Предисловие

Глава L Современное состояние и перспективы освоения минеральных ресурсов шельфа Разработка россыпей шельфа Добыча полезных ископаемых из недр океана Современная техника и сооружения для подводных исследований и буровых и горных работ

Национальные программы освоения Мирового океана . .

Освоение Арктического шельфа

Глава II. Континентальный шельф Общие сведения Образование россыпей шельфа

Глава III. Минеральные ресурсы шельфа и других частей Мирового океана

Полезные ископаемые россыпей шельфа Полезные ископаемые глубоководного дна и континентального склона

Полезные ископаемые недр шельфа

Глава IV. Арктический шельф и геологоразведочные и горные работы на нем Основные сведения о Северном Ледовитом океане и морских льдах Геологоразведочные и горные работы на шельфе Арктики

Глава V. Подготовка горной массы к выемке в подводном забое . . Общие сведения Подготовка к выемке рыхлых горных пород Подготовка к выемке уплотненных горных пород . . . . Подготовка к выемке плотных горных пород

Глава VI. Процессы в подводном забое и устойчивость подводных горных выработок Перемещение тяжелой фракции россыпей шельфа в процессе разработки забоя Динамическая устойчивость подводного забоя Время выполаживания откосов подводных выработок . . Порядок отработки отдельных горизонтов подводного карьера Основные параметры процессов в подводном забое при всасывании пульпы

Глава VII. Совершенствование освоения морских россыпей Крупнообъемное опробование рыхлых отложений шельфа Гидрофизические методы разработки россыпей шельфа . . Загрязнение среды при освоении минеральных ресурсов шельфа и инженерная защита ее Потери полезного ископаемого при подводной разработке рыхлых горных пород•. .

Экономическая эффективность подводной добычи полезных ископаемых

45712176065707280828892941091261431601671801831881961972052162482602644571217606570728082889294109126143160167180183188196197205216248260264Заключение

4

5

7

12

17

60

65

70

72

80

82

88

92

94

109

126

143

160

167

180

183

188

196

197

205

216

248

260

264

4

5

7

12

17

60

65

70

72

80

82

88

92

94

109

126

143

160

167

180

183

188

196

197

205

216

248

260

264

269269Список литературы

269

269

Предисловие

В настоящее время усилия многих стран направлены на освоение минеральных ресурсов Мирового океана. И они увеличиваются в той степени, насколько утверждается общественное мнение, что - запасы полезных ископаемых материков истощаются и возникает настоятельная необходимость вовлечения в сферу общественного производства полезных ископаемых дна акватории.

Наибольшее количество довольно многочисленной литературы по проблеме Мирового океана касается вопросов его истории, геологии и полезных ископаемых. Гораздо меньше опубликовано сведений по технике и особенно технологии разработки морских месторождений. Практически можно говорить о двух- трех монографиях. Мы полагаем, что это не случайно. Дело в том, что разработка полезных ископаемых дна акватории предполагает абсолютно новые, необычные для материковых условий методы, способы и системы разработки, которые еще предстоит разработать. И любые поспешные предложения не могут способствовать решению предстоящих задач.

В связи с этим в настоящей книге помимо основных сведений о среде, условиях производства работ и горных породах, слагающих шельф, предлагаются определенные пути и направления технологического плана, которые являются лишь самым началом работ по освоению минеральных ресурсов Мирового океана и его наиболее доступной части — шельфа.

В работе подчеркивается, что проблема освоения минеральных ресурсов шельфа находится в самой начальной стадии. Поэтому и расположение материала книги и ее содержание предполагают рассмотрение тех положений, которые в дальнейшем позволят более квалифицированно разработать технологию геологоразведочных и горных работ на шельфе Мирового океана.

Помимо обобщения и анализа опубликованных материалов в книге представлены и многие оригинальные данные, имеющие непосредственное отношение к конкретным сторонам рассматриваемой проблемы.

Автор выражает свою искреннюю признательность проф. Н. Я. Спасскому, гл. инж. управления «Балттехфлот» Л. Д. Проплеткиной, д-ру техн, наук Р. С. Пермякову, канд. геол.-минерал, наук В. X. Геворкяну за помощь, благодаря которой эта книга смогла быть издана. Особая благодарность канд. геол.-минерал, наук В. Л. Иванову, заместителю генерального директора НПО «Севморгео» по научной работе, осуществившему рецензирование рукописи, замечания которого были учтены при ее доработке. В подобном плане книга написана впервые и, вероятно, не лишена недостатков, замечания по которым будут-приняты автором с благодарностью.

В настоящее время практически все передовые в промышленном отношении страны решают проблему освоения мине- ОТПОПЯУ ПЛИ-В настоящее время практически все передовые в промышленном отношении страны решают проблему освоения мине- ОТПОПЯУ ПЛИ-Введение

В настоящее время практически все передовые в промышленном отношении страны решают проблему освоения мине- ОТПОПЯУ ПЛИ-

В настоящее время практически все передовые в промышленном отношении страны решают проблему освоения мине- ОТПОПЯУ ПЛИ-

ральных ресурсов Мирового океана. В некоторых странах вопросы разведки полезных ископаемых морского дна и их разработки подняты до уровня общенациональных проблем. В этом отношении весьма показательными являются данные табл. 1 [60].

Таблица 1

Потребность в основных видах промышленного странах на период 1970-2000 гг„ млн. т

сырья в

капиталистических

1970

Г.

1985

Г.

2СС0

Г.

Сырье

США

Остальные страны

США

Остальные страны

США

Остальные страны

Алюминий Барий Хром Кобальт Медь Железо Никель Сода Сера Олово Цинк

4,8 1,0 0,5 0,1 2,0

100

0,2 3,0

15,0 0,06

1,4

5,0

1,5 1,0 0,15 4,0

300

0,3 10,0 17,0

0,15 3,1

12

1,7

1,0

0,15

2,5

120-

0,35

5,0

20

0,08

2,2

10

3,2

1,9

0,2

8,0

600

0,6

20,0

55,0

0,20

5,8

13,5 2,0

1,2 0,3 4,0

130

0,7

10,0

35,0

0,09 4,0

20

5,0

2,4

0,3

12,0

800

0,8

36,0

104

0,24 8,0

Некоторые зарубежные ученые объясняют стремление к освоению минеральных ресурсов океана лишь истощением материковых месторождений. Они приводят цифры, показывающие обеспеченность человечества минеральным сырьем (от 20 до 70 лет и более в зависимости от вида полезного ископаемого) и являющиеся по крайней мере малооптимистичными. С таким утверждением вряд ли стоит соглашаться безоговорочно, хотя с фактом истощения материковых месторождений нельзя не считаться. Современная техника и технология горного производства позволяют отрабатывать месторождения со сравнительно малым содержанием полезных компонентов, разрабатывать полез- нуе ископаемые на больших глубинах и в больших объемах.

На наш взгляд, возникновение и развитие проблемы освоения полезных ископаемых Мирового океана обусловили две основные причины. Первая заключается в том, что при современном состоянии техники в ряде случаев может быть более экономична подводная добыча полезных ископаемых (в частности,

Таблица 2 ■

Продол

ж е н и е табл. 2

Добыча полезных ископаемых из в зарубежных странах

россыпей шельфа

Q СО

Добыча

Район разработки

Страна, район

Полезное ископаемое

s ^ *

0J О

(разведки)

о « ч

Страна, район

Полезное ископаемое

S 5 р

Добыча

Район разработки■

(разведки)■

Малагасийская

Монацит,

—

—

Форт-Дофин

S

республика

ильменит,

-

L* in ft

циркон

Австралия

Фосфаты

200

—

О. Тасмания;■

Малайзия

Олово (касситерит)

300

Пробная

—

восточное побе- ■

Мексика

Рутил, фосфаты

200

Пуэрто-Анхель

Циркон, рутил,

—

Промышленно-

Квинсленд■

Новый Южный■

Новая Зеландия

Тяжелые металлы

200

—

ильменит

пробная

Уэльс (запад-|

Папуа—

Россыпные

300

—

Аргентина

Рутил, циркон,

—

_

ное побережье) ■

Новая Гвинея

железные руды

Африка юго- восточная

ильменит Алмазы

—

—

Мозамбикский■

Сенегал

Циркон, ильменит, рутил

—

—

—

Африка юго- за-падиая

300

Промышленная

пролив■

Устье р. Оранже-Д

США

Золото, платина

70

—

Нортон-Саунд, залив Гудиьюс

вой; бухта Лю- ■

(Аляска)

Бразилия

Циркон, рутил,

—

дериц■

Хромит, золото,

—

—

Юго-Западный

Великобритания

ильменит, монацит

платина,

Орегон

Олово

300

Пробная

Побережье п-ова ■

титаномагнетит Циркон,

—

Джексонвилл (Се-

Арагонит Олово

50

200

Промышленная Пробная

Корнуолл■

Багамские острова■

Соломоновы ост-■

•

ильменит, рутил

верная Каролина);

Трейл-Ридж (Фло-

Гватемала

Ильменит, рутил,

рова■

100

рида)

циркон

Песок

Промышленная

Луизиана

ГДР

Ильменит, циркон, титаномагнетит

—

Пробная (опытно-

Побережье в райо- ■

не городов Ро- 8

Ракуша

10

Пробная

Монтерей (Калифорния) ; штат Алабама

Египет

Монацит

промышленная)

сток, Штольберг, ■

Хиддензе■

Фосфаты

200

Северная Каролина

ильменит, рутил

—■

Фосфаты

300

Сан-Диего (Юж-

Индия

Ильменит

—

—

Траванкур; штат ■

пая Калифорния)

Индонезия

Силлиманит, фосфаты, рутил, черные пески

—

Пробная

КералаЯ

Бомбей; Овари-В

НаваладиЯ

Марганец, фосфаты Олово

200—

600

Плато Блейк

Мыс Крик (Аля-

Олово

30

Промышленная

«Оловянные ост-■

ска)

Исландия

Песок

рова»■

Таиланд

Олово

30

Промышленная

30

Бухта ФоксаЯ

Филиппины

Железо, золото.

300

Пробная

—•

к юго-западу от :Я

титан, магнетит

Канада

Магнетит, марганцевые

4000

Пробная

Акр а нес аЯ

ПаташкуанЯ

Шри Ланка

Ильменит, рутил, циркон

—

—

Западный и северо-восточный

конкреции

берег; Кульмод-

Коста-Рнка

Ильменит,

—

дай-Коккилай

циркон, рутил,

*

Япония

Россыпные

10

Промышленная

Залив Ариаке;

железные руды,

Токийский залив

титаномагнетит

8

9

они обнаружены в бухте Чамай и у о. Плюм-Пуддинг. Разработка ведется при глубине вод от 12 до 300 м. Содержание алмазов достигает 5—14 кар/т гравия, что в среднем более чем в 5 раз превышает содержание в береговых россыпях. Добыча из этого района уже дает 20 % валовой стоимости и 5 % объема мировой добычи алмазов. За 1963—1964 гг. было добыто около 1,5 млн. кар ювелирных алмазов.

В США не разрабатываются подводные россыпи титаномаг- нетитов, но изучается вопрос об эксплуатации таковых в районе Пикок-Спит и Грей-Харбор вдоль южного побережья штата Вашингтон и в устье р. Бич-Крик штата Орегон.

США добывают на шельфе и со дна внутренних водоемов огромное количество строительных материалов. Около 500 млн. т песка и гравия добыто в оз. Эри на глубине 15 м. У побережья штатов Луизиана, Вашингтон, в заливе Сан-Франциско в больших объемах добывается ракуша и ракушечный песок в качестве сырья для цементной промышленности.

Ведутся обширные работы по разработке морских россыпей ' в Австралии. Россыпи в большом количестве содержат циркон, рутил, ильменит, монацит. В некоторых месторождениях содержание полезных компонентов достигает 70—90%, из них циркона 25—55, рутила 20—45, ильменита 18—40%. Россыпи расположены на восточном побережье Австралии от Северного Квинсленда до о. Тасмания, на юго-западном побережье Западной Австралии, вдоль прибрежной линии в Новом Южном Уэльсе и Южном Квинсленде. Только в 1965 г. в Австралии было добыто 930 тыс. т тяжелых минералов, причем по рутилу это составило 90 % мировой добычи, по циркону — 75%. В настоящее время объем добычи значительно увеличился, так как в разработку вовлечены вновь разведанные участки подводных и пляжевых россыпей.

Индонезия в течение многих лет добывает олово из подводных россыпей в районе «Оловянных островов» (Банка, Белитунг, Синкеп, Большой Каримун, Кундур, центральная часть Суматры). Содержание касситерита в россыпях составляет от 0,08 до 9,4 кг/т. Только в 1967 г. Индонезия добыла 14 340 т олова, причем 40 % этого объема — со дна акватории.

Аналогичные россыпи разрабатываются у берегов Таиланда на глубине 27—40 м; содержание касситерита .200—400 г/м3. Кроме касситерита в промышленном количестве присутствуют вольфрамит, ильменит и монацит. В последние годы начали разрабатываться оловоносные россыпи вдоль берега Индийского океана между Таиландом и Бирмой. Еще одно государство этого же района — Малайзия — дает до 30 % мировой добычи олова. Но береговые россыпи истощаются, и Малайзия также приступает к разработке морских месторождений.

В Индии богатые ильменито-циркониевые россыпи отрабатывают с 1909 г. в юго-западной части п-ова Индостан (россыпи 10

Траванкура). В 1969 г. доля Индии в мировой добыче ильменита (без СССР) составила 25%. Россыпи содержат 49—80 % ильменита, 8—20 % циркона и до 14 % монацита.

Япония, обладающая незначительными железорудными ресурсами, интенсифицировала освоение подводных месторождений железоносных песков. Так, из россыпи на дне Токийского залива у о. Хонсю в течение 1961—1965 гг. было добыто 6,1 млн. т железной руды. В больших объемах ведется разработка титаномагнетитовых песков на дне залива Ариаке. В настоящее время ежегодно из этого месторождения добывается 30 тыс. т титаномагнетитовых песков. Хвосты месторождения используются для укрепления берегов, что снижает стоимость разработки.

В Великобритании большое количество строительного материала добывается в проливе Ла-Манш. Только в 1968 г. добыча конгломератов со дна моря составила 106 млн. т. В районе п-ова Корнуолл открыта первая в Европе касситеритовая подводная россыпь, которая расположена на глубине 20—30 м. Ведется опытная добыча при производительности 17,5 тыс. м3 касситеритовых песков в год.

Исландия широко использует извлекаемый со дна моря ракушечный песок для производства портландцемента. Песок добывают в заливе Фокса в 16 км от берега на глубине 41 м. Производительность добычи 573 м3/ч.

В бассейне Балтийского моря, у г. Росток, имеются россыпи тяжелых минералов, разрабатываемые с 1957 г.

В СССР с 1945 г. отрабатывалось Урекское месторождение титаномагнетитовых песков на пляже Черного моря между реками Супса и Натанети (Грузия). Содержание железа в песках 5—7 %. Полученный концентрат (43—47 %) использовался в качестве утяжелителя промывочной жидкости при бурении. Золотоносные россыпи разрабатывались и разрабатываются на дне сибирских рек. Создан флот землесосных снарядов, производящих углубочные и очистные работы в реках и озерах. Объем грунта, поднимаемого со дна водоемов, превышает 200 млн. м3 в год. Разрабатывается месторождение строительных песков «Одесская банка» в 15 км к юго-востоку от Одессы (добыча около 400 м3/ч). В Тихом океане, в районе о. Итуруп, организована добыча титаномагнетитовых песков. ВНИЙпрозолото разрабатывает проект специального судна для добычи касситерита в море Лаптевых. В 1968 г. было организовано Балтийское разведочно-эксплуатационное предприятие Для разработки россыпей Восточной Балтики и проведены первые работы в этом направлении. Московский горный институт создал первый в стране плавучий ГОК «Горняк» для добычи касситерита и его обогащения.

В настоящее время ведутся интенсивные геологоразведочные работы и подготовка к разработке месторождений шельфа, протяженность которого в СССР составляет более 20 тыс. км.

Добыча полезных ископаемых из недр океана

Нефть, газ и сера. Существуют данные о том, что к 1980 г. мировое потребление нефти достигнет 25 млн. т/сут. Цифра поистине огромная. Для обеспечения таких потребностей необходимо интенсивно вовлекать в эксплуатацию морские месторождения нефти.

На континентах мировые разведанные запасы нефти оцениваются в 91 млрд, т условного топлива и это с учетом увеличения ее потребления гарантирует обеспечение человечества на 30—35 лет. Такие довольно жесткие сроки предопределили интенсивное развитие, особенно за последние 10—15 лет, работ по поиску, разведке и добычным работам нефти и газа месторождений Мирового океана.

В настоящее время около 100 государств проводят геологогеофизические работы по поиску месторождений нефти и газа в океане, более 60 стран—разведочное бурение, более 40 — добычу (табл. 3). Работы проводятся на огромных пространствах шельфа Европы, Северной и Южной Америки, Африки, юга и востока Азии, по всему шельфу Австралии. К настоящему времени в море открыто около 300 месторождений нефти и газа.

Таблица 3

Площадь глубоководных участков, на которых ведутся поисково-разведочные работына нефть и газ на 1973 г. [13]

Страны н районы

Площадь, тыс. км2

Канада

1400

Юго-Восточная Азия и Дальний Восток

1470

Африка

920

Австралия и Океания

340

Латинская Америка

150

Западная Европа

18

Ближний и Средний Восток США

5

1,11

Ежегодно капиталистические страны затрачивают более 1 млрд. долл, на поиски и разведку морских нефтегазовых месторождений. Половина этих средств идет на бурение [11].

Первой фазой работ были сравнительно небольшие глубины океана — его шельф, однако сейчас мы имеем достаточно убедительные сведения о наличии месторождений газа и нефти на глубинах более 600 м, находящихся на сотни, а иногда и тысячи километров от побережья.

В настоящее время 20 % объема мировой добычи нефти уже извлекается со дна морей и океанов и эта доля непрерывно ра- 12

стет. Следует отметить, что стоимость нефти и газа, добываемых ежегодно со дна океана, в несколько раз превышает стоимость ежегодной добычи полезных ископаемых из всех остальных месторождений морского дна.

Интенсивность работ по эксплуатации морских месторождений нефти может оцениваться количеством пробуренных скважин. Известно, что в 1969 г. во всем мире было пробурено 2290 морских нефтяных скважин. Из них в США 1341, Венесуэле 380, на Среднем Востоке 100, в Нигерии 85, Индонезии 60, на месторождениях Северного моря 80. В 1 сут из месторождений морского дна добывается следующее количество нефти, млн. м3: в США 33,4; в Венесуэле 67,3; в Европе (без СССР) 0,5; в Африке 12,2; на Дальнем Востоке 7,5; на Среднем Востоке 36,0.

Интенсивнее всего разрабатываются морские нефтяные месторождения в Мексиканском и Персидском заливах, Северном море. Разведка нефти в Северном море увеличила ее запасы в европейских странах, поделивших Северное море на секторы (рис. 1), в 14 раз. Раздел был осуществлен в 1965 г., и в нем участвовали Великобритания, Нидерланды, Норвегия, Дания, ФРГ, Бельгия и Франция. Кроме нефтяных месторождений в Северном море эксплуатируются также и газовые. Перспективы развития морской добычи нефти и газа характеризуются табл. 4 и 5.

Бывший импортер нефти — Австралия — после открытия месторождения в Бассовом проливе стала добывать нефти более 14 млн. т в год и теперь экспортирует это полезное иско

паемое.

В Мексиканском заливе эксплуатируются два месторождения серы — Гранд-Айл и Лейк-Пелто. Причем для разработки первого из них в заливе был построен один из крупнейших в мире искусственных островов. Общая его длина составляет 800 м, а высота над уровнем моря — 20 м. Добыча серы осуществляется по методу Фраша. На острове смонтированы высокопроизводительные водяные котлы, в которых морская вода нагревается до 175 °C. Затем под большим давлением она закачивается по одной трубе в недра, растворяет серу и выдавливает ее по другой трубе на поверхность острова. Далее на материк расплавленная сера перекачивается по специальному подогреваемому трубопроводу. На острове может одновременно находиться до 250 человек, доставляются они на него вертолетами.

Уголь. Является одним из немногих полезных ископаемых, которые добывались со дна моря в древности. Имеются сведения о том, что в Шотландии из морских недр уголь добывали еще в 1620 г. Стволы тех шахт располагались на островах, а выработки уходили под дно моря.

Рис. 1. Схема раздела дна Северного моря и расположения нефтяных и газовых промыслов и подводных трубопроводов в его пределах.

У — границы раздела дна; 2— подводные нефтепроводы; 3 — подводные газопроводы.

В настоящее время уголь под дном моря добывается в Англии, Канаде, Чили, Японии и некоторых других странах. В основном в настоящее время разработка угольных пластов ведется на глубине до 250 м ниже уровня моря, причем экономически выгодно эксплуатировать такие месторождения, когда их удаленность от берега составляет не более 25 км. Считается, что к 1980 г. рентабельной будет добыча угля на расстоянии до 50 км от берега при закладке шахт непосредственно в море.

Же л е з н а я руда. Разработка руды под дном залива Кон- сепшен у восточного побережья о. Ньюфаундленд ведется из 14

беоега, млн. т [48]:—

Акватории стран и регионов

Глубина вод № 200 м при расстоянии Jот берега, миль

от 0 до 40

от 40 до 200

’-— 1

Северная Америка:

102

Аляска (залив Кука)

734

—-

Калифорния остальная часть США

1632

Южная Америка:

98,6

Тринидад и Тобаго

4,0

—

Перу Бразилия

50,3

Европа:

244,8

Норвегия

408

Великобритания

——

52,4 ■ 0,7

Дания

—

Нидерланды Испания

8,8

Ближний Восток:

272

1047,2

Иран

1360

Нейтральная зона

5440

2040

Саудовская Аравия

136 .

—

Абу-Даби Дибай

—•

408

Африка:

244,8

—•

Египет

17,7

—

Тунис

462,4

—

Нигерия

38,0

—

Габои

99,3

—

Конго

Ангола

Дальний Восток и Юго-Восточная

147,6

Азия:

3,4

—

Япония

27,2

—

Малайзия

108,6

•—

Бруней

168,6

144,2

Индонезия

96,6

Австралия

Новая Зеландия

23,1

Итого:

9915,2

5705,3

15

Площадь, млн. км2

Запасы

нефти и газа

Батиметрические провинции

Общая

Перспективная в отношении нефтегазоносности

На 1 км2, млн. т

Потенциальные извлекаемые запасы, млрд, т

Континентальный шельф Континентальный склон Континентальное подножие Мелководные участки морей и океанов

Впадины и подводные хребты Абиссальные "равнины

Океанские хребты и возвышенности

Вулканические .хребты

Итого:

20,7

31,1

16,8 19,0

6,0 138,4 119,0

11,0

362,0

5,18

4,66

1,68

2,85

0,6

0

0

0

14,97

1,2

0,7 0,7

0,8

0,7

0

0

0

182,8

62,6

12,2

47,9

3,5 0

0

0

309

Распределение потенциальных ресурсов нефти и газа по батиметрическим провинциям [48]

Таблица 5

шахт, наклонные стволы которых были заложены на острове. Не менее половины руды теряется из-за оставления целиков при х разработке месторождения камерно-столбовой системой. Эксплуатационные выработки удалены от берега на расстояние более 5 км и располагаются на глубине 490 м от уровня дна залива (610 м от поверхности воды). После реконструкции рудника в 1952—1955 гг. и постройки обогатительной фабрики для бедных руд производительность рудника возросла с 1,8 до 3 млн. т руды в год. Основными потребителями руды являются Великобритания и ФРГ.

Во Франции добыча железной руды со дна моря производится на железорудном месторождении Делетт. Разработка ведется шахтой на горизонтах 90 и 150 м, причем горные работы чрезвычайно осложнены притоком морских вод. Водоотлив рудника составляет 15 тыс. м3/сут, или 11 м3/мин. Производительность оборудования позволяет довести годовую добычу до 200 тыс. т руды в год. Основными потребителями руды являются Великобритания, ФРГ и Нидерланды.

В 90 км юго-западнее г. Хельсинки с о. Стур-Юссаре (Финский залив) производится шахтная добыча железной руды. Удаление горных работ в море составляет 1,2 км при глубине ствола 300 м. Здесь, так же как и при разработке месторождения Делетт, серьезные трудности представляет значительный приток морской воды в горные выработки.

Кроме этого на Балтике разрабатывается месторождение магнетитовых железных руд на Аландских островах. Шахта пу- 16

щена в эксплуатацию на о. Нихамы в 1956 г. Руда разрабатывается на глубине 300 м при проектной мощности шахты 300 тыс. т руды в год.

Оловорудные месторождения. В недрах океана известен только один оловорудный район — в Великобритании (Корнуолл). Еще за 1000 лет до н. э. добычу олова здесь вели финикияне. Это древнейшие оловорудные разработки мира.

■ В конце XVIII в. одна часть месторождения разрабатывалась шахтой, выведенной в акваторию моря. Сейчас действующим является рудник Левант. Забои этого рудника отстоят на расстоянии 1,6 км от берега. Верхний горизонт рудника находится на глубине 31 м от уровня дна моря.

