой;
"тр =(亡 C0S Р + Sin в)(G； + К) + 以宀陰,(6.9)
где ^Kp ——гидродинамическое качество крыла; СХ1 ——коэффициент лобового гидродинамического сопротивления емкости в транспортном положении.
Таким образом, оптимальная скорость транспортирования будет:
з 且(书"—]+ р) ( / cos 0 + sin в) ] / 甘/р-J (2〃Ьп)1/7 (6.10)
Соответственно оптимальный объем транспортируемой горной массы при заданных значениях производительности установки и расстояния между забоем и местом разгрузки будет:
(6.11)(6.11)QonT = 2-^
(6.11)
(6.11)
++Исходя из этих условий, площадь крыла выбранного профиля при движении рабочего органа с оптимальной скоростью будет:
+
+
(6.12)
где су — коэффициент подъемной гидродинамической силы крыла при заданном угле атаки.
7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПРИ РАЗМЕЩЕНИИ ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НА БОРТУ ДОБЫЧНОГО СУДНА
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ПРИ РАЗМЕЩЕНИИ
ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НА БОРТУ
ДОБЫЧНОГО СУДНА
Наиболее эффективной технологией подводной добычи полезных ископаемых из морских месторождений является схема с максимальным приближением процесса передела к месту выемки. Такие решения связаны с размещением аппаратов передела на борту добычного судна. Формирование таких структур механизации подводной добычи проводится с учетом особенности физики процессов, когда положение вертикальной оси основания изменяется во времени из-за гидрометеорологических условий. Такой основой для размещения оборудования является судно.
Основные размерения судов выбираются из условий их применения. Так размерения и форма грузотранспортного судна выбираются из условия обеспечения максимальной скорости при заданной грузоподъемности и осадке с учетом района плавания. Таким же образом выбираются и размерения судов специального назначения —— дноуглубительных, рыболовных и других. Но основным при определении параметров судов известных типов остается поддержание их высоких мореходных, т. е. скоростных качеств.
Практические задачи использования определяют и другой качественный подход к расчету параметров горнодобывающих судов. Сущность метода расчета основных размерений на основе учета воздействия гидрометеорологических условий на эффективность технологии горного производства рассмотрим на примере наиболее своеобразного типа горнодобывающего судна ——Плав- ГОК. Судно такого типа является опорой для размещения установки переработки. Очевидно, что эффективность работы такой установки зависит от остойчивости судна, т. е. от влияния на процессы концентрации или им подобные, возмущений, возникающих за счет качки судна на волне.
Параметры качки судна, а, следовательно, и величина возмущений, накладываемая на параметры известных процессов переработки, при одинаковых гидрометеорологических условиях зависит от основных размерений судна.
Поэтому параметры горнодобычного судна, на борту которого смонтирована обогатительная установка, должны выбираться
таким образом, чтобы при известных гидрометеорологических условиях района работ было получено максимальное количество концентратов при минимальной стоимости.
Для распространенных полезных ископаемых параметры горнодобывающего судна и установок передела должны выбираться таким образом, чтобы производство на судне концентрата при максимально-расчетном крене происходило с заданной рентабельностью.
Разница в критериях оценки проистекает из особенности месторождений каждого типа полезного ископаемого. В первом случае мы стремимся к получению наибольшего количества минерального сырья при заданной средней рентабельности. Во втором случае у нас есть возможность осваивать другие россыпи, получая рентабельность при добыче и обогащении каждого м3 выше или равной плановой.
Пусть имеется судно определенных параметров, при эксплуатации одной и той же установки переработки на его борту с повышением предельных условий разработки по гидрометеорологическим характеристикам моря будет наблюдаться снижение качества концентрата и его извлечения, т. е. происходит увеличение количества концентрата при снижении качества. Для повышения качества требуется снизить колебания процесса, т. е. повысить размерения судна и в конечном счете капитальные и эксплуатационные расходы по созданию и поддержанию корабля.
Поэтому предлагаемая нами методика основана на использовании совместно анализа изменения экономических, технических и гидрометеорологических факторов.
При разработке известных в СССР морских россыпных месторождений возможны следующие технологические схемы переработки при существующем уровне процессов обогащения.
Исходная пульпа поступает на грохочение, после чего подвергается сгущению и обесшламливанию в гидроциклонах. Пески гидроциклонов подвергаются концентрации на двухступенчатой схеме на струйных концентраторах СКГ-ЗМ; выделенный при этом черновой концентрат доводится на концентрационных столах и магнитной сепарацией. Аналогичная технологическая схема была испытана для получения черновых концентратов из ильменито-рутило-цирконовых россыпей Восточной Балтики (см. рис. 6.7). Подобная схема в настоящее время позволяет в морских условиях получить стандартные концентраты при разработке золотосодержащих россыпей золота.
Технологические схемы, предложенные для известных в СССР морских россыпей железосодержащих минералов, включают от- грохочение материала +4 (5) мм, представленного, в основном, ракушечником и водорослями и мокрую магнитную сепарацию (см. рис. 6.14). Приведенные данные о методах обогащения в морских условиях показывают, что современное состояние вопроса 298
характеризуется использованием высокопроизводительных аппаратов гравитации и магнитной сепарации.
Специального оборудования для обогащения в морских условиях за рубежом не создается, а известная отсадочная машина «Кливленд» отличается установкой на специальной платформе, обеспечивающей вертикальность оси аппарата.
Наши исследования по этому вопросу были направлены как по пути создания специального оборудования, так и создания оптимальных условий эксплуатации существующих процессов и агрегатов. Прежде чем приступить к анализу этих условий, необходимо отметить, что процессы флотации, эффективность которых при вышеуказанной крупности материала представляет интерес, в морских условиях не находят применения из-за сложности выполнения при этом требований Главрыбвода и солености морской воды.
Так как судно в процессе выемки перемещается с незначительной скоростью или практически не перемещается, то судно может находиться почти всегда в условиях продольной качки, но наиболее опасной является бортовая и вертикальная качка. Для рассматриваемого нами условия волнение должно быть принято регулярным, т. е. установившимся. Параметры волнения описываются в прибрежной зоне моря, т. е. в границах шельфа, следующими уравнениями: ”
2% = 0,0208/"б (7.1)
(7・2)(7・2)И
(7・2)
(7・2)
2% = 0,304U?2,
где X — длина волны, м; 2儿一высота волны, м; LB — длина участка волнообразования, м; и ——скорость ветра, км/ч.
При этом уравнение крена при бортовой качке корабля можно представить следующим образом:
九 2B Yh九 2B Yhдля малых глубин
九 2B Yh
九 2B Yh
у =
(7.3)(7.3)50Kl600 3元伍入2- 1，57"B2入2)
(7.3)
(7.3)
义 sm Y 丁 "且"一 ag I。#九-5BH)丿'
где В — ширина судна, м; h — метацентрическая высота, м; Н—
осадка судна, м;
для больших глубин
ф ~ , -一 .A
51/670 力啞(l,27/i0X-В)2+ B2X
(7,4)(7,4)./ / 1 /° 2?tg—»0,088 КB\h0 \
(7,4)
(7,4)
X S叫 У arctg 而f^ ) •
Для установления возможности распространения данных об изменении извлечения и выхода концентрата при изменении угла
наклона аппарата проанализируем гидродинамику изменения характеристик потока применительно к наиболее сложному случаю, связанному с процессом концентрации в тонком слое на наклонной плоскости. Для определения особенности воздействия добавочных сил, возникающих из-за качки, рассмотрим движение жидкости в подвижной системе координат, центр которых совпадает с метацентрическим центром судна.
Уравнение движения жидкости, известное под названием уравнения Навье——Стокса, может быть представлено в следующем виде:
Г dvГ dv8）8）=—Др + pv дБ -)- pL^ —=—Др + pv дБ -)- pL^ —
Г dv
Г dv
8）
8）
=—Др + pv дБ -)- pL^ —
=—Др + pv дБ -)- pL^ —
(7.5)(7.5)務一豆（酸，）-*xi],
(7.5)
(7.5)
где v ——скорость относительного движения жидкости; и。——скорость центра тяжести судна; Q — угловая скорость судна】г —— радиус-вектор, рассматриваемой точки относительно центра тяжести судна; р ——давление; р ——плотность жидкости; v ——вязкость жидкости; g ——вектор ускорения силы тяжести (переменный по направлению в новой подвижной системе координат).
Сопоставление этого уравнения с уравнением течения жидкости для аппарата, смонтированного на стационарном основании, показывает наличие в левой части члена, имеющего смысл кориолисова ускорения 2Q・〃 в правой части ускорения переносного движения
于7好于7好dQ —dQ —(7.6)(7.6)
于7好
于7好
dQ —
dQ —
(7.6)
(7.6)
Появление этих ускорений, вызываемых наличием качки, и определяет возможные дополнительные явления в протекании процесса движения на судне.
При оценке значения ускорения переносного движения обозначим характерные параметры качки как:
Ах — смещение центра тяжести судна; Т ——период качки; I — расстояние от обогатительного аппарата до центра тяжести судна; AJ ——угол поворота (крена судна).
(7.7)(7.7a)(7.7)(7.7a)Тогда с учетом реально возможных значений этих параметров составляющие ускорения (7.5) будут
(7.7)
(7.7a)
(7.7)
(7.7a)
[◎x(dx川〜罩f / ,
Как было установлено в результате экспериментальных исследований при тех невысоких значениях этих параметров, ограничение на которые накладывают не только процессы переработки, но и выемки, эти члены будут намного ниже ускорения силы тяжести.
К примеру, для судов среднего тоннажа Т 〜10 & А(р ~1, /〜10 м, А% 〜10 м. В целом, величину переносного ускорения, которое не превышает в исследуемом случае 1 м/с2, можно не учитывать.
Тогда в исследуемом уравнении течения жидкости сохраняется только кориолисово ускорение, а также стационарное по величине, но переменное по направлению ускорение вектора силы тяжести. Последнее вызвано движением системы координат относительно неподвижного горизонта.
Рассматривая плоскую задачу, предположим, как принято в теории качки, что колебательное движение корабля является гармоническим колебанием, тогда положение наклонной плоскости определяется зависимостью
а = % + Аа cos со/, (7.9)
где а0 ——среднее значение угла наклона; Аа ——амплитуда;① —— частота колебательного движения судна.
Величина Да предполагается сравнительно малой, поэтому решение может быть путем разложения по этому параметру.
Для наших расчетов достаточно определить первый член ряда, пропорциональный Да. При этом полагаем, что течение стабилизировалось, т. е. не рассматриваем входной участок, где параметры еще не сформировались. Это означает, что в принятой системе координат
Из уравнения неразрывности потока имеем, что
дх ~ ду ，
откуда следует, что
или с учетом (7.5) и граничных условий движения на твердой поверхности имеем и q 0. Тогда относительную скорость можно описать как функцию времени и глубины потока и = и (у, 0 1Х и кориолисово ускорение выражается в следующем виде:
2屯工=2аЛг х 我匸=—2 Дасом (sin со/) 1У.(7. Ю)
301
При этом вектор ускорения силЬт тяжести g в рассМатриваемой системе координат можно представить
立=g (lx sin a —Zr/cos а),
или с учетом малости Да
М = g [ (sin а。+ Аа cos W) /* — (cos а0 —Да sin а。cos W) &].
С учетом вышеизложенного уравнения Навье——Стокса для движения жидкости по наклонной плоскости в проекциях на оси х и у представляются в следующем виде:
du@2〃
р В = Р〃 -5^ + pg (sin а0 + Да cos 碇)(7.11)
一 2P Дасом sin 碗=凿pg (cos а0 — Да sin a cos co/).(7.12)
Граничные условия этих уравнений определяются из условия прилипания жидкости к основанию, т. е. при у = 0 н (0, f) = 0. На свободной границе потока у ~ h на жидкость не воздействуют касательные напряжения и давление в ней равно атмосферному, т. е. при у =后
~^У = 0 И Р = Ра
Уравнение (7.11) описывает профиль скорости и (у, /), а уравнение (7.12) — распределение давления по сечению. Уравнение (7.11), как всякое линейное, можно решить, принимая закономерность изменения скорости, в виде суммы
我(払 0 =我о (У) +%(V. f),(7.13)
где 〃о ——стационарная составляющая скорости, удовлетворяющая уравнению
V -^~+gS1口a0 = 0;(7.14)
〃i — нестационарная составляющая скорости соответственно
=+^ Аа cos ао cos W(7.15)
при граничных условиях
〃о = 〃1 = 0 при у = 0, I "二丁=опрн У =儿 Интегрируя (7.14), получаем
“о =А£^1^ [十 __|_(*)2],(7.16)
т. е. изменение скорости для неподвижной плоскости с углом наклона а0.
302
Для решения уравнения (7.15) представим его в виде
器=v^+gAacosaoe'8‘.(7.17)
Тогда и* (у, 0 можно представить как
(у. £) = Re® М”(7.18)
где Re【"J обозначает вещественную часть комплексного решения. Положим, что
1(У，/) = 4e)極叫(7.19)
где Л — неизвестная комплексная функция от у.
Подставляя (7.19) и (7.17) и сокращая на 必屋叫 получим дА 加 4 — _ g A", cos а。(7 2°)
ду VV *
Общее решение уравнения (7.20) имеет вид
А = С* + С2е-^-i g*°s电,(7-21)
где
及=]/书=е"/4 /s ；
С】и С2 — произвольные (комплексные) постоянные, которые определяются из граничных условий 4 = 0 при у = 0, Af = 0 при у = h
Находя значения С\ и С2 преобразуя, получим
А = iА = i(7.22)(7.22)g Aacos а。Г 曲力(九一у) to L ch kh
А = i
А = i
(7.22)
(7.22)
а выражение для 〃i примет вид:
-=.g Aa cos а。Г ch h (h — y) _ []已” (7 2з) 我 1 一 ш L ch kh J
Физическое решение ur = Re^」на основании формул (7?2) и (7.23) представляет собой периодическое движение с частотой со и амплитудой и сдвигом фаз, зависящих от у.
Выделить вещественную часть Re〔"" представляется весьма громоздким. Поэтому, учитывая, что нам необходимо установить принципиальные особенности воздействия качки на обогатительный процесс, ограничимся качественным анализом профиля 〃式，/) для предельных случаев. Отметим, что профиль 〃〔 (у, Q, как и следовало ожидать, определяется параметром kh, который можно рассматривать как число Струхаля для данной постановки. “
Когда это число мало, течение носит преимущественно вязкий характер и наоборот, при больших значениях kh ——движение будет инерционным,
' 次h中一*112 (一 ~)
chkh一'脚»]〜
^響[⑴L(i] 2
(7.24)
(7.25)
Полная скорость % + 〃工 выражается в виде:
我:""^[(告)-4~ (告)](5山 ^o + ^ cos (X0 cos G)Z).
(7.26)
В первом случае, разлагая в ряд функцию [砒Ж^“—— в окрестности точки kh = 0, получим:
1
С учетом уравнения (7.23), полученное решение описываёт квазистационарное течение, т. е. соответствующее стационарному при текущих значениях угла а.
Во втором случае при hh— 8 имеем
研 kh fl —今)(—1 при y^h
鼻厶 丿-一l^e-^-1 厶〃厶(7.27) ch khI——论У при-
Тогда для скорости 〃工 получим
g Да cos а0 7 , л \,
-―5—cosS — 可)прн 9〜九
〃1R<(7.ZO)
g Ла cos а0 / , л \,
-cos (血-l при g《瓦
Формулы (7.28) показывают, что при инерционном движении профиль скорости имеет два характерных участка — один при Р《瓦 где амплитуда скорости постоянна, а фаза отличается от фазы колебания вектора на —- , другой при у ^ ht где амплитуда
меняется линейно с у, а сдвиг фаз составляет ~ . На первом участке вблизи свободной поверхности течение определяется инерционными силами, которые преобладают над вязкими, на втором участке, вблизи дна инерционные и взякие силы имеют одинаковый порядок, и сдвиг фаз уменьшается в сторону значения, соответствующего чисто вязкому течению.
Одновременно необходимо отметить, что так как величина 〃工 изменяется только практически в условиях 用瓦 равных 2——10 при параметрах процесса расслоения h = 0,5 см, ю ~ 0,6 1/с, V = 0,01 см2/с, поток в большей своей части инерционен и однороден, а пограничный слой очень тонок.
В целом этот процесс, как показано уравнениями (7.28) и (7.16) можно рассматривать как квазистационарный, т・ е. соот- 304
ветствующий стационарному при углах наклона лотка фопт + +(рк, но отличающийся во времени постоянным сдвигом колебания угла. Так как мы анализируем процесс в течение промежутка времени значительно большего периода качки, то этот сдви г по фазе колебаний не скажется на конечных результатах процесса передела. Это было подтверждено в результате длительных исследований по изучению воздействия качки корабля на различные аппараты, проведенных в различных морях.
Аналогично можно исследовать процессы разделения на таких аппаратах, как подвижные столы, виброконцентраторы, конусные сепараторы и показать квазистационарность процессов разделения на этих аппаратах.
Особенностью магнитных аппаратов известных конструкций является то, что при изменении угла наклона изменяется скорость протекания потока пульпы, а следовательно и степень захвата, но квазистационарность таких процессов аналогична гравитационным процессам.
Полученный вывод о квазистационарности процесса передела может быть подтвержден и для других процессов концентрации и позволяет рассматривать процесс передела в момент /, как процесс с углом наклона 屮倣丁 + 屮厶 а эффективность процесса передела у^з — коэффициент извлечения за промежуток времени как
Лиз = j f (屮опт + W)由， (7.29)
где / (qonT + q〃 — функциональная зависимость извлечения от угла наклона аппарата (в данном случае желоба): д:опт ——оптимальный угол наклона желоба, под которым на борту судна устанавливается аппарат; % и (九 + 力 —— отсчеты времени, соответствующие началу и концу волнения с длиной волны 九.
Как известно зависимость f (а) (извлечения от угла наклона) обычно имеет вид:
f (а) = асе2 + Ьа + с, (7.29a) где а ——угол наклона; а, b и с ——коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей аппаратов и физико-механических характеристик питания.
Подобная зависимость для струйных концентраторов была получена А. Д. Богатовым, Н. М. Зубыниным и А. К. Ильиным и для обогащения изученных россыпных песков приобретает вид:
П = — 25а2 + 10,5а — 0,39.
Тогда (7.29) можно представить так
to - t
Лиз ~ J [а (屮опт + 屮f)* + 6 Woiit 十屮f) + с] df. (7.30)
Как известно, волнение моря характеризуется так называемой шкалой состояния моря. Также известно, что многочерпаковые снаряды прекращают работу при волнении моря 2——3 балла и ветре силой 3——4 балла, самоотвозные землесосные снаряды с атакующим всасом при ветре 3——4 балла и волнении моря 3 балла, самоотвозные землесосы с волочащимся всасом при ветре 5—7 баллов и волнении 4——5 баллов, грейферные снаряды могут работать при ветре 6—7 баллов и волнении 5 баллов.
ках r выход концентрата р и извлечение 小 то при каждой характеристике волнения можно записать объем металла в концентрате QMU，и содержание металла в 1 т концентрата .Как известно, система цен построена в принципе так, что цена снижается от оптимальной при снижении на каждый процент,ках r выход концентрата р и извлечение 小 то при каждой характеристике волнения можно записать объем металла в концентрате QMU，и содержание металла в 1 т концентрата .Как известно, система цен построена в принципе так, что цена снижается от оптимальной при снижении на каждый процент,В настоящее время основным направлением является создание снарядов с гибкой связью выемочного органа, находящегося в забое, и добычным судном. Поэтому при анализе необходимо при установлении целесообразного сезона работы ограничивать пределы поиска 5 баллами. Так как производительность судна по выемке Q, содержание полезного компонента в исходных пес
ках r выход концентрата р и извлечение 小 то при каждой характеристике волнения можно записать объем металла в концентрате QMU，и содержание металла в 1 т концентрата .
Как известно, система цен построена в принципе так, что цена снижается от оптимальной при снижении на каждый процент,
ках r выход концентрата р и извлечение 小 то при каждой характеристике волнения можно записать объем металла в концентрате QMU，и содержание металла в 1 т концентрата .
Как известно, система цен построена в принципе так, что цена снижается от оптимальной при снижении на каждый процент,
т・ е. цену концентрата можно записать для каждого режима гидрометеоусловий, как
(7.31)(7.31)
(7.31)
(7.31)
(7.32)(7.32)(7.33)(7.33)
(7.32)
(7.32)
(7.33)
(7.33)
где Ц — цена концентрата с оптимальным содержанием металла; Ц1 — снижение цены 1 т металла в концентрате при уменьшении содержания; Яо —— извлечение при положении обогатительной установки в штиль.
С учетом (7.31) целевая фун^щия принимает вид:
пп
£ Sj —工 С f max.
i=oi=o
t. e. доход должен быть максимально возможным, или
£ S — 2 Q = ЕК, f=0i=0
где 工 С — приведенные затраты по судну; У С —себестоимость эксплуатации судна; ЕК — нормативная прибыль от годовой эксплуатации ПлавГОКа.
При работе Плав ГОКа на мёсТорожДейии распространенных полезных ископаемых этот критерий принимает вид:
S^max — &S^max — &К,К,(7.34)(7.34)
S^max — &
S^max — &
К,
К,
(7.34)
(7.34)
碗 + & +S Фк + ты °虐J = °-Откуда/(2a+炉+4a小3-\ Ymax碗 + & +S Фк + ты °虐J = °-Откуда/(2a+炉+4a小3-\ Ymax
碗 + & +S Фк + ты °虐J = °-
Откуда
/(2a+炉+4a小3-
\ Ymax
碗 + & +S Фк + ты °虐J = °-
Откуда
/(2a+炉+4a小3-
\ Ymax
где Stpmax — стоимость 1 т концентрата, получаемого при максимальном крене (дифференте); С、——средняя себестоимость 1 т концентрата; К ——удельные капиталовложения.