Современная техника и сооружения для подводных исследований и буровых и горных работ

Учитывая многообразие технических средств и сооружений для разведки и разработки полезных ископаемых Мирового океана, в настоящем разделе мы ограничимся рассмотрением буровых оснований для бурения в море, искусственных островов, техники разработки россыпных месторождений шельфа, а также кратким изложением основных сведений о погружаемых исследовательских аппаратах.

Буровые основания

В настоящее время буровые основания в подавляющем большинстве случаев используются для бурения разведочных и эксплуатационных скважин на газ и нефть.

Общепринято, что наиболее трудоемкими и дорогостоящими при бурении в море являются работы по сооружению оснований для скважин. Выполнение этих работ в техническом отношении и их стоимость находятся в прямой зависимости от климатических условий, о чем свидетельствует табл. 6.

В 1974 г. была пробурена поисковая скважина при глубине моря 655 м у побережья Габона. В эксплуатационном бурении глубины значительно меньше. Рекордной глубиной при этом является 127 м. Скважина эксплуатируется при использовании стационарной платформы фирмы «Бритиш петролеум» в Северном море, причем в ближайшее время будут эксплуатироваться платформы при глубине моря 152 м, а в проливе Санта-Барбара будет установлена стационарная платформа для работы при глубине вод 260 м.

Известны три способа осуществления добычных работ в море: надводный (все оборудование устанавливается на мор-

Заказ № 160 ] 7

мягкиемягкиеумеренныеумеренныетяжелыетяжелые200500800400020050080040002,32,76,110,32,32,76,110,32,73,5 7,010,82,73,5 7,010,85,05,78,911,65,05,78,911,6Примечание. Указанные климатические условия характерны для следующих 1 районов: мягкие — Сенегал, Габон, Гондурас, Средиземное море, Яванское море, Персидский залив; умеренные,—Мексиканский залив, юг Атлантического океана, юг Тихого океана, континентальный шельф северо-запада Австралии, Японское и Желтое моря; тяжелые — Северное море, Бискайский залив, континентальный шельф юга Австралии, залив Аляска, север Атлантического океана, север Тихого океана, континентальный шельф запада Канады, территориальные воды Новой Шотландии.Примечание. Указанные климатические условия характерны для следующих 1 районов: мягкие — Сенегал, Габон, Гондурас, Средиземное море, Яванское море, Персидский залив; умеренные,—Мексиканский залив, юг Атлантического океана, юг Тихого океана, континентальный шельф северо-запада Австралии, Японское и Желтое моря; тяжелые — Северное море, Бискайский залив, континентальный шельф юга Австралии, залив Аляска, север Атлантического океана, север Тихого океана, континентальный шельф запада Канады, территориальные воды Новой Шотландии.K™4e«He условияK™4e«He условияских основаниях), подводный (при расположении всего оборудования на дне моря) и смешанный (комбинация первых двух). При постепенном увеличении глубины вод над разрабатываемыми месторождениями эффективность подводного способа разработки будет возрастать, особенно с учетом постоянного волнения водной поверхности. По расчетам зарубежных специалистов подводная эксплуатация нефтегазовых месторождений целесообразна начиная с глубины вод от 300 м и более. При смешанном способе, который может оказаться наиболее эффективным, совместно используют подводную систему обвязки месторождений и обычную эксплуатационную платформу.При эксплуатации морских буровых оснований необходимо учитывать крайне сложные условия производства работ, в зависимости от которых необходимо осуществлять выбор примеских основаниях), подводный (при расположении всего оборудования на дне моря) и смешанный (комбинация первых двух). При постепенном увеличении глубины вод над разрабатываемыми месторождениями эффективность подводного способа разработки будет возрастать, особенно с учетом постоянного волнения водной поверхности. По расчетам зарубежных специалистов подводная эксплуатация нефтегазовых месторождений целесообразна начиная с глубины вод от 300 м и более. При смешанном способе, который может оказаться наиболее эффективным, совместно используют подводную систему обвязки месторождений и обычную эксплуатационную платформу.При эксплуатации морских буровых оснований необходимо учитывать крайне сложные условия производства работ, в зависимости от которых необходимо осуществлять выбор примеМорские буровые основания [13]Морские буровые основания [13]та б л и ц а 7та б л и ц а 7Тип морских основанийТип морских основанийРазновидностьРазновидностьСтационарныеСтационарные^ГГИЖН- самопоДъемные платформы^ГГИЖН- самопоДъемные платформыИскусственные острова Стационарные морские платформы НефтехранилищаИскусственные острова Стационарные морские платформы Нефтехранилища

мягкие

мягкие

умеренные

умеренные

тяжелые

тяжелые

200

500

800

4000

200

500

800

4000

2,3

2,7

6,1

10,3

2,3

2,7

6,1

10,3

2,7

3,5 7,0

10,8

2,7

3,5 7,0

10,8

5,0

5,7

8,9

11,6

5,0

5,7

8,9

11,6

Примечание. Указанные климатические условия характерны для следующих 1 районов: мягкие — Сенегал, Габон, Гондурас, Средиземное море, Яванское море, Персидский залив; умеренные,—Мексиканский залив, юг Атлантического океана, юг Тихого океана, континентальный шельф северо-запада Австралии, Японское и Желтое моря; тяжелые — Северное море, Бискайский залив, континентальный шельф юга Австралии, залив Аляска, север Атлантического океана, север Тихого океана, континентальный шельф запада Канады, территориальные воды Новой Шотландии.

Примечание. Указанные климатические условия характерны для следующих 1 районов: мягкие — Сенегал, Габон, Гондурас, Средиземное море, Яванское море, Персидский залив; умеренные,—Мексиканский залив, юг Атлантического океана, юг Тихого океана, континентальный шельф северо-запада Австралии, Японское и Желтое моря; тяжелые — Северное море, Бискайский залив, континентальный шельф юга Австралии, залив Аляска, север Атлантического океана, север Тихого океана, континентальный шельф запада Канады, территориальные воды Новой Шотландии.

K™4e«He условия

K™4e«He условия

ских основаниях), подводный (при расположении всего оборудования на дне моря) и смешанный (комбинация первых двух). При постепенном увеличении глубины вод над разрабатываемыми месторождениями эффективность подводного способа разработки будет возрастать, особенно с учетом постоянного волнения водной поверхности. По расчетам зарубежных специалистов подводная эксплуатация нефтегазовых месторождений целесообразна начиная с глубины вод от 300 м и более. При смешанном способе, который может оказаться наиболее эффективным, совместно используют подводную систему обвязки месторождений и обычную эксплуатационную платформу.

При эксплуатации морских буровых оснований необходимо учитывать крайне сложные условия производства работ, в зависимости от которых необходимо осуществлять выбор приме

ских основаниях), подводный (при расположении всего оборудования на дне моря) и смешанный (комбинация первых двух). При постепенном увеличении глубины вод над разрабатываемыми месторождениями эффективность подводного способа разработки будет возрастать, особенно с учетом постоянного волнения водной поверхности. По расчетам зарубежных специалистов подводная эксплуатация нефтегазовых месторождений целесообразна начиная с глубины вод от 300 м и более. При смешанном способе, который может оказаться наиболее эффективным, совместно используют подводную систему обвязки месторождений и обычную эксплуатационную платформу.

При эксплуатации морских буровых оснований необходимо учитывать крайне сложные условия производства работ, в зависимости от которых необходимо осуществлять выбор приме

Морские буровые основания [13]

Морские буровые основания [13]

та б л и ц а 7

та б л и ц а 7

Тип морских оснований

Тип морских оснований

Разновидность

Разновидность

Стационарные

Стационарные

^ГГИЖН- самопоДъемные платформы

^ГГИЖН- самопоДъемные платформы

Искусственные острова Стационарные морские платформы Нефтехранилища

Искусственные острова Стационарные морские платформы Нефтехранилища

МЛН. ДОЛЛ. ПЗ]°ВЫХ Раб0Т АЛЯ Разли™ых климатических условий,

Глубина вод, мГлубина вод, мКлиматические условия

Глубина вод, м

Глубина вод, м

ПлавучиеПлавучие

Плавучие

Плавучие

Полупогружные платформы

няемых конструкций буровых оснований. К основным показателям, характеризующим условия работы, относятся: глубина вод, состояние и рельеф морского дна, скорость ветра, скорость течения, высота волн, период волнения, колебания температуры.

Укрупненная классификация морских оснований приведена в табл. 7.

СТАЦИОНАРНЫЕ МОРСКИЕ ОСНОВАНИЯ

Искусственные острова. Такие основания сооружаются при глубине вод не более 12—18 м, поскольку при больших глубинах их строительство нецелесообразно по экономическим соображениям.

Фирмой «Импириал ойл» в устье р. Маккензи (Канада) с использованием землесосной драги был намыт искусственный остров «Иммерик Б-48». Успешной работе по намыву острова способствовало наличие в донных грунтах гравия, из которого и было намыто основание острова высотой до 3 м.

Этой же фирмой был сооружен второй остров «Адго-Джи-28» в дельте р. Маккензи. Технология его сооружения была принципиально другой. Вначале по проектному периметру выкладывалась стенка из гравия, а затем донными осадками, включая илы, заполнялось внутреннее пространство. При этом стоимость сооружения была снижена вдвое по сравнению со стоимостью острова «Иммерик Б-48».

В дельте этой же реки фирмами «Элф ойл» и «Сан ойл» в зимнее время был построен искусственный остров при доставке гравия из карьера, отстоящего от места строительства на 80 км. Гравий подвозился по дороге, расположенной на поверхности льда. Помимо песка и гравия при строительстве острова в огромных количествах использовались фильтрующая ткань и сетка из металлических цепей. Лед предварительно распиливали и удаляли с поверхности строительного участка.

Стационарные морские платформы. Являются наиболее простым и дешевым типом морских оснований. Они представляют собой сооружения, которые высоко подняты над водой. Эти платформы по материалу, из которого они изготовлены, можно разделить на металлические (стальные) и сконструированные из железобетона и стали. По способу установки на дне такие платформы делятся на два вида: платформы на нескольких опорах, закрепленные на дне забивными сваями, и платформы на массивных монолитных основаниях (гравитационные платформы).

В качестве примера платформы на опорах можно рассмотреть платформу американской фирмы «Шелл ойл» (рис. 2), которая построена для разработки месторождения Бран, расположенного в Мексиканском заливе. Глубина вод составляет

Рис. 2. Платформа фирмы «Шелл ойл» для разработки месторождения Бран. 130 м, и этим обусловлена весьма значительная масса сооружения, составляющая 35—40 тыс. т. В нижнюю, придонную часть опор, диаметр которых достигает 9—10 м, нагнетают цементный раствор. Практика эксплуатации подобных платформ показала, что их установка, особенно в тяжелых климатических условиях и при значительной глубине вод, является трудоемкой и дорого- 20

Рис. 3. Стальная платформа гравитационного типа GBS фирмы «С’е франсез д’антреприз металлик». '

стоящей операцией. В связи с этим предложено несколько перспективных вариантов безаварийных платформ. Фундаментом у таких платформ является массивное сооружение большой площади из железобетона или железобетона и стали, а также только из стали.

Стальная платформа • гравитационного типа GBS фирмы «С’е франсез д’антреприз металлик» (рис. 3) рассчитана на работу в северных районах Северного моря. Она предназначена для бурения и эксплуатации до 40 продуктивных скважин. Верхняя палуба платформы имеет площадь 6050 м2. На ней устанавливается технологическое оборудование, масса которого 20 тыс. т. Особенностью платформы GBS является то, что емкости в опорной ее плите могут вместить около 160 тыс. м3 нефти. Глубина вод, где будет установлена платформа, составляет 160 м, общая ее металлоемкость равна 40 тыс. т. Масса балласта зависит от свойств пород и конфигурации морского дна и равна примерно 75 тыс. т.

В прибрежных водах Сицилии устанавливается стальная гравитационная платформа при глубине вод 200 м. Она будет иметь массу 12,5 тыс. т и изготавливается из стали, а 10,5 тыс. т бетона будет уложено в опорные плиты в качестве балласта.

Фирма «Хейер-Эллефсен» спроектировала железобетонную платформу для эксплуатации в Северном море. Ее основание (рис. 4) представляет собой сооружение из цилиндрических камер, которое может быть использовано для хранения нефти. От основания вверх идут поддерживающие колонны из железобетона, на которых устанавливаются палубные сооружения. Буровой снаряд подается на забой через эти колонны, что обеспечивает комфортность производства работ и независимость их от погодных условий и ледового режима.

Последней модификацией описанной платформы является платформа типа «Кондип», создаваемая концерном «Акергруп» по заказу фирм «Мобил ойл» и «Шелл ойл». Основание платформы выполнено из железобетона и является огромным резервуаром для хранения нефти (рис. 5). Фундамент платформы «Кондип» состоит из 19 цилиндрических бетонных секций.

P“c; 4- Железобетонная платформа фирмы «Хенер-Эллефсен».P“c; 4- Железобетонная платформа фирмы «Хенер-Эллефсен».Рис. 5. Бетонная . платформа «Конднп».Рис. 5. Бетонная . платформа «Конднп».

P“c; 4- Железобетонная платформа фирмы «Хенер-Эллефсен».

P“c; 4- Железобетонная платформа фирмы «Хенер-Эллефсен».

Рис. 5. Бетонная . платформа «Конднп».

Рис. 5. Бетонная . платформа «Конднп».

На них монтируются конические бетонные поддерживающие колонны, которые выступают выше уровня моря на 30 м. На этой высоте на колоннах устанавливается стальная палуба площадью 4 тыс. м2. Глубина вод при эксплуатации такой платформы составляет около 120 м. Общая высота конструкции 200 м, а высота надводной части примерно 80 м. Цилиндрические секции фундамента имеют высоту 45 м и располагаются на дне в виде круга, диаметр которого 90 м.

Другими разновидностями гравитационных платформ являются платформа «Селмертрипод», представляющая собой железобетонную конструкцию из трех полых бутылеобразных опор, соединенных в основании большими коробчатыми балками, и платформа фирмы «ГЕМ-Херсенет», состоящая из верхней и промежуточной платформ и опорной плиты (рис. 6).

22

Рис. 6. Стационарная платформа фирмы «ГЕМ-Херсенет».Рис. 6. Стационарная платформа фирмы «ГЕМ-Херсенет».Рис. 7. Гибридная платформа трави тационного типа.

Рис. 6. Стационарная платформа фирмы «ГЕМ-Херсенет».

Рис. 6. Стационарная платформа фирмы «ГЕМ-Херсенет».

Помимо описанных существуют так называемые гибридные платформы. Как правило, у них стальная опорная ферма закреплена на массивном бетонном основании большой площади (рис. 7). Разработана серия таких платформ при участии фирм США и Великобритании в основном для эксплуатации в условиях Северного моря.

Голландской фирмой «Хирема инджиниринг сервис» предложена платформа гибридного типа для бурения и эксплуатации при глубине вод 300 м (рис. 8). Бетонный кессон, являющийся фундаментом платформы, может вместить 159 тыс. м3 нефти. Портальная рама устанавливается на четырех стальных ферменных опорах.

Оригинальным проектом французских исследователей является одноопорная конструкция платформы, соединенная с фундаментальной плитой шаровым шарниром. Такого типа платформы предназначены для бурения при глубине моря 600 м.

Количество опорГлубина моря, мВсего установокДо 2020-8030-4040-5050-6060-7070-80Более 8032591086765343731332I235.———11—261—23————68——4—2———612———1————114——I————1Количество опорГлубина моря, мВсего установокДо 2020-8030-4040-5050-6060-7070-80Более 8032591086765343731332I235.———11—261—23————68——4—2———612———1————114——I————1Таблица 8Распределение самоподъемных установок с различным количеством опор в зависимости от глубины моря в месте бурения (по данным ЦНИИ им. Крылова)Таблица 8Распределение самоподъемных установок с различным количеством опор в зависимости от глубины моря в месте бурения (по данным ЦНИИ им. Крылова)

Количество опор

Глубина моря, м

Всего установок

До 20

20-80

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

Более 80

3

2

5

9

10

8

6

7

6

53

4

3

7

3

1

3

3

2

I

23

5

.

—

—

—

1

1

—

2

6

1

—

2

3

—

—

—

—

6

8

—

—

4

—

2

—

—

—

6

12

—

—

—

1

—

—

—

—

1

14

—

—

I

—

—

—

—

1

Количество опор

Глубина моря, м

Всего установок

До 20

20-80

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

Более 80

3

2

5

9

10

8

6

7

6

53

4

3

7

3

1

3

3

2

I

23

5

.

—

—

—

1

1

—

2

6

1

—

2

3

—

—

—

—

6

8

—

—

4

—

2

—

—

—

6

12

—

—

—

1

—

—

—

—

1

14

—

—

I

—

—

—

—

1

Таблица 8

Распределение самоподъемных установок с различным количеством опор в зависимости от глубины моря в месте бурения (по данным ЦНИИ им. Крылова)

Таблица 8

Распределение самоподъемных установок с различным количеством опор в зависимости от глубины моря в месте бурения (по данным ЦНИИ им. Крылова)

ПЕРЕДВИЖНЫЕ САМОПОДЪЕМНЫЕ ПЛАТФОРМЫ.

Такие основания используются при глубине моря 30—100 м. Они получили за рубежом наибольшее распространение (в настоящее время их насчитывается более 100). Платформа буксируется на место с поднятыми опорами. На точке бурения опоры опускаются и несколько внедряются в дно. Затем понтон поднимается выше уровня воды, и на этом установка платформы заканчивается.

Основным элементом, который определяет конструктивный тип такой платформы, является количество опор, меняющееся в довольно широких пределах — от 3 до 14. Как видно из. табл. 8, в настоящее время используются платформы, имеющие

и 4 опоры, причем наиболее равномерно на всех глубинах применяются платформы с тремя опорами. Опоры могут быть цилиндрическими или ферменными. Понтон платформы — это огромный поплавок зачастую шестиугольной формы. Ширина его около 60 м, а высота 8 м. Он состоит из трех палуб. На верхней располагается буровое и вспомогательное оборудование, на средней — жилые помещения (на 50—80 человек)^ столовая, комната отдыха и т. п., на нижней палубе — силовое оборудование, насосы, складские помещения. Основные сведения о некоторых самоподъемных платформах сведены в табл. 9.

ПЛАВУЧИЕ МОРСКИЕ ОСНОВАНИЯ

Полупогружные платформы. Эти буровые основания используются в тех случаях, когда глубина моря над местом проведения работ превышает 100 м. На рис. 9 показана последовательность установки платформы «Трансуорд риг 61» на точке бурения. Стабилизация положения платформ осуществляется якорями. '

Таблица 9

Название платформы, или фирмы-изготовителя

Глубина моря,

Скорость подъема понтона, м/мин

Длина опор, м

Примечание

■Фирма «Летурно»

61

3

0,46—1,37

—

Размеры понтона 49,7X51,8X7,6 м, диаметр башмаков опор 26,2 м

«Нептун-Гасконь»

70—80

3

—

116

Предназначена для эксплуатации прн высоте волн до 20 м

■«Пенрод 64»

76

3

0,45

—

Площадь опорных башмаков (общая) 474 м2; размеры платформы 70,1X60,9X7,9 м

Фирма «Бетлхем стип»

119

3

—

123

Размеры понтона

59,1X35, IX 6,2 м

Фирма «Мицу-

■бисн»

76

4

0,3—0,6

108

Размеры понтона 84,1X39,6X6,7 м; снабжена двумя винтами; скорость передвижения 8,5 узла

«Петробраз III»

96

3

—

131,-7

Размеры понтона

67,1X63,7X7,6 м

Платформа типа ЕТА

106

3

0,3

157,3

Размеры понтона

70,9 X 64,7 X 7,6 м

Технические данные некоторых самоподъемных платформ

Рис. 9. Последовательность установки платформы «Трансуорд риг 61» на точке.

бурения.

б — балластировка стабилизирующих колоин; е — про-и подъем корпуса над поверхностью воды на 10 м;

Полупогружные платформы предназначены для бурения при больших глубинах морей в тяжелых климатических и метеорологических условиях.

В большинстве случаев платформы являются самоходными, а построенные ранее несамоходные дооснащаются ходовыми двигателями. По данным Десятникова И. А. и др. (1976), крупнейшие фирмы интенсифицируют изготовление полупогружных самоходных платформ (табл. 10).

В качестве одного из примеров таких платформ можно рассмотреть полупогружное самоходное буровое морское основание «Уэстерн Пейсеттер», разработанное одной из крупнейших в США нефтедобывающих фирм «Уэстерн». Основание плат- 26

Количество полупогружных самоходных платформ, изготавливаемых крупнейшими зарубежными фирмами

Страна

Фирма

Количество строящихся платформ

США

«Маратон тэньюфэкчурннг» «Бетлхем шипбилдинг» «Лигвннстон шипбилдинг» «Эйвандейл шинъярдз»

22

17

16

7

Норвегия

«Акергруп»

И

Финляндия

«Раума-Репола Ой»

И

Сингапур

«Робин лох»

10

Япония

«Мицуи»

«Мицубиси»

9

5

Франция

GEM

1 8

а — прибытие на место бурения; дувка стабилизирующих колонн г — начало бурения.

Таблица 10*

формы состоит из двух горизонтальных погружных корпусов, выполненных в виде понтонов. Основание планируется для бурения скважин как в Северном море, так и в других морях с тяжелыми погодными условиями. Каждый из корпусов-понтонов имеет размеры 79,25X15,24X6,1 м и форму в виде корабля, что обеспечивает хорошие мореходные качества. Гребные винты (два) имеют диаметр 3 м, приводятся в действие четырьмя электродвигателями суммарной мощностью 4400 кВт, что обеспечивает скорость движения 6 узлов.

Установка на дне осуществляется восемью якорями по 13,6 т. На буровой палубе расположено помещение для обслуживающего персонала, буровая вышка обшита щитами.

Норвежская фирма «Хейер-Эллефсен» поставляет на международный рынок полупогружные платформы из армированного бетона типа «Кондрилл». Такая установка представляет собой массивное бетонное сооружение и предназначена для эксплуатации в тяжелых погодных условиях в любых районах Мирового океана. Спроектирована она так, что может устойчиво работать при внезапных волнах высотой до 30 м.

Платформа «Кондрилл» полностью изготовлена из железобетона. Она состоит из эллипсоидной донной плиты, кессона и восьми колонн, на которые опирается бетонная палуба. Кессон представлен четырнадцатью вертикальными цилиндрическими камерами, наружный диаметр которых колеблется от 8,25 до 15 м. Шесть из них закрыты куполообразными крышками, а остальные восемь выступают выше ватерлинии, и на них крепится палуба, размер которой 43X78 м. Всего на платформе две палубы, и их общая площадь составляет 4400 м2. Во время работы платформа крепится по дну десятью якорями. Глубина вод, при которой осуществляется бурение, составляет 300 м.

Платформа с натяжными опорами (рис. 10)—это полупо- гружное буровое основание треугольной формы. Три вертикальные угловые опорные колонны не доходят до дна и к якорям крепятся с помощью натяжных тросов. При этом платформа удерживается на месте и исключаются ее вертикальные и горизонтальные перемещения.

Оригинальной конструкцией является полупогружное основание «Биг буй 6000», созданное концерном «Тросван». Платформа имеет систему динамической стабилизации на точке бурения, однако может быть оснащена также и обычной якорной системой. Использовать такую платформу можно практически при любой глубине моря. Нижняя часть платформы изготавливается из бетона (ее высота 16 м), а верхняя — из стали.

Французский институт нефти в содружестве с двумя концернами разработал конструкцию полупогружного основания «Ди- посеми» (рис. И) с системой динамической стабилизации. Такое буровое основание может работать без простоев во всех

Рис. 10. Полупогружная буровая плат-Рис. 11. Полупогружное основание «Дипосеми».форма с натяжными опорами.Рис. 10. Полупогружная буровая плат-Рис. 11. Полупогружное основание «Дипосеми».форма с натяжными опорами.

Рис. 10. Полупогружная буровая плат-Рис. 11. Полупогружное основание «Дипосеми».

форма с натяжными опорами.

Рис. 10. Полупогружная буровая плат-Рис. 11. Полупогружное основание «Дипосеми».

форма с натяжными опорами.

Рис. 12. Схема размещения оборудования, производственных и жилых помещений на буровом судне «Пеликан».

/ — помещение для вычислительных машин; 2 —жилые помещения; 3 — трюмы для труб; 4 —- пост бурового мастера; 5— буровая вышка; 6— погружная телекамера; 7 — помещение для буровых насосов; 8 — трюмы для хранения материалов и. приготовления промывочной жидкости; 9—машинное отделение; 10— приводные механизмы.

морях земного шара при глубине моря до 1000 м, в том числе и в водах, где встречаются айсберги. Основание «Дипосеми» представлено тремя кессонными блоками, которые расположены по вершинам равностороннего треугольника со стороной 80 м. На вертикальных опорах блоков укреплена палуба в виде диска. Она имеет наклон 20° от центра к краям, наружный ее диаметр равен 71 м, а высота в центре 9 м. Блоки-поплавки в цилиндрической их части имеют длину 22 м и диаметр 14 м. Общая длина каждого поплавка 52 м. Общая высота опор- колонн 25 м, длина корпусной части 9,5 м, а диаметр от 9 до 12 м. Основание буровой вышки расположено в центре палубы. По наружному ее кольцу находятся жилые помещения. Платформа «Дипосеми» позволяет производить буровые работы при течении 3,6—5,4 км/ч, ветрах до 108—117км/ч и волнах до 15 м с периодом. 12 с. Постоянное положение платформа сохраняет при ветрах до 216 км/ч и волнах высотой до 32 м с периодом 15—16 с.

Буровые суда. В районах с большими глубинами моря кроме полупогружных платформ достаточно широко используются буровые суда. Одним из наиболее удачных считается буровое судно «Пеликан». Сейчас работает около десяти судов этого типа. Первое из них успешно испытывалось в Северном море. Бурение с такого судна осуществляется при глубине моря до 600 м. Длина судна составляет 150 м, а высота буровой вышки 73 м (рис. 12). При использовании такого судна работы в море без пополнения запасов можно вести в течение 3 месяцев. Интересной особенностью бурового судна «Пеликан» является то, что при приближении айсберга он может сойти

с точки бурения в течение 40 с. Установка на место бурения продолжается 10 мин.

В ■ США построено буровое судно «Дальмахой», работающее у берегов Австралии. Длина судна 118,3 м, ширина 23,7 м, осадка' 6,0 м. Максимальная глубина моря при использовании этого судна составляет 210 м. Над устьем скважины судно фиксируется с помощью акустической системы, которая работает с использованием трех датчиков акустических сигналов, установленных на дне. Кроме 'того, имеется телевизионная камера для контроля за работой буровой установки, действующая на глубине до 300 м.

Аналогичного назначения буровые суда строятся и проектируются в Голландии, США, Японии, Великобритании и некоторых других странах. Следует отметить, что в стадии завершения строительства находится буровое судно «Дискаве- рер 534», которое предназначено для бурения при глубине моря 1800 м.

Современная техника подводных горных работ

Освоение минеральных ресурсов океана находится в начальной стадии, и в основном производится разработка полезных ископаемых шельфа, т. е. горные работы осуществляются ' на небольших глубинах. И это предопределяет стремление при разработке твердых полезных ископаемых максимально использовать уже существующую технику, широко применяемую при гидромеханизационных работах и работах по углублению дна рек и морских портов. Следует отметить, что дноуглубительные работы, особенно в последнее время, интенсивно совершенствуются, поскольку возрастающая грузоподъемность судов приводит к увеличению их осадки и соответственно вызывает < необходимость углублять дно в пределах большинства действующих портов. Кроме того, рассматриваемая техника может в упрощенных вариантах использоваться для проходки открытых подводных разведочных выработок и осуществления крупнообъемного опробования рыхлых отложений океана [15].

К современным механизмам для производства подводных горных работ следует отнести землесосные снаряды, эрлифтные и эжекторные (гидроэлеваторные) снаряды, механические драги, скреперные драги, канатно-скреперные установки и комбинации перечисленных механизмов. При использовании такой техники подводных горных работ в открытом море наибольшее распространение получили килевые плавсредства, на которых монтируется оборудование. В защищенных от волнений поверхности моря заливах и бухтах применяются плавсредства понтонного типа.

Землесосные с н ар яд ы. Из всех существующих средств подводной добычи полезных ископаемых и дноуглубления

наиболее распространены земснаряды с грунтовыми насосами. В основном земснаряды применяют для выполнения гидромеханических работ при речной и озерной выемке горных пород дна акватории. В последнее время земснаряды стали использовать и для добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов в прибрежных районах, защищенных от штормов, и других местах, откуда при необходимости можно быстро отбуксировать земснаряд в защищенное место. Земснаряды с грунтовыми насосами можно классифицировать по многим признакам, в частности по способу грунтозабора. Существуют земснаряды, разрабатывающие грунт непосредственным всасыванием, всасыванием с предварительным механическим рыхлением, с предварительным гидравлическим рыхлением, а также комбинированными методами рыхления.

Земснаряды общего назначения предназначены для работы на песчаных и супесчаных грунтах при глубине разработки от 3 до 15 м (от уровня воды). Производительность таких земснарядов по грунту колеблется от 80 до 1000 м3/ч.

Типичным представителем земснаряда общего назначения является земснаряд 300-40. Корпус его состоит из водонепроницаемых отсеков. На земснаряде установлен грунтовый насос марки 20Р-11 и два насоса для технического водоснабжения. Грунтозаборное устройство землесоса подвешено к стреле. Неподвижная и подвижная его части соединены между собой шаровым шарниром. В качестве рыхлителя используется стальная литая фреза. Снаряд передвигается при помощи папиль- онажного устройства, состоящего из двух носовых электролебедок и* аппарата свайного хода. Первая модель земснаряда типа 300-40 появилась в 1940 г. С тех пор проведен большой объем конструкторских работ по его модернизации.

Одним из наиболее мощных отечественных земснарядов является снаряд типа 1000-80. Общая мощность двигателей земснаряда достигает 5130 кВт. Его производительность при благоприятных условиях до 800 тыс. м3 грунта в месяц при дальности подачи пульпы 4 км.

Кроме землесосных снарядов общего назначения существует ряд землесосов специальных конструкций. К ним относятся разборные землесосные снаряды, которые используются в пунктах, не имеющих водных путей сообщения. Основным требованием к этим земснарядам является возможность транспортировки их составных частей по суше. В СССР изготавливают разборные земснаряды производительностью по грунту до 250 м3/ч. В США и Голландии выпускаются землесосные снаряды сборно-разборной конструкции, что позволяет транспортировать их на автомобилях или по железной дороге. Изготовление разборного земснаряда несколько дороже, чем цельносварного, но это окупается при его транспортировке, которая сухим путем осуществляется быстрее, чем водным, и обходится дешевле.

К земснарядам специального назначения относится плавучее оборудование для разработки тяжелых грунтов. Оно отличается- от землесосных снарядов общего назначения наличием сменных грунтозаборных устройств. Например, на землесос 350-50Т могут быть установлены три типа грунтозаборных устройств: фрезерное, роторно-ковшовое системы В. А. Мороза и ковшовое (землесос-лопата) системы Б. М. Шкундина. Мощность привода рыхлителя увеличена приблизительно в 3 раза, а глубина разработки (от -уровня воды) достигает 18 м. Все пульповодные коммуникации допускают работу на сильноабразивных грунтах .

Земснаряды для разработки грунтов на больших глубинах также относятся к снарядам специального назначения. Для обычных земснарядов предельная целесообразная глубина разработки колеблется от 18 до 20 м. В некоторых случаях необходимо разрабатывать материал дна с больших глубин. В 1966 г. в Киеве был изготовлен глубинный земснаряд типа 500-70ГЛ, который за счет размещения грунтового насоса ниже уровня воды позволил добывать горные породы с глубины 45 м. Земснаряд рассчитан на разработку песчаных, песчано-гравийных, а также связных грунтов и плотных глин. Производительность его 500 в тяжелых грунтах и 1000 м3/ч в неслежавшихся песках.

Грунтовый насос земснаряда вместе с приводным электродвигателем смонтирован в герметической капсуле, встроенной в верхнюю часть рамы грунтозаборного устройства. Капсула специальной шахтой соединяется с палубой, что значительно облегчает обслуживание грунтового насоса. Максимально возможное заглубление центра рабочего колеса грунтового насоса в воду 15 м. Для увеличения дальности подачи пульпы на земснаряде установлен второй грунтовый насос, располо- л женный выше ватерлинии.

Морские землесосы разрабатывают мелкий и крупный пески, а с рыхлителем — и слежавшийся гравий. Производительность отдельных землесосных установок достигает 8000 м3/ч. Землесосы могут работать при волнении.4—5 баллов. Для уменьшения влияния волнения на производительность землесосов применяют всасывающие пульповоды на амортизаторах, обеспечивающих контакт наконечника такого пульповода с грунтом при волнении до 6 баллов. Землесосы, предназначенные для работы в открытом море, иногда монтируют на самоподъемных платформах (рис. 13). Например, установка голландской фирмы «Холланд» на самоподъемной передвигающейся платформе может разрабатывать полезные ископаемые и осуществлять дноуглубление на глубине 25 м. Платформа землесоса имеет в плане форму буквы Г с длиной каждой стороны 30 м. По концам платформы и у ее вершины расположено по две опоры длиной 38 м. Скорость передвижения платформы

Рис. 13. Голландская самоподъемная землесосная установка, передвигающаяся на опорах.

— причальное устройство; 2 — гидроцилиндр подъема фермы землесоса; 3— Г-образная плавучая платформа; 4— парные подъемные вращающиеся опоры; 5 — ферма землесоса; 6— съемный механический рыхлитель; 7 — оттяжка поворота фермы.

8,8 км/ч. У вершины внутреннего угла платформы шарнирно крепится ферма, по которой проходит всасывающий пульповод, имеющий рыхлитель. Поворот фермы при по

мощи лебедок обеспечивает ширину отрабатываемой траншеи 41 м. При максимальной глубине разработки 25 м платформа возвышается над уровнем моря на 4 м. Общая мощность дизельной установки землесоса 1250 кВт, производительность по грунту 1000 м3/ч.

Эрлифтные снаряды. Являются глубоководными добычными устройствами, широко применяющимися для подвод

ной добычи нерудных полезных ископаемых в реках и озерах, а также для добычи полезных ископаемых со дна морей и океа

нов. Сравнение энергетических и технико-экономических показателей различных типов всасывающих устройств позволяет сделать вывод об эффективности применения эрлифтов, отличающихся простотой конструкции и выеокой надежностью при разработке полезных ископаемых на глубинах вод более 10— 15 м, что во многих случаях предопределяет их выбор в качестве добычного оборудования для эксплуатации морских россыпей и полезных ископаемых внутренних водоемов.

Эрлифт представляет собой погруженную в воду трубу с открытыми концами, в которую подается сжатый воздух. Воздух, вводимый в виде пузырьков, образует смесь, удельный вес которой меньше удельного веса воды, окружающей трубу, в результате чего смесь поднимается вверх и выливается из трубы в приемные сосуды. Если обеспечить контакт нижней части трубы с несвязными донными отложениями, то струи воды, поступающие в трубу, будут размывать и транспортировать грунт из зоны, определяемой полем скоростей перед устьем подъемной трубы эрлифта.

В отечественной и зарубежной практике эрлифтные снаряды применяют все более широко. ЛенморНИИпроект Министерства морского флота СССР разрабатывает эрлифтные снаряды

Рис. 14. Эрлифтный дноуглубительный снаряд.

/ — груитозаборное устройство; 2 — форсунка эрлифта; 3 — воздухопровод; 4 — подъемная труба; 5 — лебедка; 6 — компрессор; 7 — трюм.

для дноуглубительных работ. После предварительных экспериментальных исследований на базе несамоходной грунтоотвоз- ной шаланды построен эрлифтный снаряд с производительностью по грунту 220 м3/ч (рис. 14).

Для обеспечения эрлифта сжатым воздухом использовался компрессор производительностью 1500 м3/ч с электродвигателем 88 кВт. Грунтозаборный пульповод поднимался и опускался с помощью лебедки с электроприводом мощностью 5,5 кВт. На участке поворота пульповода устанавливался сальниковый шарнир. Для питания компрессора эрлифта и вспомогательных установок на борту шаланды смонтирован дизель-генератор, а сам снаряд буксировался катером. Грунтозаборный пульповод эрлифта выполнялся диаметрами 250 и 350 мм. Высота подъема пульпы над уровнем моря при незагруженном трюме шаланды 3,1 м.

В зависимости от плотности и состава донных отложений расход воздуха на подъем 1 м3 грунта колебался от 4,3 до 17,5 м3. Экспериментальный эрлифтный снаряд испытывался на Черном и Азовском морях. Результаты испытаний были учтены при создании более крупного эрлифтного снаряда «Онега» производительностью 700 м3/ч, который был испытан в 1968— 1969 гг. на илистых грунтах.

ВНИИнеруд в 1966 г. испытал эрлифтный землесосный снаряд, предназначенный для подводной разработки песчаногравийных грунтов. При глубине разработки 15 м и диаметре

грунтозаборного пульповода 350 мм снаряд обеспечивал производительность 100 м3/ч. Затем был построен эрлифтный снаряд ЭрЗСВ-250/30 производительностью 250 м3/ч при глубине разработки 30 м. Снаряд выполнен с двумя грунтозаборными пульповодами диаметром 400 мм, оснащенными гидрорыхлителями. Пульпа из грунтозаборных пульповодов подается в грунтовый колодец снаряда, где освобождается от воздуха и далее транспортируется землесосом. Снаряд перемещается папиль- онажными лебедками. В настоящее время ВНИИнеруд работает над созданием серии землесосных эрлифтных снарядов, в основу конструкции которых положен -снаряд ЭрЗСВ-250/30.

В зарубежной практике значительных успехов в области создания эрлифтных снарядов добился венгерский трест «До- рогские угольные шахты», который выпускает несамоходные эрлифтные снаряды производительностью по грунту 70— 150 м3/ч при максимальной глубине разработки 40 м. В настоящее время эксплуатируются девять эрлифтных снарядов типа «Гидроп» в Венгрии, Югославии, Польше, Чехословакии и Франции. Семь из них оснащены обезвоживающими ленточными конвейерами системы «Деколт». Форсунки венгерских эрлифтных снарядов имеют щелевые отверстия для более равномерного ввода сжатого воздуха в грунтозаборный пульповод. В них используются гидравлические рыхлители, причем сопла гидромониторов расположены так, что одни из них рыхлят грунт перед всасывающим патрубком, а другие осуществляют принудительную его подачу во всасывающий патрубок. Несмотря на то что такая конструкция рыхлителя несколько разжижает пульпу, она дает возможность успешно разрабатывать подводные месторождения строительного песка и гравия.

Группа компаний «Коллинз» использует драги с эрлифтным подъемом при добыче алмазов у берегов Юго-Западной Африки с глубин 10—30 м. Южнее бухты Людериц алмазные россыпи разрабатываются с глубины 100 м при помощи эрлифтного снаряда с гибким грунтозаборным пульповодом, оснащенным гидравлическим рыхлителем.

Для глубоководной разработки полезных ископаемых морского дна эрлифтные снаряды использует американская компания «Дипси венчас». Она производила опытную разработку марганцевых конкреций с глубины 900 м ^рис. 15). Все оборудование эрлифтного снаряда размещалось на специальном судне водоизмещением 7500 т. В центре судна смонтирована шахта, через которую специальным подъемным устройством спускали грунтозаборный пульповод диаметром 250 мм. В нижней части вертикальный отрезок пульповода при помощи шарового шарнира соединялся с наклонным отрезком, смонтированным в защитной ферме, расположенной под углом 30° к горизонту. Нижний конец всасывающего пульповода соединялся со специальным сгребающим устройством. При работе установка

Рис. 15. Эрлифтная установка компании «Дипси венчас».

/ — специализированное судно; 2— подруливающие установки; 3 — форсунки эрлифта; 4— двигатель; 5 — подъемный трубопровод; 6 — шарнирный компенсатор; 7 — сгребающий агрегат; 8 — конкреции.

обеспечивала производи- . тельность добОт/ч. В настоящее время компания создает промышленные образцы эрлифтных снарядов такого типа с годовой производительностью 1 млн. т марганцевых конкреций.

На основе отечественного и зарубежного опыта эксплуатации эрлифтных снарядов можно сделать вывод: наиболее рациональная область применения эрлифтов— разработка рыхлых донных отложений при сравнительно небольших глуби- нах. Однако опыт использо- — вания эрлифтов при добыче

марганцевых конкреций с глубины 900 м свидетельствует о значительных перспективах применения эрлифтных снарядов для глубоководной разработки полезных ископаемых.

Эжекторные (гидроэлеваторные) снаряды. Представляют собой землесосные механизмы, в которых в качестве всасывающего агрегата используется водоструйный насос (эжектор). Принцип работы эжекторного грунтозаборного устройства ясен из рис. 16. Вода от внешнего гидронасоса подводится по патрубку к наконечнику и попадает в межтрубное пространство, а затем в кольцевой зазор, образованный входной горловиной и кольцом. Из кольцевого зазора вода с большой скоростью устремляется в смесительную камеру, захватывая частицы грунта, расположенные перед входной горловиной. Из смесительной камеры пульпа попадает в конический диффузор и далее во всасывающий пульповод. Для размыва грунта предусмотрена мониторная насадка. Эжекторное грунтозаборное устройство при благоприятных условиях в подводном забое может обеспечить устойчивую консистенцию пульпы и высокий коэффициент использования рабочего времени земснаряда, что в известной степени компенсирует сравнительно

Рис. 16. Принципиальная схема эжекторного грунтозаборного устройства.

/—гидрорыхлитель; 2— съемная кольцевая насадка; 3— кольцевой зазор; 4 — смесительная камера; 5 — кольцевая напорная камера; 6 — диффузор; 7 — напорный патрубок..

низкий к. п. д. самого эжектора. Применять эжекторные грунтозаборные устройства целесообразно при глубине разработки свыше 20 м на малых и средних земснарядах. Специальные эжекторные снаряды с успехом используются для проходки подводных траншей и прокладки газо- и нефтепроводных дюкеров.

Широкое применение эжекторные снаряды также находят и за рубежом. Так, английская фирма «Экроу» производит земснаряды с эжекторным грунтозабором производительностью от 100 до 688 м3/ч, с диаметрами всасывающих пульповодов от 203 до 457 мм. Грунтозаборные рамы этих снарядов состоят из двух труб (одна является пульповодом, а вторая — напорным водоводом). На землесосах устанавливают гидравлические рыхлители. Снаряды могут быть использованы для разработки песчано-гравийных месторождений, залегающих на большой глубине и сложенных высокоабразивными материалами. Пульпа подается на небольшое расстояние, предпочтительна ее перегрузка непосредственно в баржи.

Механические драги. Наряду с землесосными снарядами они могут быть использованы для подводной добычи полезных ископаемых как во внутренних водоемах, так и в открытом море, а также для подводных строительных работ. Драги производят механическое отделение донных горных пород и их транспортировку на поверхность при помощи ковшей различного типа: открытых, закрывающихся (грейферов), одиночных или собранных в замкнутую цепь.

Драги; предназначенные для разработки полезных ископаемых, обычно представляют собой автономные комплексы, несущие на борту добычное и обогатительное оборудование. Мно-

Рис. 17. Японская глубоководная драга для добычи конкреций.

/ — надводное судно, движущееся вперед и лагом; 2— трос с ковшами; 3— траншея, разрабатываемая драгой.

гоковшовые драги применяют свыше 80 лет. Использование драг в условиях открытого моря ограничивается их плохими мореходными качествами. При волнений 2—3 балла нарушается контакт ковшей с забоем, они начинают работать вхолостую и производительность драги резко снижается, поэтому область

применения современных механических драг территориально ограничивается внутренними водоемами, прибрежной зоной морей при спокойном состоянии моря, заливами и проливами при наличии вблизи порта-убежища.

Районы действия драг, как правило, ограниченны, а рабочий ход самой драги невелик (1—2 узла). Поэтому драги не имеют собственных двигателей, а являются буксируемыми снарядами. Рабочие’ перемещения драг осуществляются папильонажными лебедками. При водоизмещении 2500—3000 т производительность драг достигает 150—200 м3/ч; количество ковшей до 117, вместимость каждого от 400 до 700 л. Современные морские драги обеспечивают разработку пород дна акватории на глубине 18—40 м. Извлеченный со дна материал обычно транспортируется грунтоотвозными шаландами.

Интересен японский вариант глубоководной многочерпаковой драги (рис. 17) для добычи железо-марганцевых конкреций с глубины до 6000 м. В качестве черпаковой цепи на драге применен нескручивающийся синтетический трос, к которому при помощи мантильских строп прикреплены ковши. Драгу приводят в движение специальные тяговые устройства, расположенные на корме и носу судна. Длина участка троса, лежа

щего на грунте, меняется в зависимости от мощности привода, вместимости ковшей и глубины разработки. Глубоководные испытания (до 3700 м) проводились в районе о. Таити с грузового судна дедвейтом 1400 т, длиной 79 м и шириной 11 м. Было испытано 240 ковшей различного типа вместимостью 50— 100 кг, присоединявшихся к тросу через каждые 25 м. На испытаниях было установлено, что драга такого типа вполне пригодна для добычи конкреций с морского дна. К достоинствам системы можно отнести возможность ее размещения почти на любом судне без существенных его переделок, а также возможность обеспечения простого ее осмотра и ремонта.

Драги, на которых используются грейферные ковши, могут работать при волнениях до 5 баллов. Грейферные драги менее металлоемки и проще по конструкции, чем многочерпаковые,

что значительно снижает их стоимость. Они могут работать на любых грунтах, кроме скальных, и имеют значительную вместимость ковша. Ковш грейферной драги поднимается и опускается при помощи кранов, которые передвигаются по палубе. Это позволяет в значительной степени сократить перемещения самого дражного снаряда. Для повышения эффективности работы грЪйферных драг применяют несколько одновременно работающих ковшей, заменяемых в зависимости от характера разрабатываемого грунта. По сравнению с многочерпаковыми грейферные драги обладают значительно меньшим сопротивлением движению корпуса в воде, поэтому целесообразно устанавливать на них собственные ходовые двигатели. Современные грейферные драги имеют башенные краны с вылетом 20— 70 м и высотой до 15 м. Вместимость ковшей меняется от 3 до 18 м3, а их производительность достигает 250 м3/ч при глубине разработки до 75 м.

В Малайзии на добыче олова используется драга «Динозавр», имеющая два одновременно работающих грейфера вместимостью до 4,6 м3. Из режима черпания в режим разгрузки грейферы переводятся без остановки. При времени черпания 20 мин с глубины 41 м производительность драги составляет 235 м3/ч. Аналогичные, снаряды используются в Японии для добычи железосодержащих песков. С возрастанием глубины черпания производительность грейферных драг падает в связи с увеличением времени спуско-подъемных операций и ограничением скорости выполнения этих работ вследствие сопротивления воды движению.

По данным последних зарубежных исследований, промышленную добычу полезных ископаемых со дна морей и океанов можно осуществлять экскаваторами — драглайнами до глубины 1500 м. В США проектируются драги с драглайном для добычи глубоководных конкреций, которые имеют следующие технические характеристики в зависимости от глубины черпания:

Глубина черпания, м 305915

Вместимость ковша, м3 13,213,2

Мощность драглайна, кВт 11001180

Производительность, м3/сут . . . .670437

Наряду с традиционной ковши драглайнов могут иметь и крылообразную форму. Драглайны широко применяются для гидромеханических работ на дне озер и рек. Для добычи рутила компанией «Нейшан минерале» успешно использовался драглайн в -комплексе с землесосом. Первый производил основную выемку породы, а землесосом зачищалось дно.

Кроме драглайнов получили распространение штанговые снаряды, представляющие собой несамоходные суда со сваями. В качестве добычного органа на них, как правило, устанав-

Рис. 18. Штанговый земснаряд с выносом корпуса из воды на сваях.

ливается экскаватор с прямой лопатой, но имеются также штанговые снаряды с грейферным ковшом. Глубина разработки штанговыми снарядами достигает 18 м. Рабочие перемещения осуществляются лапильонажными устройствами. Штанговые снаряды в основном используют для строительства портов, а также для добычи стройматериалов в зонах, защищенных от волнения водной поверхности. Очевидно, эти суда найдут применение при разработке прибрежных месторождений в не защищенных от волнения зонах, так как их корпус может подниматься над уровнем воды на сваях (рис. 18). При необходимости штанговые снаряды с прямой лопатой или грейфером могут быть оборудованы копровым ДОЛОТОМ, ПОЗВОЛЯЮЩИМ Дробить скальный грунт.

Скреперные драги. Используются в основном на океанографических судах для подъема образцов пород дна с глубины до 9000 м. Ковш скреперной драги с борта корабля на тросе опускают на дно. Под действием тяги судна он переме-

щается по дну, наполняясь породой, а затем лебедкой поднимается на борт судна. В США скреперные драги т'акого типа с вместимостью ковша 1 т применяют при добыче марганцевых , конкреций у берегов Флориды. Московским горным институтом разработаны ковшовые добычные устройства с гидродинамическим взвешиванием, которые могут применяться и для скреперных драг, и для драглайнов. Благодаря крылообразной форме увеличиваются вместимость ковша, скорость его подъема и глубина черпания. Такие ковши крепятся к тросу по специальному варианту подвески и поднимаются в воде с определенным углом атаки.

Канатно-скреперные установки. Подводные месторождения, расположенные в непосредственной -близости от берега или являющиеся продолжением береговых, на глубинах вод до 3—4 м можно успешно разрабатывать канатно-скреперными установками. Большое распространение этот опыт получил в ФРГ, США и ГДР. При использовании канатно-скреперных установок наибольшие затруднения вызывает устройство задней опоры, расположенной в море. Например, на японской канатно-скреперной установке задняя опора располагается на специальной тележке, передвигающейся по рельсам, уложенным на дне. Из-за необходимости уменьшения участков соприкосновения тягового троса с дном и сокращения длины пути волочения ковша по дну требуется устройство высоких передвижных береговых опор, которые монтируются на салазках и перемещаются лебедками или имеют гусеничный ход.