Величина затрат по эксплуатации судна зависит от его основных размеров. Решение целевых функций по отношению водоизмещения, ширины судна позволяют выбрать оптимальное значение этих размерений.
При добыче недефицитного полезного ископаемого размерения судна должны удовлетворять требованию, которое необходимо сформулировать так: стоимость концентрата, получаемого при работе судна на максимальном крене на участках с повышенным содержанием полезного компонента должна быть, не ниже средних затрат на производство концентрата. Этот критерий основан на том факторе, что добыча каждой тонны полезного компонента должна проводиться с заданной рентабельностью или быть выше ее.
Тогда математически этот критерий можно представить так
〃¥тах"к — “YEc, (7.35) где Ц — цена единицы полезной компоненты; утах — величина содержания полезной компоненты на оконтуренном участке и всем месторождении; 丫口 一■ величина промминимума, т. е. содержание полезной компоненты, обеспечивающая заданную рентабельность; т)к ——извлечение при максимальном крене корабля; % — извлечение, при котором определена величина промми- нимума для россыпей этого типа.
Тогда
(7・36)
С учетом (7.36) и (7.29) можно записать
a(Фо + 汽)2 + 6 (中0 + %) + С = ^7 (a 喘 + 如0 + 》，(7-37)
где у； — величина промминимума при извлечении 100%.
После преобразований получаем
(7.38)
При этом(р0 ——фк должно быть больше мийимальноГо угла, при котором наблюдается течение жидкости.
Для оборудования обогащения в тонком слое на наклонной плоскости формула (7.38) принимает вид
+ 0,04т]Из+ 0,04т]Из丫口Ymax丫口Ymax1 —0,79.1 —0,79.(7.39)(7.39)
+ 0,04т]Из
+ 0,04т]Из
丫口
Ymax
丫口
Ymax
1 —0,79.
1 —0,79.
(7.39)
(7.39)
Так как нас интересует максимальное (по абсолютной величине) значение угла 媒，то это значение имеет место при
+ L МО)+ L МО)/(2а 4"力户 + 4ат]из (-1
+ L МО)
+ L МО)
Но для случая, на примере которого, выполняется настоящий анализ q)Kfflax приближается к двум радианам, фк должно приниматься равным предельному значению.
Второе анализируемое значение крена
Фк = 1/ 0,62 + °,04г|из I 1 —二'"—)一 °,79 У\ Ymax /
зависит от величины .
Ymax
Значения этого угла в пределах обычных величин т], показывают, что аппараты с обогащением в тонком слое могут монтироваться на кораблях с углом крена до 5° при волнении 5 баллов. Более оптимальное значение можно определить из условия (7.40).
Аналогичный анализ, выполненный для условий аппаратов с меньшим колебанием извлечения при изменении угла наклона подтвердил справедливость высказанных положений и для таких условий.
Подводя итог вышеизложенному, считаем, что размерения судна должны выбираться из условий, оптимальных (экономически) для процесса добычи и передела на борту добычного судна.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ ВОЛНЕНИЙ И РАЗМЕРЕНИЙ СУДНА
НА РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК НА БОРТУ СУДНА ТИПА ПлавГОКа
Проблемной научно-исследовательской лабораторией по подводной добыче полезных ископаемых со дна океанов и морей был проведен комплекс исследований по установлению влияния морских волнений на эксплуатацию добывающих и перерабатывающих установок, смонтированных на борту судов.
Результаты изменения обогатимости магнитосодержащих песков при различных состояниях моря приведены на рис. 7.1.
308
Fe%Fe%Рис. 7・L Изменение параметров обогащения в зависимости от угла крена §Рис. 7・L Изменение параметров обогащения в зависимости от угла крена §〃7234Крен , градусы〃7234Крен , градусы5555555444 4 45555555444 4 40 f 234Крен, градусы0 f 234Крен, градусы0 3 8 79 8 8 80 3 8 79 8 8 86 5 4 3 2 〃，0 ди ОО ОО ОО ОО ОО 56 5 4 3 2 〃，0 ди ОО ОО ОО ОО ОО 5£ - 3nH 3haG9 =£ - 3nH 3haG9 =
Fe%
Fe%
Рис. 7・L Изменение параметров обогащения в зависимости от угла крена §
Рис. 7・L Изменение параметров обогащения в зависимости от угла крена §
〃7234
Крен , градусы
〃7234
Крен , градусы
5555555444 4 4
5555555444 4 4
0 f 234
Крен, градусы
0 f 234
Крен, градусы
0 3 8 7
9 8 8 8
0 3 8 7
9 8 8 8
6 5 4 3 2 〃，0 ди ОО ОО ОО ОО ОО 5
6 5 4 3 2 〃，0 ди ОО ОО ОО ОО ОО 5
£ - 3nH 3haG9 =
£ - 3nH 3haG9 =
На этот же график нанесены данные по извлечению суммы полезных минералов на аппаратах обогащения в тонком слое в условиях Балтийского моря.
Рассматриваемые суда являлись судами с плавной качкой и с незначительной величиной крена (особенно земснаряд «Выборгский») поэтому отклонения параметров процесса обогащения в морских условиях полностью соответствовал характеру изменения извлечения при различных углах наклона. Аналогичное явление отмечается и при экспериментах на судне «Тура» и «Кодор».
Следовательно, экспериментальные исследования на судах в морских условиях подтвердили справедливость вывода о рассмотрении процесса передела в тонком слое в условиях морского волнения как квазистационарно го, соответствующего стационарному при угле наклона потока ср, отличающегося от установленного при горизонтальном положении аппарата на среднюю величину крена корабля.
Разнообразие постановки экспериментальных исследований на судах различного водоизмещения подтверждает представительность этих исследований.
С другой стороны, сопоставление данных на земснаряде «Выборгский» и на судне «Тура» показало, что на судне большего водоизмещения, лучших размерений и остойчивости при одних и тех же волнениях моря процесс обогащения более устойчив и эффективен во времени.
Проведенные наблюдения и обобщение опыта работы морского технического флота позволило определить ограничения для рассматриваемых зависимостей по техническим возможностям.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО СУДНА
ТИПА ПлавГОК, (ДРАГИ И ПОФ)
Основываясь на методике, изложенной в 7.1, исследуем оптимальные значения наиболее сложного по структуре механизации —судно типа ПлавГОК и ПОФ. Структура механизации такого судна может быть:
S2=[aU(BCcnd)], или ^ =(BCEd)
или S2* = (с П а), но основной характеристикой является проведение процессов передела на этом судне.
Целевая функция при разработке месторождения дефицитного полезного ископаемого представляется как величина
(7,41)(7,41)工 * -工 Z( -> max, (=о(=0
(7,41)
(7,41)
т. e. первый член функции представляет собой доходную часть от эксплуатации месторождения, а второй член ——расходную.
Величина дохода S『от реализации продукции, полученной при определенном волнении i баллов, может быть представлена как:
St = QM 1Пнз j〃 一 Ц± ~ [Пнз。一 Пнз^]} , (7.42) где Q — производительность по добыче россыпных песков; 7\ — время работы установки при волнении моря i баллов; у ——содержание полезного минерала в исходном песке; р ——выход концентрата; Ц — цена концентрата, получаемого при штиле; Пнз。一 извлечение минерала в концентрат при штиле, принимаемое максимальным; т]Из, —— извлечение минерала в концентрат при волнении моря в / баллов; 4 — снижение цены концентрата при снижении его качества.
Исходя из квазистационарного характера процесса, что показано выше, и с учетом закономерности (7.29) извлечение при штиле можно представить как
n咤=叩^+g皿+， (7.42a)
После преобразований получим:
Sf = (2死 ["+ 片「孑 7V：I [(1+№)^+arctg^Sf = (2死 ["+ 片「孑 7V：I [(1+№)^+arctg^XX也(专+ aretgK)〈也(专+ aretgK)〈Г кГ кJi + №Ji + №XX
Sf = (2死 ["+ 片「孑 7V：
I [(1+№)^+arctg^
Sf = (2死 ["+ 片「孑 7V：
I [(1+№)^+arctg^
X
X
也(专+ aretgK)〈
也(专+ aretgK)〈
Г к
Г к
Ji + №
Ji + №
X
X
(7.43)(7.44)(7.45)(7.46)(7.47,)(7.48)(7.49)(7.43)(7.44)(7.45)(7.46)(7.47,)(7.48)(7.49)
(7.43)
(7.44)
(7.45)
(7.46)
(7.47,)
(7.48)
(7.49)
(7.43)
(7.44)
(7.45)
(7.46)
(7.47,)
(7.48)
(7.49)
X + “1 42a 4" 4\
P [(1+© (万+ arctgK)
/ 32 \1 貝(b + 2aq)o) / 】 К 丫
*1万一冃丿]十加(多 + >
Для малых глубин
50 У1600 笛I (/Л2 一 i ,57НВ)2 + /дам
К 一 10(m/1 + 58切"，
/n=f•m两
Для больших глубин
5 }/ 670 力G (1,27力0九 - 8)2 + 82^
“0,088 М 肅.
»'% (1 —0,7885)
При эксплуатации судна в течение времени ^^й т, е- ПРИ волнении до определенной силы, стоимость реализуемой продукции можно представить так:
i=n
/ 32Л (& 4- 2афо) f 1 , _—V X
X (ц-^-Ц^ 42a [4- +晋^\ ("4 一T力)十
2(1+不)传+ arctgK)\ 十
4(6+2a陶/1к .(7.50)
m (子+ arctgK)( Q+K 丿 j
Анализ эксплуатационных расходов и удельных капиталовложений по горнодобывающим судам, а также промысловым судам 311
других типов показывает, что затраты складываются из двух составляющих:
первой — затрат, зависящих от типа и производительности установки и в основном, совпадающих с аналогичными затратами по сухопутным предприятиям, и второй ——затрат, связанных с существованием судна, й которые определяются водоизмещением судна.
Как известно, затраты складываются из издержек по заработной плате с начислениями, топливу, материалам, амортизационным отчислениям, а также прочим затратам и т. п.
С увеличением времени эксплуатации величина стоимости реализуемой продукции, определяемой по формуле (7.50), Ьмеют четкую тенденцию к возрастанию, так как ни один из входящих параметров не может быть отрицательным. Такое утверждение является очевидным, так как извлечение по своей физической сущности не может быть отрицательным. Суммарные годовые издержки по заработной плате, амортизационным отчислениям и прочим затратам в малой степени зависят от увеличения продолжительности сезона.
Затраты по статьям топливо и материалы слагаются из затрат, связанных с добычей и обогащением 1 м3, удельный вес которых прямо пропорционален объему добычи и затрат, связанных с существованием судна.
Следовательно, критерий целесообразности работы в период на границе возможности работы можно представить следующим образом:
"e% ["一"+(小一%、] =& +4)， (7.51) где См и Су — затраты топлива материалов на 1 м3 (по добыче и обогащению).
Среднестатистические данные по регулярности волнений для различных районов показывают, что время с волнениями 3——5 баллов достигает значительных величин, а снижение извлечения концентрата, как показали опытные работы, при достаточных размерениях судна в пределах стандартов может быть незначительным.
Следовательно, целевая функция 工 Sj ——Zn достигает макси- £=0
мального значения, при соответствующем подборе размерения судна 孔—max. Поскольку существуют ограничения в использовании морских добычных средств по условиям волнений, гидравлические снаряды целесообразны при волнении моря не более 5 баллов.
Проведенный анализ гидродинамики процессов, протекающих в условиях судовой палубы показал, что возмущения, приводящие к отрицательным последствиям, зависят от размеров судна. При этом наиболее оптимальным являются условия, когда палуба корабля полностью по судовым возможностям загружается ап-
Рис. 7.2. Изменение относительной стоимости обогащения и добычи с0 в зависимости от производительностиРис. 7.2. Изменение относительной стоимости обогащения и добычи с0 в зависимости от производительности
Рис. 7.2. Изменение относительной стоимости обогащения и добычи с0 в зависимости от производительности
Рис. 7.2. Изменение относительной стоимости обогащения и добычи с0 в зависимости от производительности
рис( 7.3. Изменение производительности в зависимости от мощности снимаемого слоя
паратами передела. Недогрузка возможностей корабля, как показали расчеты, выполненные для россыпного месторождения, не дает никаких выигрышей. На рис. 7.2 показан характер изменения стоимости 1 м3 песка на судне «Горняк» при производительности 200, 150 и 100 м3/ч по горной массе. Это определяется тем, что при подводной добыче полезных ископаемых из морских россыпей ничтожно малы затраты, связанные с созданием карьера, т. е. горно-капитальные работы. Поэтому необходимо предусматривать (даже когда условия месторождения не дают основания для таких производительностей) максимальную загрузку. Это тем более справедливо, что перебазирование горнодобывающего флота может быть произведено за короткий промежуток времени. Так несамоходный флот РЭП менее чем за неделю был перебазирован из порта Тикси в морской залив. В этих условиях может возникнуть ограничение только по горным возможностям.
Рассмотрим эту задачу на примере месторождения строительных материалов с ограниченной длиной карьерного поля. Ниже мы приводим данные по нашим экспериментальным наблюдениям, выполненным на самоотвозном земснаряде «Выборгский», по взаимосвязи консистенции пульпы со скоростью рабочих перемещений.
(7.52)313(7.52)313На основании исследований установлена взаимосвязь скорости судна и с консистенцией всасываемой пульпы при производительности землесосов по воде Q от 2000—7000 м3/ч как
(7.52)
313
(7.52)
313
?см — 0,89 十 0,36и — 0»0%2*
Тогда время пёрёметцвния по фронту L будет ^ = — , а объем грунтозабора за это время
к L с 0,89 + 0,36。一О,09峭一％
V Q 丫й"0,鹼一0,36и —0,89 •/53)
Если время вспомогательных операций представить как /в, то средняя производительность за время ^ + 4 = — 4-彌 представляется как
〃 一 QO,89+O,36u_O,O9u2 — Yo
&Р一1-「уT 十 0,09泊一0,36-0,89 •(
На рис. 7.3 представлен характер изменения этой функции при производительности в 1000 м3 с учетом того, что каждому слою выемки соответствует своя скорость выемки v = f(h}. Мы видим из этого графика, что при росте производительности по воде при определенной скорости средняя производительность практически не изменяется.
На основании вышеизложенного рекомендуется для выбора необходимых размерений судна типа ПлавГОК границу счета п
в ряду 工 Tt принимать 几=5, тогда целевая функция для поиска оптимальных значений размерений судна уточняется
f=5
Sj — Z f max. t=0
Затраты, не зависящие от размерений судна, представим как величину Z, Q「，где Z】一приведенные затраты на 1 м3 добычи и Qr — годовая производительность.
Исследуемая функция должна при рациональных значениях D, В и h0 достигать максимума и так как нас в принципе интересует не абсолютное значение этой величины, а значения размерений корабля, которые позволяют достигнуть этого максимума, то целесообразно при анализе исключить из функции все составляющие, не изменяющиеся с увеличением D, 8 н 九必 оставив только затраты, функционально связанные с размерениями корабля. При определении стоимости корабля и затрат по его эксплуатации к интересующим нас величинам принято относить стоимость корпуса и судовой энергетической установки, амортизационные отчисления от этих затрат и затрат на топливо для судовой установки такой мощности.
Нижеприводимые известные формулы [36 ] позволяют проиллюстрировать сущность методологии, но коэффициенты в них должны корректироваться с изменением ценообразования по типу судна.
Стоимость корпуса может быть определена по формуле
5k= ],02炉/3唯以810-3, ТЫС. руб.,(7.55)
где D — водоизмещение судна; %ах — максимальная скорость судна, а стоимость судовой установки по формуле
Sc = “5・10*1%2, тыс. руб.(7.56)
При коэффициентах нормативной окупаемости 0,15 и амортизационных отчислений в состав целевой функции целесообразно включить
0,27 (1,02・ 10-3^2/3呜紀 + оз 10-2^1/3》，(7.57)
где о ——средняя скорость движения;
а также затраты топлива на работу судовой установки, которые можно представить так
、K3CT-Q,^D1/3v3 £ Tit(7.58)
где CT — стоимость топлива с учетом смазочных материалов; Лз ——величина загрузки силовой установки.
'С учетом (7.56), (7.57), (7.58) целевая функция принимает вид:
У QM心 + 0,54% +巡上x
厶 I2/l + № (re+2arctg^j
I P |_2 Jl + Q (m + 2 arctg K) 」
—0,27 (1,02.10-”卢％謐 _|_ 0,5. io-2q1/3吟十
+(3」0%*%3 er j %(7.59)
где К и 4 имеют значения по (7.46) и (7.47) при " = 0；储=4,5 м; 九2 = 10 м;九з = 20 м;九4 = 33 м,九5 = 60 м (величины должны уточняться для конкретного месторождения).
Прежде чем исследовать целевую функцию на экстремум, установим ограничения, накладываемые на параметры В,凤 н D из-за назначения судна, как основы под добычную и обогатительную установку.
Величина В, т. е. ширина судна, должна приниматься аналогично размерам зданий на суше, т. е. краткой габариту пролетов, но для сохранения маневренности судов можно рекомендовать размеры 15 и 25 м (для размещения трех или четырех секций).
На величину водоизмещения накладывают при предельном значен ih волнения свои ограничения требования не допустить снижения извлечения ниже пределов, при которых мог быть получен нестандартный концентрат.
В принципе это ограничение можно описать как:
-~ Лиз = ?пр, (7.60)
где Мр — минимальное содержание полезного минерала в к叫 центрате； г)из — среднее извлечение полезного минерала при' предельном значении волнения.
Так как при извлечении т]0 получается стандартный концентрат с содержанием устанавливаемый при изучении технологических свойств руд, то
■~ (По — Лиз)—厶扇 (7・61)
где АЕ ——превышение содержания полезного минерала в концентрате против нижнего предела стандарта.
7.4. СПЕЦИАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ
Эффективность подводной добычи полезных ископаемых во многом зависит от показателей процесса обогащения морских отложений. При определении минимально-промышленных содержаний различных металлов морских россыпей было отмечено, что затраты на процесс переработки достигают 60—70% общих расходов, причем с ростом производительности установок удельный вес расходов по обогащению возрастает.
Если береговые установки практически не отличаются от обычных обогатительных фабрик, то в последние годы как за рубежом, так и в СССР наметилась тенденция к созданию специального оборудования. Это связано в первую очередь, с освоением морскими драгами больших глубин, при работе на которых понтон подвергается более интенсивному воздействию морских волнений. Специальная отсадочная машина в настоящее время производится компанией ИХЦ «Голландия» с некоторыми дополнительными усовершенствованиями (рис. 7.4). При работе этой машины используется очень небольшое количество дополнительной воды и пульсация осуществляется при помощи диафрагм (перегородок), приводимых в движение гидравлическим способом, Что также ведет к упрощению механизма. Ход поршня вверх ——быстрый, а ход поршня вниз — медленный, тогда как при работе обычных отсадочных машин сжатие—всасывание проходит по синусоидальной кривой. Построенная в Японии землесосная драга с рабочим органом в виде режущего колеса (всасывающая драга) для использования ее на Таиланде будет оборудована несколькими такими отсадочными машинами производства компании «ИХЦ».
В схеме советской ПОФ «Горняк» были использованы струйные концентраторы и конусные сепараторы, но это оборудование 316
°OHQO°X HMmAdJ，BOu-Q^s 1 gledlHudHOM к к90”浜—寸二 BHIor-osao§s^- raa^s，BX I g匸 HIOr-OSSS^HO HeuIra§ I Nffdoledg— sffl «ок_чои^ай—iewjeda■ВНЕ — 0£—MuyBdawEM — 6£ нвн ЖАК9。КЧ-Ч ewdoe-LBKIIи(90弓©ж ®ол，。一эох I Z 畫он，一.BmudoxodJ1 g Кузьма•оармщк-m ^sstf-олIsaK 丨 g idoIHA♦Qd 丨 У -мчгаиOJOH6EKJ WSSPSB，口o— g -HMgudJ1 N smlJ^oaloA① OHOMEdJ I J
:《H0由Huy》NHmnB«ospo^raoHO §Mmgo •/, gd
(7.62)(7.62)
(7.62)
(7.62)
Рис. 7.5. Схема сепаратора с бегущим магнитным полем:
/ — сегиерово колесо; 2 — вал; 3 — канал; 4 — узел выгрузки; 5 — привод; 6 — маг； нитиая система; 7 — узел крепления мам иитной системы на вал; 8 — магниты
является неполностью соответствующим морским условиям. Примером аппарата, специально созданного для морских условий, является магнитный сепаратор (рис. 7.5), конструкция которого предложена Ю. В. Бубисом, В. А. Кинареевским и другими.
Этот сепаратор отличается тем, что рабочая ванна сепаратора выполнена в виде системы наклонных каналов, расположенных по периметру вертикальной вращающейся магнитной системы. При такой схеме движения вместо взаимодействия магнитного и гравитационного полей, имеющегося в обычных сепараторах, основным является взаимодействие магнитного и горизонтального центробежного полей, на характеристики которого качка влияния не оказывает.
-Магнитный сепаратор содержит питатель в виде сегнерова колеса для равномерного питания пульпы наклонных каналов рабочей ванны. Магнитная система выполнена в виде вращающегося барабана, на внешней поверхности которого располагаются машины. Поток пульпы двигается по винтообразным каналам, а магнитные частицы притягиваются к их стенкам. Немагнитные частицы за счет центробежных сил отбрасываются в противоположную сторону.
Рассмотрим механизм сепарации в канале, наклоненном под углом к образующей вертикально^ магнитной системы (рис. 7.6). Магнитная частица, поступающая в рабочую зону, притягивается к стенкам канала, которые прилегают к магнитной системе. При вращении барабана магнитная частица начинает двигаться по верхней стенке канала под действием составляющей магнитной силы
尸：=fM sin а.