Канатно-скреперные установки в большинстве случаев используют при перегрузке грунта в сухопутные транспортные средства для доставки на обогатительную фабрику. Однако имеются и передвижные обогатительные фабрики, на которые грунт подается непосредственно скрепером.

Существуют скреперные ковши с колесным ходом. При их использовании значительно уменьшается тяговое усилие и сокращается цикл скреперования. Оригинальной является созданная в Московском горном институте конструкция скреперного ковша с эластичными стенками, закрепленными по его периметру. При движении ковша скоростной напор создает под ним гидростатическое давление, взвешивающее ковш, который движется подобно судам на воздушной подушке.

Существует конструкция скрепера, позволяющая ему двигаться по дну моря без опорных, приспособлений. Скрепер перемещается с берега в море высокоскоростной лебедкой экскаватора, стоящего на берегу. Барабан, установленный на ковше, сматывая с него трос,, приводит во вращение лебедку. Он же вызывает вращение задних колес ковша, с которыми он связан определенным передаточным соотношением, поэтому ковш движется в море, тогда как трос лебедки препятствует этому дви-

жению. При рабочем ходе скрепера в сторону берега трос сматывается с барабана лебедки и наматывается на приводной барабан ковша.

Наиболее перспективными полезными ископаемыми глубоководного дна США считают железо-марганцевые конкреции (ЖМК). Это подтверждается ожидаемыми затратами (до 800 млн. долл.) на развертывание их добычи в 1980—1985 гг. (табл. 11). Целесообразность этого объясняется огромными запасами ЖМК. По различным источникам полагают, что на глубинах от 30 до 3000 м содержится более 1,5-1012 т ЖМК.

Особенностью ЖМК является то, что они в основном сосредоточены в поверхностном слое дна океана. На этом уровне запасы ЖМК в 4 раза больше, чем на глубине 1 м ниже уровня дна. Наиболее перспективными являются районы северной части Тихого океана на глубине от 4 до 6 тыс. м. Системы разработки ЖМК на больших глубинах представлены на рис. 19.

Одной из самых сложных операций в технологическом цикле разработки ЖМК зарубежные специалисты считают подъем полезного ископаемого (табл. 12) до уровня водоема [72]. Опыт использования судна обеспечения, оснащецного многочерпаковой цепью, известен,, и первые эксперименты дали положительные результаты. В настоящее время группа французских и японских специалистов разрабатывает технологию многочерпако- вой добычи и транспортировки со дна при использовании для этих целей двух кораблей обеспечения. Принцип такой системы достаточно прост. Толстый нейлоновый плавучий канат опу. скается за борт в виде длинной петли. С использованием фрикционной передачи один, а при необходимости и оба корабля, создают необходимое усилие для осуществления движения каната. Основной особенностью такой системы является ее гибкость и практическая независимость процесса разработки конкреций от волнений поверхности моря. Возможная глубина, при которой способна работать такая система, составляет около 6,5 км.

Помимо механического перспективными являются гидравлический подъем с V-образными нагнетательными подъемными трубами [73] и эрлифты.

Довольно оригинальным решением для глубоководной разработки является подъем в легких средах. При этом методе керосин (плотность 0,80) нагнетается в гидравлическую подъемную трубу в точке, расположенной в непосредственной близости от грунтозаборника. Обе трубы — подъемная и для подачи керосина— заключены в плавучую обсадную трубу. На поверхности поднятые конкреции просеиваются и промываются. Предполагается, что керосин достаточно легко отделяется от воды в приемном резервуаре, расположенном на судне, и возвращается к насосу, которым он нагнетается.

Данные о разработке конкреций на больших глубинах [72]

Группа

Предлагаемый метод разработки

Предлагаемый метод обработки

Приблизительные расходы на 1975 г., млн. долл.

Расходы на первоначальную программу, млн. долл.

Общие предполагаемые затраты, млн. долл.

Возможное начало работы

Возможное производство к 1985 г, млн. т.

«Кенникотт консорциум»

Гидравлический

Гидрометаллургический, аммиачное выщелачивание

20

50

200

1981

3

«Дипси венчас консорциум»

Хлорирование, селективная экстракция

22

20

150—200

1980

3

Корпорация «Самма»

Ведутся исследования

95

—

250

1977

3

«Сумитомо»

Селективная экстракция

30

33

150—200

1982

2

Французское объединение

Только разведка

Не занимаются вопросами обработки

5

Нет ш

ведений

МИТИ-ОМРДА

(Япония)

То же

—

6

То

же

ГЛБ консорциум

3

i

1

-*Под водой

На морской поверхности

На суше

Варианты

Метод подъема

s

я

«

Судно на поверхности

Наземные предприятия

Устройство для разработки

Транспортировка РУДЫ

Рис. 19. Возможные системы разработки на больших глубинах.

& А — ковш; В — роллер; С — спираль; D — скребковое устройство; Е — захватывающее устройство.

Стоимость гидроподъема, долл./год

Виды затрат

Капитальные затраты

Амортизация

Стоимость работы

Судно на поверхности

6 500

650

550

Гидроподъем

3 600

360

1 800

Контроль процессов на морском дне

4 000

300

1000

Транспортное средство, ведущее разработку

1000

200

500.

Транспортировка людей на большие глубины

3 000

200

300

Итого

18 000

1710

4 150

Баржи

16000

1050

4 000

Буксирные суда

3000

200

750

Выщелачивающая установка

Разведка

Подготовительные работы

Оборудование

Общая стоимость

55 000

5000

10 000

10 000

117100

3667

26333

Примечание. При глубине разработки 4500 м затраты на 1 т конкреций, долл.: разработка 3,91, транспортировка 4,0, обогащение 20.

Техника и технология подводных исследований

Очевидно, что качественное ведение подводных геологоразведочных и горностроительных работ не может быть осуществлено без достаточно полной информации о ходе их осуществления и соответствии намеченным планам. Для проведения самых различных подводных работ, в том числе для контроля за ходом ведения горных работ, могут использоваться [45]: водолазное снаряжение, в котором водолазы вынуждены в конце каждого спуска проходить декомпрессию; дыхательные аппараты с предварительным насыщением организма в специально оборудованных подводных базах, из которых возможен многократный выход акванавтов; обитаемые подводные аппараты; необитаемые подводные аппараты, в основном управляемые по радио (оператор находится на судне обеспечения, в вертолете или на берегу). Ввиду ряда особенностей производства подводных горных работ, а также того, что для нашей страны наиболее характерны моря, расположенные в суровых климатических условиях, у нас значительное применение могут найти обитаемые и необитаемые подводные аппараты.

Необитаемые подводные аппараты (НПА) по сравнению с обитаемыми обладают значительными преимуществами; не 46

требуют системы жизнеобеспечения, имеют большую (практически неограниченную) продолжительность непрерывной работы, большую маневренность и меньшие габаритные ‘размеры, способность работать в узких местах и в подледной обстановке, меньше зависят от погодных условий. При их использовании нет риска для обслуживающего персонала, они значительно дешевле в постройке и эксплуатации. Малогабаритные и достаточно экономичные НПА уже строятся различными фирмами Англии, ФРГ, Финляндии,'США, Японии.

НПА могут быть использованы для выполнения широкого круга работ: поиск и обнаружение затонувших объектов, обследование находящихся на грунте объектов и обеспечение работ по их подъему, монтаж, демонтаж, обследование и ремонт подводных сооружений, исследование толщи воды и дна морей и океанов, разведка и разработка россыпных месторождений и месторождений коренного дна. Они классифицируются по следующим группам:

UTSP— самоходные плавающие управляемые по кабелю аппараты;

UTSI — бункеруемые и опускаемые управляемые по кабелю аппараты;

UFSP — исследовательские автономные самоходные аппараты, управляемые автоматически по заданной программе или по гидроакустическому каналу;

UTPB— самоходные донные управляемые по кабелю аппараты (подводные бульдозеры, кабелеукладчики);

UFSI — автономные погружающиеся буи, дрейфующие в толще воды;

UFBP — автономные придонные самоходные аппараты;

UFBI — автономные придонные погружающиеся приборные блоки;

UTBI — буйковые гирляндные системы, используемые для научных исследований в придонных слоях океана.

Большинство перечисленных НПА уже используются. Широкое распространение получили НПА групп UTSP и UTSI. Аппараты первой группы осуществляют выполнение подводных технических работ (манипуляторы), второй группы — поиски затонувших объектов и обследование дна океана. На рис. 20 показана схема использования поисково-обследовательского НПА, буксируемого с подводного судна-носителя.

Существует большое количество рабочих самоходных (табл. 13) и поисково-обследовательских НПА (табл. 14 и 15), которые могут найти довольно широкое применение при освоении минеральных ресурсов шельфа на всех стадиях решения этой проблемы, от поиска до эксплуатации. Следует отметить, что в настоящее время за рубежом имеется более 50 типов НПА различного назначения.

Рис. 20. Схема использования поисково-обследовательского буксируемого НПА. 1 — донные маякн-ответчикн; 2 — кабель-буксир; 3 — судно-носнтель; 4 — буксируемый аппарат.

/г — расстояние между аппаратом и грунтом; b— ширина полосы обследования гидролокатора бокового обзора; соп — ширина полосы обследования магнитометром.

го

Ч

Месторождения дна акватории и подводные карьеры в плане большей частью имеют вид вытянутых прямоугольников. Продолжительность обследования месторождения или подводного карьера прямыми параллельными галсами определяется [45] по числу поисковых галсов

n=bK«>n-dc. п),где b— ширина района обследования; ®п — ширина полосы об-следования; dc. и — ширина перекрытия смежных полос.

48

S ' в <

.гачао- g£ g о о ур. чо. у з о

о. о я£s 5 Ьу °2 я

s^&хi^=s§«^gs^B

llg-l^f ys-g^M

та я а 5а В О5 ° g g «и §3 Вg Оч

я *яясаига о У =я 5 м SВ в

8 дS’о S Йо- о га оо S >о 5 он 'Я

£ Rя ч и5ч та пя чРя °

« 8ь о.я 5 к3й ГО Ф У *я 5 Ь » ’Xя о

й го о ©аЯ £ гоо я« го я о я с

§ о х ь ч и я у а £ о х х го § о х X о- ч о Е—*Е—<£г* 'Е—<

® £ о О Ч О X СО Z 5 к

О 2 о « S Ж

ююю

1ююю*

XXXX

О)соО)О)

32 «о 2

х

Ч Д

Ч s

ООЬ-ОООООООО

ООО)00 • О О|О со о

^ ^ ^^ СЧ СО со of^ со of

Ь-00о

^.^нсоЬ-

со"оо”

< с X

S

о ”

ОООо

ОООо

сосоg.00

X 3 X Ч ©

X о X cd

X X

о

cd

X X X

X

X

- н-Ь §S

чн чУ

о XЯОу£

яо кЕ.

Ч’Я

о ях В■

XXиьs

у;ого

го х3х

£Ооо.3

8хях я-

ноояо

Q- фО, ГОЯ

го йо °оо

СЬССн

ф н X cd

cd X

ф 3 X

о 5 О

о i s

та В ”

н М g

ё В *

О

& -аз

g° 37£

О—оJ. О

отКМ^2дот

СО

Я ч

XD

4 Заказ № 160

49

Тип, страна, год начала эксплуатации или разработки

Назиачение

Рабочая глубина, м

Масса, т

Длина, ширина, высота, м

Количество и мощность двигателей, кВт

Аппаратура и рборудование

«Телей афт-1», Франция, 1966

Обслуживание подводных нефтяных и газовых скважии, сбор образцов грунта

300

0,88

3,00

1,50

1,50

3X2,5

Гидроакустическая станция, телевизионная камера, кинофотокамеры, светильники, манипуляторное устройство

«Теленафт-I I», Франция, 1968

То же

1000

1,0

4,15

1,50

1,50

ЗХ 2,5

То же

«Телеиафт» (проект), Англия, 1967

Подводно-техническне работы на грунте

—

—

«Ворксат» (проект), США, 1970

Подводные исследования, поисково-подъемные работы, сбор образцов

650

0,32

2,15

6X3,7

Телевизионные камеры, светильники, манипуляторы, инструмент

«Солярис» (проект), Франция, 1970

Подводные исследования, сбор образцов

1500

-—

—

Манипуляторное -устройство, телевизионная камера, светильники

«Хармсторф спедж», США, 1964

Укладка кабельных линий связи в грунте

200

40,0

Телевизионная камера, светильники, грунто- размывочное устройство для рытья траншей глубиной до 6 м д укладки кабеля

Продолжение табл. 13

4ь #

Тип, страна, год начала эксплуатации или разработки

Назначение

Рабочая глубина, м

Масса, т

Длина, ширина, высота, м

Количество и мощность двигателей, кВт

Аппаратура и оборудование

«СФ-1» (проект), ФРГ, 1970

Подводные работы и исследования

1000

1,9

3,80

1,60

2,10

ЗХ-

Гидроакустическая станция, фото- и телевизионные установки, светильники, манипуляторное устройство с контейнером на 24 ячейки, трубки для взятия проб грунта, навигационное оборудование, блок приборов для определения скорости распространения звука в морской воде, эхолоты для определения расстояния аппарата от грунта и от поверхности океана

«Фокас», Финляндия, 1969

Гидрогеологические исследования

—

—

—

ЗХ-

Телевизионная камера, светильники, манипуляторное устройство

СЛ

«Уиитоу», США, 1970

Подледные сейсмические исследования, прокладка кабеля между полыньями

90

0,090

3,65 диаметр 0,45

IX-

Акустическая система наведения с углом захвата 30°, аккумуляторная батарея, винтовой движитель, трос-кабель дойный 2140 м

Тип, страна, год начала эксплуатации или разработки

Назначение

Рабочая глубина, м

Масса, т

Длина, ширина, высота, м

Количество и мощность двигателей, кВт

Аппаратура и оборудование

«Коматцу», Япония, 1969

Подводный бульдозер

60

34,0

8,40

3,75

3,75

I х 125

Телевизионные камеры, светильники, - пост управления

«Хитати», Япония, 1969

То же

12

16,0

6,20

4,10

3,10

1 X П7

То же

«Эрик» (в постройке), Франция, 1976

Обслуживание подводных сооружений

300

1,82

4,0

1,7

1,7

1X7,3

Телевизионные камеры со светильниками, гидролокатор бокового обзора, магнитометр, манипуляторные устройства

«Сабеи воркбоут», США, 1970

Подводные технические работы

450

—

—

2Х-

Две телевизионные камеры в стеклосферах, светильники, манипуляторные устройства

«РУВС-20», США, 1971—1975

Дистанционно управляемая рабочая система для проведения исследований и работ на грунте

6100

2,3

3,30

1,20

1,50

Пассивная и активная гидроакустическая аппаратура, теле- и фотокамеры, светильники, промежуточная погружаемая платформа, манипуляторное устройство с набором сменных инструментов

Примечание. Прочерк — данные не известны.

Тип, страна, год начала эксплуатации

Назначение

Рабочая глубина, м

Масса, т

Длина, ширина,

Скорость букенро-

Аппаратура н оборудование

илн разработки

высота, м

«Тройка», Франция, 1963

Фотосъемка грунта

2000

0,75

4,4

2

Фотокамеры, светильники, приборы управления, трос-кабель.

2,0

2,2

«МПЛ», США,

Гидрографические иссле-

7300

1,80

2,3

4

Гидролокатор бокового обзора, маг-

1975

дования и картографи-

0,8

нитометр, эхолоты, фотокамеры, светильники,звукопрофилеграф

рование дна

0,8

для картографической съемки грунта

«СФ-0» (проект),

Исследование и карто-

500

0,30

2,65

—

Гидролокатор бокового обзора, дат-

ФРГ, 1970

графирование дна

1,39

чики для измерения температуры,

0,45

соленосности, давления, скорости звука, глубины, поворотные рули и автомат управления для букси-

ровки на заданном отстоянии от

•

грунта или для обследования рельефа дна

«Батфиш» (макет-

Океанографические ис-

200

0,07

1,37

14

Автономный источник энергии (кад-

ный образец),

следования

0,99

миево-никелевая батарея с иивер-

США, 1970

0,23

тором мощностью 120 В-А, 200 Гц), фотоаппарат на 2000 кадров, датчики для измерения температуры, давления, количества растворенных газов-кислорода, хлора и др.

«Глория», Англия,

Геофизические исследо-

180

6,7

9,0

—

Гидролокатор бокового обзора с ши-

1969

вания

1,7

1,7

риной полосы 18 км

сл Примечание. Прочерк — данные не известны.

Основные характеристики поисково-обследовательских автономных самоходных НПА [45]

Тип, страна, год начала эксплуатации или разработки

Назначение

Рабочая глубина, м

Масса, т

Аппаратура и оборудование

«Аида», США, 1971

Измерение параметров среды, фотосъемка грунта, взятие образцов

1500

0,7 (балласт 2,5)

Аппаратура для измерения акустических, магнитных, гравитационных, радиационных полей, измерения течений, фотоаппаратура, устройства для взятия образцов грунта

«Дип-Дип», США, 1962

То же

.—

—

Аппаратура и оборудование аналогичны НПА «Аида»; кроме того, имеется радиомаяк для обнаружения аппарата при его всплытии (радиус действия до 10О миль)

«Портной 3», США, 1964

Океанографические исследования

3000

0,49

Приборы для измерения гидрологических параметров

УАРС, США, 1972

Съемка подледного профиля, измерение температуры, солености воды и т. п.

450

—

Датчики для измерения температуры, соле- носности, глубины, прозрачности воды, гидролокатор обнаружения препятствий

«Пингвин», ФРГ, 1970

Измерение гидрологических параметров, взятие проб грунта

300

2,1

—

Примечание. Прочерк — данные не известны.

я

я я <т>

X я X

2 СП

<т> я я я

я Sa

to CD Я Я

я

я яз о

X о Sa о

я яз о

я я

я я

О CD

я о яз о За

я я

я

<т>

За

Я

я 2а Я

За Я я

» OS

S

о

to

a

Я 0>

£ 0> я л> л>

E

.° Я

Сл S

03

to

2a

2а <т> я я

яЗаязо

оЗао

я яз я

2а О Я я я

о

я о яз о

Я

» S

я«

я

о Sa Я to

я

За Sa я

о я

2а <т> я я я

5a

> я т" ° СТ) ^

О о я -о

2

oo

O\

О I

я о

Я

3a

О\ О

S За

X

о я

о * я о

я яз

я 2 <т> я я

я

а

R.

Э"

2а О Я CD J5 Я О Я я "С 5

Рис. 21. Схема расположения оборудования для взятия дночерпателем проб в грузовой кабине вертолета МИ-8Т.Рис. 21. Схема расположения оборудования для взятия дночерпателем проб в грузовой кабине вертолета МИ-8Т./ — задние створки грузовой кабины; .2 — трос-кабель; 3 — вибратор; 4 — колонковый бур; 5 — направляющие и опорные конструкции; 6— оперативный буй./ — задние створки грузовой кабины; .2 — трос-кабель; 3 — вибратор; 4 — колонковый бур; 5 — направляющие и опорные конструкции; 6— оперативный буй.

Рис. 21. Схема расположения оборудования для взятия дночерпателем проб в грузовой кабине вертолета МИ-8Т.

Рис. 21. Схема расположения оборудования для взятия дночерпателем проб в грузовой кабине вертолета МИ-8Т.

/ — задние створки грузовой кабины; .2 — трос-кабель; 3 — вибратор; 4 — колонковый бур; 5 — направляющие и опорные конструкции; 6— оперативный буй.

/ — задние створки грузовой кабины; .2 — трос-кабель; 3 — вибратор; 4 — колонковый бур; 5 — направляющие и опорные конструкции; 6— оперативный буй.

— дночерпатель ДЧ-0,01; 2—крюк лебедки ППГ-2; 3 — стрела; 4— пульт управления лебедкой; 5 — трос; 6 — лебедка ППГ-2; 7 — дверь кабины пилотов; 8— герметичная емкость для добытых образцов; 9 — поддон; 10 — деревянная решетка; 11 — резиновый фартук.

Рис. 22. Схема использования вертолета для подводного бурения.

воздуха 98 % (при +40°C). Серийно выпускаемый комплект ДЗЛ — трехканальная звуколокационная станция, состоящая из следующих основных узлов: центрального прибора с лентопротяжным механизмом, усилителя эхосигналов, комбинированного прибора с блоками связи и питания, преобразователя постоянного напряжения, приемного и излучающего гидроакустического преобразователей, поплавкового устройства, редуктора, кабельных коробок, питающей электросистемы.

Следует отметить, что точность съемки гидролокационным способом, как правило, выше точности съемки механическими и сельсинными приборами, и этот способ может найти широкое применение для контроля забойных процессов при геологоразведочных работах и разработке рыхлых отложений шельфа.

а Изучение шельфа показывает, что организация и комплекс методов, применяемых на суше, не могут быть использованы в морской практике простым их перенесением в новые условия.

Геологоразведочные работы на шельфе морей А. Е. Смол- • дырев (1975) предлагает проводить в такой последовательности: I этап — прогнозно-оценочные (региональные) работы; II этап — поисковые работы (1 стадия — поиски различной детальности, 56

стадия — поисково-разведочные работы); III этап — разведочные работы.

Анализ опробования верхних слоев рыхлых отложений показывает, что в затратах на каждую взятую пробу стоимость эксплуатации судна составляет 80—90%. Одним из вариантов снижения стоимости опробования является увеличение производительности механизмов, используемых для этих целей, и более полное использование плавсредств во времени.

Заслуживает внимания опыт применения вертолетов при осуществлении морских геологоразведочных работ (табл. 16). Впервые в СССР вертолет использовался в режиме зависания над акваторией Белого моря в 1961 г. При этом с его борта осуществлялись спуск и подъем океанографических приборов. В крейсерском режиме и режиме зависания производятся различные геофизические работы.

Советскими учеными было предложено использовать вертолеты для проведения геоморфологических работ в прибрежной зоне морей и осуществлены опытные полеты [7]. Эксперименты проводились с использованием вертолета МИ-8Т. Все оборудование удобно располагалось в грузовой кабине вертолета (рис. 21).

Во время зачетного опытного полета были получены следующие дайные:

Средняя масса сухой пробы (песчано-галечный пляж), кг 3,75

Средняя масса мокрой (донной) пробы, кг2,9

Время перемещения от точки к точке при скорости верто- . лета 100 км/ч, с 7

Среднее время цикла взятия одной пробы в режиме зависания на высоте 10 м, с . ■ 93

Время с момента пуска двигателей до остановки, включая время на вспомогательные работы (на разбивку полигона для взятия 10 проб), мин 88

Средняя стоимость одной пробы по фактическим затратам летного времени, руб15—20

Стоимость пробы по полным затратам летного времени, руб 60

Отмечается, что глубина моря при использовании вертолета МИ-8Т не должна превышать 1,5 м.

При определенной модернизации вибропоршневой трубки и некоторых изменениях вертолета предполагается использовать вертолет МИ-8Т в режиме зависания для бурения осадков дна на глубине 3 м (рис. 22). Вертолет обладает большой грузоподъемностью (4 т) и возможностью транспортировать на внешней подвеске грузы до 2,5 т, что расширяет сферу его применения в морских геологоразведочных работах. В частности, признано возможным смонтировать на борту вертолета систему погружного грунтового насоса с комплексом оборудования частичного мокрого обогащения.

Классификация способов организации морских геологоразведочных работ [7]

Экспедиции

Основное транспортное средство

Вид пробоотборника

Доступные зоны исследования морей

Радиус действия

Длительность« и сезон ‘работ

Наземные

Санно-транспортные поезда

Мобильная буровая установка на вездеходе (шиековая или колонковая)

Пляж, мелководье до 20— 30 м

До 400 км от базы

2,5—3 месяца, весна

Морские

Крупнотоннажные суда с десантными самоходными баржами

Подводная буровая;

дночерпатель; грунтовый насос

Пляж, мелководье, шельф

Определяется автономностью судна

3—3,5 месяца, лето

Среднетоннажные мелкосидящие суда

То же

Шельф 10—200 м

То же

То же

Малые самоходные суда, мотоботы; букси- руемыё понтоны

Дночерпатель; грунтовая трубка

Пляж, мелководье 0—20 м

При транспортировке крупным судном не ограничен

2,5—3 месяца, лето

Воздушные

Вертолеты, базирующиеся на берегу

Дночерпатель; грунтовая трубка; грунтовый насос

Пляж, шельф 0—200 м

До 400 км от базы

9—10 месяцев, весна, лето, осень

Вертолеты, базирующиеся на дрейфующих льдах

То же

То же

То же

То же

Дирижабли

Любой

—

—

Экспедиции

Основное транспортное средство

Вид пробоотборника

Доступные зоны исследования морей

Радиус действия

Длительность н сезон работ

Подводные

Специальные атомные подводные лодки большого водоизмещения

Непосредственный выход водолаза-геолога на грунт; манипулятор; буровая с дистанционным управлением и отбором керна

Шельф 30—200 м

Не ограничен

Круглогодично

Комбинированные

Вертолеты, базирующиеся на судне-матке

Дночерпатель; подводная буровая; грунтовый насос

Пляж, шельф 0—200 м

Определяется автономностью судна базы

3—3,5 месяца, лето

Крупные вертолеты, забрасывающие и обслуживающие санно-тракторные отряды или суда малого флота

То же, что для наземных и морских экспедиций

Пляж, шельф 0—200 м

До 400 км

2,5—3 месяца, весна; 2,5— 3 месяца, лето

Специальные

Амфибии

Буровая, надводная или подводная; дночерпатель; грунтовый насос

Пляж, шельф 0—50 м

—

3—3,5 месяца, лето

Си СО

Суда на воздушной подушке

Буровая; грунтовый насос; дночерпатель

Пляж, шельф 0—200 м

—•

9—10 месяцев, весна, лето, осень

Национальные программы освоения Мирового океана

Материалы, изложенные выше, достаточно очевидно указывают на все возрастающий интерес многих государств к проблеме освоения минеральных ресурсов Мирового океана. В настоящее время наиболее развитые капиталистические страны сделали изучение океанов одной из наиболее значимых задач. Существуют весьма обширные исследовательские программы общенационального плана, однако по причинам юридического, политического и военного характера о целях и результатах их известно очень мало. Примечателен факт значительного роста государственных ассигнований на эти цели. Следует, однако, заметить, что широко разрекламированные печатью ряда западных стран программы освоения океана зачастую опережают прогресс техники, и возможность их полной реализации в намеченные сроки является сомнительной, хотя изучение их и имеет определенный интерес.