Рис. 7.6. Схема механизма магнитной сепарации в бегущем магнитном поле
Рис. 7.7. Лабораторная модель сепаратора с бегущим (вращающимся) магнитным полем:
/ — барабан； 2 — феррито-бариевые магниты； 3 — рабочий канал； 4 — редуктор; 5 — электродвигатель; 6 — рама
Немагнитные частицы опускаются на дно канала и самотеком выносятся из рабочей зоны.
Угол наклона а определяет скорость перемещения магнитной фракции через рабочую зону, а также величину составляющей магнитной силы 尸2, необходимой для удержания магнитной частицы у верхней стенки канала, т. е. для выполнения условия 尸：=kosa
f； > 理叩11f2=fgcos a.(7.63)
В случае реализации описываемого принципа в виде магнитного сепаратора следует стремиться к уменьшению угла наклона канала, так как это дает возможность пропускать магнитный продукт через рабочую зону с максимальной скоростью.
При использовании вращающегося магнитного поля для магнитного транспорта ферромагнитного материала угол наклона канала следует выбирать с таким расчетом, чтобы поступательное движение частиц вдоль образующей магнитного барабана было максимальным.
На лабораторной модели исследовалась зависимость скорости перемещения магнитных частиц в зависимости от частоты бегущего магнитного поля (частоты вращения барабана) в воздушной и водной средах (в потоке и в неподвижной жидкости). Лабораторная модель сепараторов изображена на рис. 7.7.
О 0,050,100,15 〃勿 ммО 0,050,100,15 〃勿 ммРис. 7.8. Гранулометрическая характеристика чернового концентратаРис. 7.8. Гранулометрическая характеристика чернового концентратаИзменение частоты вращения барабана достигалось использованием сменных шкивов в клиноременной передаче. Рабочий канал был выполнен из оргстекла, что позволяло визуально наблюдать поведение магнитного материала в бегущем магнитном поле. На стенки канала была нанесена мерная сетка для производства измерений. В качестве исследуемого материала использовался черномор
О 0,050,100,15 〃勿 мм
О 0,050,100,15 〃勿 мм
Рис. 7.8. Гранулометрическая характеристика чернового концентрата
Рис. 7.8. Гранулометрическая характеристика чернового концентрата
ский магнетитовый концентрат, гранулометрический состав которого представлен графиком на рис. 7.8.
Скорость перемещения магнитных частиц определялась
следующим образом. В рабочий канал, заполненный водой, вводилось небольшое количество магнетита. Под действием магнитных сил магнетит прилегал к верхней стенке канала, после чего барабан
приводился во вращение и магнитные частицы двигались в противоположном вращению барабана направлении.
Время прохождения частицами участка, ограниченного мерной сеткой, фиксировалось визуально с помощью секундомера. Частота вращения барабана составляла 20, 34, 56, 78, 145, 270 об/мин.
Определение скорости перемещения магнитных частиц в потоке воды проводилось аналогичным способом. Скорость потока изменялась в пределах 0,2——1 м/с. Было установлено, что при та
ких скоростях скорость транспортирования частиц практически не отличается от скорости частиц в неподвижной водной среде. Движение частиц зависит от характера образования прядей, а также от относительной величины действующих на прядь магнитных и механических сил. В случае, когда поле весьма неравномерно, пряди объединяются в комки в местах сгущения поля, и эти комки перемещаются поступательно вместе с полем. Разрушению комков трением препятствуют магнитные силы, направленные в середину комка.
В другом случае, когда само поле и его неоднородность сравнительно невелики, движение прядей обусловлено только магнитным моментом, стремящимся повернуть прядь как магнитную стрелку, расположив ее по вектору индукции магнитного поля. Движение пряди сводится к качению с частотой, совпадающей с частотой бегущего поля в направлении, противоположном дви
жению вращающегося поля.
Скорость перемещения магнитной пряди в рабочей зоне, в значительной степени влияющей на производительность сепаратора,
Рис. 7.9. Зависимости скорости перемещения частиц V от частоты бегущего магнитного поля р.:
/ — класс 0,4 4- 0,23 мм; 2 — класс 0,209 — 0,294 мм; 3 — класс —0,07 мм;
4 — экспериментальная кривая скорости перемещения частиц черноморского концентрата
можно определить следующим образом： пусть ю0 — угловая скорость магнитного барабана, имеющего т пар полюсов, тогда угловая скорость бегущего поля со будет
G)— ш0/и,(7.64)
а период колебаний магнитного поля
9тг
-т =普.(7.65)
За период Т магнитная прядь, сделав полный оборот, переместится на расстояние 2/,
рость V перемещения пряди выразитсярость V перемещения пряди выразитсягде I — длина пряди, тогда скогде I — длина пряди, тогда ско(7.66)(7.66)и ~и ~2/2/Переходя от угловой скорости барабана к частоте его вращения в минуту, выражение (7.86) можно записать
рость V перемещения пряди выразится
рость V перемещения пряди выразится
где I — длина пряди, тогда ско
где I — длина пряди, тогда ско
(7.66)
(7.66)
и ~
и ~
2/
2/
и = 22 瑞. (7.67)
Выражение (7.86) показывает, что скорость перемещения пряди прямо пропорциональна её длине, частоте вращения и числу пар магнитного поля. Экспериментально было установлено, что увеличение частоты вращения поля уменьшает длину пряди.
На рис. 7.9 показано влияние на скорость магнитных частиц частот магнитного поля. Очевидно, что увеличение частоты свыше 60 Гц нецелесообразно. 、
Опытная модель сепаратора была испытана при обогащении исключительно бедных титаномагнетитовых песков. Для экспериментов был изготовлен сепаратор с рабочим винтовым каналом. Угол наклона а рабочего канала составлял 30°, при испытаниях его изменяли на ±5°, длина рабочей зоны составл яла 650 мм, сечение 80x80 мм. Рабочая частота вращения барабана — 145 об/мин, что при 12 парах полюсов соответствует 29 Гц. Производительность сепаратора в период испытаний составляла 1 т/ч по твердому. При содержании в исходных песках 0,5—2,5% Fe в первом приеме был получен концентрат с содержанием 49,5—
11 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока11 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока321
11 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
11 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
54,5% Fe при извлечении в магнитный продукт от 67 до 82% Fe. Перечистка на том же сепараторе полученного в первом приеме концентрата дала возможность повысить содержание железа в концентрате до 60,1 % без дополнительных потерь железа в хвостах. Волнение моря, достигавшее при экспериментах 3 баллов, не оказало никакого влияния на работу сепаратора. Создание специальных аппаратов, подобных описанному выше, должно позволить значительна расширить область применения технологических решений при размещении обогатительного комплекса на борту добычного судна.
ПРИДОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Особенностью морских россыпей, как отмечалось выше, во многих случаях является сравнительно высокая степень подготовленности песков к применению гравитационных методов обогащения. Для россыпей морского генезиса характерна высокая степень раскрытия минералов и их дезинтеграция, что исключает необходимость в дроблении и измельчении, а наличие неограниченного количества воды при выемке морских песков благоприятствует применению гравитационных и магнитных методов обогащения. Это создало предпосылки к созданию специальной технологии и технических средств, когда из забоя извлекаются только полезные минералы, а минералы пустой породы, составляющие свыше 90% всей горной массы, остаются на дне или непосредственно на месте выемки.
Такие технологические решения получили название «придонного обогащения». Создание технологии и специальных технических средств, производящих совместно выемку горной массы и извлечение из нее полезных минералов, представляется одним из наиболее перспективных направлений развития технологии подводной добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей. Решение этой задачи усложняется из-за разнообразия физикомеханических свойств минералов подводных россыпей, которые нередко отличаются от свойств этих минералов после их высушивания. Это связано с появлением на поверхности минералов солевых пленок и другими подобными явлениями. Решение этой проблемы включает как создание добычных средств так и соответствующих им средств придонного обогащения, а также и средств транспортировки чернового концентрата на борт. Во многих случаях, когда изъятие песков создает предпосылки к нарушению устойчивости береговых ландшафтов или повышению мутности до пределов, превышающих экологическую валентность рыбных и других биологических ресурсов, технология придонного обогащения представляется единственно возможным решением.
Рис. 7.10. Способ добычи железосодержащих песков:
/ — судно; 2 — водяной насос; 3 — трубопровод; 4 — пульпопровод; 5 — магнитная система; 6 — землесос; 7 — гндрорыхли* тель; 5 — всас; 9 — грохот; 10 — трос; 〃一магнит
Из зарубежной практики наиболее известным является технологическое решение, разработанное японской компанией «Явата Сейтетцу», по добыче железосодержащих песков при помощи специального сепарирующего устройства, монтируемого как рыхлитель на всасывающем грунтозаборном устройстве земснаряда.
, Устройство придонного обогащения для беспрерывного подводного сепарирования приведено на рис. 7.10, где оно показано в общем технологическом потоке земснаряда. Устройство состоит из барабана, вращающегося вокруг магнитной системы, и собственно рыхлителя.
Магнитный секторМагнитный секторИзвестно использование как механического, так и гидравлического рыхлителей. После предварительного рыхления из образовавшейся пульпы магнитные частицы извлекаются магнитной системой барабана и прилипают к вращающейся его поверхности. При вращении барабана частицы магнетита поступают в зону всасывания, где не действуют магнитные силы. Из этой зоны магнитные частицы транспортируются на борт судна, где поднятый черновой концентрат доводится до кондиционных требований. Внутри барабана установлен электродвигатель постоянного тока, что позволяет регулировать скорость вращения барабана. Необходимое качество рыхления достигается путем изменения расстояния насадок от забоя, а также направлением движения струй. Эффективность работы выемочного устройства обеспечивается за счет взаимного подбора напряженности магнитного поля, скорости вращения барабана и расхода воды на рыхление.
Магнитный сектор
Магнитный сектор
При испытаниях опытного образца устройства для беспрерывной сепарации производительностью 10 т/ч было получено 100%-е извлечение магнитной фракции при содержании в россыпи 5% титаномагнетитов. При этом использовалась модель с барабаном
диаметром 600 мм при напряженности магнитного поля на его поверхности 350 Э. Вращение барабана осуществлялось электродвигателем мощностью 0,5 кВт при скорости траншейного папиль-
онирования 1,5——3 м/с. Напор на насадках гидрорыхлителя составлял около 4 кгс/см2, а расход воды около 100——150 м3/ч.
Работы с опытным рыхлителем проводились в Токийском заливе на глубине 15 M. Полученный черновой концентрат содержал 30—40% железа. Мощность обрабатываемого слоя была 0,5 м. При механическом рыхлителе весь срезаемый слой пропускался между внутренней поверхностью ножа и поверхностью барабана, под который установлены магниты.
Все средства придонного обогащения можно разделить в зависимости от мощности отрабатываемого слоя на установки поверхностного слоя (как правило на глубину 0,5——1 м) и установки для глубокой выемки, т. е. позволяющие извлекать концентраты из более мощных россыпей.
Примером устройства первого типа является установка фирмы «Явата Сейтетцу» (см. рис. 7.10). К установкам второго типа можно отнести драгу, конструкция которой разработана авторами и схематично изображена на рис. 7.11.
Прага состоит из судна /, на котором смонтировано силовое и обогатительное оборудование. Основным элементом конструкции является магнитный конвейер 2, резиновая лента которого изготовлена с наполнителем из намагниченного магнитотвердого порошка. Конвейер имеет ведущий 3 и ведомый 4 барабаны, причем ведущий барабан с двигателем и редуктором установлен на подвижной платформе 5, позволяющей менять угол наклона конвейера от 0 до 90°. Конвейер жестко укреплен на раме 6, к которой приварено рыхлительное устройство 7 с насадками 8. Съем концентрата с конвейера производится съемным ножом 9 и подачей воды под напором в форсунки 10. При необходимости получения обезвоживающего концентрата устанавливается грохот 11. В случае переработки очень бедных россыпей для получения богатых концентратов доводку можно проводить на магнитных сепараторах /2.
Работа драги происходит следующим образом. Подводная россыпь взрыхляется рыхлительным устройством 7, к форсункам 8 324
которого под напором подается вода. В результате разрыхления песка вокруг магнитного конвейера образуется пульпа, содержащая магнитные и немагнитные частицы. Магнитные частицы притягиваются лентой конвейера и подаются на судно. Скорость движения ленты меняется изменением числа оборотов ведущего барабана 3. С увеличением глубины забоя и количества магнитных фракций в россыпи скорость движения ленты увеличивается и наоборот. По мере перемещения конвейера из зоны забоя к судну происходит отмывка концентрата от илистых частиц и немагнитных фракций. Концентрат с конвейера снимается ножом 9 и путем подачи воды под напором в форсунки 10. Для обезвоживания концентрата может быть установлен грохот //, а при переработке очень бедных россыпей доводку концентрата можно проводить на магнитных сепараторах на борту судна. Последовательная отработка забоя производится путем перемещения конвейера судном. Подъем магнитного конвейера и его контакт с забоем осуществляется при помощи волнового компенсатора.
В отличие от аналогичных зарубежных устройств предлагаемая конструкция драги обладает следующими достоинствами:
возможна разработка и обогащение россыпи непосредственно под водой с выдачей на поверхность концентрата; себестоимость такого процесса минимальна, так как требуется минимум оборудования и электроэнергии;
возможна разработка подводных россыпей практически любой мощности； °
за счет применения резиновой магнитной ленты конвейер можно изготовлять большой длины и ширины для увеличения производительности; '
применение волнового компенсатора обеспечивает гибкую и автоматически регулируемую связь конвейера с судном и забоем.
При разработке россыпей малой мощности можно применять драгу с горизонтальной магнитной лентой (рис. 7.12). Для обеспечения направленного потока частиц в рабочую зону под лентой устанавливается поддон 5 с режущей кромкой 6. Над режущей кромкой 6 размещено гидрорыхлительное устройство 7, состоящее из двух рядов насадок. Концентрат накапливается в емкости 10 и перекачивается на борт судна. Желоб 11 со стороны, противоположной режущей кромке 6, выполнен в виде полуцилиндра, в котором размещено метательное устройство 12 для отвода хвостов обогащения за пределы забоя. Для исключения присоса желоба к забою он имеет ребристый корпус.
Схема работы драги состоит в том, что песок срезается режущей кромкой с одновременным размывом. Это обеспечивает поддержание оптимальных условий в зоне обогащения, откуда концентрат направляется конвейером в емкость 10, а хвосты обогащения удаляются метательным устройством 12 за пределы забоя.
Рис. 7.12. Схема драги для маломощных россыпей:
/ — судно; 2 — магнитный конвейер; 3 — магнитная система； 4 — лента конвейера： 5 — поддон； 6 — режущая кромка; 7 — гидрорыхлитель; 8, 9 — насадки; /0 — емкость для концентрата; // — желоб; /2 — насос; 13 ——несущая конструкция; 14 — опорная конструкция; /5 — верхняя крышка; 16 一 слой песка
Для работы устройств придонного обогащения, где требуется создать направленные потоки хвостов обогащения из забоя, целесообразно применить устройство следующего типа. Земснаряд (рис. 7ЛЗ) представляет собой судно 1 с волочащимся всасом 2, на конце которого смонтировано специальное устройство, в корпусе его устанавливается система вращающихся магнитных дисков 3 и индукционных съемников 4, рыхлителя 5 (в данном случае винтовая фреза). Для отброса хвостов может использоваться гидрометатель или винтовое устройство 6.
При работе частицы разрыхленной породы гидравлическим потоком транспортируются через магнитную систему. Магнитные частицы задерживаются на дисках 3 и секторах 4. Затем магнитные частицы выносятся индукционными съемниками в немагнитную зону, откуда перекачиваются на борт земснаряда для доводки, а пустая порода перегоняется винтом 6 в выработанное -пространство.
Изучение зарубежных патентов показало, что за рубежом ведутся работы по созданию конструкций драг, обеспечивающих разработку и обогащение песков непосредственно под водой с выдачей концентрата на поверхность. Отличительной особенностью зарубежной технологии является послойная разработка место- “рождений, причем максимальная мощность снимаемого слоя составляет 0,5 м, поэтому эти конструкции не могут быть использованы для разработки россыпей с более мощными пластами.
〃q понтон
Рис. 7.13. Схема драги с вращающейся магнитной системой
На различных глубинах шельфа морей СССР и в первую очередь Черного, Каспийского и Дальневосточных морей имеются россыпи магнетита мощностью 10—25 м. Характерными особенностями этих месторождений являются:
небольшая глубина расположения россыпей (до 50 м);
колебание мощности продуктивного слоя от 0,1 до 12 м и более;
сравнительно однородный по крупности состав магнитной фракции 0,5——0,05 мм и тоньше, при высоком содержании полезного компонента в песках (до 35%);
сложность освоения береговых зон из-за наличия курортов или в необжитых районах побережья морей СССР.
Эти особенности потребовали разработки конструкций драг для эффективной разработки пластов различной мощности на разных глубинах.
Для определения оптимальных конструктивных и технологических параметров гидромагнитных добычных устройств драг проведены испытания лабораторного образца добычного устройства для послойной отработки россыпи, составлена физико^ математическая модель процесса, происходящего в рабочей зоне, при решении которой выявлены особенност" процесса движения магнитных частиц, а также испытана пол)промышленная модель добычного устройства с^траншейным способом отработки.
Лабораторная установка (рис. 7.14) представляет собой модель добычного устройства / драги для послойной разработки, размещенную в емкости 2 с магнетитовым песком. Добычное устройство состоит из ленточного магнитного конвейера 3, размером 610x80 мм, блока постоянных магнитов 4, поддона с режущей кромкой 5, трубки 6 с двумя рядами форсунок. Емкость (1250x700x600 мм) с песком имеет перелив 7, направляющие 8 для перемещения модели вдоль емкости. Добычное устройство 7
Рис. 7.14. Лабораторная установкаРис. 7.14. Лабораторная установкаподвешено к тележке 9 на стальных прутках, позволяющих поднимать и опускать модель относительно забоя. Напряженность поля на поверхности конвейера составляет 1500 Э. Ширина ленты конвейера составляет 70 мм, диаметр трубки 12 мм; на трубке имеется 50 шт. форсунок диаметром 2 мм. Расстояние от поддона до поверхности конвейера регулируется от 0 до 100 мм.
Рис. 7.14. Лабораторная установка
Рис. 7.14. Лабораторная установка
Работа установки осуществляется следующим образом: подводная россыпь насыщается водой, подаваемой в форсунки трубки по шлангу из системы водопровода, срезается ножом поддона за счет перемещения установки относительно россыпи. Срезанный слой песка
в разрыхляется и транспортиру- ется потоком воды из второго ряда форсунок в зону сепарации. Магнитная фракция притягивается к ленте и перемещается в сторону разгрузки, немагнитная фракция ——выносится потоком воды в хвостосборннк.
При лабораторных исследованиях определились следующие параметры: скорость выноса магнитной фракции из рабочей зоны, скорость перемещения модели относительно забоя, расход воды на предварительное водонасыщение песка, весовая производитель- ность лабораторного образца и качество получаемых продуктов.
Из результатов испытаний следует, что с изменением скорости перемещения ленты от 12 до 102 см/с увеличивается выход концентрата с 6,2 до 13,8% при неизменном содержании железа в исходных песках и концентрате； содержание железа в хвостах нря этом несколько повышается. Максимальное извлечение по- лучено при скорости ленты 12 см/с; при такой скорости производительность установки составляет 48 кг/ч, в 3 раза меньше, чем ПРИ скорости 102 см/с, поэтому для полупромышленного об： разца принимаем скорость ленты 100 см/с.
Оптимальная скорость перемещения пульпы через рабочую зону подбиралась опытным путем. При этом средняя скорость прохождения пульпы через рабочую зону составила 2,52 см/с, при расходе воды 0,2 л/с и скорости перемещения добычного уст： ройства относительно забоя равной 0,5 см/с. Увеличение расхода водн до 0,5 л/с вызвало увеличение скорости прохождения пульпы нерез рабочую зону и приводило к потерям магнетита в хвостах.
Оптимальная скорость перемещения установки относительно забоя "составила 0,5 см/с, при большей скорости перемещения не успевали удаляться хвосты обогащения и рабочий зазор заби- вался^ при скорости меньшей 0,5 см/с -обнажался поддон и аппарат был недогружен.
Толщина снимаемого слоя составила 1 см, при толщине слоя 2——3 см скорость перемещения установки относительно забоя соответственно уменьшалась в 2 ——3 раза, производительность оставалась постоянной при одинаковых результатах обогащения. Производительность лабораторной установки составила 190— 195 кг/ч.
Ниже приведены результаты обогащения искусственной смеси из черноморского магнетита и песка с содержанием железа в исходных песках — 4,58%, при оптимальных технологических параметрах.
Выход, % Содержание Извлечение,
железа, %%
Концентрат 8,650,8695,5
Хвосты 91,40,234,5
Исходные пески 100,04,58100,0
Для определения оптимальных значений конструктивных и технологических параметров добычного устройства, величины необходимой напряженности магнитного поля, скорости движения ленты конвейера и ее ширины, скорости перемещения драги, скорости размыва была разработана физико-математическая модель процесса при решении которой были выявлены особенности процесса движения масс магнитных частиц в рабочей зоне. При построении математической модели учтены только основные факторы, влияющие на движение магнитных частиц от поверхности забоя до ленты конвейера. Принимаем, что зазор между лентой конвейера с поверхностью забоя должен в процессе выемки поддерживаться постоянным, т. е. скорость перемещения добычного устройства относительно забоя обеспечивается стабильной скоростью размыва песка. Поверхность забоя принимается плоской. Движение магнитных частиц происходит под воздействием ряда сил, из которых учитываются следующие.
Сила тяжести
% = m4g cos 居(7.68)
где тч — масса частицы магнетита, г; g ——ускорение силы тяжести, см/с2; % — угол наклона конвейера, градус.
Архимедова сила
Рд = ^-冗&р 再 cos 爲(7.69)
где Rq — радиус частицы магнетита, см; р0 — плотность жидкости, г/см3.
Сила сопротивления жидкости за счет вязкого трения
尸ВЯЗК ~ 6jt|lRq5(7.70)
где V ——скорость частицы, см/с;卩一вязкость жидкости, Пз.
Сила сопротивления движению частичек магнетита из-за столкновения с частичками песка
尸столкн = jJfn 冗(&1 + &2产 Plal ®)。，(7.71)
где 加1 ——масса частицы песка, г; рх ——плотность частицы песка, г/см3; ах — объемная концентрация песка в пульпе.
Сила, создаваемая магнитной системой
尸маш =恤1% grad Н,(7.72)
где % — удельная магнитная восприимчивость магнетита, см3/г; grad " — условная магнитная сила поля, э2/см.
Сила, создаваемая за счет инерционных свойств жидкости
2 q dv
Еш д' 冗Ро% Z" ‘(7.73)
где ———up。R^ — присоединенная масса сферы радиуса R&
Сила, действующая на частицу за счет локальных неоднородностей потока в месте нахождения частицы:
尸н = 2л7?^р0 心十)％, (7.74) где ▽——дифференциальный оператор ^-—; ~^}.
Составленное уравнение движения магнитных и немагнитных частиц, включающее все перечисленные выше силы, приведено к безразмерному виду и решено для области 0《％ w d, где d ——расстояние между лентой конвейера и забоем.
Решение этого уравнения на ЭВМ позволило проанализировать множество режимов работы гидромагнитного выемочного устройства и выбрать оптимальные конструктивные и технологические параметры для опытного образца добычного устройства драги.
В мастерских Балабановского опытно-промышленного карьера был изготовлен и испытан опытный образец гидромагнитного устройства для траншейного способа разработки россыпи. Добычное устройство (рис. 7.15) было подвешено на тросах на таль, размыв и обогащение проводили в ванне с переливом размером 12500х 1500 х 1700, заполненной магнетитовым песком. Вода подавалась в систему размыва насосом 2Кб. Размыв и последовательное обогащение песков осуществлялось перемещением добычного устройства относительно ванны. При этом напор воды составил 330
Рис. 7.15. Схема опытного образца гидромагнитного выемочного устройства
2——2,5 к「с/см2, расход 25——30 м3/ч, число размывающих насадок — 23, диаметром 4 мм. Напряженность на поверхности ленты —— 800 Э, скорость перемещения добычного устройства относительно забоя составила 1 см/с, производительность 5 т/ч.
、 При испытаниях были получены следующие результаты обогащения:
Выход, % Содержа- Извлечение, ние, %%
Концентрат 19,348,793,6
Хвосты 80,70,826,4
Исходные пески 10010,03100
Испытания опытного образца в натурных условиях проводились в Новгородской бухте Японского моря. Технологическая схема состояла из следующих узлов: гидромагнитного выемочного устройства /; понтона с оборудованием 2 (электростанция АБ-8, насос 2К6А, система труб и шлангов, манометр, расходомер), автомобиля-амфибии 3 для перемещения выемочного устройства в заданном направлении и с заданной скоростью.
Испытания проводились при давлении размывной воды 1,2—— 1,5 кгс/см2 и расходе воды 8—10 м3/ч. Параметры размыва фиксировались по скорости и глубине погружения добычного устройства в песок и содержанию твердого в пульпе. Было установлено, что испытываемое устройство обеспечивает устойчивый размыв россыпи на глубину 0,5 м. Скорость прохождения траншеи при указанных параметрах составила 10——15 см/мин, содержание твердого в пульпе 15——20%, угол наклона бара относительно забоя 30°, скорость ленты 100 см/с.
Таким образом, испытания на Балабановском опытно-промышленном карьере и в Японском море показали, что предлагаемая конструкция работоспособна и обеспечивает получение удовлетворительных показателей по размыву и обогащению.
Как известно, глубина моря в районе россыпи определяет тип устройства, на котором монтируется гидромагнитное выемочное устройство, а также порядок его работы. Для россыпей
прибойной и мелководной зоны характерно воздействие морских волнений на дно моря с постепенным уменьшением силы воздействия при нарастании глубины. Эти усилия будут восприниматься выемочным устройством, поэтому для морских россыпей прибойной зоны рационально использование снарядов отрицательной плавучести, а для россыпей мелководной и глубоководной зон — снаряды нулевой или положительной плавучести.
В настоящее время магнетитовые морские россыпи известны на шельфе Черного, Каспийского и Дальневосточных морей. За рубежом магнетитовые морские россыпи разрабатываются в Японии, Новой Зеландии, на Филиппинах и в других странах.
По своему положению на шельфе морские магнетитовые россыпи можно разделить на россыпи прибойной зоны (до глубины 5 м), россыпи мелководной зоны (до 30 м) и россыпи глубоководной зоны шельфа (до 200 м).
По мощности продуктивных слоев месторождений можно выделить россыпи- малой мощности (до 1 м), средней мощности (до 10 м) и мощные (свыше 10 м). Мощность слоя является фактором определяющим конструкцию выемочного устройства. По форме в плане россыпи можно разделить на вытянутые и площадные. Этот фактор определяет перемещение фронта работ в плане и направление перемещения драги. Подводные россыпи могут быть покрыты слоем непродуктивных песков, но при выемке с использованием устройств, работающих на принципе придонного обогащения, наличие вскрышных пород не оказывает существенного влияния на технологию отработки месторождения.
Особенностью песков морских магнетитовых россыпей является окатанная форма минеральных частиц и сортировка их по крупности и плотности. Распределение ценных компонентов по мощности отложений зависит от генезиса россыпи, для магнетитовых россыпей наблюдается равномерное распределение полезных минералов по простиранию при резком изменении содержания в поперечном направлении.
Для разработки магнетитовых и титаномагнетитовых россыпей рекомендуются следующие технологические схемы.
Внедрение добычного устройства драги до плотика происходит путем постепенного размыва россыпи с отгоном хвостов обогащения из вырабатываемого пространства для образования первоначального котлована. Первоначальный котлован позволит добычному устройству достигнуть нужного положения в забое, а также резервирует место для закладки хвостов обогащения. Объем перерабатываемой горной массы траншейным способом будет:
u = Hz(Hctga + a), (7.75) где Н — мощность пласта, м; а — угол откоса подводной траншеи, градус; а — ширина траншеи у основания, м; z — длина фронта работ, м.
Рис. 7.16. Зависимость стоимости разработок (Q от расстояния (/) между заходками:
/ — прибыль; 2 — убытки за зет вторичной переработки; 3 — себестоимость; 4 — убытки за счет потерн концентрата
При этом скорость перемещения гидромагнитного добычного устройства зависит от мощности пласта, так как производительность его постоянна. Угол мгновенной устойчивости откосов подводных выработок составляет в среднем 60°. Ширина траншеи у основания равна ширине гидромагнитного выемочного устройства. Расстояние между осью последовательных перемещений определялось графоаналитическим методом применительно к одному из месторождений, за оптимальное значение принималось расстояние, обеспечивающее максимальный объем переработки, при минимальных потерях в целике и минимальном объеме повторной переработки.
Постоянными принимались следующие параметры: ширина гидромагнитного добычного устройства, высота уступа, мгновенный угол устойчивости бортов траншеи, скорость размыва россыпи. Объем разрабатываемой горной массы рассчитывался на 1 м длины фронта работ. Расстояние между заходками изменялось от 0 до 3,5 м через интервал 0,5 м.
Для каждого случая отдельно рассчитывали объем перерабатываемых песков, объем песков подвергаемых вторичному размыву и обогащению, а также объем потерь магнетита в целике. Соответственно для каждого случая подсчитана прибыль от реализации концентрата, расходы на первичную и вторичную переработку песков и на потери концентрата в целике.
На рис. 7.16 приведены зависимости затрат на добычу и обогащение, вторичную переработку песка и на потери концентрата в целике в зависимости от расстояния между заходками. Из графика следует, что с увеличением расстояния между заходками растут расходы на первичную обработку песков и потери концентрата в целике, а убытки за счет вторичной переработки песков уменьшаются. Прибыль за реализованную продукцию растет с увеличением расстояния между заходками, достигая максимума при 2 м, а затем начинает падать; при этом расходы на переработку песков растут с увеличением расстояния между за-
ХоДкамй и достигают максимума при 3,5 м. Оптимальная область лежит в пределах от 1 до 1,5 м, в этой области достигается максимальная прибыль при минимальных потерях концентрата в целике. При принятых выше значениях параметров минимальные расходы приходятся на расстояние между заходками 1,3 м, поэтому принимаем это значение.
Эффективность любого обогатительного процесса зависит от соответствия технологических параметров схемы обогащения, конструктивных параметров обогатительного аппарата и физикомеханических характеристик обогащаемого материала.
Основными взаимозависящими конструктивными параметрами каждой ячейки (расположенные рядом магнитные диски с рабочим зазором между ними) магнитной решетки, определяющими максимально возможную производительность аппаратов, чистоту концентрата и максимальное извлечение полезного компонента являются:
изменение напряженности магнитного поля в междисковом пространстве；
полезно используемая площадь рабочей зоны, определяемая диаметром магнитной части диска и крайними точками исходных песков；
расстояние между дисками;
скорость вращения дисков.
Как известно магнитные и немагнитные частицы перерабатываемого материала под влиянием действующих на них магнитных и механических сил двигаются по разным траекториям; причем траектория немагнитных частиц определяется только действием механических сил, а траектория магнитных частиц зависит от соотношения независимо действующих магнитных и немагнитных сил.
Величина действующей на частицу магнитной силы (Гмагн) при заданной скорости потока в значительной степени определяет габариты дисков и полноту извлечения магнитной фракции.
Значение магнитной силы определяется выражением:
^магн^ Wg^d Я, (7.76) где Хо ——удельная магнитная восприимчивость частицы; Q —— объем магнитной частицы; Н —— напряженность магнитного поля в точке х, Э; grad Н — градиент напряженности, характеризующий неоднородность магнитного поля или, что то же самое скорость изменения напряженности Н в рассматриваемом направлении х, откуда
Как известно изменения напряженности экспоненциального магнитного поля определяются уравнением:
H“ = HL，(7.77)
где Нх — напряженность на расстоянии % от поверхности магнитных полюсов, Э; HQ ——напряженность на уровне поверхности полюсов, Э; е — основание натуральных логарифмов; с — коэффициент, характеризующий неоднократность поля и зависящий от шага полюсов и их размера; % —— расстояние от полюса до рассматриваемой точки, см.
Откуда следует, что при Хо и 0 = const любое увеличение магнитной силы достигается увеличением напряженности магнитного поля на поверхности дисков и коэффициента неоднородности магнитного поля.
Величина HQ для постоянных магнитов практически лимитирована. Увеличение коэффициента неоднородности магнитного поля, связанного с шагом полюсов в магнитных системах серийных барабанных сеператоров, не возможно из-за быстрого падения напряженности поля с удалением от поверхности полюсов.
Характеристика же изменения напряженности в междисковом пространстве позволяет уменьшить шаг полюсов и их размеры для увеличения коэффициента неоднородности магнитного поля и, следовательно, удельной магнитной силы. Вероятность постоянного движения магнитных частиц в зоне пониженной магнитной силы, прилегающей к плоскости симметрии дисковой ячейки, ничтожна и легко устраняется либо некоторым смещением относительно друг друга осей магнитных полюсов каждого диска, либо установкой чередующихся полюсов разной напряженности
Время, необходимое для извлечения магнитной частицы, зависит от удаления частицы от магнитного диска, скорости ее движения к магнитным полюсам и безусловно должно быть меньшим, чем длительность пребывания частицы в рабочей зоне.
Длительность нахождения магнитных частиц в рабочем пространстве в значительной степени определяется траекторией их движения под действием механических сил, длина которой является длиной рабочей зоны (ZaKT).
Длина рабочей зоны, скорость движения частицы в междисковом пространстве и, следовательно, время нахождения частиц в междисковом пространстве зависит от гранулометрического (крупность) и вещественного (плотность) состава песков, диаметра и скорости вращения дисков, а также зависит от места и скорости подачи пульпы в междисковое пространство. Варьируя перечисленные величины, можно достигнуть необходимого значения ZaKT при максимальном использовании площади магнитных дисков.
На основании вышеизложенных предпосылок была изготовлена и испытана на стенде секция описанного обогатительного аппарата, выполненная из двух стальных дисков диаметром 600 мм каждый, на которых были укреплены в шахматном порядке плоские магнитные полюса чередующейся полярностиЛ Магнитная система была залита акрилатной смолой. Толщина слоя смолы над поверхностью полюсов составила 4 мм. Напряженность магнит-
Рнс. 7.17. Схема стенда для испытания магнитного сепаратора
ного поля на поверхности полюсов колебалась в пределах 1400— 2800 Гс. Расстояние между дисками ——60 мм, что соответствовало удвоенному рабочему зазору сепаратора 167А —СЭ. Съем магнитного материала осуществлялся индукционными съемниками, изготовленными из стали Ст.О.
Испытания проводились на стенде, изображенном на рис. 7.17. Стенд представляет собой две емкости Z и 2 объемом соответственно 4 м3 и 2 м3, соединенные между собой открытым проточным каналом 3. В емкости 2 установлена секция обогатительного аппарата, состоящая из двух магнитных дисков 6 и индукционных съемников 7, укрепленных на параллельно расположенных валах с независимыми приводами 12 и 13. Поток жидкости осуществляется системой насосов 10 и II, установленных в меньшей емкости 2 и демпферной емкости 4.
Подача песков осуществлялась ленточным питателем 8, установленным над проточным каналом. В месте загрузки твердого была смонтирована ручная мешалка 9. Производительность питателя регулировалась при помощи шибера путем изменения высоты, что в сочетании с изменением производительности насосной системы позволило регулировать плотность пульпы в необходимых пределах.
Подаваемая на обогащение пульпа направлялась в междисковое пространство, прилипшие к дискам магнитные частицы индукционными съемниками при помощи отбойной плиты 15 сбрасывались в приемную емкость 14. Хвосты обогащения скапливались в емкости 2. Шандорные стенки 5, установленные в нижних частях емкостей 7 и 2，препятствуют вторичному вовлечению хвостов обогащения в обогатительный процесс.
Обогащению подвергались пески Черноморского и Ручарского подводных месторождений. Технологическая проба песков, предназначенная для исследований, была представлена крупностью 0,5 мм. Основная масса магнитной фракции сосредоточена^ в классе — 0,16 мм.
Таблица 7.1
Результаты стендовых испытаний секции сепаратора с использованием принципа магнитной решетки
Массовое содержание твердого в пульпе, %
Среднее содержание магнитной фракции, %
в исходных песках
в концентрате на дисках
в концентрате, снятом с дисков
в хвостах
10
5
81,45
79,10
10
10
81,46
79,55
10
15
81,97
79,81
10
20
82,39
79,81
25
5
79,87
77,90
25
10
79,82
78,08
25
15
82,13
78,33
25
20
81,3
79,55
Для исследования влияния изменения вещественного состава исходных песков на процесс обогащения на обогатительный аппарат подавались пески с заранее созданным содержанием магнитной фракции: 5, 10, 15 и 20%, соответствующих колебаниям содержаний при проведении исследований в морских условиях и при содержании твердого в пульпе 10 и 25%. Плотность пульпы была выбрана в соответствии с требуемым содержанием твердого в пульпе (25% min) для оптимальной работы барабанных сепараторов и возможном содержании твердого в пульпе при работе обогатительного блока в установке придонного обогащения.
При скорости потока пульпы 1,5 м/с (критическая скорость движения пульпы в проточном канале) и 70 %-ном использовании площади дисков, производительность по исходному питанию колебалась в пределах 80——90м3/ч.
Контроль за процессом обогащения осуществлялся систематическим отбором проб и определением содержания магнитной фракции в исходном материале, концентрате и хвостах, причем содержание магнитной фракции в концентрате определялось для материала, приставшего к магнитным дискам и для снятого с магнитных дисков. Так как содержание магнитной фракции в исходном питании было заведомо известно, то контролировалось только содержание магнитной фракции в хвостах и концентрате.
Количество магнитной фракции (табл. 7.1) в исследуемых продуктах определялось при помощи магнита Сочнева.
Анализируя приведенные в табл. 7.1 результаты наблюдений, можно сделать следующие выводы:
содержание магнитной фракции в исходном питании, также как и плотность пульпы не влияют на извлечение магнитной фракции;
плотность пульпы влияет на чистоту концентрата — с увеличением плотности пульпы наблюдается некоторое ухудшение качества концентрата;
ухудшение качества концентрата, снятого с дисков индукционными съемниками, по сравнению с концентратом непосредственно на магнитных дисках указывает на недоработку конструкции съема концентрата;
изменение вещественного состава исходных песков не влияет на извлечение полезного компонента и тем самым исключает потери в хвостах.
В лаборатории подводной добычи полезных ископаемых Московского горного института продолжается поиск средств придонного обогащения, создание которых позволит приблизиться к тому положению, которое было высказано для титановых россыпей Австралии: экономически выгоднее работать на очень низких содержаниях, чем выделять среди них ореалы с повышенными характеристиками.
ТЕХНОЛОГИЯ ОТКРЫТОЙ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ГОРНОЙ МАССЫ ЗА ПРЕДЕЛЫ КОНТУРА ПОДВОДНОГО ВЫЕМОЧНОГО ПОЛЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С БЕРЕГОВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Системы подводной разработки для конкретных морских месторождений тесно увязаны с принятой структурой комплексной механизации, с горно-геологическими параметрами подводных месторождений и гидрометеорологическим режимом в районе разработки.
При размещении обогатительного комплекса на берегу, вблизи района подводной разработки, в качестве добычных агрегатов возможно применение почти всех технических средств. Однако при незначительных расстояниях от подводного месторождения до берега наиболее целесообразным является, применение рефулерных или самоотвозных земснарядов и скреперных установок.
При применении рефулерных земснарядов с гибкой подвеской рабочего органа добычная машина и транспортные коммуникации находятся на поверхности моря в плавучем состоянии. Такие схемы целесообразно применять на участках моря со сравнительно спокойным волновым режимом (подводные россыпи бухт, гаваней; участки, защищенные от воздействия волн островами и т. п.). На других участках применение рефулирования по плавучему трубопроводу будет затруднено и может стать практически не эффективным из-за низкого использования рабочего времени. Для разработки подводных россыпей на таких участках должны использоваться плавучие, затопляемые трубопроводы, которые в период волнений погружаются под воду и находятся там в положении нейтральной плавучести или ложатся на дно моря. Подобные решения широко известны в практике дноуглубительных работ на Каспийском море и применимы для условий других морей.
Затраты на добычу и получение концентратов при береговом положении обогатительного комплекса в основном определяются расходами по транспортированию добытой горной массы по плавучему трубопроводу (рис. 8.1).
Наибольший интерес представляет предельный контур разработки подводной россыпи, которому соответствует максимальная рентабельность и прибыль. Рост прибыли происходит за счет изменения расходов на транспортирование 1 м3 горной массы и удельной стоимости основных фондов при увеличении размеров контура отработки подводной россыпи.
Рис. 8.1. Зависимость составляющей Стр затрат на транспорт от производительности агрегата
Рис. 8.2. Схема для определения границ предельного контура разработки месторождения рефулерным земснарядом при радиальном перемещении фронта работ:
/ — береговая линия; 2 — береговая обогатительная фабрика; 3 — граница предельного контура разработки
Затраты на добычу и транспортирование горной массы в пределах контура подводной россыпи, примыкающей к береговой линии, можно представить в следующем виде (рис. 8.2):
2 m/ + %)询
С = J + —丽——'(8」)
где Сдоб — затраты на выемку 1 м3 горной массы, руб/м3; Стр = = Gp + GpZ — затраты на транспортирование 1 м3 горной массы; С；р —— составляющая транспортных расходов, не зависящая от расстояния транспортирования (зарплата рабочих и др.), руб/м3; С^ ——составляющая транспортных расходов, зависящая от дальности транспортирования (электроэнергия, расход дизельного топлива, амортизация труб и др.), руб/м3; I — расстояние от конечной точки трубопровода (причальной бочки) до точки выемки, м; L — расстояние от конечной точки трубопровода до границ контура выемки, м; Я — мощность подводной россыпи, м; К — капитальные затраты, руб.
Интегрируя второй член выражения (8.1), получим:
2 )%(% + %，)市山
~ SL^= Стр + стр — •(8.2)
Тогда:
С = Сдоб+Стр+4' % + 卷^(8・3)
При этом затраты на выемку и транспортирование горной массы не должны превышать величины, при которой возможно получение прибыли для предприятия:
Сдоб + стр + 4" C^PL + ~Sh<S~(^+C°^ '(&4)
где S — отпускная цена концентратов, извлекаемых из 1 м3 горной массы, руб; Соб — затраты на обогащение 1 м3 горной массы, руб/м3; @ ——производительность предприятия; Р ——коэффициент рентабельности.
Для определения оптимального радиуса контура разработки подводной россыпи, примыкающей к береговой линии, необходимо принять, что выражение (8.3) стремится к минимальному значению, т. е.
Сдоб + Стр Н—д' CtpL +Сдоб + Стр Н—д' CtpL +2K2KnZ?九nZ?九min.min.(8.5)(8.5)
Сдоб + Стр Н—д' CtpL +
Сдоб + Стр Н—д' CtpL +
2K
2K
nZ?九
nZ?九
min.
min.