В работе [57] говорится об одной американской фирме, которая, используя метод сетевого планирования, составила конкретную программу освоения океана. Исследования должны осуществляться по двум направлениям: 1) освоение подводного пространства, 2) освоение дна океана. Этапами этой программы являются: а) разработка противолодочных подводных систем, б) разработка летающих подводных лодок, в) создание обитаемых подводных лабораторий на глубине 1800 м, г) создание постоянно действующей глубоководной научно-исследовательской станции на глубине 3000 м, д) добыча полезных ископаемых со дна океана, е) запуск космических аппаратов со дна, ж) колонизация Срединно-Атлантического хребта. Как видим, чисто мирные цели — горные работы на дне океана — поставлены на одно из последних мест.

Наиболее далеко из капиталистических стран в деле освоения минеральных ресурсов океана продвинулись США, Канада, Франция, Великобритания и ФРГ.

Если в 1958 г. США ассигновали на исследование океана и на развитие морской добычи 120 млн. марок [32], то сейчас эта цифра составляет около 3 млрд, марок. Рост затрат по тринадцати национальным программам США освоения океана характеризует табл. 17.

В 1966 г. в США созданы Национальный совет по морским ресурсам и развитию морской техникй и Комиссия по морской науке, технике и ресурсам. По рекомендации Совета по морским ресурсам в государственном бюджете США начиная с 1968 г. были резко увеличены ассигнования на подготовку ученых и инженеров в области исследований моря, на разра-

Затраты США на исследования океана, млн. марок [32]

Программа

1967 г.

1968 г.

1969 г.

Международное сотрудничество

28,4

30,4

32,8

Военная безопасность

647,2

547,6

600,4

Развитие рыболовства и технология

152,4

164,8

170,8

добычи морских продуктов питания

Транспорт

47,6

60,8

67,0

Развитие прибрежной зоны

85,6

114,8

114,4

Здравоохранение

26,4

20,8

24,0

Добыча неживых даров моря

28,8

32,4

39,2

Океанографические исследования

246,0

313,6

398,8

Образование

16,0

28,8

31,6

Наблюдение окружающей среды,

97,6

98,0

- 104,5

предсказание погоды и прочие услуги

Картирование и геодезия

309,6

298,0

368,4

Морская техника общего назначе-

59,2

72,8

107,2

НИЯ

Национальный центр информации

7,2

8,0

9,6

Итого

1752,0

1790,8

2068,7

ботку системы океанографических показателей, которая позволила бы повысить обмен информацией, а также на наблюдения за океаном с целью улучшения предсказаний погоды, на разведку полезных ископаемых на морском дне и разработку технологии добычи с больших глубин.

Специальные службы, подчиненные министерству внутренних дел США (Горное бюро, Геологическая- служба, Управление ресурсами соленых вод, Бюро управления земельными владениями), работают над тремя основными программами: 1) изыскание и оценка месторождений, 2) добыча полезных ископаемых, 3) дальнейшая переработка полезных ископаемых. Вторая программа осуществляется четырьмя исследовательскими и конструкторскими группами, тематикой которых являются: а) платформы и добывающие машины, б) транспорт, в) обогащение, г) дальнейшая переработка и распределение.

Полагаем, что особо следует отметить программу по развитию образования в США, которая предусматривает удовлетворение все растущего спроса на научных работников в области океанографических исследований. Выпуск специалистов такого профиля к настоящему времени увеличился примерно в 5 раз по сравнению с 1961 г.

Канада до 1966 г. на океанографические исследования и конструкторские разработки израсходовала около 4 млрд, марок.

К 1980 г. эта сумма должна утроиться, что соответствует среднегодовым затратам 570 млн. марок. Несколько лет назад в качестве государственного координирующего органа правительством Канады был создан Канадский комитет по океанографии. В его подчинении находятся 10 государственных специализированных океанографических институтов и 30 промышленных и университетских групп. В области добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов в 1968 г. были приняты к осуществлению три общие программы: 1) стимулирование промышленных исследований и развития, 2) помощь промышленным исследованиям, 3) совершенствование промышленной технологии. Особое внимание в этих программах уделяется работам, которые имеют прямое отношение к добыче полезных ископаемых из моря. К ним относятся исследования по созданию, испытанию и внедрению буровых установок и площадок, погружаемых устройств (например, водолазных костюмов для работы в холодной воде), декомпрессионных резервуаров (шлюзов), погружных транспортных средств, а также по разработке технологии и горного оборудования для подводной добычи полезных ископаемых.

Правительством Франции в 1967 г. был основан Национальный центр по эксплуатации океана (ЦНЭКСО). Ему подчинены все океанографические исследовательские институты, а также поручено стимулировать и координировать государственные и частные изыскательские и конструкторские работы. ЦНЭКСО выполняет общие исследовательские и конструкторские программы, передает заказы промышленности, конструирует и сооружает крупное оборудование, которое представляет общий интерес. Целый комплекс вопросов решается ЦНЭКСО в области освоения минеральных ресурсов океана. К ним относятся четыре группы проблем.

Разведка и эксплуатация месторождений твердых полезных ископаемых и нефти. Эта группа объединяет задачи по: а) разведке месторождений на территории французского шельфа, б) подготовке к промышленной разработке этих месторождений, в) получению пресной воды из морской с извлечением минералов, представляющих хозяйственный интерес.

«Человек в море». В данную группу входят проблемы по: а) разработке устройств, в которых человек мог бы погружаться на большую глубину, б) созданию оборудования для спасения людей, подъема обломков судов и прочих материалов с морского дна.

Борьба с загрязнением моря.

Изучение моря. Сюда относятся: а) предсказание погоды и морского волнения на короткие и более продолжительные периоды, б) сбор и обработка океанографической информации.

Кроме ЦНЭКСО во Франции существует Комитет по изучению моря, объединяющий научно-исследовательские институты

и три концерна и занимающийся вопросами подводной добычи нефти.

Три организации решают проблемы освоения океана в Великобритании. Основная их задача — планирование и координация гражданских исследований океана и разработка морской техники. Этими организациями являются Совет по исследованиям природной окружающей среды, Комитет морской технологии и Национальная корпорация содействия научным исследованиям.

Среди национальных программ Великобритании по изучению океана следует отметить две, относящиеся к проблеме освоения минеральных ресурсов океана. Это программы «Наука о море» и «Морская техника». Первая решает задачи по: а) получению и накапливанию информации о морской среде, б) исследованию геологии морского дна с уделением особого внимания месторождениям полезных ископаемых в пределах английского шельфа. По этой же программе путем тесной связи с университетами осуществляется целенаправленная подготовка новых кадров. В тематику второй программы входят: а) разработка оборудования и способов подготовки месторождений к добыче полезных ископаемых, б) создание приборов, приспособлений и методов выполнения подводных работ, в) получение минералов и пресной воды из морской, г) исследования по технике погружения. К осуществлению названных двух программ подключены также Ассоциация по исследованиям и информации в области промышленных конструкций и Управление атомной энергии Великобритании.

В 1962 г. были возобновлены работы по исследованию моря в ФРГ. К 1973 г. ассигнования на эти работы увеличились до 100 млн. марок в год против 5 млн. марок в 1962 г. В 1968 г. в ФРГ была образована специальная комиссия по океанографии.

Программа освоения моря в ФРГ включает в себя следующие крупные вопросы: 1) использование питательных веществ, имеющихся в море, 2) извлечение минерального сырья из месторождений морского дна и подстилающих горных пород, 3) предупреждение загрязнения моря и борьба с ним, 4) возможность применения сведений об обмене между, океаном и атмосферой, 5) овладение сущностью природных явлений по побережьям морей и прибрежным отмелям.

В программе исследований, относящихся к добыче полезных ископаемых морского дна, большое внимание уделяется совершенствованию методов разведки подводных месторождений, поиску, оценке и разработке этих месторождений полезных ископаемых. Кроме того, решаются вопросы проектно-конструкторских работ по технике транспортирования и обогащения. Рассматривается также возможность извлечения минералов, растворенных в морской воде.

Затраты на исследование океана в ряде капиталистических стран сопоставляются в табл. 18.

Таблица 18

Затраты на освоение океана в отдельных капиталистических странах [33J

Страна

Год

Валовой национальный доход брутто, млрд, марок

Затраты на исследования

Количество

млн. марок

% валового дохода

ученых и инженеров

исследовательских судов

Великобритания

1968

338,6

40

0,0102

1200

57

1969

—

50

2413

Канада

1967

231,6

164

0,071

70

25

1968

247,8

400

США

1968

3360

1791

0,053

726

1969

—

2064

1970

—

2400

5500*

Франция

1968

456,1

47

0,0101

810

23

1969

—

73

1000

25

ФРГ

1968

501,5

30

0,0059

527

15

1969

—

30

700**

Япония

1968

585,8

32 ***

0,0059

258

1969

—

4Q ***

—

—

♦ К 1980 г.

” к 1970 г.

Без ассигнований на исследовательские работы в университетах.

Примеры, приведенные ниже, могут, очевидно, свидетельствовать о форсированных усилиях ряда зарубежных фирм и организаций, направленных на осуществление программ освоения океана. В основном эти данные относятся к месторождениям глубоководного дна, поскольку о шельфе в периодической печати встречается все меньше и меньше материалов. Как отмечает Т. Вальтер [75], данные о суммах, которые вкладываются отдельными фирмами в дело освоения глубоководного дна, не публикуются, так же как и данные об объеме проводимых работ. Поэтому рассматриваемые примеры служат общей иллюстрацией размеров предпринимаемых усилий.

«Хьюгес тул компани» («Ойл тул дивижен», США) в марте 1970 г. провела технологические исследования -и изыскания в море, целью которых явился сбор данных, необходимых для разработки техники и технологии глубоководных горных работ. В результате этих исследований заканчивается строительство специального судна для глубоководных разработок водоизмещением 35 тыс. т.

«Дипси венчас инкорпорейшен» (США) самым интенсивным образом проводит изучение мест нахождения марганцевых конкреций, глубины их залегания и минералогического состава, причем эти работы начаты еще в 1962 р.

В течение этого же периода корпорация занимается исследовательскими и конструкторскими работами по созданию специального оборудования для разработки марганцевых конкреций. В продолжение двух месяцев со дна плато Блэйк (глубина 800 м) производилась опытная добыча конкреций эрлифтной установкой. Помимо этого были успешно завершены работы по созданию специального способа выщелачивания при обработке конкреций соляной кислотой с целью извлечения товарной меди, кобальта, марганца и никеля. Коммерческая добыча и переработка марганцевых конкреций планируется «Дипси венчас иикорпорейшен» на начало 80-х годов.

«С. И. Шантц ов кенникотт коппер корпорейшен» (США) в докладе на конференции «Горное дело в открытом море», состоявшейся в апреле 1971 г., отразила программу компании, осуществляемую с 1962 г. Из доклада стало известно, что за десятилетний период было разработано и изготовлено специальное оборудование для разведки подводных месторождений полезных ископаемых и отбора проб. С 1967 г. было организовано большое количество морских экспедиций и опробовано более 3000 участков дна, покрытых марган- цевыми конкрециями.

«Инлит ойл компани» (США) добывает в день 1000 т барита из прибрежных районов Аляски. В ее владении находится более 3 тыс. км2 прибрежной земли и морского дна, на котором проводятся систематические работы по геологическому опробованию, завершающиеся успешным обнаружением ценных минералов и разнообразных металлов. «Марин ресоурсис кансалтанс» осуществила три плавания с разведкой подводных месторождений вдоль берегов Бразилии, Норвегии, юго-восточного побережья Гренландии и по побережью оз. Виктория в Африке. «Металлгезельшафт А. Г.» (ФРГ) занимается разведкой и оценкой месторождений марганцевых конкреций, а также металлоносных илов Красного моря.

В 1967 г. ведущие промышленные фирмы Японии создали консорциум для организации плавания в течение 2,5 месяца, целью которого являлось исследование месторождений марганцевых конкреций и отбор проб в районе Гавайских островов. В 1970 г. это мероприятие было успешно осуществлено, причем в процессе экспериментов черпаковой цепью с глубин от 1080 до 3755 м производилась пробная добыча марганцевых конкреций.

Освоение Арктического шельфа

Весьма пристальный интерес проявляют зарубежные страны к освоению Арктического шельфа и Крайнего Севера. Только в 1973—1974 гг. зарубежными странами было проведено 19 конференций, совещаний и симпозиумов, посвященных комплексному освоению Севера, в том числе и шельфу Арктики [1].

Среди них имеет смысл особо отметить совещание по теме «Исследовательские и производственные проблемы в экстремальных природных условиях», состоявшееся в марте 1973 г. в Новом Орлеане. Совещание было организовано рядом организаций, в том числе Американским институтом инженеров-химиков, Обществом инженеров-нефтяников и др. Основной проблемой, обсуждаемой на этом совещании, явились вопросы создания и эксплуатации техники и разработки технологии на нефтяных промыслах Севера. Во Франции (Гавр, май 1973 г.) работал 5-й Международный конгресс Французского фонда изучения Севера. Тема конгресса — «Арктические нефть и природный газ: проблемы и возможности». В августе 1972 г. в Канаде

Заказ № 160 65

(г. Саскатун) был созван симпозиум по утилизации отходов в холодных районах. Инициатором созыва симпозиума явился Университет провинции Саскачеван. В октябре—ноябре 1973 г. в канадском городе Эдмонтон работала 6-я Национальная конференция по развитию Севера. Основной темой конференции явилась проблема «Горная промышленность и канадский Север». Следует заметить, что на конференции работали следующие секции:1 Минеральные ресурсы канадского Севера; Мировой рынок минерального сырья; Роль государства в развитии горной промышленности Севера; Вопросы транспортировки северного сырья; Проблема будущего горной промышленности Севера.

Национальная академия наук США в декабре 1973 г. в г. Монтерей созвала симпозиум по методам и технике изучения снега и льда. В этой же стране в мае 1974 г. работала Международная конференция по полярным океанам. Организатором конференции явились Арктический институт Северной Америки и Университет Макгила (Монреаль). Конференция рассмотрела четыре основные проблемы: полярные водные массы; формирование и распределение льда; сравнительная биологическая продуктивность в полярных районах и тропиках; климатические изменения.

Одной из стран, наиболее интенсивно занимающейся вопросами освоения Севера, является США. В связи с этим, по нашему мнению, имеет смысл рассмотреть эти вопросы, сведя основные материалы в табл. 19. А. О. Шпайхер отмечает, что до 1960 г. (исключая работу во время Международного геодези- ческоготода и Международного года спокойного Солнца) практически все исследования США в Арктике и организовывались, и осуществлялись либо ВМС, либо ВВС США. Усилившийся интерес к исследованиям США в Арктике четко отмечается в 60-е годы. С целью ориентации в этом весьма важном вопросе Государственный департамент США в начале 1965 г. провел специальное совещание, в котором была сопоставлена деятельность США по решению этих вопросов с успехами других стран и их программы в освоении и изучении Арктики. В результате под руководством Национального научного фонда (ННФ) из участников совещания была создана Межведомственная арктическая рабочая группа. В ее состав вошли представители министерств сельского хозяйства, торговли, обороны, здравоохранения, образования и благосостояния, внутренних дел, а также ВМС и ВВС. ННФ — это специальная организация, ответственная за развитие исследований, проводимых США в полярных районах. В результате обзора американских и зарубежных работ в области исследования Арктики, рабочей группой ННФ сделаны следующие выводы и предложения: 1) желательно международное сотрудничество в исследовании Арктики; 2) необходимо координировать исследования, проводимые различными ведомствами по проблеме Арктики; 3) необходим информационный 66

та СТ S R

ХО та

Н

Экспедиция или организация

Год созданж или работы

Цель работы

«Браво»

1957

«Альфа» или «Альфа-1»

1958

«Альфа-2» («Чар- ли»)

1959

«АРЛИС-1»

1960 i

«АРЛИС-2»

1961

Безлюдные ледяные острова

ВН-1, ВН-2,

ВН-3, ВН-4,

ВН-5

1961/62

Закономерности дрейфа

Продолжение табл. 19

Место работы„

примечание

Ледяное поле толщиной 3 м

Осуществлялась перебазировка на другое поле в связи с расколом первого

Дрейф от моря Бофорта до Гренландского моря

Ледяное поле (6,5X4,2 км) '

Ледяное поле X 0,024 км)

(6,5ХЗ,7Х

Арктический бассейн

Пять частей

разломавшегося

2° "окР°ва площадью км2 были маркированы бочками из-под горючего и радиолокационными отражателямиF

а *<5

я я

to «я

дни

to

О Й Д -г!)а

2

У

cd

to

я

Я

to

о

я

X ^

^

CD

Я

CD

cd

^4

я

о

5

й

to

я

тз

CD

го

я

X

"го

CD

£

о ч

о В5 я я X

о

к я

го я CD Е

cd я CD

CD 2

Б

Я

я

CD

я Г) я о у

я cd cd ^4 CD

s

^ CD H

□ м О ®

го.

ГО Т-1

CD

to го я

to

К

>

я о я to

CD Я to

^ CD

*У

я CD У

го о

2 CD CD Я

to

я

^

)д

CD

я

S

О

ГО

я

я

Я Я

СО to

S cd

я я

CD Я«

03

я

ГО ^

я

о го

О

О 1 2

до о

CD

>

я о

to

го

X

я

У Я со Я cd я я я

я CD е- н го _5

о ОХ О CD

ГО я я 2 to Я я CD

3=J О ^

я О

и

я

н я CD у ь к

я

о

£ Е

CD я я

CD _ У s

CD Я )я О ГО Ч ГО о

О CD ГО н я я СО CD to Ж

Я я g С CD Я«У

СО cd S3

О О Н н го Я ГО. о

я

CD

Я я CD

о

CD ч

о CD го

я

Я о

я

У

я я я я я

я to

cd го я со го

СО

CD о

о

о о ^

я я я 2 го ч

я й to я CD

£

to я я Дс

а о

я ^

я й

X

^ о

CD я

F8

>■>3 to

О\Д E К & s s a 5: s ^ ^ р£*

О ^4 2 ^ 3 Я

**O Я

CD я ^ к 5

^

Я

Я о ^

я

CD to

я я

* CD Я CD

о ш

to

й

со to

CD

2

ГО

S о я

CD

о "я -у to го й CD Я я я

я о

я СО

Л CD Я Я

2 CD Я H to

to я CD Я о

"О

to

я о 2 я

CD

ГО о я о

о

X о со я Яс CD н го to

о ■у

£ч го Я ' О '

го

х> О) 00

го

^ X X р>

У CD ^ У

CD О ГО

с ОХ CD CD а CD Л CD Я я я

CD У Я

го cd я

СО to в

Е X

о

х о > о го

го

cd я

CD

ГО Я о

2 го >

OD

го о со

2 о

к я о cd

* s

§ 5 ГО л>

го

2 Я о я "О X Е cd н

ф^У я

ю

я о ^ я у

я о

о

я X

го 3=1 о го

я

я X

to n о Я

Я о го to я я я

О

5

^9- я я to

я я

Г)

Е >

а

ГО

CD О CD

to го

5 я о CD 2 я в CD CD Я о

CD CD Я Я

а о

to 3 2

го

Я

о Ох о

У о я £

S

и X о > я Ь) S

а У

CD СО О я to cd

я

CD

ГО и

to у

я н

го и И В 2

я

V

to у

я

я

у

я о

2 to

я

го ^

я я

ь я

Я CD О го £ Дс

дз to to

CD Я

>Чо s5

Я о го я« я

<у ч Я ^5

CD ^ CD Ч йз го

я о cd н

Б я го

CD cd я я

дз о

со Я

го го ж к

)9 п ч

н я о

я я

я

я о я?

О

Я я

а

О

Е1

S4

*У я

CD Я?

Я

я я я

Я ч CD

я

КС

X

X

о

to

)я

о

Я

Я

X

Я

Глава If

Континентальный шельф

Общие сведения

Континентальный шельф является наиболее изученной частью морского дна. Границей шельфа считают линию дна, точки которой лежат на глубине около 200 м. В среднем ширина шельфа 73 км (от 0 до 1500 км). Площадь шельфа составляет только 7,5 % площади Мирового океана (18% площади суши).

О рельефе дна почти всех шельфов имеются достаточно полные сведения, что в первую очередь объясняется требованиями навигации и рыболовства. Данные о поверхностных осадках шельфа можно отнести только к четвертой части их площади, еще меньше известно о коренных породах и тектоническом строении шельфа, так как изучено только 10 % его площади.

Наиболее хорошо исследованы шельфы США, востока Канады, Западной Европы и Японии. Есть данные по шельфам севера Южной Америки, Австралии, северо-запада Аляски, Аргентины.

К. О. Эмери [70] по геологическому строению делит континентальные шельфы на два главных типа: сложенные осадочными породами и сложенные магматическими и метаморфическими породами. Значительная часть шельфов представлена осадочными породами, которые накопились между береговой линией материка и краевым поднятием. Такие поднятия являются как бы плотинами, препятствующими выносу осадков , за пределы шельфа. Выделяют три типа краевых поднятий: тектонические, т. е. поднятия осадочных слоев или излияния магмы; рифы, построенные морскими организмами; диапировые структуры, связанные с развитием соляных куполов. Большая часть шельфов имеет простое строение без каких-либо значительных поднятий.

Для достаточно полного понимания происхождения и истории развития шельфа необходимо иметь сведения о подстилающих породах и геологическом строении их. Однако эти сведения являются пока наиболее труднодоступными, а относительно просто полученные данные о рельефе дна шельфов и его осадках 70

позволяют судить только о поздней его истории. Интересные результаты получены при геофизических методах исследований, включающих в себя магнитные измерения, сейсмические методы преломленных и отраженных волн и гравиметрию.

Ранее считали, что с удалением от берега осадки становятся все более и более тонкозернистыми: у берега — гравий и песок, крупнозернистые пески сменяются мелкозернистыми, а край шельфа перед началом материкового "склона сложен алевритами и глинами. Однако последующие исследования показали, что по такой схеме осадки распределяются чрезвычайно редко; это подтвердили и карты донных осадков, составленные во время второй мировой войны. Большинство шельфов покрыто крупнозернистыми песками, обычно окрашенными примесями железа. Пески содержат довольно много пустых раковин моллюсков, которые жили только у берега и на мелких глубинах. Особенно большие скопления раковин или ракушечного песка обнаружены на внешнем крае шельфа, а также на небольших подводных холмах. В настоящее время на этих участках подобного рода осадки накапливаться не могут.

Только прибрежная зона — полоса между берегом и линией дна моря на глубине 10—12 м — подчиняется закономерности постепенного уменьшения частиц осадков в сторону моря. Это зона действия прибоя, в которой накапливаются современные пески, обычно не попадающие в более глубокие и далекие области шельфа. Здесь отсутствуют легкие алевритовые и глинистые частицы, в виде суспензии они переносятся дальше и оседают в более глубоких и спокойных водах.

Широко распространены на шельфах погруженные береговые валы. Зачастую их трудно отличить от подводных песчаных валов, которые образуются сильными подводными течениями. Достаточно отчетливо выражены погруженные береговые обрывы и террасы. Формы рельефа дна шельфа обусловлены различным положением уровня моря в разное время. Это было связано с сокращением или разрастанием материковых оледенений, особенно интенсивно проходивших в течение 1 млн. лет в плейстоцене, когда уровень океана зачастую понижался на 170—200 м против его современного положения. Четыре главных оледенения вызвали четыре главных периода понижения уровня моря, так как ледники концентрировали на поверхности суши значительную часть воды. В связи с этим на большинстве шельфов обнаружено минимум четыре, а иногда даже шесть террас. Террасы пересечены каналами, образованными потоками, которые перерезали шельф во время низкого уровня океана. Большинство этих каналов заполнено осадками, и обнаружить их можно только бурением или сейсморазведкой.

Вблизи края шельфа каналы сменяются верховьями подводных каньонов. Последние прослеживаются далее вниз по материковому склону и имеют глубину несколько километров, что

значительно превышает максимальное понижение уровня океана. Такое положение говорит о том, что сформированы они в результате процессов, которые весьма интенсивно действовали ниже уровня дна океана. Наиболее распространено мнение, что каньоны образованы суспензионными потоками, образующимися при сползании донных осадков вниз по материковому склону. При движении осадки смешиваются с водой, что повышает плотность суспензии, благодаря чему она может стекать вниз по склону с очень большой скоростью.

Океанская вода в шельфовых морях в значительной степени разбавляется пресной водой, приносимой реками. Здесь же создается местная концентрация кремнеземов, нитратов каль- щщ и фосфатов. В других районах океана содержание перечисленных элементов снижено вследствие потребления их растениями и морскими животными, а вода имеет более высокую соленость.

Образование россыпей шельфа

При экзогенном образовании месторождений морских россыпей важнейшее значение имеют процессы выветривания и осадкообразования. Выветривание проявляется как в постепенном раздроблении первичного материала, так и в его химической переработке с образованием новых минералов.

Известно, что степень преобразования обломочного материала зависит от энергетического потенциала района. На открытом побережье океана она максимальна, в заливах и бухтах, которые имеют ограниченное сообщение с морем, малые размеры и глубины, обломочный материал может быть почти не преобразован.

При физическом выветривании главную роль играют колебания температуры, льдообразование, а также кристаллизация солей. В результате физического выветривания, как указывалось выше, происходит постепенное механическое разрушение первичного материала, который попадает в водоемы и затем перемещается далее. При этом, чем мельче частицы, тем дальше они переносятся, так как скорость осаждения их меньше по сравнению с крупными частицами. Таким образом, осадочные материалы накапливаются не одновременно, а в определенной последовательности, согласно так называемой механической дифференциации наносов, поступающих с суши. В результате происходит сортировка терригенного материала. При этом для литоральных отложений характерны грубозернистость, большая изменчивость гранулометрического и химического составов, что является отражением сложной минералого-химической обстановки их источников на суше.

При переносе и переотложении материала в прибрежно-морской обстановке наблюдается длительная повторяемость одних и тех же процессов приблизительно при одинаковом режиме. Это обусловливает весьма совершенную дифференциацию обломочного материала по крупности, форме и плотности частичек, устойчивости к истиранию, а также характер, скорость и массу транспортирующей среды. В результате в районе морских побережий формируются резко упрощенные по составу осадки, обогащенные механически и химически устойчивыми минералами (см. табл. 20). Подавляющее большинство вмещающих пород у морских россыпей представлено четырьмя основными, а именно: песками; алевритами, глинами и илами.

Следует отметить, что гранулометрическим составом вмещающих пород определяется накопление соответствующих фракций полезных компонентов. Так, для тяжелых минералов характерно преобладание крупного алеврита для более тяжелой фракции и среднезернистого песка для более легкой.

К- Рейборн и Г. Мильнер связывают последовательность рас- 'пределения ряда россыпных минералов по крупности с миграционной способностью

L=/№h),

где L — миграционная способность; Н— абразивная прочность минерала; W — устойчивость минерала по отношению к агентам выветривания; у — плотность; <р— коэффициент анизометрич- ности зерен; а. — коэффициент смачиваемости минерала.

Этими авторами приводится соответствующая таблица миграционной способности для некоторых минералов (табл. 20).

Таблица 20

Миграционная способность минералов

Малая

Умеренная

Высокая

Киноварь Арсенопирит Вольфрамит Пирит Шеелит Оливин Авгит Гиперстен Флюорит Роговая обманка Диопсид Актинолит Эпидот

Магнетит Апатит Сфен Монацит Касситерит Золото Лимонит

Хромшпинелиды Ильменит Гематит Топаз Рутил Турмалин Платина Циркон

А. А. Кухаренко приводит критические размеры зерен в условиях речного переноса для некоторых минералов. Размер зерен для минералов с плотностью, равной 4—5 (циркон, рутил, магнетит, монацит и др.), составляет 0,05—0,07 мм, для зерен кварца и близких к нему по плотности легких минералов — 0,2—0,25 мм, для апатита, турмалина, пироксенов, амфиболов, эпидота и других — 0,12—0,15 мм.

Прибрежные россыпи могут образоваться даже при незначительных содержаниях полезного компонента в первичном обломочном материале, поступающем в береговую зону, причем накопление зависит от изменения уровня бассейна и может происходить как в стадии его трансгрессии, так и регрессии.. Концентрация тяжелых компонентов происходит в сравнительно узкой полосе побережий, примыкающей непосредственно к урезу воды. Именно в этой зоне наблюдается последовательное обогащение и образование естественных шлихов с формированием наиболее крупных современных морских россыпей.

В процессе выветривания подавляющее большинство минералов, образующих россыпи, претерпевают только механическое: разрушение (алмаз, рутил, циркон, магнетит, монацит, касситерит, золото, платина). Минералы же вмещающих1 пород подвергаются также и химическому выветриванию. Главными агентами последнего являются кислород, углекислота, вода и органические кислоты. Воды, обогащенные кислородом и углекислотой, обладают значительной окислительной и растворяющей способностью. Сравнительно легко подвергаются окислению такйе соединения горных пород, которые в своем составе содержат металлы в низких степенях валентности, например двухвалентные железо, марганец, трехвалентный ванадий и др. В процессе окисления эти металлы переходят в ионы высших валентностей, что приводит к разрушению кристаллических веществ, которые окисляются с образованием новых растворимых и нерастворимых в воде соединений. Соли, образующиеся при этих процессах, на первой стадии (сульфаты, карбонаты и др.) с разной скоростью вступают в реакцию с водой, подвергаются разложению (гидролизу), в результате чего ряд катионов выпадает в виде труднорастворимых в воде гидроокислов. Скорость химических изменений минералов пропорциональна их проницаемости для морской воды. Эти изменения являются результатом адсорбции ионного обмена. В частности Mg2+, N+, К+ обмениваются на Са2+.

Степень окисления (и восстановления) оценивается окислительно-восстановительным потенциалом Eh. Этот потенциал и показатель pH в значительной степени определяют активность процессов выветривания при химическом разложении минералов и горных пород. От pH растворов зависит характер продуктов выветривания. По мере выщелачивания силикатов, из которых в основном состоят горные породы, показатель pH уменьшается, 74

,а когда pH силиката становится равным pH растворов, реакция разложения прекращается.

Минералы, подвергающиеся химическому выветриванию, ведут себя по-разному. Особенно эффективно оно влияет на карбонаты (быстро растворяются), а также на сульфиды (окисляются и разрушаются). Следует заметить, что наиболее интенсивно происходит химическое разрушение минералов, обладающих спайностью и хрупкостью. Наблюдается следующая общая последовательность разрушения минералов, слагающих вмещающие породы: нефелин, оливин, ромбические пироксены, моноклинные пироксены, железисто-глиноземистые амфиболы, биотит, мусковит, кварц. Полевые шпаты вначале переходят в гидрослюды, а затем в каолинит и монтмориллонит в зависимости от pH, как было указано выше. При более продолжительном выветривании накапливаются гидроокислы железа, каолинит и как конечный продукт свободная окись алюминия. Преобразование полевого шпдта в каолинит происходит за счет разложения его на отдельные окислы AI2O3 и SiO2 и коагуляции этих окислов.

При выветривании новый устойчивый минерал во многих случаях образуется из исходного последовательно. Стадийность этого процесса определяется в значительной степени характером ■структуры и составом минерала. Образовавшиеся продукты, которые переносятся в виде истинных или коллоидных растворов, осаждаются по закону химической дифференциации. Вначале кристаллизуются труднорастворимые соединения, а легкорастворимые откладываются лишь в специфических условиях, которые способствуют их осаждению. Эти соединения выносятся водами поверхностного и подземного стока в Мировой океан.

По данным А. А. Кухаренко составлена табл. 21, из которой видно, что конечными продуктами разложения компонентов вмещающих горных пород независимо от их первоначального состава являются минералы, устойчивые в самых верхних горизонтах земной коры.

Ниже приводится краткое описание главнейших россыпных формаций.

Морские месторождения янтаря связаны с кварцевыми и глинистыми песками со значительным содержанием глауконита. Эти породы получили название «голубая земля». Минеральный состав их следующий, %: кварц 50, глауконит 17—30, калиевые полевые шпаты 0,5—1,5, минералы глин 10 и мусковит (небольшое количество) [2].

Формация алмазоносных россыпей формируется при разрушении кимберлитов и перидотито-дунитов. Сопровождающими алмаз минералами являются хромдиопсид, пироп, перовскит, магноильменит.

Ильменит-рутиловая россыпная формация образуется главным образом за счет разрушения кислых и щелочных изверженных пород, а также пегматитов. Ильменит в процессе

Таблица 21

Конечные продукты разложения вмещающих горных пород

Минералы

Степень изменения

Конечные продукты химического выветривания

Ортосиликаты Mg, Fe, Ni, Са

Быстро

Нонтронит Монтмориллонит Гидрохлориты Карбонаты Гидроокислы железа Опал

Метасиликаты: диопсид авгит волластонит эгирии ромбический пироксен

Полевые шпаты Нефелин

Лейцит

Трудно Средне

Легко

Более трудно

Легко

Гидрохлориты Монтмориллонит Нонтронит Ферригаллуазит Карбонаты Лимонит

Гидрослюды Цеолиты Эпидот Хлорит Каолинит Бейделлит Карбонаты Опал Халцедон

Вистит

Средне

Гидрослюды Вермикулит Гидрохлориты Нонтронит Каолинит Монтмориллонит Эпидот

Рутил Анатаз Гидроокислы железа Опал

выветривания разлагается на лейкоксен, образуя механическую смесь, состоящую из гематита и рутила. Последний обычно содержит примеси главным образом железа, находящегося в виде твердого раствора (Fe, Ti)O2.

Магнетитовые россыпи образуются при дезинтеграции основных и ультраосновных изверженных пород, а также скарнов. Присутствие магнетитовых зерен в современном морском иле является результатом не только сноса их с суши в виде обломочного материала, но и образований на месте за счет гидроокис- лов железа под восстанавливающим действием разлагающихся органических веществ. При выветривании магнетит с большим трудом поддается гидратации. Этот процесс наблюдается редко.

Коренные выходы рудных тел преобразуются в валунчатые руды, сложенные полумартитом и мартитом. Явление мартити- зации (образование псевдоморфоз гематита по магнетиту) наблюдается в зонах жаркого климата.

Титаномагнетитовые россыпи образуются за счет разрушения габбро-пироксенитов. Сопутствующими компонентами являются борнит, халькопирит, хромит, изредка минералы платины.

Формация монацитовых россыпей формируется при размыве гранитов, пегматитов, гранито-гнейсов, в которых монацит содержится в качестве акцессорного минерала. Коренные месторождения обычно убогие, промышленный интерес представляют морские и аллювиальные россыпи.

Формация россыпного касситерита возникает при разрушении кварц-касситеритовых жил, грейзенов, пегматитов, а также скарнов. В последних присутствуют арсенопирит, пирротин, хлорит. Некоторые коренные месторождения сложены минерализованными (оловоносными) песчанико-сланцевыми брекчиями, где цементом являются кварц, турмалин, железистые хлориты, пирротин, в подчиненных количествах арсенопирит, сфалерит, халькопирит. Таким образом, в экзогенных условиях сопутствующими компонентами касситерита могут являться кварц, флюорит, турмалин, топаз, пирит, арсенопирит, сфалерит, золото, циркон, монацит и другие темноокрашенные (богатые железом) разновидности.

Серебро в экзогенных условиях встречается в зонах окисления месторождений сернистых и мышьяково-сурьмянистых руд, являясь продуктом их разложения и восстановления из поверхностных растворов различными органическими соединениями. При этом образуется самородное серебро. В поверхностных условиях оно менее устойчиво, часто покрывается пленками и примазками черного цвета. В местностях с жарким и сухим климатом с поверхности оно нередко переходит в устойчивые галоидные соединения (AgCl и др.). Коренные месторождения связаны, с гидротермальными жилами, в которых кроме серебра присутствуют соединения свинца, цинка, золота и меди.

Минералы формации россыпного золота образуются за счет разрушения месторождений золото-кварцевого и золото-сульфидного типа. Как новообразование самородное золото встречается в зонах окисления сульфидных месторождений в ассоциации с лимонитом, азуритом, свинцовыми и сурьмяными охрами. В россыпях золото находится совместно с пиритом, лимонитом, псевдоморфозами лимонита по пириту, магнетитом, гематитом, ильменитом, эпидотом, иногда с турмалином, цирконом, рутилом, шеелитом, монацитом, касситеритом, арсенопиритом.

Серебро, содержащееся в золоте, в условиях певерхностного выветривания частично выносится, и вследствие этого золото

становится более высокопробным. Золото, намываемое из россыпей, содержит меньше серебра, чем золото из коренных месторождений. В последних оно приурочено к сериям небольших кварцевых жил, обычно залегающих среди мощных жил гранит- порфира, и связано с пиритом, блеклой рудой, халькопиритом. В зоне выветривания золото сопровождается различными кислородными соединениями железа, меди, свинца, висмута и др. Иногда золото наблюдается в метаколлоидных кварцевых массах в тонкораспыленном виде, вследствие чего обогащенные им участки имеют слабый зеленоватый оттенок. В частичках золота часто находят первичные (остатки жильной породы) или вторичные минералы (возникшие либо присоединившиеся к золоту уже в самой россыпи). В срастании с золотом обычно находится кварц, реже турмалин, полевые шпаты, сульфиды, магнетит или железный блеск. Часть этих минералов затем переходит в бурый железняк, который покрывает поверхность золотинок, образуя так называемое «золото в рубашке».

Формация россыпей платины и минералов ее группы возникает за счет разрушения платиноносных массивов ультраоснов- ных пород. В коренных месторождениях скопления самородной платины (поликсена) приурочены главным образом к хромитовым рудным телам. Россыпная платина иногда содержит большое количество железа (до 14 %) и меди (до 3,2 %). Минералы платиновой группы очень часто находятся в тесном срастании с оливином, серпентином, пироксенами и хромитом. В россыпях основная часть платиновых минералов остается устойчивой, и лишь никелистая платина и купроплатина, обогащаясь железом и утрачивая никель и медь, переходит в ферроплатину.

Формация гидроокислов железа образуется при выветривании и разложении железосодержащих минералов основных, ультраосновных, реже метаморфогенных и осадочных пород. Накопление осадков гидроокислов железа в прибрежных зонах морских и озерных бассейнов, очевидно, происходит путем коагуляции приносимых поверхностными водами коллоидных растворов в морских водах под действием электролитов (гумусовых кислот)., а в пресных озерах — в результате жизнедеятельности ферробактерий. Осадочные концентрации трехвалентного железа тесно связаны с песчано-глинистыми осадками.

Железо в поверхностных водах находится в основном в виде золя Fe(OH)3, защищенного коллоидным органическим веществом или золем ЗЮг, а также в виде коллоидных комплексных железо-органических соединений гумматов железа. В морской воде (за пределами зоны смешения речной и морской воды) содержится очень мало железа (10—20 г/м3). Основная его масса находится в форме железо-органических соединений и незначительная — в виде гидроокисла Fe(OH)3, который образует коллоидные суспензии с небольшим размером мицелл. При столкновении друг с другом мицеллы укрупняются и осе-

дают на дне. Трехвалентное железо очень чувствительно к реакции среды и оказывается устойчивым в растворе только при pH = 2-4-3. Органические железосодержащие соединения при увеличении pH гидролизуются с образованием Ее(ОН)з, который далее коагулирует и оседает. Этот процесс происходит быстро, как только в растворе появляются соли кальция, магния и щелочных металлов. В окислительных условиях в пределах мелководья открытого моря возникают гётит и гидрогётит. При накоплении в илистых растворах сероводорода развивается мельниковит. Образование лимонита, сидерита или пирита определяется окислительно-восстановительным потенциалом и кислотностью — щелочностью окружающей среды.

Марганцевые конкреции, по данным Р. Хорна, приурочены к районам распространения красных океанических глин. Ф. Ман- гей указывает на то, что они образуются в глубоких океанических впадинах, заливах, морях, озерах. Конкреции сложены концентрически чередующимися кольцами светлых и темных слоев, которые состоят в основном из гидратированных окислов марганца и железа. Кроме того, марганцевые конкреции сорбируют из морской воды такие микроэлементы, как кобальт, никель, цинк, свинец. Полосчатость в окраске конкреций обусловлена различным содержанием гётита в слоях.

По А. А. Кухаренко и Е. К- Лазаренко, осадочные руды марганца обычно тесно ассоциируют с мелководными кремнистыми осадками и располагаются в прибрежной зоне. По мере удаления от береговой линии окисные (пирилюзит-псиломелановые) руды сменяются сначала манганитовыми, затем карбонатными рудами марганца (манганокальцит, олигонит). Время смены фаций зависит от скорости погружения дна бассейна. На поверхности карбонатные руды окисляются. Лучшие первичноокисные руды располагаются у береговой линии. Необходимо иметь в виду возможные смены фаций (окисных и карбонатных) в вертикальном разрезе в связи с погружением или обмелением бассейна в период рудоотложения.

Глава III

Минеральные ресурсы шельфа и других частей Мирового океана

По месту нахождения полезные ископаемые Мирового океана принято делить на три группы: 1) растворенные в морской воде; 2) морского дна (залегающие на его поверхности); 3) недр океана (залегающие в коренных породах дна).

Дж. Меро справедливо отметил, что если бы при выборе названия мы исходили из действительного физического состояния поверхности нашей планеты, то ее нужно было бы назвать не Земля, а Вода. Действительно, вода покрывает около 71 % поверхности Земли, занимая площадь более 360 млн. км2. Общий объем морей и океанов 1,37 млрд, км3 воды.

Среднее содержание различных элементов в морской воде составляет 3,5 %. Если все элементы извлечь из морской воды и равномерным слоем разместить на поверхности континентов, то толщина слоя составит 200 м. Всего в воде морей и океанов содержится около 5-Ю16 т минеральных веществ, причем запасы за счет стока с суши ежегодно пополняются 3,5 млрд, т различных солей.

Практически все элементы, известные на суше, содержатся и в морской воде. Концентрация элементов по глубине, а также в различных частях Мирового океана неодинакова, поэтому нельзя говорить о воде, как о гомогенной среде с равномерно распределенными элементами.

Известны девять особенно часто встречающихся в морской воде элементов, на долю которых приходится более 99 % всех растворенных элементов. Наиболее распространены натрий и хлор, составляющие 85,2 %. Процентное соотношение растворенных элементов весьма постоянно: 54,8 ионов хлора, 30,4 ионов натрия, 7,5 сульфатного иона, 3,7 иона магния, 1,2 иона кальция, 1,1 иона калия, 0,2 иона брома, 0,3 карбонатного иона, 0,7 боратного иона. В 1 км3 морской воды содержится, т: поваренной соли 18-Ю6, магния 1,3-106, бора 3,1 • 104, брома 300, меди 79, урана 11.

Недра Мирового океана исследованы чрезвычайно слабо. За исключением отдельных небольших участков, они изучены геофизическими методами по крайне редким разобщенным профилям. Сейчас можно говорить о нефти, горючем газе, угле, барите и сере, которые залегают в основном в коренных породах шельфа.

Рыхлые полезные ископаемые морского дна геологи обычно делят на три группы в зависимости от места их нахождения: полезные ископаемые шельфа, континентального склона и глубоководного дна. Деление производится по чисто морфологическим признакам.

По технологическим признакам, которые решающим образом влияют на выбор способа разработки, полезные ископаемые дна акватории можно классифицировать так, как показано в табл. 22.

Таблица 22.

Классификации полезных ископаемых диа акватории в зависимости. от их физического состоииия

Физическое состояние

Группа

Полезное ископаемое

Несвязные

Россыпи

Ильменит, рутил, циркон, монацит, касситерит, магнетит, титаномагне- тит, золото, платина, серебро, хромит, алмазы, тантало-ниобаты

Отдельности *

Конкреции

Фосфоритовые и железо-марганцевые конкреции, железо-никелевые окаты

Глинистые

Океанические глины

Красная глина

Илистые

Илы

Металлоносные, кремнистые и известковые илы

* Понятие «отдельности» соответствует технологическим признакам в отличие от

этого же термина, существующего в геологии.

Рыхлые горные породы дна акватории находятся в особых условиях. Поскольку вмещающей средой для них является вода, вряд ли нужно как-либо особо характеризовать их влажность. Вероятно, справедливо выделить три основных фактора, влияющих на состояние и, следовательно, на физические свойства несвязных осадков дна акватории: 1) давление (глубина залегания); 2) соленость воды; 3) температура воды, а также зависящая от нее температура горных пород.

Как известно, более 70 % осадков дна Мирового океана являются неуплотненными горными породами, т. е. такими,

которые будут добываться с наименьшими затратами усилий. Очевидно, что прочностные характеристики горной массы не имеют решающего значения. Это наиболее серьезная отличительная черта полезных ископаемых дна акватории по сравнению с материковыми. Сомнительно, что электрические, магнитные, тепловые и другие свойства на данном этапе развития методов подводной добычи смогут явиться основой классификации полезных ископаемых дна акватории. Решающее значение для добычи и обогащения полезных ископаемых, особенно для придонной разработки и обогащения россыпей шельфа, будет иметь плотность полезного ископаемого (табл. 23), пустой породы и вмещающей среды (т. е. воды или другой жидкости, в которой находится горная масса в процессе ее переработки).

Таблица 23

Классификация полезных ископаемых дна Мирового океана по плотности

Полезные ископаемые

Плотность, г/см8

полезного ископаемого

пустой породы

Легкие:

янтарь

1,05-1,1

2,65

конкреции:

железистые

1,6—2,5

2,7

марганцевые

1,6—2,5

2,7—3,0

Средние:

алмазы

3,47—3,56

2,65

рутил

4,2-2,3

2,6

Тяжелые:

циркон

4,6—4,7

2,4—3,0

ильменит

4,9—5,2

2,5—2 8

магнетит

4,9-5,2

2,5—2^8

тнтаномагнетит

4,9—5,2

2,5—2'8

монацит

4,9—5,2

2,5—2,6

касситерит

6,8-7,0

2,5-2,6

2 6

_ серебро

10,1—11,1

ЗОЛОТО

15,6—18,3

2,5—2,8

платина

15,0—19,0

2,5-2,8

Полезные ископаемые россыпей шельфа

Наиболее распространены в зоне пляжей и шельфа месторождения тяжелых металлов — ильменита, рутила, циркона, монацита, магнетита, титаномагнетита, касситерита. Реже

встречаются платина, золото, хромит, вольфрамит, соли ванадия, танталит, самарскит, фергусонит, ксенотим, силлиманит, магнезит. Из других полезных ископаемых, обнаруженных на шельфе, можно отметить алмазы, залежи полудрагоценных камней, фосфоритовые и баритовые конкреции. Широко распространены залежи строительных материалов: кварцевые пески, ракуша, ракушечные пески, галька, гравий. Ниже дана краткая характеристика известных пляжевых и шельфовых месторождений россыпного типа.

Месторождения тяжелых минералов

Америка. Россыпи с промышленным содержанием в Канаде известны на побережье о. Ньюфаундленд. Крупные комплексные залежи тяжелых минералов находятся на побережье США в районе штатов Флорида и Каролина. Пляжевые месторождения расположены на восточном побережье п-ова Флорида и на южном берегу Мексиканского залива. На севере штата Флорида залежи сосредоточены в пляжевой зоне, на юге — на некотором удалении от берега, в зоне дюн. Северные залежи более богатые, поэтому их начали разрабатывать раньше, но затем добыча переместилась к югу, в районы Трейл-Риджа, Джексонвилла и залива Пенсакола (Флорида). Это было вызвано огромными запасами разведанных месторождений (перспективные запасы пока не поддаются оценке).

Россыпь в Джексонвилле вытянута на 10—12 км при ширине сотни метров. В Трейл-Ридже мощность продуктивной пачки достигает 10 м, а размеры месторождения 1,5x30 км. Содержание минералов, %: ильменит 40, рутил 4, циркон 10— 12, монацит 0,5.

Комплексные месторождения тяжелых минералов встречаются также на пляжах и шельфах Южной Америки. Имеются сведения о наличии подобных месторождений на шельфе Мексики, Аргентины, Коста-Рики, Бразилии и других стран. Наиболее богатые и изученные месторождения находятся на восточном побережье Бразилии. На протяжении 150 км вдоль берега расположено 20 комплексных россыпных месторождений с высоким содержанием монацита. Разработки ведутся в шахтах Экспириту-Санто и Байя с 1884 г. При этом раздельно извлекаются монацит, рутил, ильменит, циркон, силлиманит.

Австралия. Обладает наиболее крупными комплексными месторождениями тяжелых минералов. На восточном побережье ильменит-рутил-циркониевые россыпи протянулись у берегов Южного Квинсленда, Нового Южного Уэльса, от о. Фрейзер через г. Сидней до о. Тасмания на 2225 км. Содержание тяжелых минералов достигает 70—80%, причем ильменита до 45 %. По участкам побережья состав тяжелой фракции

изменяется, но в среднем составляет, %: циркон 50, рутил 30, монацит 0,5—0,8. Рудный горизонт расположен в основании дюн и состоит из горизонтальных тонких прослоек и пачек с четкими поверхностями раздела. Мощность продуктивного слоя достигает 1,8 м при ширине до 60 м. Морские залежи прослежены до глубины 200 м.