(8.5)
(8.5)
Так как в данном выражении (8.5) СтР и СДОб постоянны и не зависят от длины транспортирования добытой горной массы, то в этом случае имеем:
e=等區l+ 譌Г-min,
что соответствует:
(8.6)(8.6)警=等/-2為Г = 2(g鳥一票^)=0.
(8.6)
(8.6)
Из выражения (8.6) мы можем определить предельную величину радиуса контура отработки:
L — 1 /~—, м.(8.7)
. Из формулы (8.4) следует, что мощность подводной россыпи в предельном контуре отработки должна соответствовать следующему условию:
(8.8)(8.8)
(8.8)
(8.8)
В практике во многих случаях зоны подводного склона, примыкающие к береговой линии, являются безрудными. Также имеются безрудные зоны и в пределах границ подводных россыпей. В этих случаях затраты на добычу и транспортирование горной
341
Рис. 8.3. Границы предельного контура разработки при наличии без- рудиых зон по площади подводного месторождения:
/ — береговая линия; 2 — береговая обогатительная фабрика; 3 — береговая граница подводной россыпи; 4 — изобата предельной осадки земснаряда; 5 ——безрудные зоны в пределах контура разработки; 6 — граница предельного контура разработки
С = Сдоб +С = Сдоб +где х --где х --лах контура Учитываялах контура УчитываяL2，(Jp + dp') О —尤)几/ 由就2力(1 一 /L2，(Jp + dp') О —尤)几/ 由就2力(1 一 /2K*£2用(I — %)，м.2K*£2用(I — %)，м.соотношение объемов рудных и безрудных е…отработки.соотношение объемов рудных и безрудных е…отработки.висимость от следующее:висимость от следующее:(8.9)(8.9)зон в преде-зон в преде-постоянство Сдоб и Стр и их относительную неза- длины транспортирования горной массы, мы имеемпостоянство Сдоб и Стр и их относительную неза- длины транспортирования горной массы, мы имееммассы в пределах экономически целесообразного контура отра ботки можно представить в следующем виде (рис. 8.3):
С = Сдоб +
С = Сдоб +
где х --
где х --
лах контура Учитывая
лах контура Учитывая
L
2，(Jp + dp') О —尤)几/ 由就2力(1 一 /
L
2，(Jp + dp') О —尤)几/ 由就2力(1 一 /
2K
*£2用(I — %)，м.
2K
*£2用(I — %)，м.
соотношение объемов рудных и безрудных е…отработки.
соотношение объемов рудных и безрудных е…отработки.
висимость от следующее:
висимость от следующее:
(8.9)
(8.9)
зон в преде-
зон в преде-
постоянство Сдоб и Стр и их относительную неза- длины транспортирования горной массы, мы имеем
постоянство Сдоб и Стр и их относительную неза- длины транспортирования горной массы, мы имеем
(8.Ю)(8.Ю)I 2K ^CtpL+^吻(]_#)-min.
(8.Ю)
(8.Ю)
После преобразований получим, что предельная величина контура отработки подводных россыпей, имеющих безрудные зоны, будет:
з
(8.И)(8.И)V м・
(8.И)
(8.И)
При этом мощность подводной россыпи в пределах этого контура должна быть
比 > 匸±,м. (8.12)
Для экономически эффективной отработки подводных россыпей на стационарные обогатительные фабрики, расположенные На берегу в районах добычи, необходимо соблюдение условий (8・7), (8.8), (8.11), (8.12).
Исходя из условий (8.7), (8.11), на рис. 8.4 представлены зависимости изменения радиуса предельного контура отработки 342
Рис. 8.4. Изменение радиуса предельного контура L разработки в зависимости от мощности (Л) россыпи, производительности предприятия (Q) и от капитальных вложений К:
；_ QroA = 35 млн. М” Qqac = 125 mS» 6 ~ Q^ = 2 ^打 м\ Л яС = 500 М; е - ^год = 5 МЛН. м8, Qqac = 1250 м", / — “ = 0,5 млн. руб.; 2 _ К = 1 млн. руб.; 3 —К= =2 мли. руб.; 4 — К = 3 млн. руб. -
подводной россыпи и ее мощности при различной производительности добычных агрегатов и различных капитальных вложениях.
Для разработки подводных месторождений полезных ископаемых на открытых участках моря, подверженных сильному волнению, предложена технологическая схема с использованием самоотвозного земснаряда и плавучего, затопляемого трубопровода, По этой схеме земснаряд, ведущий разработку подводной россыпи в прибрежной зоне, после заполнения своего трюма горной массой подходит к затопленному трубопроводу, лежащему на дне моря, и швартуется к причальной бочке, внутри которой находится конец гибкого трубопровода, соединенного с концевым понтоном затопленного пульпопровода. После подсоединения рефулерного патрубка замснаряда к гибкому трубопроводу производится намыв песка на береговой участок. Далее песок подается на береговую обогатительную фабрику, где получают концентраты.
При данной технологической схеме целесообразно применение веерного перемещения фронта работ с траншейным способом выемки горной массы (рис. 8.5).
При этом границы оптимальных контуров подводных россыпей, разрабатываемых самоотвозными земснарядами, должны соответствовать половине пути грунтозабора, во время ко-
Рис. 8.5. Схема разработки подводного месторождения самоотвозным земснарядом при веерном перемещении фронта работ:
/ ——береговая линия; 2 — затопляемый пульпопровод； 3 — береговая обогатительная фабрика; 4 — изобата предельной осадки самоотвозного земснаряда; 5 一 направление рабочих перемещений земснаряда; 6 — направление перемещения фронта работ; 7 — граница оптимального контура разработки
'гр %р^х / Yrp—Yn'гр %р^х / Yrp—Yn,м,,м,(8.13)(8.13)торого происходит полное заполнение трюма горной массой, т. е.
'гр %р^х / Yrp—Yn
'гр %р^х / Yrp—Yn
,м,
,м,
(8.13)
(8.13)
где Lr ——оптимальный радиус контура отработки подводной россыпи на береговую обогатительную фабрику, м; /гр 一 путь грунтозабора самоотвозного земснаряда, м; Утр — объем трюма земснаряда, м3; vx — скорость хода земснаряда во время грунтозабора, м/ч; Q — производительность земснаряда по пульпе, м^/q： %р, Ym Yen — соответственно плотность разрабатываемого грунта, пульпы, слива, т/м3.
Недостатком техно л о г ическо й схемы с применением самоотвозного земснаряда и затопленного пульпопровода является необходимость швартовки земснаряда к причальной бочке на открытых участках моря в условиях волнений, что снижает производительность предприятия по добыче горной массы. Имеющиеся в мировой практике примеры швартовки в открытом море
Рис. 8.6. Схема для определения оптимального шага переноса береговой обогатительной фабрики:Рис. 8.6. Схема для определения оптимального шага переноса береговой обогатительной фабрики:/ — береговая линия; 2 — береговая граница подводной россыпи; 3'— пульпопровод;4 — передвижная обогатительная фабрика; 5 — мористая граница подводной россыпи/ — береговая линия; 2 — береговая граница подводной россыпи; 3'— пульпопровод;4 — передвижная обогатительная фабрика; 5 — мористая граница подводной россыпи
Рис. 8.6. Схема для определения оптимального шага переноса береговой обогатительной фабрики:
Рис. 8.6. Схема для определения оптимального шага переноса береговой обогатительной фабрики:
/ — береговая линия; 2 — береговая граница подводной россыпи; 3'— пульпопровод;
4 — передвижная обогатительная фабрика; 5 — мористая граница подводной россыпи
/ — береговая линия; 2 — береговая граница подводной россыпи; 3'— пульпопровод;
4 — передвижная обогатительная фабрика; 5 — мористая граница подводной россыпи
Рис. 8.7. Зависимость изменения расстояния L переноса береговой обогатительной фабрики от мощности h подводной россыпи при производительности предприятия 500 м3/ч:
Kt = 0,5 млн. руб.； к2 = 1 млн. руб.； Кз = 2 млн. руб.; К《=3 млн. руб.
танкеров к причальным устройствам не могут быть механически перенесены для случаев с гидравлическим транспортом твердых полезных ископаемых по трубопроводам.
Во многих случаях рационально применение передвижной береговой обогатительной фабрики, которая демонтируется после отработки какого-либо блока россыпи и переносится на новое место. Перенос обогатительной фабрики является целесообразным в том случае, когда затраты на перенос будут ниже разницы в затратах на добычу и транспортирование к старому положению фабрики и к ее новому положению.
Затраты на разработку и транспортирование 1 м3 горной массы при переносе обогатительной фабрики можно представить в следующем виде (рис. (8.6):
6в
J Т h (&р + С；Р У * 十(L + /2)2 db 〃)
(8.14)(8.14)С 二 Сдоб 4Bh (L —厶)
(8.14)
(8.14)
+ 歹十 Bh(L — LD ' РУб/м '
где V — объем запасов отрабатываемой россыпи, м3; /—стоимость переноса обогатительной фабрики, руб.; G — расстояние от берега береговой границы россыпи, м; L—расстояние от берега мористой границы подводной россыпи, м; b, Z ——расстояние от места выемки до точки присоединения трубопровода; В —шаг переноса обогатительной фабрики, м.
Однако для условий подводных россыпей, вытянутых вдоль берега и имеющих незначительную ширину (В > Л — LJ, зна-
345
чеиие шага переноса обогатительной фабрики можно определить из следующего выражения:
lh^ + C"^（L-Qdb
с = Сдоб НBh （L -厶）V + Bh （L -厶）=
=С"°6 + &Р + 令 + } С；рВ + 瓦-（『_ 厶）•（8」5）
После преобразования выражения （8.15） получим, что шаг переноса береговой обогатительной фабрики будет:
8 = 2]/—一 , м.（8.16）
И—5）
На рис. 8. 7 представлена зависимость изменения расстояния переноса обогатительной фабрики при различных мощностях подводных россыпей, вытянутых вдоль берега, а также при различной производительности добычных агрегатов. Из рисунка видно, что для маломощных подводных россыпей нецелесообразно применение передвижной обогатительной фабрики, и только при мощности россыпи 12—15 м можно рассматривать целесообразность работы по данной технологической схеме.
82 ТЕХНОЛОГИЯ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ОБОГАТИТЕЛЬНЫМИ ФАБРИКАМИ НА ПЛАТФОРМАХ
Эффективность разработки подводных месторождений может быть повышена путем расположения обогатительной фабрики на специальных судах или платформе, установленных в районе добычи. На рис. 8.8 представлен вариант технологии с применением для подводной добычи самоотвозного земснаряда при размещении обогатительной фабрики на плавучей платформе, вынесенной из воды на сваях.
Технология работ по данной схеме следующая. Обогатительная фабрика монтируется на плавучей выносной из воды платформе. Для повышения мобильности обогатительная фабрика, энергетический блок может размещаться на нескольких платформах. Плавучая обогатительная фабрика, вынесенная из воды на сваях, устанавливается на минимальных глубинах, доступных для подхода земснаряда. Фабрика ведет обогащение непрерывно, за исключением остановок, связанных с профилактическим ремонтом.
Для предотвращения разубоживания россыпей в районе залегания полезных ископаемых от сброса обогатительной фабрикой хвостов обогащения в море она располагается на границе этого района, на участке выхода из него результирующего придонного течения. С этой же целью сброс хвостов в море от обогатительной фабрики может осуществляться по подводному пульпопроводу за пределы разрабатываемой россыпи.
размещении обогатительной фабрики на плавучей платформе:
/ — береговая лииня; 2 ——обогатительная фабрика на платформе; 3 ——самоотвозный снаряд; 4 — выпуск хвостов обогащения; 5 ——береговая граница подводной россыпи; 6 — мористая граница подводной россыпн; 7 — шаланда для концентрата
Земснаряд осуществляет грунтозабор в районе добычи таким образом, чтобы после полного заполнения трюма исходными песками подойти к обогатительной фабрике. Затем напорный трубопровод землесоса соединяется с трубопроводом питания фабрики через гибкий шланг, аналогично заправке топливом и пресной водой судов в море, и рефулирует пески в аккумулирующий отсек непрерывно работающей обогатительной фабрики. Затем земснаряд вновь уходит на участок выемки, а фабрика продолжает обогащение полезного ископаемого, поступающего из аккумулирующего отсека.
Полученный на обогатительной фабрике концентрат складируется в ее отсеке для концентрата, а затем перегружается на шаланды путем перекачки.
Обогатительная фабрика может обслуживаться несколькими земснарядами. Соединенные пульпопровода платформы с земснарядом, без швартовки последнего к платформе, может осуществляться через причальную бочку.
Одним из важнейших параметров данной технологической схемы является рациональная величина шага переноса платформы. На рис. 8.8 видно, что для отработки одного участка россыпи, длина которого равна половине пути грунтозабора, необходимо переместить объем горной массы, заключенной в границах блока, на среднее расстояние, равное 等.Время, необходимое для отработки данного блока, будет:
Тц= Тгр + Тпер，％ (8」7) где Тц ——время цикла, ч; Тгр ——время разработки данного участка, ч; 丁晔一время передвижки платформы на новое место, ч.
При этом время разработки участка будет:
BhL L 1В 吟
гр 一 VTp * Т ' W 一 2%р?х，
где В ——ширина россыпи, м; L — длина участка, м; Л — мощность подводной россыпи, м; Р\р ——объем трюма земснаряда, м3; Ох 一 скорость хода земснаряда во время грунтозабора, м/ч.
Время, необходимое на разработку и транспортирование 1 м3 горной массы, будет:
/L 'nep
u = fnep + frp =两詼今 min.(8.19)
где 片——время на разработку и транспортирование 1 м3 горной массы с учетом передвижки платформы, ч; /гр ——время на грунтозабор и транспортирование 1 м3 горной массы, ч; /пер ——время на передвижку платформы, отнесенное к 1 м3 горной массы, ч.
Решая это уравнение, находим рациональное значение шага переноса платформы с обогатительной фабрикой:
L=J 2Тпе爲％р_,м.(8.20)
8.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗРАБОТКИ
ПОДВОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ РАЗМЕЩЕНИИ ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК В ПОРТАХ
Структура комплексной механизации при расположении установок передела вне добычного судна позволяет достигать определенные экономические и технические преимущества по сравнению с разработкой при проведении процессов обогащения на борту судна.
К ним относятся, в первую очередь, факторы, обеспечивающие снижение стоимости передела за счет усреднения, повышение эффективности обогащения при расположении установок на берегу. Но вынос установок на берег приводит при различных системах разработки к различной степени удорожания за счет транспортирования горной массы.
Всесторонний учет этих факторов, а также учет затрат на поддержание жизнедеятельности фауны и флоры позволит выбрать наиболее рациональную :систему разработки и структуру комплексной механизации, “
При разделении процессов добычи и обогащения и размещении обогатительных установок на берегу потребное число судов, обеспечивающих заданную производительность добычного агрегата, определится из выражения:
g毕К的(*+脩+*)+m，(8.21)
где f —— коэффициент, учитывающий простои судов по организационно-техническим причинам; а — выход концентрата (хвостов), %； Киев — коэффициент, учитывающий использование рабочего времени добычного агрегата； V — грузоподъемность
судна, т; Q — производительность добычного агрегата, т/ч; L — расстояние от подводной россыпи до порта или до отвала, км; 4P н %ор — скорость движения судна с грузом и без груза, км/ч; /п — время, затрачиваемое на пребывание судна в порту или на отвале, ч; m — число единиц флота, находящихся одновременно под погрузкой.
Определяемое по этой формуле число единиц флота является рациональным при известных соотношениях Q и У, но значение V при этом считается заданным.
При создании мощных предприятий подводной добычи полезных ископаемых возникает вопрос о придании судну транспортных функций. Решение этого вопроса должно осуществляться только совместным анализом всего комплекса природных и технических факторов, имеющих место при разработке россыпи. В первую очередь должна быть установлена целесообразность разделения транспортных функций.
Как известно, перегрузка грузов в море с одного судна на другое может осуществляться при наличии несамоходных судов при ветре 3—4 балла и волнении 2—3 балла и при самоходных судах при ветре 4——5 баллов и волнении 3——4 балла. По данным П. Б. Шаповалова, величина простоев соответственно достигала 20—30% и 15——25% навигационного времени. В то же время само- отвозные земснаряды прекращают работу при волнении, достигающем 4—5 баллов и ветре в 5—6 баллов,при этом простои сокращаются вдвое (до 8—15% навигационного периода). Но выигрывая около 10—20% навигационного времени за счет увеличения общего срока эксплуатации при совмещении на одном судне транспортных и добычных процессов, мы проигрываем за счет перерывов в эксплуатации россыпи при выполнении транспортных операций.
Необходимо также учитывать, что при совмещении транспортных и выемочных операций должны не только снизиться расходы по эксплуатации единицы флота (два судна дороже судна с водоизмещением им равным), но и повысить остойчивость судна; а следовательно, и возможности эксплуатации в более жестких условиях.
Формируя разрабатываемую методику, рассмотрим ее использование для установления параметров горно-транспортных судов. Пусть расстояние от забоя до места складирования £, а годовая производительность по горной массе Q, тогда число судов для перевозок породы можно определить по формуле (8.21), а затраты на их эксплуатацию за единицу времени по следующему выражению:
С = (CiV + С2) Г 喻^ Кнсп (-—-—|- —h ^ + 1 ] ‘(8.22)
L PI 1\vnop /」
где &丿 + C2 — затраты на содержание грузового судна, состоящие из С\ расходов, зависящих от водоизмещения и С2 — не
349
зависящих от водоизмещения; 7\ —— годовой баланс времени, в течение которого возможна перегрузка.
В этом случае затраты на транспортирование 1 т горной массы можно представить в следующем виде:
Ct=(C”+G)|■占 Кнсп•(8.23)
Второе технологическое решение представляется, как совмещение выемочного и транспортного агрегата при структуре S1 и выемочного, транспортного и перерабатывающего агрегата при структуре S2.
Судно первого типа представляет из себя самоотвозной земснаряд. При самоотвозном исполнении производительность каждого земснаряда может быть определена по выражению:
(824)(824)Q& з = QTb,
(824)
(824)
где Q ——производительность выемочного агрегата, м3/ч; Тв —— время выемки, ч/год.
Время задалживания земснаряда на выемке определяется как
Ус
К%，К%，(8.25)(8.25)Т = 7Q
К%，
К%，
(8.25)
(8.25)
Г飞*L丄L丄,，
% Vу
грvnop
где Vc — объем трюма самоотвозного земснаряда; и；р и и；ор — соответственно скорость движения судна на отвал и обратно; Т2 ——годовой баланс времени, в течение которого возможна выемка пород.
Подставляя (8.25) в (8.24), получим
Q = т “с・ 32 Г VcQ = т “с・ 32 Г VcУсУс%р%рупорупор/ луисп* п/ луисп* п(8.26)(8.26)Для обеспечения требуемой производительности следующее число судов:Для обеспечения требуемой производительности следующее число судов:необходимонеобходимоQroa /%Qroa /%ТМХсп QТМХсп Q(8.27)(8.27)
Q = т “с・ 32 Г Vc
Q = т “с・ 32 Г Vc
Ус
Ус
%р
%р
упор
упор
/ луисп* п
/ луисп* п
(8.26)
(8.26)
Для обеспечения требуемой производительности следующее число судов:
Для обеспечения требуемой производительности следующее число судов:
необходимо
необходимо
Qroa /%
Qroa /%
ТМХсп Q
ТМХсп Q
(8.27)
(8.27)
(8.28)(8.28)Расходы по содержанию земснарядов будут:
(8.28)
(8.28)
или в расчете на 1 т горной массы
%з = (С#с+%)%з = (С#с+%)1 /九，L1 /九，Lа几кQ %а几кQ %L%орL%ор
%з = (С#с+%)
%з = (С#с+%)
1 /九，L
1 /九，L
а几кQ %
а几кQ %
L%ор
L%ор
для земснаряда.для земснаряда.где С3 и С4 — то же, что С、и С2, но только 350
для земснаряда.
для земснаряда.
Применение самоотвозных земснарядов целесообразно тогда, когда С&з《°т + Сд, где Сд — расходы по выемке земснарядом 1 м3 (т) породы, т. е. принимая, что
%Р = %ор = и；°р =。н % = /； н кнсп = <сп.
Тогда
тиекнеи I-кнеП ++ ед.
(8.30)
Преобразуя данную формулу (8.30), получим:
(Сз% +с&) Vc(C3Vc + C4) / 2L \
…ТгУгКнсП Q 十 ТгУсКнсп十 п)尸
W «и 望％ 借心)+ с“.(8.3!)
Первый член левой стороны неравенства представляет собой затраты на выемку породы самоотвозным земснарядом и с достаточной степенью точности можно принять их равными Сд. В этом случае:
С3Ус + С4 CjV + С2 *2 f.опх
…力抵 W 仍人 “нс"'(8.32)
C3Vc+ C4 У ^г/^ИСП,ft on.
石口2名定一”•(8.33)
Наибольший интереспредставляет анализ полученных нера
венств в двух случаях, когда V^VC и Ус и У имеют оптимальные значения.
При У =匕 получим:
。3丿 + & V Т"Кнсл倒
С^ + сЛ Тг •(8.34)
Выше отмечалось что Т2 ^ 0,9Т и Тг ^ 0,8Т, где Т — навигационный период, a f = 1,25 н /Сисп — 0,9. Следовательно, самоотвозный снаряд целесообразен, если затраты на его содержание не более чем 1,25 раза превышают стоимость транспортного судна с той же емкостью трюма. Если принять, что содержание при близких значениях водоизмещений пропорционально ему, то самоотвозной снаряд может иметь полную грузоподъемность на 25% выше, чем требуемое транспортное судно. Следует также отметить, что для выполнения вскрышных работ целесообразно применение самоотвозных снарядов.