Открыты прибрежные россыпи на северном, западном и южном берегах Австралии. Разведанные россыпи так богаты, а перспективные неразведанные площади так обширны, что, по оценкам геологов, запасы тяжелых минералов достаточны для обеспечения сырьем всей мировой металлургии титана. Уже в настоящее время производство рутилового концентрата в Австралии составляет 90 % его производства в капиталистических странах; на ее долю приходится также 60 % мировой добычи циркона и 25 % монацита. Огромные запасы ильменитовых и титаномагнетитовых песков найдены на западном побережье Новой Зеландии в 1948—1949 гг. Разведано два слоя: один в области современного пляжа, другой на глубине 30 м.

Африка. Зона развития прибрежно-морских россыпей практически опоясывает весь континент. Известны месторождения тяжелых минералов у берегов Марокко, Мавритании, Сенегала, Гамбии, Юго-Западной Африки, Мозамбика, Анголы, Египта, Алжира, Берега Слоновой Кости и других государств. Считается, что самые крупные запасы рутила сосредоточены в россыпях у побережья Сьерра-Леоне. Россыпи приурочены к пляжевой и смежной подводной части шельфа. Тяжелые минералы содержатся в промышленных концентрациях, однако месторождения изучены плохо. Добычные работы ведутся в Марокко, Сенегале, Береге Слоновой Кости, Мозамбике, Египте.

На о. Мадагаскар открыты прибрежные комплексные россыпи. Имеются данные, указывающие на существование подводных россыпей у южного берега острова.

Азия. Очень богата тяжелыми минералами прибрежная область южной части п-ова Индостан. Основным минералом является монацит. Несмотря на то что его содержание в промышленном концентрате не более 1—2 %, по качеству он значительно превосходит монацит Бразилии. В его состав входит 29 % окиси тория, 6 % окиси урана, 30 % окиси цезия. Содержание других тяжелых минералов, %: ильменит 65—75, рутил 3—8, циркон 5—10, силлиманит 5—10. Разведанные запасы составляют 160 млн. т (в том числе ильменита 52, монацита 2 млн. т), а неразведанных запасов, по-видимому, еще больше.

Крупные залежи ильменитовых песков выявлены и у восточных берегов п-ова Индостан. Здесь обнаружены две области продуктивных пластов в донных мелкопесчаных и крупноалевритовых осадках. На глубине 36 м в песках находятся 84

значительные прослои, обогащенные тяжелыми минералами, а на глубине 22 м содержание тяжелой фракции превышает 30%. В состав фракции входят магнетит, гранат, ильменит, циркон, монацит.

На северо-восточном побережье о. Шри Ланка в зоне пляжа разведаны ильменитовые пески. (За время разработки россыпь восстанавливалась 5 раз.)

На шельфе и пляжах Японии открыты крупные залежи титаномагнетитовых и магнетитовых песков. Месторождения обнаружены на дне заливов Токийского и Ариаке. В заливе Ариаке месторождение находится на глубине вод 30 м, его площадь составляет 177 км2. В россыпи содержится, %: железо 56, окись титана 12, фосфор 0,25, ванадий 0,2. Запасы оцениваются в 1,7 млрд, т, из них высококачественные железные руды составляют 43 млн. т. Ежегодно в заливе Ариаке добывается около 1000 т титаномагнетитовых песков. Кроме того, из песков, залегающих на восточном побережье о. Хондо, добывается ванадий. Запасы песков оценивают в 10 млрд. т. Имеются сведения о нахождении в шельфовой зоне месторождения магнезита.

К настоящему времени имеются сведения о наличии россыпей тяжелых минералов в прибрежной зоне о. Хайнань, а также в Южной Корее. Тяжелые минералы являются сопутствующими в пляжевых и шельфовых месторождениях касситерита.

Россыпи касситерита в комплексе с тяжелыми минералами образуют почти непрерывный пояс от Индии и Шри Ланка через побережье Таиланда, Вьетнама, Филиппин, Китая, Южной Кореи, Японии до Чукотского полуострова. В россыпях Юго-Восточной Азии наряду с касситеритом и тяжелыми минералами (ильменитом, рутилом, цирконом, монацитом) в различных концентрациях встречаются фергусонит, самарскит, танталит, ксенотим, золото, платина. Наиболее широко изученные и разрабатываемые месторождения касситерита находятся в Индонезии, Таиланде, Пакистане, Южной Корее, на о. Тайвань, у берегов Малайзии и Бирмы.

Богатые месторождения касситерита находятся у островов Белитунг, Синкеп (Индонезия). Россыпи прослеживаются на 10—15 км от берега до глубины 35 м. Содержание касситерита в них составляет 0,25—8 кг/м3. В настоящее время ведутся разведочные работы по поиску новых подводных россыпей. В 1970 г,- Индонезия и Нидерланды заключили договор о проведении поисков и разведки месторождений касситерита вблизи островов Суматра и Бинтан.

Таиланд является крупнейшим производителем олова в мире. Однако россыпи и коренные месторождения на суше истощаются и в связи с этим ведутся разведочные работы на

шельфе. Разведанные россыпи сосредоточены у южного и западного побережья в прибрежной зоне шириной 5 км на глу- - бине от 20 до 40 м. Содержание касситерита в залежах составляет 0,2—1 кг/м3. Некоторые специалисты полагают, что через несколько лет касситерит в Таиланде будет добываться преимущественно со дна моря.

Европа. Крупные месторождения тяжелых минералов на шельфе не обнаружены. Небольшие по размерам и сравнительно бедные комплексные россыпи найдены на шельфах Норвегии, Дании, Англии, Испании, Португалии и Балканских стран.

В настоящее время в Советском Союзе широко ведутся разведочные работы с целью отыскания россыпных месторождений. Содержание тяжелых минералов в некоторых разведанных россыпях достигает 40%. Россыпи залегают на расстоянии 0,5—1 км от берега на небольшой глубине. Мощность продуктивного слоя 0,3—1 м. Имеется несколько перспективных районов с достаточно высокими концентрациями ильменита, касситерита, золота и титаномагнетита (при содержании железа до 70%). На северном берегу Азовского моря пляжевые россыпи ильменита известны давно и некоторое время эксплуатировались. Прибрежные россыпи (включая титаномагнетитовые) тяжелых минералов обнаружены в береговой зоне Курильских островов. Особый интерес представляют ванадистые титаномагнетитовые россыпи в прибрежных зонах островов Итуруп и Кунашир. Предварительные исследования в прибрежных районах Дальнего Востока, п-ова Камчатка, о. Сахалин показали наличие в россыпях пляжей и шельфов этих районов титанитов, хромитов, вольфрамитов, касситерита, рутила и других тяжелых минералов.

Золото и платина

Золотоносные пески обнаружены на пляжах США (Калифорния, Аляска, Орегон), Канады, Панамы, Чили, Турции, Египта, Юго-Западной Африки, на шельфе Индонезии. Сведения о месторождениях крайне скудные. Необходимо сказать о разведочных работах близ берегов Аляски, на пляжах которой много лет добывают золото из золотоносных песков. Разведочные работы показали наличие золотоносных песков вдоль п-ва Сьюард на глубине от 5 до 60 м. В заливе Нортон-Саунд выявлены золотоносные пески, мощность которых достигает 6 см. В проливе Стефенса к югу от п-ова Гранд найдено мелкое золото в рыхлых отложениях на глубинах 170—300 м. Его содержание достигает 260 г/м3.

На Аляске в районе залива Гудньюс находятся платиновые россыпи — единственное месторождение платины в США. Пла- 86

типовые пески мощностью от 0,6 до 2 м сопряжены с ныне затопленными речными долинами. Имеются сведения о наличии платины на шельфе Великобритании.

Алмазы и полудрагоценные камни

Крупные месторождения алмазов найдены у берегов Юго- Западной Африки в отложениях прибрежных террас, в пляжевых песках и в песчано-гравийных наносах шельфа на глубине 30—120 м. Эти залежи удалены от берега на 0,3—5 км. Алмазоносная зона прослежена на расстоянии 1200 км вдоль берега Намибии от южной границы. Наиболее богатые месторождения были открыты в устье р. Оранжевой. В этом месторождении 99 % алмазов ювелирного качества массой в среднем 0,5 кар. Отдельные алмазы имеют до 11 кар. Разведанные месторождения практически исчерпаны, однако ведутся обширные работы по поиску новых россыпей. Имеются сведения о наличии алмазов на шельфе Великобритании.

На морских побережьях часто встречаются месторождения полудрагоценных камней. Так, значительные скопления халцедоновой гальки найдены на пляжах Катангского залива моря Лаптевых, на южном побережье Баренцева .моря и в ряде других мест. Значительные запасы янтаря находятся в шельфовой зоне Балтийского моря. Особенно много его на южном побережье. Из месторождений, разрабатываемых в пляжевой зоне, следует отметить месторождение в районе пос. Янтарный. Янтарь приурочен к глауконитовым глинистым пескам и залегает на глубине 7—10 м.

Строительные материалы

В зоне пляжей и шельфов Мирового океана сосредоточено огромное количество нерудных полезных ископаемых (песка, ракуши, ракушечного песка, гальки, гравия). Эти месторождения интенсивно разрабатываются во многих странах.

В США в заливе Сан-Франциско находятся ракушечные пески. Такие же пески разведаны в прибрежных водах штатов Луизиана и Вашингтон. Вдоль побережья Мексиканского залива и п-ова Флорида обнаружены огромные запасы ракуши. Ее слой достигает 3—4 м. Ракуша используется как сырье для получения извести. В общей сложности США с прибрежных месторождений в год добывают более 0,5 млрд, т песка и гравия.

В Исландии на западном побережье и заливе Фахсафлоуи имеется крупное месторождение ракушечного песка, который содержит до 80 % карбоната кальция и используется как сырье для получения извести и портландцемента.

Полезные ископаемые глубоководного дна и континентального склона

Фосфоритовые к о икреци и (ФК). Являются сырьем для произ- водства фосфорных удобрений. Они широко распространены как на шельфе, так и в глубоководной части Мирового океана. Запасы их, по оценкам Дж. Меро, только на шельфе составляют не менее 30 млрд. т. Залегают они на глубинах от 30 до 3000 м. В некоторых районах ФК занимают 80—85 % площади дна. Средняя концентрация ФК несколько тысяч тонн-на 1 км2 морского дна. Содержание фосфора достигает 30 %. Наиболее крупные залежи ФК обнаружены на шельфе Гвинейского залива, юга Африки, о. Мадагаскар, Атлантического и Тихоокеанского побережья Северной и Южной Америки, Австралии, Новой Зеландии и Японии. По ориентировочным подсчетам, сотая часть известных запасов ФК шельфа может обеспечить потребность в масштабе планеты на 1000 лет.

Общая протяженность фосфоритоносной зоны от мыса Рейес (севернее Сан-Франциско) до южной оконечности п-ова Калифорния превышает 2000 км при ширине полосы 80 м и глубине залегания до 100 м. Фосфориты встречаются в виде хорошо отсортированных зерен песчаной размерности. Количество фосфоритовых зерен достигает 15—40 %. Мощность фосфоритовых осадков около 1,25 м. Во фракции 0,125—0,250 мм преобладают черные ово- идные зерна. В более крупных фракциях частицы имеют плоскую или пластинчатую форму. Запасы фосфоритов на шельфе п-ова Калифорния оцениваются в 50—60 млн. т с содержанием фосфора 31—38 %, кальция 37—47 %.

В центральной части Тихого океана ФК обнаружены в районе Маршалловых островов близ атолла Бикини на глубине 1500—1900 м. В районе Срединно-Тихоокеанских гор, к северу от них (на южной оконечности Императорских гор), на глубине 3000—6000 м также обнаружены ФК- В этом районе с глубины 3800 м поднята глыба кремнисто-фосфатной породы размером 140X145X64 см и массой более 1 т, покрытая железо-марганцевой коркой.

В южном районе центральной части Тихого океана фосфориты найдены на восточном склоне плато Манихики к югу от о. Раротонга. Среди фосфоритов преобладают белые, кремовые, зеленые, оранжевые плотные разности с раковистым изломом, однородные или неравномерно окрашенные окислами железа. В плотных фосфоритах содержится, %: фосфор 29—32, железо — 3, магнетит 1—2. В рыхлых разностях — около 18 % фосфора.

Фосфориты на шельфе Перу и Чили залегают на глубине около 150 м. Размеры конкреций и их обломков от 2—5 до 7 мм. Форма конкреций самая разнообразная, преимущественно округлая, овальная и лепешковидная. Сред- гнее содержание фосфора 15—20 %.

В районе поднятия Чатем, к востоку от о. Южный Новой Зеландии, на глубинах 300—400 м также обнаружены фосфориты. Осадки представлены гравийными песками, состоящими из угловатых и слабоокатанных обломков кристаллических сланцев, минеральных зерен, черных фосфоритовых конкре-' ций и раковин фораминифер. Преобладает средне- и мелкопесчаная фракция. Форма конкреций неправильная. Размер их не превышает 10 см. Химический -состав, %: фосфор 22, кальций 37, кремний 7, калий 4, магний 0,1.

В Индийском океане ФК обнаружены в районе банки Аеульяс на глубине 120—1500 мив десятках миль к юго-востоку от банки на глубинах .до 3500 м. Они представлены округлыми и угловатыми желваками размером 1—6 см. Поверхность желваков глазированная коричневая. Содержание фосфора 19—23, кальция 39—40 %. На малых глубинах конкреции залегают в глауконитовых или фораминиферовых песках.

В северо-западной части Индийского океана фосфориты разведаны на юго-западном склоне о. Сокотра (иа глубине 210 м). Они представлены галькой разнообразной формы темно-коричневого цвета. Среднее содержание, %: фосфор 28, кальций 44, глинозем 6, кремний 3.

В Атлантическом океане залежи ФК располагаются у восточного побережья США в полосе протяженностью около 1400 км между Нью-Йорком и южной оконечностью штата Флорида и залегают в кварц-известковистых песках. Они представлены в виде черных н коричневых твердых желваков размером до 8 см. Концентрация фосфоритовых зерен в песках 14—40%. Обычно они залегают на глубинах от 30 до 40 м.

Близ берегов Юго-Западной Африки фосфориты распространены в зоне примерно от 18 до 26° ю. ш. на глубинах 60—300 м. Преобладают в этих месторождениях фосфоритовые стяжения в виде мелких зерен, фосфоритовых конкреций размерами 6—8 см, фосфоритовых плит и глыб массой десятки килограммов, а также в виде фосфоризированных осадков. Содержание фосфора в фосфоритовых образованиях этого месторождения достигает 33 %.

Глауконит. Широко распространен на континентальном склоне, бровке шельфа и на шельфе. Минерал глауконит — гидросилйкат калия, железа и алюминия — вследствие повышенного содержания в нем калия может быть использован для производства калийных удобрений. Зерна глауконита (иногда йселваки) черного или зеленого цвета довольно высокой твердости. Размер зерен от 1 мм до нескольких сантиметров. Обнаружено много месторождений, например, вдоль побережья Калифорнии, Португалии, Западной Африки, Южной Америки, Японищ Шотландии, Новой Зеландии, Филиппин, Китая, вдоль восточных берегов Северной Америки и близ восточного побережья Австралии. Глубина залегания от 9 до 1000 м. Особенно перспективны месторождения, залегающие на небольших глубинах, поскольку концентрация глауконита в них значительно выше, чем в глубоководных. Глауконит является характерным, а иногда и главным компонентом зеленых илов и песков. Обнаружен он также в глубоководных илах и в развитых вдоль берега глобигериновых (известняковых) илах. Химический состав глауконита, %: калий 2—9, натрий 0,25, кремний 50, магнетит 25, глинозем 9.

Железо-марганцевые конкреции (ЖМК)- Являются наиболее распространенными и перспективными полезными ископаемыми морского дна, особенно глубоководного. Около 10 % площади дна морей и океанов полностью покрыто ЖМК. Особенно широко распространены они в Тихом океане, где около 20J% дна полностью и около 60 % частично покрыто этими конкрециями. В Атлантическом и Индийском океанах ЖМК меньше. Если в Тихом океане общие запасы ЖМК составляют 112 млрд, т, то в Атлантическом— 45 млрд, т, а в Индийском — 41 млрд. т. ЖМК обнаружены также в морях и озерах, например в северной части Баренцева моря, в Белом и Карском морях, в Рижском и Ботническом заливах Балтийского моря, в Аральском море, во многих озерах. Общие запасы конкреций на поверхности дна Мирового океана оцениваются в 300—350 млрд. т. Но если учесть, что конкреции распространены ие только иа поверхности дна, но и в осадках на глубинах до 3 м, то эти цифры необходимо значительно увеличить. Кроме того, запасы конкреций непрерывно растут; только в Тихом океане запасы конкреций на поверхности дна ежегодно увеличиваются на 6 млн. т.

Плотность залегания конкреций на дне различна и достигает 2,5 г/см2, что составляет 25 тыс. т на 1 км2. Средняя глубина залегания конкреций около 4000—7000 м, однако конкреции имеются и на глубинах 100—500 м.

Форма их весьма разнообразна: овальная, лепешковидная, шаровидная, почкообразная и коркообразная. Средняя плотность 2,4 г/см3, но имеются конкреции и с плотностью 4,5—5,3 г/см3. Обычно размеры конкреций 5—7 см в поперечнике, однако встречаются и гиганты. Самая крупная конкреция длиной 1,5 м и массой более 1 т была поднята в 1966 г.

В среднем ЖМК содержат, %: марганец 25, железо 14, никель 1,9, кобальт 0,4, медь 0,5, причем концентрации компонентов изменяются в зависимости от месторождения. Так, конкреции в Тихом океане богаты марганцем (до 50%). Они расположены ближе к побережью Северной и Южиой Америки. В центральной части Тихого океана распространены конкреции, богатые медью (1,1 %) и никелем (1,5%). Западнее Гавайских островов имеются залежи конкреций, богатых кобальтом (2%). В Атлантическом океане конкреции содержат в среднем' марганца 18 %, кобальта 0,4 %, меди

0,4%, ио в иих больше железа и никеля. В морях и озерах конкреции включают в -себя марганец (до 20 %), железо (15 %), никель, кобальт и медь (по 0,5%). Кроме того, конкреции содержат некоторые редкоземельные минералы. Например, таллия в них в 50—100 раз больше, чем в известных наземных месторождениях.

Запасы металлов в оцененных месторождениях ЖМК следующие, т: марганца 4,2-1010, кобальта 6,2-108, никеля 13,4*108, меди 8,6-108, циркония 1,2-10®, молибдена 0,8-108, цинка 1,4-10®.

Глубоководные отложения. На дне океанов, морей и многих озер широко распространены мощные отложения кремнистых илов. Оии широко применяются в различных областях промышленности в качестве легких пористых наполнителей бетона, материала для изготовления фильтров, сырья для изготовления кирпича, обладающего термо- и звукоизоляционными свойствами, абсорбентов, минеральных наполнителей и мягких абразивов. Кремнистые илы по происхождению делятся на радиоляриевые и диатомовые.

Радиоляриевые илы, состоящие преимущественно из раковин, скелетов и спикул радиолярий, распространены в Индийском океане (вокруг островов Кокосовых и к востоку от о. Мадагаскар). Этими илами покрыто около 0,3 мли. км2 диа Индийского океана. В Тихом океане радиоляриевые илы покрывают около 6,6 млн. км2 дна, причем южные области Тихого океана характеризуются пятнистым распределением радиоляриевых илов. Залегают илы иа глубинах 4300—8200 м, обычно между областями накопления известковых илов и красных глин. Из-за влияния посторонних примесей' содержание кремнезема редко превышает 60%. Окраска илов красио-бурая.

Диатомовые илы сложены из остатков растительных планктонных организмов. Оии покрывают 4,1 мли. км2 диа южной части Атлантического океана, 12,6 млн. км2 южной части Индийского океана и 14,4 млн. км2 северной периферии Тихого океана. Общее количество диатомовых 'илов на дне океанов примерно 1013 т. Залегают они иа глубинах от 1100 до 5700 м. Средняя мощность диатомовых илов около 200 м. Чистые их разновидности окрашены в белый или кремовый цвет. Размеры частиц в среднем составляют 100 мкм. В высушенном виде диатомовые илы по цвету и структуре напоминают муку. Чистые образцы диатомовых илов содержат ие меиее 80 % кремния, но обычно из-за примесей содержание кремния снижается до 68 %. Сепарация диатомовых илов позволяет получать продукт с содержанием кремнезема более 99 % в пересчете на воздушно-сухую навеску.

Известковые илы покрывают около 128 млн. км2 океанического дна или примерно 36 % его площади. Эти илы являются преобладающими осадками на дие Атлантического океана и покрывают более 70 % его дна. В Тихом океане известковые илы обрамляют Австралию и Новую Зеландию, а также размещаются в центральных областях юго-восточной части океана. В Индийском океане известковыми илами занято около 55 % площади дна, в пределах 100-километровой полосы вдоль побережья океана. Залегают они на глубинах от 700 до 6000 м. Мощность слоя известковых илов оценивается в 400 м. В общей сложности в океанах заключено около 1016 т известковых илов и запасы их ежегодно увеличиваются за счет отложений -на 1,5 млрд. т.

Основными компонентами известковых илов являются остатки многочисленных организмов, в основном фораминифер (глобигериновые илы). Кроме того, в их состав входят раковины птеропод (птероподовые илы), кокколиты (кокколитовые илы), рабдолиты, обломки неорганического происхождения — полевые шпаты, магнетит, кварц, зерна двуокиси марганца и вулканические частицы. Размеры частиц известковых илов меняются от 0,5 до 500 мкм. Известковые илы отличаются высоким содержанием карбоната кальция (до 93 %), при этом осадки с более высоким содержанием располагаются на относительно меньших глубинах. Химический состав известковых илов, %: кальций 65—93, кремний 1,6—18, глинозем 1,3—5, магнетит 0,5—5, магний 0,2—2,5. Известковые илы могут служить хорошим сырьем для цементной промышленности, так как содержание кальция в них выше, чем в известняках, используемых в цементном производстве.

Металлоносные илы обнаружены в рифтовой зоне Красного моря в трех впадинах — Чейн I, Атлаитик II и Дискавери. Глубина их залегания около 2200 м. Морская вода во впадинах имеет повышенную температуру (до 56 °C) и высокую соленость (до 25 %о). Концентрация солей тяжелых металлов (железа, марганца, свинца, цинка, серебра и золота) в воде выше в 1000—50 000 раз по сравнению с обычной их концентрацией в морской воде. На дне перечисленных впадин залегает ил со значительной концентрацией тяжелых металлов, который представляет собой коллоидную массу мягкой или средней консистенции, содержащую до 50—90 % рассола и окрашенную в черно-дегтяриый либо в красные, желтые и зеленые тона. При высыхании осадки принимают различные оттенки желтого и коричневато-бурого- цвета. В состав илов входят следующие осадки.

Железисто-монтмориллонитовые, темно-коричневого цвета, слоистые,, полужидкие. Содержат окисное и закисное железо, сфалерит, гётит и манга- носидерит. Концентрация рассола 90—96 %. Мощность этого слоя во впадине Атлаитик II 4—6 м, во впадине Дискавери 0,7 м.

Аморфно-гётитовые, имеющие цвет от оранжевого до желтого. Свыше 80 % составляют вода и растворимые соли. Осадки сложены гётитом и лимонитом, пиритом, гематитом. Мощность этого слоя около 1 м, но у порога^ разделяющего впадины Атлаитик II и Дискавери, возрастает до 4 м.

Сульфидные, представляющие собой гомогенную черную массу. Основные минеральные компоненты: сфалерит, халькопирит и пирит. Мощность слоя достигает 1 м.

Манганитовые, обычно небольшой мощности (до нескольких сантиметров), состоят из магнетита и тодорокита.

В железисто-монтмориллонитовых осадках содержится 37 % магнетита,, в аморфно-гётитовых — в среднем 64%, в манганитовых — до 30 %. Кроме того, в манганитовых осадках присутствует до 35 % марганца. В сульфидных осадках довольно много цинка (12—20 %) и меди (4,5 %). Содержание серебра в иле достигает 295 г/т, а золота 5,6 г/т. Иногда в этих осадках находятся свинец и другие металлы. Имеются сведения о вскрытой 10-метровой толще металлоносных плов (свыше 50 млн. т).

Имеются предположения о наличии аналогичных металлоносных илов, и в других частях Красного моря.

Вблизи побережья одного из Курильских островов отмечено современное накопление металлоносных илов. Насыщенные газами речные воды дренируют кореииЫе породы, растворяя металлы, и выносят их в море, где эти металлы выпадают в осадок. Ежегодно иа дно выпадает около 65 т алюминия,, а также титан, цинк, свинец, медь, олово, серебро и ниобий.

В Тихом океане обширная зона металлоносных ожелезненных форами- ниферовых илов коричневого цвета приурочена к Восточно-Тихоокеанскому поднятию. Мощность рудных осадков достигает 6 м при содержании железа 25—30, марганца 7—9, глинозема 15, титана до 1, меди 0,1 %. Кроме ожелезненных фораминиферовых илов в этом же районе на глубине 2000 м обнаружены железистые и марганцовистые осадки, представленные рудным материалом с содержанием железа до 30 % и марганца до 38 %.