Более сложным является вопрос о применении транспорта судами при ведении добычных работ. В данном случае возможные структурные формирования могут определить потребность в транспортировании исходной горной массы при структурах типа S^ транспортировании концентратов и хвостов вместе или только 351
концентратов на судне типа ПлавГОК или ПОФ, транспортировании хвостов при структурах типа 52.
Как отмечалось выше, экономические преимущества добычи с размещением установок передела на борту добычного агрегата^ связано со снижением извлечения из-за морских волнений и, что особенно важно, из-за невозможности обеспечения стабильного питания обогатительных агрегатов. Колебание исходного питания создает также необходимость иметь резервы пропускной способности машин и линий. Составление аналитических критериев в явной форме представляет трудность, особенно в условиях шельфа северных и дальневосточных морей из-за возможности строительства ПлавГОКа в условиях судостроительных заводов и даже в обжитых районах Европейской части СССР. Поэтому рассмотрим решение этой задачи первоначально из условия, что строительство судна и возможной береговой фабрики будет осуществляться в одном экономическом районе. Такие условия реальны для месторождений Балтийского, Черного, Каспийского и частично Японского морей. В этом случае можно принять, что разница в стоимости готовой продукции определяется, как
АС = Ц (RcpYcpTQ ~ ТiQPcpTi) Лисп»(8.35)
где Т — время работы фабрики на берегу; 7\ — время эксплуатации плавГОКа по гидрометеоусловиям; рср — среднее содержание полезной компоненты; ^р — извлечение в береговых условиях; 丫1 — извлечение в условиях эксплуатации судна за время 7\ = =£3； ^исп — коэффициент простоев по организационным причинам, который может быть принят равным как для судовых, так и береговых условий.
Если принять, ито стоимость и затраты на переработку по береговой фабрике и плавучему варианту близки, то разница в стоимости получаемых концентратов должна в первом приближении компенсировать затраты по перевозке горной массы к фабрике.
Для транспортных судов себестоимость перевозки и выемки 1 м3 горной массы можно представить в следующем виде:
dp = у (為 + ~+ /р),(8.36)
где С —— содержание судна в единицу времени; V —— грузоподъемность судна； L ——дальность перевозок; и — скорость судна; /р —время разгрузки, которое, как показали наблюдения, скла- дывается из 页-н времени вспомогательных операции 厶(при
чаливание и т. п.); Q3 — производительность земснаряда.
С достаточной степенью точности можно считать, что -у'"^" есть затраты по выемке, которые можно принять равными затра-
там по выемке на ПлавГОКе. В этом случае затраты на перевозки будут:
Спер年(告+±+，B)QT.(8.37)
Приравнивая выражение (8.35) выражению (8.37), решим его относительно дальности перевозки L:
厶=-^г Uu (бербер — BcpYi*^)—°网(~^ + %)・(8.38)
Для современных земснарядов V = Q3r а /й как показали экспериментальные исследования 1966 г. достигали 1 ч при скорости около 20 км/ч, тогда второй член управления равен 20 км. Для условий Балтийского моря можно принять 不—0,6, Ц = =50 руб/т, % = 320 кг условного ильменита, извлечение % = —0,5, Yep 0,4 тогда получим
XL = -ЦД V —20.(8.39)
Анализ этого выражения показывает, что при этих условиях подача горной массы в порт целесообразна самоотвозным земснарядом с себестоимостью перевозки 1 т на расстояние около 20 км порядка 10 коп. Такое судно вероятно будет иметь емкость трюма порядка 4—7 тыс. м3 (рис. 8.9), Но судно с такой грузоподъемностью будет иметь осадку более 10 м, т. е. практически будет не приспособленным для отработки большей части титано- циркониевых россыпей Восточной Балтики. В целом, сопоставление структуры S] со структурой 52 целесообразно только тогдаг когда месторождение расположено либо в обжитом районе (Балтийское, Черное, Каспийское или частично Японское море), либо С,ру в районе действующей фабрики 力°° (например россыпи Чаунской Губы), либо при высоком со дер- жании в горной массе полезного компонента (строительные материалы).С仞
Методика расчета должна в пер- ' вую очередь определять необходимые параметры самоотвозного〃允
земснаряда для структуры S^'
Для этого устанавливается по формуле (8.35) величина прироста“勿
Рис. 8.9. Зависимость себестоимости С добычи и транспорта 1 т песков от вида зем- снаряда и дальности транспортирования L
12 Под ред. В. В. Ржевского и Г. А. Нурока
стоимости готовой продукции на 1 т перерабатываемой горной массы. Затем определяется разница по капиталовложениям на строительство фабрики в береговом и плавучем варианте (если имеются основания для таких расчетов), по этим данным рассчитывается необходимая себестоимость при работе самоотвозного земснаряда. Исходя из полученной себестоимости, определяются характеристики самоотвозного земснаряда, что позволяет судить о реальности его использования для морского месторождения по горнотехническим условиям таким как соответствие осадки судна и глубин месторождения, слою (уступу) отработки и длине фронта работ.
При послойной выемке возникает вопрос об использовании судов для вскрышных работ и для удаления хвостов и концентрата. В соответствии с методологией, разработанной для решения этого вопроса, рассмотрим выбор параметров судов для транспортирования вскрышных пород. Конечной целью решения этой задачи является определение необходимого числа судов оптимального водоизмещения для организации грузопотока вскрышных пород. Если производительность выемочного средства Q, а грузоподъемность судна У, то число судов определится по “рмуле (8,21).
Расходы по содержанию транспортного судна с трюмом емкостью £ можно представить в виде:
Zj_ — Ссод ЕКпр,(8.40)
где Ссод — эксплуатационные расходы по содержанию судна； Кпр — капиталовложения на создание судна.
При этом расходы по содержанию судна можно представить как функцию грузоподъемности (емкости трюма) судна как
Z = &У + % + (с7y +，8)，(8.41)
где с5, Сб, с? н С8 — расходы, аналогичные Сг, С3, С3, С4 в формулах (8.32) и (8.33), но только для грузотранспортных шаланд.
В этом случае затраты по перевозке вскрышных пород таким судном можно представить как
z = & + E&) У + (% + CgE). Q °rp т Unop 17 ,(8 42〉
где Tv — время эксплуатации в году, зависящее от водоизмещения судна и определяемое по величине предельного крена.
С другой стороны:
V =+(8.43)
л — m \ vpp Unop /
t„ ^ 0, tn = 1,t„ ^ 0, tn = 1,Подставляя (8.43) в (8.42) и принимая игр = ипор
t„ ^ 0, tn = 1,
t„ ^ 0, tn = 1,
получим:получим:(Q +eg)(Q +eg)2LV2LV书+书+
получим:
получим:
(Q +eg)
(Q +eg)
2L
V
2L
V
书+
书+
,& + %e) / 1 . 2L (a一1)。\ 十"TV~[Q 十。faQKHcn?厶丿
="W g + S) ~- (^绊")+ ® + %E) % (1 + 甯^ =
=丁丄n(% + Ecj 券 /аКнсп 三у* + 捻-(% + %E) X
* ^^(" Г * ~^Г [& + E'" ~+^ + 砧)靑]• (8.44)
Полученная функция имеет вид:
(8.45)(8.45)丿^ +外-1)+成
(8.45)
(8.45)
где п —— 1 ——целочисленная величина.
В состав выражения (8.44) входит величина mVi являющаяся скрытой функцией от числа п. Для установления характера ее изменения для условий Японского моря были выполнены расчеты по ее определению в пределах водоизмещений 1000—2500 т. Коэффициент рабочего времени соответствовал волне до 2,8—3,0 м и 21 рабочему дню в месяц. При такой высоте волны вызывает сомнение возможность проведения выемочных работ. Поэтому Tv принято независимым от числа судов в исследуемой области. При нахождении отклонений более 15——20% для решения этой задачи необходимо применить метод иттерацйи.
Используя метод акад. Л. Д. Шевякова, получим:
» к 「％+七©7 2LQ 〕11 / 1 I
+ 2/аКнс J 患主墨 竿 + 1 ]，(8.46)
L % 十 c8c Р J
или
-1,5<п< 2/аКнсп I 叮器В.乌 + 1 ] _ 0,5.(8.47)
Определяя по формулам (8.46) и (8.47) число судов, находим их водоизмещение по формуле (8.21). Если водоизмещение грузоподъемной шаланды изменяется резко при колебании числа судов- в пределах ближайших значений п, то необходимо проверить изменение коэффициента использования судна. Выполненные расчеты показали, что при дальности отвозки до 3 км число судов должно составлять 3—4.
ю* 355
В целом ряде случаев возникает вопрос об использовании одного и того же судна для перевозок концентрата и хвостов. Эта задача, в частности, актуальна при размещении первичного обогащения на борту судна. Рациональным является соотношение между емкостью трюмов под хвосты и под концентрат, соответствующее минимальной трудоемкости выемочных и транспортных операций.
Для исследования по установлению такого соотношения, представим время полного цикла заполнению трюма, отведенного под концентрат, и доставку концентрата в порт в следующем виде:
Т =鵠i (拶 +字 + 灰)+ ("^ + Q Ч,(&48)
где Т — время полного цикла самоотвозного земснаряда по7концентрату^; 匕一объем трюма под концентратам3;廿含一объем трюма под хвосты, м3; Q — часовая производительность карьера по исходному полезному ископаемому, м3/ч; р — выход концентрата при добыче; L — расстояние от карьера до отвала, км; J — расстояние от карьера до порта, км; 厶—время разгрузки хвостов на отвал, ч; /р2 — время разгрузки концентрата в порту, ч.
При разгрузке хвостов на ходу, время разгрузки войдет во время хода туда и обратно. Выразив время разгрузки в порту через норму времени на 1 м3 концентрата, имеем:
/； = /1%,ч.(8.49)
Емкость трюма под хвосты и трюма под концентрат можно выразить как:
Vz=Vat м3;(8.50)
匕=(1—а)匕 м3,(8.51)
где V — общий объем трюма земснаряда, м3; а — коэффициент, показывающий соотношение между общим объемом трюма и трюмом под хвосты.
Подставив в формулу (8.48) выражения (8.49), (8.50) и (8.51), получим:
7 =中(争+ ^)+好(8.52)
Действительная часовая производительность карьера по концентрату составит:
0匕一
(1-a) V3/
г(1 — a)(卩呻
ap 〈 Q
+号)+券+(—)%'”"’ (8.53)
а трудоемкость:
Vap 2L 2L
Yap 十(1 — a) У 十1 pQ 十 Уари 十(1 — a) Vv
Оптимальное значение соотношения между Un% будет иметь dN _ с место при min функции, т. е. 而=и
3N 2Lj2£_(8.55)
市и(一@)唁一苏可
口рн _—L = 0 имеем
2厶 2L(8・56)
(1 — a)2 Vv — a2Vpv *
ИЛИ
Gp — (1 — а)2(8.57)
Обозначив выражение -^~ = К'，получим.
、(1一矶2 n.(8.58)
Раскрыв скобки формулы (8.58), имеем:
К%2= 1 -2a +а2, или
(1—К')週一2а + 1 = 0’. —с
Заменив выражение (1 — К') — К, получим Ка — Q +・
Откуда
1+ /Г+К(8.59)
Произведя замену переменных, получим:
Так какТак как［土 М学(8.60：
Так как
Так как
(8.61)
есть величина положительная, решение имеет
только первый корень. Второй корень не 乂。樓：靄 потому что коэффициент а не может быть больше единиц, а также ^^идан^мчислом, в случае когда подкоренное выражение
U里＞L
aaРис. 8.10. Зависимости отношений объемов трюмов под породу и концентрат:
a
a
L — расстояние между подводным карьером и отвалом; J —дальность транспортирования концентрата; о — выход черно- вого концентрата; a = — отношение объема породного отсека трюма к обпдему объему трюма
На рис. 8.10 представлены зависимости отношений a = -—- от дальности перевозки концентрата, выхода полезного ископаемого и расстояния до отвала.
Анализ показывает, что:
при добыче таких полезных ископаемых как олово, золото рационально иметь трюм, оборудованный специальными переборками, перекрываемыми по мере накопления концентрата;
для условий разработки ильменито-рутило-цирконовых россыпей Балтийского моря при выходе тяжелой фракции (концентрата) порядка 10% и транспортировки его в ближайший порт, рационально половину объема трюма добычного судна использовать под концентрат,
при добыче полезных ископаемых, характеризующихся высоким выходом концентрата, в отдельных случаях можно использовать под транспортирование хвостов обогащения меньше половины объема трюма；
как видно из зависимости (см. рис. 8.10) для транспортирования хвостов на значительные расстояния (более 5 км), при выходе концентрата свыше 5—8% рационально иметь специальные суда.
Проведенное исследование позволило установить основные закономерности формирования структур типа S工，но они подтвердили необходимость определения в натурных условиях ряда расчетных величин, что и было выполнено в процессе опытноразведочных работ на Балтийском и других морях.
ВЫБОР МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
ПОДВОДНЫХ ОТВАЛОВ
Существенное влияние на эффективность технологии подводной добычи полезных ископаемых оказывает выбор способа отвалообразования вскрышных пород и укладки хвостов обога-
щения. В процессе добычи и обогащения морских россыпей большую часть перерабатываемой горной массы необходимо сбросить обратно в море, в отвалы, которые будут находиться под воздействием динамических процессов, характерных для морских условий. В связи с этим выбору местоположения подводного отвала при ведении горных работ в море необходимо уделить особое внимание.
В мировой практике в настоящее время имеются отдельные примеры технологии отвалообразования при подводной добыче полезных ископаемых. По положению места сброса хвостов и районов их применения можно выделить следующие технологические решения:
схема со сбросом хвостов за борт судна непосредственно на участке работ. (Применяется при добыче касситерита в Яванском море и алмазов——в Юго-Западной Африке);
схема с транспортированием хвостов за пределы выемки и сбросом в море. (Применяется при добыче железной руды в района мыса Кью-Ши);
схема с транспортированием хвостов в определенные места моря или подачей на берег. (Применяется при добыче алмазов в Юго-Западной Африке, железной руды в бухте Ариаке, платины в заливе Гудньюс).
Анализ опыта добычи минерального сырья со дна морей и возможных направлений решения этой проблемы позволяет систематизировать технологические схемы подводного отвалообразования вскрышных пород и хвостов обогащения следующим образом (рис. 8.11). При разделении морских отвалов на группы следует учитывать взаимосвязь определенного комплекса работ по транспортированию, укладке пород и защиты отвалов, с добычными работами и мерами по охране окружающей среды. Способ транспортирования вскрышных пород и хвостов обогащения от карьера до отвала определяет основные элементы технологической схемы отвалообразования, а именно, производительность транспортных средств, метод загрузки пород в гидротранспортные средства и способ сброса их в отвалы.
Рассматривая условия разработки морских россыпей можно выделить ряд технологических решений укладки отвальных пород в выработанное пространство (см. рис. 8.11). Наличие постоянного течения в районе месторождения позволяет при его разработке укладывать вскрышные породы и хвосты обогащения во внутренние отвалы. Эта схема экономически выгодна, особенно при расположении обогатительного оборудования на добычном судне. В этом случае породы сбрасываются в море и под действием течения, переносятся на некоторое расстояние прежде чем попасть в отвал. Разубоживания полезного ископаемого при этом не происходит. Затраты на транспортирование отвальных пород сводятся к минимуму или отсутствуют совсем. Определяющим фактором при выборе технологической схемы разработки является
3n=3hd=goQO
Гриппа отба- лоб
Место укладки хОостод
Способ транспорти- рибаниз порода
Область применения на、 месторождениях
Технологическая схема
Л
HnHahwe-G АеАНААездн 9°E3°9X n podou xzHm 石 dd£slfagEo
(0gE9HadE00du 20HHaE09ad_qg g Qodouа-аим) ~q q9 E о adH HsdEAHg
Транспортирование Шельфо- по подвеснымбые 〃
пульпо&одамглубоко-
бодные
Транспортиробание “о плавучему и затопленному пульповоду
Транспортирование по воздуху
Транспортирование за счет пуска 6 морское течение
Сброс《叩о0 с применением с〃е- циалъных средств защиты
Шельфа- вые и глубоководные
Шельфо- 历/8 " глубоко- Зоаные
Шель(ро- бые и глубоководные
Пляжевые и шельфовые
ДЛЛ ^Xl'l'l' 1'
‘.l’lInxjE：.к：：：：：?：.:;，
n°工 quauJnEDZ-o nog^MQWHamndu gogx_quDgEO
8
(Hlfou 020 Hd8qdaNmwlf--ua"Qodoua-alf-》£ Lf9 E о зпн m a н g
Огпбозка самоходными шаландами “ самоотдозными земснарядами
Комёинированный транспорт
Укладка парод применением м- щитных молов “ дам5
УклаОра Напорный само- ророо меж- течный гидро- оу оюнами транспорт
Укладка пород на пляж
C匆0Спород в море
С"а “ и
Шель(ро- бые “ глубоководные
Пляжеёые 〃 шепь- фобые
Пляжевые
Иляжебые и шель - 0M/е
ПляжеЗые 〃 шельфовые
Пляжевые и шельфовые
Рнс. 8-31. Классифинация технологических схем подводного отвалообразования
наличие течения. При отсутствии течений для выбора технологической схемы необходимо рассматривать совокупность ряда параметров, характеризующих россыпь и район моря.
При разработке пляжных месторождений полезных ископаемых укладка пород осуществляется чаще всего в выработанное пространство с применением плавучих и подвесных пульпопроводов и пульпометов. Из-за незначительных размеров выработок, защищенных полосой пляжа, волновые процессы моря не оказывают воздействия на отвалы, на их разнос.
Размещение пород во внутренние отвалы возможно также при разработке морских россыпей, когда ветровые течения не проникают на всю глубину моря, или проникая, настолько малы, что не способны переносить породы отвалов, размещенных в вы- работанном пространстве. Фронт добычных и отвальных работ при этом должен располагаться с учетом господствующего направления ветра. Укладка пород в выработанное пространство может осуществляться с применением специальных защитных устройств. Для защиты карьера от заносимости породами отвалов могут быть применены: пневмо- и гидрозащита; выработки, пройденные между карьером и отвалом; подводная дамба, отсыпанная не на всю глубину воды. Применение специальных защит не исключает частичного попадания отвальных пород в забой, однако при комбинировании с другими технологическими схемами, их применение может быть достаточно эффективным.
Частичное разубоживание полезного ископаемого сбрасываемыми в отвал породами может быть допущено при условии, что дополнительные затраты на разработку и обогащение, за счет снижения содержания полезных компонентов, не будут превышать затрат на транспортирование хвостов на внешние отвалы. Общие затраты на добычу единицы объема чернового концентрата при внутрикарьерном отвале на должны превышать общих затрат при транспортировании хвостов и вскрышных пород на внешние отвалы.
Sk《Sb, (8.62)
где SK ——затраты на добычу, обогащение и отвалообразование при внутреннем отвале; SB — затраты на добычу, обогащение и отвалообразование при внешнем отвале.
Допустимый коэффициент разубоживания можно определить по формуле:
哼0一吃二%), (8.63) q 十 g + %
где о】一затраты на разработку 1 м3 исходного полезного ископаемого; 。2 ——затраты на обогащение 1 м3 исходной горной массы; с? 一 затраты на укладку 1 м3 хвостов во внутренний отвал; с《 ——затраты на укладку 1 м3 хвостов во внешний отвал; р ——выход
361
чернового концентрата при неразубоженном полезном ископаемом.
В случае, когда выход чернового концентрата р незначителен (при разработке россыпей олова и редких металлов), а обогатительное оборудование размещено на судне, коэффициент разубоживания будет:
. (8.64) q十з十,
При С3, близком к нулю (сброс хвостов обогащения производится за борт), он определится по формуле
f+ ：：+&• (8.65)
Размещение отвалов за пределами карьерного поля производится в тех случаях, когда не представляется возможным уложить отвальные породы в выработанное пространство. Необходимость внешних отвалов может быть продиктована как горногеологической характеристикой месторождения, так и динамикой моря района горных работ. Во внешние отвалы породы также укладываются в начальный период ведения горных работ, пока не создан объем выработанного пространства для размещения отвальных пород.
Внешние отвалы могут быть расположены на бортах подводного карьера за пределами карьерного поля, в определенных местах моря и на берегу. Располагать отвалы на бортах карьера можно при тех же условиях, что и при укладке пород в выработанное пространство. Существенное отличие будет иметь размещение отвалов по бортам карьера при разработке россыпей, вытянутых вдоль береговой линии на большие расстояния и малой их мощности и ширине. Отработка каждого участка такого месторождения производится в короткие сроки, и разубоживание полезного ископаемого за счет отвальных пород не произойдет или будет незначительным.
Подводная добыча полезных ископаемых на малых глубинах, где течение и волновые процессы охватывают всю толщу воды, имеет свои специфические особенности. В этой зоне отвалы подвержены интенсивному разносу, а карьеры — заносимости. Отвалы при этом неустойчивы, иногда срок их существования небольшой и зависит от динамики моря в районе горных работ, поэтому при проектировании работ по отвалообразованию необходимо учитывать факторы разноса отвалов и заносимости карьеров. За счет заносимости увеличивается объем вскрышных и отвальных работ.
Для прогнозирования явления заносимости можно воспользоваться расчетными зависимостями, предложенными П. Б. Шаповаловым
6 = (1 —舟 , (8.66)
где 6 — годовая толщина слоя насосов, м; Н — глубина на выемке, м; / — естественная глубина моря, м; k — поправочный коэффициент, изменяющийся от 0 до единицы в зависимости от
отношения .
В процессе разработки месторождений полезных ископаемых, при наличии наносонесущего потока, необходимо учитывать объем наносов, поступающих как во вскрышной, так и в добычной забой.
При вскрытии площадь полезного ископаемого будет:
S = _)доб立,м2,(8.67)
где 7ДОП — объем вскрытого полезного ископаемого, м3; 廉一 коэффициент вскрыши, м3/м3.
Дополнительный объем за счет наносов составит:
AVbck =1, м3,(8.68)
где t — время отработки вскрытой площади полезного ископаемого, Т — время ведения горных работ в году.
Тогда общий объем вскрыши за время t составит:
Увск ― Удоб^в 1 十Увск ― Удоб^в 1 十(1+用备tН-Но 'Л(1+用备tН-Но 'Л(8.69)(8.69)
Увск ― Удоб^в 1 十
Увск ― Удоб^в 1 十
(1+用备t
Н-Но 'Л
(1+用备t
Н-Но 'Л
(8.69)
(8.69)
При разработке вдольбереговых титано-цирконовых россыпей Восточной Балтики и титаномагнетитовых россыпей Охотского и Черного морей во время волнений (свыше 5——7 баллов), дополнительный объем наносов, поступающих в выработку, был значительным, а в отдельных случаях выработки были полностью занесены.
К расчету объемов разносимых пород отвалов необходимо в каждом конкретном случае подходить индивидуально. Намытый в течение девяти дней отвал при разработке титано-циркониевой россыпи Балтийского моря объемом 40 тыс. м3 был полностью разнесен за 45 дней. Весь объем песков отвала поступил в наносо- несущий вдоль береговой поток. Пути переноса песков отвала и их объемы были определены с помощью меченых песков, уложенных в тело отвала. Практикой дноуглубительных работ установлено, что в открытом море вынутую породу во избежание попадания ее в выработки, целесообразно располагать не ближе 1,5—2 км от выработок, по направлению господствующих движений водных масс (с подветренной стороны). В закрытых бухтах, лагунах с малой глубиной эти расстояния могут быть сокращены вдвое и составят 0,5—0,8 км. -
Технологические схемы с расположением отвалов на берегу при плавучем добычном и обогатительном комплексе наиболее трудоемки и могут быть применены из-за отсутствия необходимых
363
площадей под отвалы в море, а также из-за сложной динамики моря в районе горных работ. Укладка хвостов обогащения при береговой обогатительной фабрике в гидроотвалы не отличается от технологии отвалообразования при ведении горных работ на суше.-
При решении технологической схемы по выбору местоположения отвала и способа укладки пород в отвал при ведении горных работ в море необходимо учитывать затраты по возмещению ущерба, нанесенного биологическим ресурсам в прилегающих к карьеру районах моря.
РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ
ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
Выбор технологии укладки пород в подводные отвалы определяется размерами месторождения в плане и его мощностью, физикомеханическими свойствами песков и торфов россыпи во взаимосвязи с морскими условиями в районе ведения горных работ. Эффективность подводной укладки пород определяется морскими течениями особенно в условиях прибрежной части подводного склона моря. При этом по механизму взвешивания, перемещения и осаждения частиц на подводном профиле различают следующие зоны:
глубоководную, где // > —• (дно практически не влияет на форму и размеры волн), где Н ——глубина моря, L—длина волны;
мелководную 寺 > Н〉//кр, где //кр — критическая глубина, на которой начинается разрушение волны;
зону прибойной волны, где Н < Н^
приурезовую зону окончательного разрушения волны.
При Н > L условия ведения горных работ отличаются тем, что ветровые (дрейфовые) течения не доходят до дна.
Сброс породы в подводные отвалы может осуществляться: с грунтовых судов и самоотвозных землесосных снарядов (применяется при Н >4")；
с помощью гидротранспорта (может быть применен во всех зонах);
ниже зеркала воды или укладка непосредственно на дно (при Н > %).
Для решения технологических задач по размещению подводных отвалов на морском дне, а также установления значений параметров отвалов и их расположения по отношению к карьеру необходимо определение кинематики движения частиц, сбрасываемых в отвалы. При наличии достаточной информации о ветро-
Рис. 8.12. Схема к расчету траектории движения частицы
(При Н = U и = VB, о cos Р； V = =VB10sin ^приН= HQu = v^O)
вых и постоянных течениях в районе добычных работ имеется возможность своевре- менногр изменения технологического процесса.
При наличии ветрового течения частица будет подхвачена им и перенесена на определенное расстояние от места выпуска в зависимости от силы, направления и глубины проникновения течения, а также физико-механических свойств породной частицы. С глубиной
8.12).8.12).скорости ветрового течения уменьшаются (затухают), и на глубине Hq их составляющие вдоль осей координат % и у будут равны 0, т. е. 〃=и = 6 (рис.
8.12).
8.12).
В зависимости от глубины проникновения ветрового течения можно выделить три зоны:
Но < Н, когда течение проникает не на всю глубину моря над отвалом;
"о — "; когда ветровое течение захватывает всю толщу воды, имея нулевое значение у поверхности отвала;
HQ > "и т. е. при данной силе ветра течение способно проникнуть на большую глубину, чем глубина моря над отвалом, и в придонном слое будет течение определенной скорости.
Составляющие скорости движения породных потоков, осаждающихся в отвал, были установлены с учетом исследований Сева стоп о л ьско го морского гидрофизического института.
и = —^=г Г abk(4 cos 其 + В sin
|_)+“2cos^],|_)+“2cos^],(8.70)(8.70)1口 = —rWZ1口 = —rWZabk(4 sin -|b cos -y-^ 十 c产 sinabk(4 sin -|b cos -y-^ 十 c产 sin(8.71)(8.71)UN L \2
|_)+“2cos^],
|_)+“2cos^],
(8.70)
(8.70)
1
口 = —r
WZ
1
口 = —r
WZ
abk(4 sin -|b cos -y-^ 十 c产 sin
abk(4 sin -|b cos -y-^ 十 c产 sin
(8.71)
(8.71)
(8.72)
365
где ", и, z ——составляющие скорости течения вдоль декартовых координат %, у и z；
左—。，37； г = "р^~Т^ + Т j; 0 — arctg -у—；
Q=+； g = 981 см/с" 6 =权(с — 1) +(2 + 坛)；
4 = 7装十厶强；
где 自一динамическое понижение поверхности моря; 7\, Ту — тангенциальное напряжение ветра по осям % и у на поверхности моря z =自；/ц ——шероховатость дна; / ——время падения частицы до глубины N； 5 — гидравлическая крупность частиц.
После расчета скоростей течений по формулам (8,70) и (8.71) определяем расстояние, на которое будут перенесены отвальные породы по осям % и у. В случае сброса пульпы на поверхность моря эти величины составят
/*= J 况(2)出； 0
z
仿=J。(г) dt.(8.73)
о
При выпуске пульпы в виде затопленной струи ниже уровня моря необходимо в расчете учесть скорости течения УБ#0 и потока пульпы у поверхности моря (吟.。).
При совпадении направления выпуска пульпы и ветрового течения движение частицы будет происходить в одной плоскости. Расстояние, которое пройдет частица с момента выпуска прежде чем лечь в отвал, можно определить по формуле:
L = ^~Z0 + -^-(H-Z0),(8.74)
где 厶 ——путь осаждения частицы; W ——гидравлическая крупность пород;丿1 ——результирующая средних скоростей пульпового потока и ветрового течения до глубины Zo, м/с;(『^ = = 几р.п + %.в)； К — значение средней скорости ветрового течения на глубине от Zo до Н, м/с; Н ——глубина моря над отвалом, м; /0 — максимальная глубина проникновения пульпового потока.
Подставляя в уравнение (8.41) min и max значение гидравлической крупности разрабатываемых пород, можно получить min и max дальности разЕоса пород.
Когда направление выпуска пульпы не совпадает с направлением течения, в этом случае движение частицы следует рассматривать как сложное движение, определяемое скоростью затопленного потока пульпы и силами гравитационного поля, с одной стороны,《течением, с другой стороны. При этих условиях координаты частицы, попавшей на поверхность отвала, определяются:
x =T~^"2也 В；
广^簡Z什告發/cosp；
z =兄， (8.75)
где Но ——глубина проникновения дрейфового течения, скорость которого определяется из уравнений (8.37) и (8.38) или замерами; Z3 —— глубина растекания свободной затопленной струи потока пульпы; р —— угол между направлением выпуска пульпы и направлением течения.
Проведенные замеры и расчеты величин скоростей дрейфового течения в морском заливе позволяют сделать расчет дальности переноса отвальных пород при разработке рудосодержащей россыпи. Расчет необходимо производить для различной силы ветра и значений углов р. Выпуск хвостов обогащения производился ниже зеркала воды из трубы диаметром 400 мм с проникновением пульпового потока до 0,8—1 м по глубине. Дальше пульповый поток практически не влияет на перенос частиц породы. Значение углов 0 необходимо взять через интервал в 15——30°, а значение силы ветра от 5 до 12 м/с с интервалом в 1 м/с.
Скорость транспортирования пород Чокурдахской россыпи для трубопровода диаметром 400 мм составляет ориентировочно 2,4 м/с. Средняя крупность пород россыпи составляет 0,1 мм, для которой гидравлическая крупность при средней температуре воды 5° С равна W = 0,441 см/с.
При выходе из трубы пульповый поток, увлекая какую-то часть окружающей среды, расширяется и при достижении определенных параметров (5—6 диаметров струи) затухает. В одну сторону от оси расстояние, на которое расширится поток, составит 之口 = =2,5 d0, в нашем случае z0 = 2,5-0,4 = 1 м. Дальнейший расчет производится по формулам (8.75). Для расчета начальную скорость пульпового потока в воде необходимо принять с интервалом в 0,1 м/с (от 0 до 0,5 м/с).
На рис. 8.13 показаны границы дальности разноса песков при сбросе их с обогатительного комплекса в подводный отвал для различной силы ветра и скорости выпуска пульпы.
пород,:будетпород,:будет"=)$"。Т 諭 Р 餌'в.。—"〃)，"=)$"。Т 諭 Р 餌'в.。—"〃)，(8.77)(8.77)
пород,:будет
пород,:будет
"=)$"。Т 諭 Р 餌'в.。—"〃)，
"=)$"。Т 諭 Р 餌'в.。—"〃)，
(8.77)
(8.77)
Рис. 8.13. Номограмма дальности переноса частиц породы в зависимости от направления выпуска гидросмеси и дрейфового течения (штриховая линия 少口.0=0,5 м/с; сплошная линия Vn.o = 0,1 м/с)
Дальность переносавыброшенных в море,
зависеть при значительных глубинах (// >等)в основном
от скорости течения, а значит от силы ветра и в меньшей степени
от скорости пульпового потока.
При глубинах <4 взия-
ние скорости пульпового потока на дальность переноса породы будет значительным.
В условиях, когда дрейфовое течение способно проникать на большую глубину, чем глубина моря над отвалом,
для определения координат точки падения частицы на отвал необходимо пользоваться формулами (8.75) с учетом скорости течения у поверхности отвала:
2
(8.76)(8.76)" =侖 si" B("%•0 一 无力);
(8.76)
(8.76)
где Уд ——скорость ветрового течения у поверхности отвала; "о ——глубина, на которую способно проникать течение при данной силе ветра; h =亂一Н.
По таблицам, графикам или номограммам дальности переноса породных частиц, рассчитанным для морской россыпи, в процессе ведения горных работ определяют дальность разноса отвальных пород и своевременно реагируют на изменение гидродинамических условий в районе морского карьера, изменяя расстояние и направление сброса пород.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ВЕДЕНИИ МОРСКИХ ГОРНЫХ РАБОТ
Под охраной окружающей среды понимается комплекс научных, технике-производственных, экономических и администра* тивно-правовых мероприятий, направленных на сохранение и 368
контроль изменений природы в интересах развивающегося человечества, на обеспечение рационального использования природных ресурсов и окружающей среды.
При морских разработках необходимо руководствоваться всеми законодательными мероприятиями, связанными не только с обеспечением рационального использования и охраны водных ресурсов, но и охраны атмосферного воздуха и других компонентов природного комплекса. С 1974 г. планирование мероприятий по охране природы является составной частью государственных планов развития народного хозяйства СССР. Существующее законодательство предусматривает комплексный подход к проблеме окружающей среды, оно устанавливает меры сохранения природных объектов, определяются условия их использования, а также профилактические мероприятия по охране природы.
При осуществлении подводной добычи полезных ископаемых со дня морей и океанов разрабатываются меры обеспечения жизнедеятельности морской фауны и флоры, предотвращения разрушения морских пляжей и сооружений, и аварийных ситуаций.
Для практического решения вопросов охраны окружающей среды необходимо изучение степени устойчивости природных ландшафтов при воздействии горных работ на происходящие ее изменения, способность среды к саморегулированию и регенерации, разработка методов прогнозирования поведения окружающей среды после проведения горных работ, так как горные работы связаны с перемещением огромных объемов пород земной коры.
Морское горное дело в вопросах охраны окружающей среды примыкает к экологическим аспектам горного дела, а также экологическим аспектам проблем взаимодействия «человек—— море》.
Морское горное дело должно поэтому предусматривать разработку технико-производственцых мероприятий, обеспечивающих рациональное извлечение природных ресурсов при поддержании гидросферы и воздуха атмосферы в заданном состоянии, обеспечивающем жизнедеятельность человека, морской фауны и флоры, сохранности и контролируемого изменения морских культурных и природных ландшафтов. -
Разработка таких мероприятий особенно важна, так как морские горные предприятия будут осуществлять свою деятельность не только в пределах вод национальной юрисдикции, но и в Мировом океане, т. е. в зоне нейтральных вод. В этих зонах необходимо будет руководствоваться, в первую очередь, резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН от 15 декабря 1972 г. и конференции ООН по окружающей среде от июня 1972 г., наметивших основные принципы международного права по экологическим аспектам (раздел «Защита Мирового океана»).
При разработке технико-производственных мероприятий необходимо учитывать гидрогеологические и горно-технические особенности морских месторождений. Эти особенности при подводной добыче полезных ископаемых создают необходимость применения так называемых безотходных или замкнутых технологических потоков. Для горного производства при безотходной технологии вся извлекаемая из недр горная масса перерабатывается в полезные компоненты.
Комплекс технико-производственных мероприятий в зависимости от компонента природы, на охрану которого они направлены, при подводной добыче можно разделить на:
мероприятия по обеспечению жизнедеятельности человека, включающие борьбу с загрязнением атмосферы, загрязнением вод, берегов и дна в районе оздоровительных и спортивных комплексов и мест отдыха;
мероприятия по обеспечению жизнедеятельности морской фауны и флоры, включающие устойчивость и саморегулирование кислородного обмена в морской воде, по стабилизации мутности в допустимых пределах, по борьбе с загрязнением вод Мирового океана химическими вредными соединениями;
- вопросы обеспечения устойчивости приморских и морских ландшафтов.
При работе плавучих горно-обогатительных комплексов и Других горнодобывающих судов имеет место ряд вредных воздействий на окружающую среду, которые характерны для всех морских судов. При этом необходимо решение вопросов: удаления подсланцевых вод, фекалия и мусора, борьба со сбросом нефтепродуктов, выброс в атмосферу неочищенных аэрозолей и газов от работающих энергетических установок и другие. Техникопроизводственные мероприятия по борьбе с этими явлениями решаются в специальных разделах судостроения, водоснабжения и других разделах техники и могут быть использованы при создании горнодобывающего флота.
Но такие факторы, как повышение мутности и изменение кислородного баланса морских вод при выемке пород и сбросе хвостов обогащения и вскрышных пород, возможности сброса химических реагентов, разрушение береговых линий за счет неправильного ведения горных работ решаются при проектировании подводной добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей за счет создания специальных технических средств выемки, транспорта, обогащения и отвалообразования.
В зарубежной практике намечается уход морской фауны и флоры с мест, где в результате деятельности человека повышается мутность. Актуальность борьбы с этим явлением становится особо важным вопросом, если учесть, что 90% рыбных стад сосредоточены на мелководном шельфе. В настоящее врямя нет обоснованных нормативов до допустимой величине повышения мутности. Существующее положение о допустимости повышения
содержания взвешенных веществ в воде на 25% против ранее существующей является неконкретным, так как мутность зави- сит от состояния моря и не связана с естественными показателями, экологической валентностью различных стад рыб.
По данным наблюдений, на Балтике мутность при штормовой обстановке возрастает с 0,1 до 2,8 г/л. Эти показатели неблагоприятны при низких температурах и подо льдом. Известно, что при температуре 2° С растворимость кислорода резко снижа-; ется и при неблагоприятных показателях для теплого времени осенью и зимой можно наблюдать заморы рыб.
Для разработки технических решений представляют интерес наблюдения Эриксона Джонса (Англия), который считает, что при мутности менее 25 мг/л не наблюдается влияния взвешенных веществ на морскую фауну, при 25——30 мг/л влияние не существенно. При более высоких содержаниях у рыб увеличиваются жабры и снижается активный обмен, ухудшается адаптационная способность. Американские специалисты считают, что такой порог мутности соответствует 70 мг/л. Это связано с тем, что растворимость кислорода снизилась на 25—32% против нормального.
Даже форма отвала оказывает влияние на морскую фауну, так как изменение гидрологической характеристики участка ухудшает миграцию рыб и нарушает природные структуры.
Подводная добыча полезных ископаемых может оказать и положительное влияние на окружающую среду за счет очистки грунтов дна от вредных примесей, создания на месте отвалов пастбищ, укрепления берегов. Но полного исключения вредного воздействия морских горных работ можно достигнуть только при проведении специальных мероприятий по всему технологическому потоку.
Такие мероприятия могут быть намечены в следующих направлениях:
при выемке пород — создание и использование средств отделения пород от забоя и транспорта, не создающих шлейф мутности или повышающих мутность только в ограниченном объеме;
при переработке — создание и использование процессов, не требующих применения химических соединений или же при их использовании, протекающем в замкнутом цикле;
при отвалообразовании — создание и использование специальных методов складирования и мутеподавления при использовании специальных веществ, с концентрированием мути за счет применения специальных устройств. (Применение специальных средств намыва с использованием сепарации грунтов для формирования на месте отвалов пастбищ, с обезвоживанием песков для удаления из потоков частиц, составляющих, в основном, шельф мутности, применение надводных отвалов);
при ведении горных работ — развитие горных работ на такую глубину и в таком направлении, где не происходит разрушения берега, при подаче хвостов обогащения и вскрышных пород в зоны дефицита наносов для повышения устойчивости береговой линии; использование вынутых пород для намыва площадей и т. д.
В настоящее время разрабатываются и частично используются решения по указанным направлениям.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ зарубежной и отечественной практики подводной добычи полезных ископаемых показывает, что минеральные ресурсы континентального шельфа, материкового склона и ложа океана вместе с береговой полосой вдоль морских границ могут являться сырьевой базой новой отрасли горнорудной промышленности и, в частности, по таким металлам и минералам, как алмазы, вольфрам, а также строительный материал. Этот анализ также пока-： зывает, что в настоящее время во многих странах осваивается промышленная технология и специфическое оборудование подводной добычи, действуют промышленные предприятия, занятые добычей полезных ископаемых со дна морей и океанов.
Советская горнодобывающая промышленность имеет на суше сырьевую базу, обеспечивающую ее планомерное развитие на ближайшие десятки лет в соответствии с потребностями народного хозяйства.
Преимущества, которыми обладает подводная добыча полезных ископаемых со дна океанов и морей, создают основания для поиска высокоэффективной технологии новой отрасли горнодо^ бывающей промышленности с учетом ухудшения качества сырья на сухопутных месторождениях.
Перспективы нахождения промышленных подводных месторождений полезных ископаемых в морских бассейнах Советского Союза являются по генетическим признакам и аналогиям вполне положительными.
Работы по проблеме подводной добычи полезных ископаемых продолжаются в следующих основных направлениях:
широкий и планомерный поиск, разведка и оконтуривание морских месторождений на всей площади континентального шельфа СССР, а также на площади внутренних водоемов, включая большие озера и реки;
разработка технологии добычи и обогащения морских ископаемых и создание для подводной добычи оборудования, в том числе современных, хорошо технически оснащенных производительных морских драг, пригодных для работы на глубинах от 40 до 200 м и отдельных драг для работы на глубоководных частях океанов;
организация специализированных предприятий для подводной добычи на выявленных месторождениях;
разработка научных основ разведки и процессов подводной добычи.
При этом необходимо учесть, что для ускорения рэкогнос- цировочных поисковых разведочных работ, помимо уже извест-
ных методов и приемов геологоразведки, следует проводить разведку с помощью судов, оснащенных, кроме обычного разведочного оборудования, также и набором технологического горного и обогатительного оборудования с тем, чтобы дать наиболее достоверную оценку промышленного значения выявленных морских месторождений для каждого выявленного месторождения после его оконтуривания должны быть установлены свои уточненные требования, обеспечивающие рентабельность производства с учетом всех местных условий. В предварительном порядке можно считать, что для промышленной рентабельной эксплуатации приемлемы следующие минимальные содержания в морских россыпях: железо в магнетитовых и титано-магнетитовых россыпях —5%; условный ильменит в ильменито-рути- ло-цирконовых россыпях — 35 кг на 1 м3 песков; олово на шельфе незамерзающих морей — 100 г на 1 м песков; олово в северных районах шельфа ——300 г на 1 т песков [36].
Научные исследования по подводной добыче полезных ископаемых развиваются с целью создания:
научных основ формирования подводных месторождений и методов их прогнозирования;
горной морской инженерной геологии, рассматривающей изменение физико-механических свойств пород и полезных ископаемых при подводной разработке, вопросы устойчивости откосов подводных выемок, устойчивости и формирования подводных отвалов, а также вопросы устойчивости морских берегов во взаимосвязи с горными работами;
научных основ и методов расчета заносимости подводных карьеров;
методов прогнозирования восстанавливаемости морских месторождений полезных ископаемых в процессе эксплуатационных работ;
научных основ разрушения массива пород, располагающегося на дне морей и океанов, при различных физико-механических свойствах пород, условии их залегания, мощности выемки и глубины перекрывающей толщи воды. При этом должны быть исследованы специальные вопросы подводного механического разрушения пород резанием, подводного взрывания, гидравлического разрушения напорными струями, гидравлического разрушения всасыванием. Эти изыскания имеют ряд частных задач, к которым, например, относятся: вопросы формирования напорных струй воды на больших глубинах, теоретические исследования по процессам всасывания пород и полезных ископаемых различных удельных весов и др.;
методов расчета подъема полезных ископаемых с больших глубин и в том числе методов расчета глубокого гидроподъема;
научных основ обогащения полезных ископаемых при их подводной добыче и в том числе в условиях расположения обогатительных установок на борту судна;
научных основ вскрытия и систем открытой подводной разработки месторождений и их параметров, а также научное обоснование способов оконтуривания таких месторождений с учетом горно-технических, экономико-географических и других факторов;
технологии горных работ при эксплуатации месторождений континентального шельфа СССР с учетом морских, геологических, климатических и других факторов;
методов определения научных критериев выбора мощности предприятий подводной добычи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
L Айбулатов Н. А. Исследование вдольберегового перемещения песчаных иа- иосов в море. М., «Наука», 1966.
Аксенов А. А. О рудном процессе в верхней зоне шельфа, М., «Наука», 1972.
Батурин В. П. Палеогеография по терригенным компонентам. М.——Баку, ОНТИ — Аз. ОНТИ, 1937.
Баском В. Волны и пляжи. Л., Гидрометеоиздат, 1966.
Безруков П. Л., Андрющенко П. Ф. Полезные ископаемые Тихого океана. Владивосток, Краевое издательство, 1974.
Белавин Н.府.Экранопланы, Л., «Судостроение», 1968.
Болдырев В. 〃.，Шуйский Ю. Д., Кочетков Б. В. О строении и формировании прибрежных россыпей Восточной Балтики.——«Океанология», 1971, вып. 2, с. 35—40.
Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. М., «Недра», 1967.
Власов Л. К О стоке взвешенных наносов рек Байкала. — В кн.: «Дойные отложения Байкала», М., «Наука», 1970, с. 60—63.
Величко Е. А., Корбут Е. А. Распространение и освоение морских прибрежных россыпей в зарубежных странах. В кн.: «Полезные ископаемые и закономерности их размещения в странах Африки и зарубежной Азии», вып. 21, М., 1970, с. 7—68. (Тр. Нилзарубежгеологии).
И. Величко Е. Л., Корбут Е. А. Геолого-?кономическая оценка прибрежноморских россыпей зарубежных стран. Обзор. Сер. Экономика минерал, сырья и геол.-развед. работ. М., 1966, № 6 (ВИЭМС).
Величко Е. Л., Сокольская Е. M.t Та реева О. К・ Современное состояние освоения прибрежных морских россыпей зарубежных стран. Обзор. Сер. XIII. Морская геол, и геофизика. М., 1974 (ВИЭМС).
Горбанев А. И., Николина В. Я- Сульфат натрия. М., Госхимиздат, 1954.
Гурвиц. С. И., Болотов А. М. Титано-циркониевые россыпи Русской плаг- формы и вопросы поисков. М., «Недра», 1968.
Гурвич С. W., Казаринов Л. Н., Хмара Н. В. Древние~редкометально-титано- вые россыпи, методы их поисков и сщенкн. М., «Недра», 1964.
Давидович А. П., Капустин А. Л., Михайлов В. И. Подводная добыча песка, и гравия за рубежом. Обзор. М., 1975, (ВНИИЭСМ).
Егоров Н. И. Физическая океанография. Л., Гидрометеоиздат, 1974.
Жданов А. М. Определение мощности потока береговых наиосов иепосредст- веииыми наблюдениями, «Изв. АН СССР, Сер. Геофиз.» 1951, № 2, с. 71—78. 19* Жилинский Г. Б. Генетические типы оловоносных россыпей Индонезии, методика их поисков и разведки. В кн.: «Геология россыпей», М.,《Наука», 1965, с. 15—19.
Зенкович В. П. Основы учения о развитии морских берегов. М., АН СССР, 1962.
Истотин С. Ю., Ковалев И. А. Шахты в море. М., «Наука», 1969.
Калинкин Г. Ф., Островский Я- Л. Морское дно: кому оно принадлежит. М., «Международные отношения», 1970.
Кащеев П.力，Кушнарев /7. Я., Хершберг Л. Б. Основные черты геологического строения и изменчивость геологоразведочных параметров прибрежноморской россыпи. «Изв. Вузов. Геология и разведка», 1972, № 1, с. 76—83.
К^плин П. А, Новейшая история побережий Мирового океана. М., 1973 (МГУ).
Краковский И. И. Суда технического флота. Л., «Судостроение», 1968.
Крукюэнк М. Дж. Разработка морских россыпей. — В кн.: «Открытые морские работы». Международный симпозиум. Лондон, ноябрь 1964, М.,《Недра», 1967, с. 35—40.
Лакомб А. Физическая океанография. М., «Мир»,' 1974.
^28. Лезгинцев Г. M.t Иванов А. Е., Истотин С. Ю. и др. К вопросу применения всасывающего оборудования для подводной разработки россыпей тяжелых металлов и минералов. М., Тр. ВНИИПРОЗолото, 1974, вып. 2, с. 3—11.
Леонтьев 5 К. Геоморфология морских берегов и диа. М., 1955 (МГУ).
Лонгинов В. В. Очерки гидродинамики Океана. М., «Наука», 1973.
Мельников И. В. Краткий справочник по открытым горным работам. М., 《Недра», 1974.
V32.府еро Д. Минеральные богатства океана. М., «Прогресс», 1969.
у33. Михайлов С. В. Мировой океан и человечество. М., «Экономика», 1969.
. Невесский Е. Н. Процессы осадкообразования в прибрежной ；зоне моря.
М., «Наука», 1967.•
Опыт механизации подводной добычи титаносодержащих песков (Г. А. Ну- рок, Ю. В. Бруякин, Ю. В. Бубис, Л. Н. Молочников. — «Механизация и авто-t матизация производства», 1968, № 1, с. 12—14.
Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов /Г. А. Нурок, В. Н. Костин, Ю. В. Бруякии, Ю. В. Бубис. М., «Недра», 1970.
Нурок Г. А. Гидромеханизация открытых разработок. М.,《Недра», 1970.
Нурок Г. A.t Бруякин Ю. В-, Бубис Ю. В* Технология подводной добычи титаио-цирконовых песков.—«Цветная металлургия», 1970, № 8, с. 14—18.
Нурок Г. А., Бруякин Ю. В. Вопросы технологии подводной добычи полезных ископаемых. — В кн.: «Будущее открытых горных разработок», М., «Наука», 1972, с. 98—109.
Нурок Г. А., Бубис Ю. В., Бруякин Ю. В. Опытно-промышлеиная добыча магнетитовых песков из морских россыпей. Обзор. Сер. I. Горнорудное производство, М., Черметинформация. 1972, вып. 3.
Нурок Г. А.,Бруякин Ю. В., Королев В. Г. Технология подводной разработки морских россыпных месторождений. М., из-во МГИ, 1974. 用
±42. Нурок Г. А., Бубис Ю. В., Коронгауз М. Л. Обогащение железосодержащих песков морских россыпей. М., Бюллетень Черметинформация, 1974, № 4, с. 28— 30.
Нурок Г. А., Папулов В. W., Иванов Л. С. и др. Комплексное исследование и механизация процессов подводной выемки и гидротранспортироваиия растворимых полускальных полезных ископаемых со дна оз. Кучук. Свердловск, «Изв. Вузов. Горный1 журнал», 1976, № 5, с. 8—13.
Обручев В. А. Рудные месторождения. 4.2. описательн. М.—Л.. 1929.
Озеров И. М. Шлиховая съемка и анализ шлихов. Л., Гостоптехиздат, 1959.
Остроменцкий Н. М. Геолого-экономическая характеристика горио-добываю- щей промышленности Мексики. 1971. Обзор. Сер. экономика минерал, сырья и геол.-развел, работ (ВИЭМС).
Поливина М. Г. Промышленное освоение подвесных месторождений "^твердых полезных ископаемых за рубежом. Обзор. Сер. Экономика минерал, сырья и геол.-развед. работ. М., 1966, № 1 (ВИЭМС).
Писарев В. Д. Освоение минеральных ресурсов Мирового океана. Обзор. Сер. Экономика минерал, сырья и геол.-развед. рабрт. М., 1970, № 6, (ВИЭМС). 49. Ржевский В. В. Процессы открытых горных работ. М., «Недра», 1974.
. Ржевский В. В., Нурок Г. А. Направления создания технологии и научных основ подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. М.,— «Науч. Труды МГИ», 1971.
Руководство по методам исследований и расчетов перемещения иаиосов и динамики берегов при инженерских изысканиях. М.» Гидрометеоиздат. 1975* 52. Смирнов Г. Н. Океанология. М., «Высшая школа», 1974.
Смолдырев А. Е. Трубопроводный транспорт. М., «Недра», 1970.
厂 54. Современное состояние и перспективы развития технических средств для освоения минеральных ресурсов океана. Иностранное судостроение в 1965—1971 гг. Л., «Судостроение», 1972.
Справочник по разработке россыпей. Под. ред. В. П. Березина, В. Г. Лешкова, Л. П. Мацуева, С. В. Потемкина, М., «Недра», 1973.
Страхов Н. М. Основы теории литогенеза. Том 1, М., АН СССР, 1960.
Страхов Н. AL Развитие литогенетических идей в России и СССР. М.,《Наука》， 1971.
Суздальский О. В. Основы классификации морских и береговых россыпей. — В кн.: «Новейшая тектоника и палеогеография Советской Арктики в связи с оценкой минеральных ресурсов». Л., 1972, с. 74—79 (НИИГА).
59. Технические средства для освоения минеральных ресурсов океана. Л., «Судостроение», 1972.
Тихий океан. Под ред. Безрукова. М., «Наука». 1970.
Грофимов В. С. О двух разновидностях морских россыпей полезных ископаемых прибрежно-морского происхождения. «Литология и полез, ископаемые», 1971, № 6. с. 12—18.
Грофимов В, С, Новые данные по экономике и геологии зарубежных месторождений алмазов. Обзор. 1971, (ВИЭМС).,
Фотеева Н. И. О металлоносности прибрежных отложении побережья Аляски. Вестник, 1972, № 5, с. 13—18 (МГУ).
Шнюков Е. Ф., Белодед Р. AL, Цемко В. П. Полезные ископаемые Мирового океана. Киев, «Наукова думка», 1974.
Шванов В. Н. Песчаные породы и методы их изучения. Л., «Недра», 1969.
Шулейкин В. В. Краткий курс физики моря. Л., (ГИМИЗ), 1959.
Шорохов С. Л4. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений. М., «Недра», 1973.
Юфин А. /7. Гидромеханизация, М., «Стройиздат», 1974.
^блоков К・ В., Добрецов В. 5., Воронов 77. П. Поиски, разведка и эксплуатация месторождений полезных ископаемых морского дна. Л., «Недра», 1975. 70. Austin F. Engineering and mining Journal, 1967, 168, 8. (англ.)
Corneille E. K・，Basson A. Enrichissement des sables2otiers du Senegal. «Ind. miner Ser. miner», 1974, № 2 (фр.)
Hammond Allen I. Manganese nodules. II. Prospects for deep sea mining. «Scienes», 1974, 183, № 4125. (англ).
M.C. Guinness 步.T., Hamielton J. R. «Recovery of offshore cornish tin sand», «Oceanology international 72》，March 1972, Brighton, England, (англ.)
Kurze Gottfried. Diamanten a us dem Meer. Fiir die Schmuckherstellung und die Industrieverwertung. «Poseidon», 1974, № 7, 304—307. (немец.)
Nelson C., Hopkins D. AL Sedimentary processes and distribution of particulate gold in Northern Bering Sea. «Geol. Surv. Prof. Paper» 1972, № 699, p. 27. (англ.)
Putzer H., Stackelber^ U. Exploration von Titanerzseifen von Mozambique. «Interocean' 73.2. I nt. Kongr. Diisseldorf, 1973. Bd k Diisseldorf, s. а. (англ.) 77. Rantoanina Maurice. Rapport sur la prospection d'ilmenite dans les sables marins cotie7 rs du Centre—Est de Madagasikara. «Rapp. Annu. Serv. Geol., 1973》, Tananarive, 1973. (франц.)
Wilson T., Undersea mining. «Engineering and Mining Journal», 1965, v. 166, № 5. (англ.)
Wilson T., Hess H. The ocean mining newestffrontier, «Engineering and Mining Journal», 1965, № 8, (англ.)
«Canadian Mining Journal», 1974, № 5, 65. (англ.)
Hollang Shipbuilding — Marine Engineering. 1963, № 5. (англ.)
«Mining Annual Review», 1970—1975. (англ.)
«Mining Journal», 1971, v. 277, № 7090. (англ.)
«Mining Journal», 1975 v. 278, № 7124. (англ.)
«Mining Magazine》，1971, v. 125, № 2, 6. (англ.)
«MiningMagazine》，1972,v.127,№1.(англ.)
«MiningMagazine»,1973,v.128,№4.(англ.)
«MiningMagazine»,1974,v.130,№3,6. (англ.)
«MiningMagazine》，1974,v.131,№3.(англ.)
«Mining Magazine》，1975, v. 132, № 3,B (англ.)
«Mining Magazine》，1975, v. 133, № 6. (англ.)
«World Minin眇，1972, v. 25, № 10, 11; 1973, v. 26, № 2, 9, 10; 1974, v. 27, № 4, 5, 7; 1975, v. 28, № 5, 6, 10; (англ.)
«Tin Internat.», 1973, v. 46, № 1,4; 1974, v. 47, № U; 1975, v. 48, № 1, 4, 5. H, 12. (англ.)
《ENGNG and Mining», 1971, № 1, 8, 1974, № 4, 5, 7, 12; 1975, № 3, 4, 5. (англ.)
«Canad. Mining and Metallurg. Bull.», 1974, v. 67, № 743. (англ.)
«Ocean Industry», 1973, v. 8, № 9; 1974, v. 9, № 4, 5. (англ.)
«Sea Technology», 1974. (англ.)
«South Afric Ship news and fish Ind. Rev.», 1966, 21, № 138.
«The Dock and Harbour Authority», 1962, № 10, 34. (аигл.)
«Uses of the Sea》, 1968. (англ.)
«World Mining》，1973, № 2. (англ.)
Проспекты фирмы «Marine Diamond of South Africa», (англ.)
Проспект итальянской фирмы Subsea oil services SPA — Milano, (англ.)
37131314192222254051597380859292^ ^ ^ ^37131314192222254051597380859292^ ^ ^ ^313134^454546586871809196970105U ^1 「L_ 111 11 «I и и ^1 и ^1 и ^1 GZM 9^ 9^ GM313134^454546586871809196970105U ^1 「L_ 111 11 «I и и ^1 и ^1 и ^1 GZM 9^ 9^ GM
37131314192222254051597380859292^ ^ ^ ^
37131314192222254051597380859292^ ^ ^ ^
313134^454546586871809196970105U ^1 「L_ 111 11 «I и и ^1 и ^1 и ^1 GZM 9^ 9^ GM
313134^454546586871809196970105U ^1 「L_ 111 11 «I и и ^1 и ^1 и ^1 GZM 9^ 9^ GM
Предисловие
-Введение
Общая характеристика твердых полезных ископаемых Мирового океана • »
Вода как полезное ископаемое
Полезные ископаемые больших глубин и материкового склона •..
Твердые полезные ископаемые континентального шельфа
Условия образования морских россыпей иа шельфе
Общая характеристика континентального шельфа
Гидродинамическая обстановка на шельфе
Условия образования морских россыпей
Источники поступления материала
Классификация морских россыпей
Особенности гранулометрического состава
Регенерация морских россыпей
Особенности комплексных геологических работ на шельфе
Особенности разработки твердых полезных ископаемых
Физическое состояние источников минеральных ресурсов
Технология добычи твердых полезных ископаемых из морских вод и растворов за рубежом • • •
Проекты освоения и опытные работы по добыче конкреций со дна Мирового океана
Технология подводной добычи россыпных месторождений на континентальном шельфе капиталистических стран
Технология подземной добычи полезных ископаемых из недр Мирового океана
Системы открытой подводной добычи полезных ископаемых и вскрытие подводных выемочных полей
Системы открытой подводной разработки месторождений
Вскрытие подводных выемочных полей
Структуры комплексной механизации подводной добычи полезных ископаемых
Технические средства дсбычи твердых полезных нскогаемых со диа морей и океанов
Классификация и общая компоновка морских технических средств подводной выемки и транспорта породы
Надводные и выносные из воды морские земснаряды
Подводные земснаряды
Подводные экскаваторы (передвигающиеся по дну земснаряды)..
Черпаковые снаряды
Породозабориые устройства
Погружные грунтовые насосы
Эксплуатация подводного земснаряда типа «Моллюск»
Подводные бульдозеры
Морские Драги
Технические средства карьерного подводного транспорта породы
Бионические методы изыскания технических средств подводной выемки и транспортирования породы
Направления поисковых работ по созданию технических средств подводной выемки и транспортирования породы
Опытные работы по подводной добыче твердых полезных ископаемых
в СССР 222
6」.Опытно-разведочные работы па Балтийском море 223
Опытная разработка морских магнетитовых россыпей ：.：.：：：233
Подводная добыча нерудных строительных материалов:244
Опыт подводной разработки мирабилита-стеклеца озера Кучук . » .259
Опытная разработка морской техногенной россыпи 272
Опытные работы по эксплуатации горнодобывающего флота раз- 、
ведочио-эксплуатационного предприятия (РЭП) 277
Опытные работы по выемке россыпей иа мелководье Японского моря .29!
Технология подводной добычи полезных ископаемых при размещении обогатительного комплекса на борту добычного судна 297
Особейиостн процессов и технологии подводной добычи при размещении обогатительного комплекса на борту добычного судна297
Результаты опытно-промышленных исследований по влиянию волне
ний и размерений судна на результаты эксплуатации перерабатывающих установок на борту судна типа ПлавГОКа 308
Основные параметры горнодобывающего судна типа ПлавГОК
(драги и ПОФ) ЗЮ
Специальное оборудование для обогащения в морских условиях 316
Придонное обогащение полезных ископаемых 322
Технология открытой подводной добычи полезных ископаемых при транспортировании горной массы за пределы контура подводного выемоч
ного поля 339
Технология подводной разработки месторождений с береговым расположением обогатительного комплекса 339
Технология подводной разработки месторождений с обогатительными фабриками на платформах 346
8-3. Основные параметры разработки подводных месторождений при размещении обогатительных фабрик в портах 348
Выбор местоположения подводных отвалов一. . . ：358
85 Расчет процессов осаждения твердых частиц'364
Общие сведения по охране окружающей среды при ведении морских горных работ 368
Заключение 373
Список литературы 376
ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ СО ДНА _ ОЗЕР, МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
Под общей редакцией чл.-кор. АН СССР В. В. РЖЕВСКОГО и проф, д-ра техн, наук Г. А. НУРОКА
МОСКВА-НЕДРА-1979
Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. Под общей редакцией В. В. Ржевского и Г. А. Нуро- ка. М., «Недра», 1979. 381 с.
В книге освещены общие характеристики твердых полезных ископаемых Мирового океана и содержание полезных минералов в морской воде. Рассмотрены особенности подводных месторождений на материковом склоне, ложе океана, континентальном шельфе, вопросы образования и классификации морских россыпей, их регенерация после э кспл у атационн ы х работ, а также особенности комплексных геологических работ на шельфе. Дано состояние технология добычи твердых полезных ископаемых из недр Мирового океана. Приведена классификация способов вскрытия подводных выемочных полей, систем разработки подводных месторождений, структуры комплексной механизации подводной добычи.
Обобщен опыт подводной добычи титаносодержащих и магнетитовых песков, олова,- золота, алмазов, нерудных строительных материалов и других полезных ископаемых. Пр'и этом рассмотрены процессы выемки, транспортирования, подъема с больших глубин и обогащения, в том числе придонного обогащения полезных ископаемых, формирования морских отвалов, а также основы расчетов этих процессов. Приведена технология добычи железо-марганцевых конкреций при их глубоком залегании на дне океана.
Рассмотрены конструкции и методы расчета технических средств подводной добычи, в том числе специальных земснарядов, Л^Ъ подводных экскаваторов и бульдозеров, средств глубоководного подъема и транспорта полезных ископаемых, методы расчета и основные параметры плавучих и подводных горнодобывающих ком
плексов.
Приведены результаты опытных работ по созданию технологии и технических средств подводной добычи полезных ископаемых в СССР, в том числе в условиях арктичес^х морей. Указаны вопросы охраны окружающей среды при подводной добыче. Даны основные направления и задачи развития подводной добычи твердых полезных ископаемых в СССР.
Книга предназначена для широкого круга специалистов, работающих в области геологии морских россыпей, добычи полезных ископаемых, дноуглубительных работ, и может быть полезной для студентов ВУЗов,
Табл. 68, ил. 121, список лит. — 103 назв. ■
Авторы. Г. А. НУРОК, Ю. В. БРУЯКИН, Ю. В. БУБИС, л. и. молочников, К. в. ЯБЛОКОВ
30703--114 4_792504000000043(01)—7930703--114 4_792504000000043(01)—79© Издательство《Недра》，1979© Издательство《Недра》，1979
30703--114 4_792504000000
043(01)—79
30703--114 4_792504000000
043(01)—79
© Издательство《Недра》，1979
© Издательство《Недра》，1979