Красные глубоководные глины широко распространены на океаническом дне. Это относится к северной и южной областям центральной части Тихого океана. В Атлантическом и Индийском океанах красные глииы занимают 25 % площади дна. Средняя мощность этих осадков около 200 м. Запасы глин увеличиваются на 1—2 мм за 1000 лет.

Красные глины мягки и пластичны. В естественном состоянии они обладают консистенцией густого жира, а при высыхании обычно образуют твердую- массу, характеризующуюся значительной строительной прочностью. В глинистой массе находится большое количество зерен двуокиси марганца, космических частиц, цеолитовых кристаллов, обломков раковин, пемзы и иных пород.. В глинах содержатся, %: кремний 4,5, глинозем 16, железо 7, марганец 2, никель 0,7, калий 2,5. Глубоководные глины, запасы которых практически неограниченны, в будущем могут стать перспективной рудой иа алюминий.

Из менее широко распространенных осадков дна океана следует отметить железо-никелевые окатыши, скелетные остатки животных, палагонит, филлипсит и цеолиты. '

Железо-никелевые окатыши обнаружены в ряде мест Атлантического океана. Запасы их оцениваются в 10 млрд. т. Предполагают, что они имеют космическое происхождение. Встречаются железо-никелевые окатыши в виде микроскопических шариков, которые распределены по всей площади океана.

Скелетные остатки животных на некоторых участках морского дна образуют крупные скопления (зубы акул, слуховые капсулы китообразных, скелеты рыб). В них содержится фосфора до 34 и фтора до 2 %. Многие остатки с течением времени покрываются оболочкой двуокиси марганца и нередко становятся ядрами марганцевых конкреций. Во многих случаях их внутренние части замещаются двуокисью марганца. В скелетах некоторых видов морских животных накапливается большое количество различных металлов (до 1,5 % цинка, до 0,5 % меди, до 0,15 % стронция, до 0,1 % свинца). Имеются также заметные концентрации никеля и серебра.

Палагонит—конечный продукт выветривания и гидратации базальтовых вулканических стекол, который широко распространен в областях развития красных глубоководных глин. Он содержит, %: кремний 45, алюминий 16, магнетит 15, марганец 3, натрий 4, кальций 2.

Филлипсит—наиболее распространенный минерал некоторых пелагических глин. Иногда он составляет 50 % всего глинистого осадка. Размеры кристаллов 0,01 мм. Филлипсит содержит, %: кремний 50, алюминий 16, магнетит 6, калий 5.

Цеолиты довольно часто встречаются на дне океанов. В некоторых разностях этих минералов иногда отмечаются повышенные концентрации металлов, в частности германия.

Полезные ископаемые недр шельфа

Нефть и газ. Подсчитано, что в разведанных районах (около 10—12 % площади шельфа) находится не менее 100 млрд, т нефти и 15 000 млрд, м3 газа. Всего же в недрах Мирового океана содержится не менее 1400 млрд, т углеводородов (в пересчете на нефть), что составляет примерно половину всех известных запасов углеводородов в земной коре. Большая часть известных в настоящее время морских запасов нефти и газа приходится на шельф. Фактически еще совершенно не изучена нефтегазоносность континентального склона океана. Наименьшие возможности с точки зрения нефтегазоносности имеют абиссальные равнины океана.

Сера. В 1954 г. при разведочных работах на нефть в Мексиканском заливе было обнаружено месторождение серы, которое до настоящего времени является единственным в недрах морского дна. Мощность серного пласта составляет 15—30 % породы, а ее запасы (по данным на 1965 г.) составляют 30— 40 млн. т. В настоящее время Мексиканский залив является третьим районом по запасам серы в США. В других частях океана месторождения серы не известны, однако сероносные солянокупольные структуры обнаружены в некоторых районах. В частности, это относится к Персидскому заливу, Красному и Каспийскому морям.

Уголь. Значительные запасы угля скрыты в месторождениях шельфа у берегов Турции, Китая, Великобритании, Японии, Канады, Чили. Их наличие вероятно в коренных породах шельфа Северо-Востока СССР, США (Аляска) и других стран. Новое месторождение высококачественных углей выявлено в Северном море. В Японии, на островах Хоккайдо, Кюсю и Хонсю обнаружены угольные пласты, уходящие под дно моря. В меньших масштабах известны месторождения угля в Канаде. Под дном Черного моря залегает около 33 % запасов каменного угля Турции.

Железная руда. Крупнейшим из известных в настоящее время месторождений железной руды является месторождение Ватана в заливе Консепшен у восточного побережья о. Ньюфаундленд. Месторождение было обнаружено в 1892 г. Достоверные запасы руды этого месторождения достигают 2 млрд. т. Во Франции (Нормандия) обнаружено и эксплуатируется железорудное месторождение Делетт (25 км к югу от г. Шербур). Месторождение железных руд открыто в Финском заливе (о. Стур-Юссаре — 90 км юго-западнее г. Хельсинки). Месторождение представлено магнетитовыми жильными рудами. Кроме этого, на Балтийском море в районе Аландских островов обнаружено месторождение железных руд. Подводные выходы оолитовых железных руд известны также на шельфе СССР (акватории Азовского и Черного морей).

Коренные месторождения олова. К настоящему времени известно только одно месторождение олова, располагающегося в недрах океана—-Корнуолл (Великобритания). Содержание олова в рудах составляет 0,7—1,2%. Мощность рудного тела (район рудника Левант) 4,6 м.

Барит. Известно одно месторождение барита в недрах океана. Оно располагается в заливе Дункан у побережья Аляски. Это месторождение барита представлено жилой мощностью 30 м. Глубина моря над ним составляет 30 м. Подсчитанные запасы барита 2,5 млн. т.

Глава IV

Арктический шельф и геологоразведочные и горные работы на нем

Основные сведения

о Северном Ледовитом океане и морских льдах

Значительная часть дна Северного Ледовитого океана приходится на шельф. Большая часть глубины его вод не достигает 200 м, что особенно важно и для разведки, и для разработки полезных ископаемых. Предполагается, что около 60 % основных месторождений полезных ископаемых арктического шельфа приходится на открытое море (off shore). Однако серьезным препятствием для их освоения является то, что воды этой части Мирового океана большую часть года полностью покрыты льдом. Суров климат этого района. Тем не менее Арктика и арктический шельф неуклонно -осваиваются. Специалисты Голландии отмечают, что в настоящее время в стадии разработки находятся следующие технические средства, являющиеся развитием оснащения поисковых и разведочных работ: 1) буровые суда с оборудованием, позволяющим осуществлять бурение во льду толщиной до 1,5—1,7 м; 2) баржи на воздушных подушках с оборудованием для плавления льда; 3) суда с корпусами, разбивающими лед за счет килевой качки; 4) основания для морского бурения «Монопод» с приспособлениями для резания льда.

До сего времени разведочное бурение и разработка подводных месторождений осуществляются сезонно, в чрезвычайно короткий летний период. Зарубежные, в частности голландские, специалисты полагают, что круглогодичная эксплуатация систем разведки и разработки месторождений арктического шельфа — вопрос ближайших 10—20 лет. При этом для использования технических систем в глубоких водах при непрочном ледяном покрове предполагается использовать суда с динамической стабилизацией, свободно стоящие На якоре. Для ледяного покрытия средней прочности и для. средней глубины вод рекомендуется применять основания «Монопод» и стоящие на якоре ледоколы. В районах многолетнего, пакового льда для целей разведки можно использовать плавучие льдины, предварительно искусственно нарастив их толщину.

Акватория Арктики и льды в море

В настоящее время Арктика практически разделена на пять секторов, основанием которых являются северные границы СССР, США, Канады, Норвегии (от Шпицбергена) и Дании (в районе Гренландии), боковыми сторонами — меридианы, а вершиной — Северный полюс. На все земли и острова, расположенные в пределах каждого сектора, распространяется суверенитет прилегающих государств, а в водах в первую очередь учитываются их интересы. В советский арктический сектор входят следующие острова: Земля Франца-Иосифа, Новая Земля, Северная Земля, ■ Новосибирские и Врангеля. Общая площадь сектора около 9 млн. км2, из которых 6,8 млн. км2 приходится на водное пространство. Заметим, что площадь Северного Ледовитого океана 13,1 млн. км2.

Отличительной особенностью Северного Ледовитого океана является наличие самого обширного по сравнению с другими океанами шельфа. Если шельф Мирового океана примерно равен 8 % его общей площади, то шельф Северного Ледовитого океана — свыше 37 % площади океана и особенно развит на Евразийском побережье. На меридиане горла Белого моря он занимает 15° по широте, на меридиане Берингова пролива (совместно шельф Чукотского и Берингова морей) — 18° по широте, причем шельф здесь исключительно мелководный.

Ледовый массив более чем на 300 дней в году покрывает акваторию морей Арктики, что делает их, по существу, сплошным ледяным полем. Распределение льдов в Мировом океане определяется годовыми изменениями температуры и зависит от прихода и расхода тепла, характера течений, солености морской воды и очертаний берегов.

В Северном полушарии граница максимального (в апреле) распространения льдов — 62° с. ш., а минимального (в сентябре) 77° с. ш. Таким образом, наибольшие колебания границы льдов в зависимости от сезона наблюдаются в пределах 15° по широте, а средние по многолетним наблюдениям равны 12°. Площадь морских льдов в Северном полушарии меняется в зависимости от времени года. В течение семи месяцев, с сентября по март, в Северном полушарии происходит нарастание льдов, а в остальные пять, с апреля по август,— таяние и разрушение. На рис. 23 показано распространение льдов летом.

Советскому Союзу принадлежит более половины побережья Северного Ледовитого океана. На его шельфе расположены моря: Баренцево, Белое, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское. Климат района очень суров. Зима длится около девяти месяцев. Летом прогревается только тонкий поверхностный слой воды. На глубинах более 25—30 м вода постоянно имеет отрицательную температуру.

Баренцево море. Площадь 1405 тыс. км2. Средняя глубина 200 м, максимальная 600 м. Всего 3 % площади моря составляют пространства с глубинами более 400 м, 48 % мелководья с глубинами до 200 м. Дно моря имеет

Рис. 23. Ледяной^покров Северного Ледовитого океана летом.

a — прибрежные льды.

/ — припай; 2 — полыньи U — Чешская, II — Печорская, III — Заладио-Новоземельская, /V —моря Виктории, V — Амдерминская, V/— Ямальская, VII — Обь-Енисейская, VIII — Западио-Североземельская, IX — Восточно-Североземельская, X — Таймырская, XI — Ленская, XII — Новосибирская, XIII— Заврангелевская, XIV— Аляскинская).

б —отроги океанических ледяных массивов (7 — Шпицбергенский, И — Карский, III — Таймырский, /V—Айоиский, V — Чукотский), локальные массивы дрейфующих льдов (V/— НовоземеЛьский, X — Врангелевский) и локальные массивы припайных льдов (V// — Североземельский, VIII — Янский, IX — Новосибирский).

очень сложный рельеф: возвышенности и банки чередуются с подводными долинами н впадинами. В апреле льдом бывает занято до % площади моря. Максимальная соленость моря до 35 %о.

Белое море. Площадь около 90 тыс. км2. Оно глубоко вдается в материк, имеет глубины от 20 до 330 м. Соленость в центральных частях 24—26, у берегов 10—20 %о- Ширина берегового припая доходит до 60 км. Ледяной покров держится 6—7 месяцев. В море сильно выражены приливно-отливные явления, высота приливов в Мезенской губе превышает 7 м.

Карское море. Площадь 880 тыс. км2. Прибрежная часть мелководна (глубины до 50 м), в центральной части глубина к северу увеличивается от 50 до 600 м, максимальная глубина моря 620 м. Летом вода прогревается иа 15—20 м. На мелководьях температура воды на поверхности повышается до 5—8 °C, в северной части моря ие поднимается выше 0,5 °C. Ширина припая 10 км и более. Соленость воды в центральных частях 30—33, у берегов летом 7—1О%о.

Море Лаптевых. Площадь около 700 тыс. км2. Средняя глубина моря 578 м, максимальная 3385 м. На большей части моря глубины ие превышают 50 м, особенно мелко в южной и восточной частях. У побережья соленость 1—5, а к северу 34 %о. Большую часть года море покрыто льдами. Температура воды летом на юге 12—15 °C, в открытом море 5—6° С, иа севере около , 1°С, а на северо-западе 1,5° С.

Восточно-Сибирское море. Площадь 936 тыс. км2. Дно имеет ровный рельеф, полого понижающийся к северу. Средняя глубина 45 м, максимальная 155 м. На юге соленость от 2—7 до 18—19, на севере возрастает до 30 %о- Летом температура воды близ устьев рек повышается до 4—6 °C, в открытом море до 1 °C. Зимой все море покрыто льдом, летом западная часть моря обычно свободна, восточная часть почти постоянно загромождена льдом.

Чукотское море. Площадь 582 тыс. км2. Преобладают глубины 25—50 м, иа севере до 200 м, средняя глубина 77 м. Зимой море покрыто сплошным ледяным покровом. Соленость 30—32, у берегов 24—27 %о. Температура воды летом 4—12° С, зимой от —1,6 до —1,8 °C.

Льды, встречающиеся в море, по происхождению делятся на три класса, причем их физико-химические характеристики резко отличаются друг от друга. К первому классу относят речные льды, которые попадают в море из рек при весеннем ледоходе. В течение полярного лета они почти полностью уничтожаются, и их роль в ледовом режиме крайне незначительна. Льды второго класса, глетчерные, попадаются в море при обламывании концов ледников. В Северном Ледовитом океане они встречаются в. виде айсбергов. Третий класс — морской лед, образующийся в самом море из морской воды (табл. 24).

Морские льды по подвижности делятся на неподвижные (прибрежные) и плавучие (дрейфующие). Неподвижный лед, окаймляющий в зимнее время берега и острова, а также льды, стоящие на мели, называются припаем. Это лед, примерзший к берегу, а иногда и ко дну, в основном он встречается в бухтах, заливах, проливах и на мелководных пространствах моря. К концу зимнего периода ширина припая может достигать десятков, а зачастую и сотен километров, что в определенной степени определяет технологию работ, проводимых со льда в этих специфических условиях. Наибольшее распространение в арктических морях имеет однолетний образующийся в одних и тех же местах припай, что совершенно необходимо учитывать при рассмотрении вопросов подводной технологии разведочных и горных работ в зимний период. Очевидно, что наибольший интерес на первой фазе освоения минеральных ресурсов арктического шельфа представляет именно припай, так как он неподвижен и находится в непосредственной близости от берега.

Классификация морских льдов по возрастным признакам

Стадия развития

Вид

Мощность, м

Характеристика

Начальные виды

Ледяные иглы

Кристаллы льда имеют вид игл или пластинок. Образуются в толще воды или на ее поверхности

Ледяное сало

Скопление игл на поверхности воды в виде отдельных пятен или сплошного слоя

Снежура

Кашеобразная масса. Образуется при обильном выпадении снега в охлажденную воду

Ниласовый (молодой)

Блинчатый

До 0,1

Лед в виде отдельностей круглой формы диаметром 3—4 м

Склянка

Тонкий прозрачный лед. На волне разламывается на стекловидные куски

Темный нилас

0,03—0,06

Рыхлый непрозрачный ледяной покров

Светлый ннлас

До 0,01

Матовый непрозрачный лед

Серый

Серый

0,1—0,15

Переходная стадия к белому льду. На волне ломается. При сжатиях наслаивается

Серо-белый

0,15—0,30

При сжатии торосится

Белый

—

0,3—0,7

Дальнейшая стадия нарастания белых льдов. Имеет устойчивый снежный покров

Однолетний (годо-

-—

До 2,0

Арктический лед, сохра-

вой)

пившийся до нового осеннего ледообразования

Двухлетний

—

2,0 и более

Лед второго годичного цикла нарастания. Имеет высокую подводную часть

Многолетний

(арктический

—

2,5 и более

Лед, просуществовавший более 2 лет. Поверх-

пак)

НОСТЬ ХОЛМИСТЗ/Я

Торосистые нагромождения

—

Более 5—8

Взломанные льды, хаотически нагроможденные друг на друга

Для образования припая наиболее благоприятны: развитая береговая линия и наличие у берега архипелагов и островов; отсутствие постоянных сильных течений и приливно-отливных явлений; мелководье, где происходит интенсивное охлаждение воды. Начальная форма припая — ледяной заберег, который, как правило, образуется прежде всего у берегов бухт, проливов И фиордов, достаточно хорошо закрытых от волнений и ветров. В дальнейшем заберег увеличивается по толщине и площади и его внешняя граница удаляется от берега. Он состоит из ниласа или склянки и может достигать ширины до 100—200 м.

Другие формы неподвижного льда [12]: подошва припая—■ часть припая, примерзшая непосредственно к берегу и не подверженная вертикальным колебаниям при изменении уровня моря, от остальной, мористой, части припая отделяется трещиной; донный лед — любой лед, находящийся под водой у дна; лед, скрепленный грунтом,— плавучий лед, севший на мель; стамуха — ледяное торосистое образование, сидящее на грунте; лед на берегу — нагромождение льда на пологом берегу.

По возрасту в припае различают: темный нилас; светлый нилас, образующийся вследствие нарастания темного ниласа, а также благодаря смерзанию шуги или снежуры; серый лед, образующийся из ниласа ..и склянки при их нарастании, а иногда из блинчатого льда при его смерзании; серо-белый лед, который в отличие от серого при сжатиях чаще всего торосится и в меньшей степени наслаивается; белый лед, в неарктических морях являющийся предельной возрастной стадией льда; однолетний лед — следующая за белым льдом возрастная стадия льда; двухлетний лед; многолетний лед — опресненный лед с оттенками голубого цвета.

Припай арктических морей Советского Союза составляют в основном однолетние льды, что необходимо учитывать при поисках полезных ископаемых и создании технологических схем их разработки в зимний период. Только в исключительных случаях отдельные бухты и проливы не вскрываются, но на подобные явления не следует ориентироваться ввиду их чрезвычайной редкости.

Разлом припая происходит под воздействием ветра, течений и волнения, но следует различать разлом припая у открытых побережий и разлом его в узких проливах и в закрытых бухтах. У открытых берегов в зависимости от метеорологических условий разлом припая может происходить в течение всей зимы, несмотря на наличие в море сплошных льдов. В зимнее время приливно-отливные колебания уровня моря являются причиной промерзания прибрежного мелководья до дна и образования в припае приливных трещин. В летнее время припай взламывается, выносится в море и переходит в группу дрейфующих льдов.

Плавучие, или дрейфующие, льды в течение всего года находятся в непрерывном движении под влиянием течений и ветров. Многолетние дрейфующие льды (паковые) имеют значительную толщину, изменяющуюся сплоченность и покрывают практически весь Северный Ледовитый океан и в том числе шельфовые моря Арктики. Паковый лед представляет собой огромное плавучее поле, раздробленное на отдельные блоки многочисленными трещинами.

Паковый лед — конгломерат старого многолетнего и молодого льда. Толщина его колеблется в зависимости от времени года, в среднем составляя 1,5—3,0 м летом и 2,5—3,5 м зимой. Под давлением отдельных гряд льда, а также глыб, образующихся при подвижках льда и наползании их друг на друга, основание льда может опускаться на 18 м и более ниже уровня воды. В зимнее время, когда площадь пака увеличивается, происходит резкое уменьшение площади свободной воды, поскольку зимой расширяются площади, занятые прибрежным морским льдом, образующимся вдоль северных берегов. Возраст паковых льдов 7—9 лет.

Следует отметить, что трещины и разводья в паковых льдах создают практически непреодолимые препятствия для передвижения по льду. Зимой замерзание разводий начинается сразу же после их образования, и за 1 сут разводья покрываются льдом толщиной более 15 см.

Поскольку освоение минеральных ресурсов арктического шельфа и прибрежной его части практически уже началось, то особый интерес в настоящее время представляет прибрежный морской лед. Однако последующие стадии развития работ будут связаны с паковыми льдами.

Основные формы плавучего льда: ледяные поля, наиболее крупные по площади образования дрейфующего льда, которые по своим размерам делятся на гигантские ледяные поля (свыше 10 км), обширные ледяные поля (2—10 км), большие ледяные поля (0,5—2 км), обломки полей (100—500 м), лед крупнобитый (20—100 м), мелкобитый (2—20 м), тертый (0,5— 2 м); ледяная каша — измельченный и истертый лед, конечная стадия дробления льда; несяк — отдельная сильноторосистая льдина незначительных размеров с большой осадкой.

По возрасту плавучий лед делится на следующие виды: ледяные иглы, образующиеся на поверхности воды или в ее толще; ледяное сало; снежуру; шугу — рыхлые белесоватые комки льда диаметром несколько сантиметров, образующиеся из ледяного сала, снежуры и донного льда; блинчатый лед и склянку.

Льды материкового происхождения появляются при сползании береговых ледников — глетчеров — в прибрежную область моря. К материковым льдам относятся также мощные ледовые образования, формирующиеся в результате накопления фирно-

снеговых масс за длительный период на многолетнем припайном льду морского происхождения (шельфовый лед). К неподвижным льдам материкового происхождения относятся: язык ледника — часть ледника, сильно выдвинувшаяся в море, находящаяся на плаву н иногда простирающаяся на многие десятки километров; шельфовый лед — ледовое образование, возвышающееся над уровнем моря более чем на 2 м и имеющее обычно волнообразную поверхность; ледяной барьер — край ледникового языка или шельфового льда, возвышающийся над уровнем моря от 2 м до нескольких десятков метров.

Среди плавучих, или дрейфующих, льдов материкового происхождения различают айсберги, отделившиеся части ледника или шельфового льда, имеющие высоту свыше 5 м над уровнем моря; ледяные острова — огромные обломки шельфового льда с волнистой поверхностью длиной до 30 км и более.

Айсберги могут быть различной формы: столообразные — плосковершинные, имеющие большие горизонтальные размеры (особенно часто наблюдаются в Антарктике); пирамидальные, имеющие остроконечную, неправильной формы вершину и сравнительно малые горизонтальные размеры; айсберги, расположенные у берега в виде цепочки и удерживающиеся на месте скреплением с грунтом или соединяющими их между собой неподвижными ледяными перемычками; обломки айсберга — значительные глыбы льда, отломившиеся от айсберга или ледника и возвышающиеся не более чем на 5 м над уровнем моря; куски айсберга — весьма малые обломкн айсберга.

Гидрометрия льда

Основной период геологоразведочных и горных работ при наличии достаточно прочного ледяного покрова — зима. Весной и осенью, когда происходит становление или разрушение льда, регулярная работа горнотранспортных средств становится невозможной.

Одной из важнейших служб горных предприятий, располагающихся на ледяном покрове при подводной разработке россыпей со льда в зимний период, должно быть наблюдение за состоянием ледяного покрова зимой и в период становления и таяния льда. От качественной работы такой специализированной службы целиком зависит успешная работа горного предприятия. О ледовых наблюдениях достаточно полно говорится в работе [12], где отмечается, что наблюдения за ледяным покровом должны вестись как с берега, так и непосредственно со льда.

Наблюдения за ледяным покровом с берега производят гидрометеорологические станции и ледовые посты. На берегу выбирается постоянный наблюдательный ледовый пункт (ПНЛП). С него проводят основные наблюдения за ледяным

покровом и определяют: 1) дальность видимости поверхности моря; 2) положение кромки и ширины припая; 3) положение кромки плавучих льдов; 4) количество неподвижного льда; 5) количество чистой воды; 6) количество плавучего льда; 7) возрастной вид припая; 8) возрастной вид и формы плавучего льда; 9) торосистость припая и плавучего льда; 10) разрушенность припая и плавучего льда; 11) заснеженность припая; 12) загрязненность припая и плавучего льда;13) сжатость плавучего льда; 14) направление скорости дрейфа льда; 15) добавочные характеристики ледовой обстановки; 16) толщину льда, высоту и плотность снега на льду в постоянной точке. Кроме того, делают зарисовку ледовой обстановки.

Кроме перечисленных основных наблюдений по особой программе проводятся специальные работы, имеющие не менее важное значение для горной технологии: наблюдения за стаиванием снега и льда; фиксирование температуры снега и льда; визуальные описания строения льда; взятие образцов льда для лабораторных исследований; определение преобладающих размеров плавучих льдин и высоты торосов; профильные ледовые наблюдения, маршрутные съемки.

Определение положения кромки припая и ширины заснеженности и загрязненности льда, измерение его толщины, а также высоты и плотности снега на льду проводят непосредственно со льда. Следует отметить, что такие наблюдения ведут ежедневно, причем для разных морей Северного Ледовитого океана при хорошей видимости в различное, но совершенно определенное время суток. В Белом и Баренцевом морях такая .работа заканчивается к 10—11 ч, в море Лаптевых, Восточно- Сибирском и Чукотском морях наблюдения за ледяным покровом приурочены к 12—13 ч по московскому времени. Арктические моря характеризуются весьма неустойчивыми метеоусловиями. В случае плохой видимости из-за туманов, метелей, снегопадов обязательно повторение наблюдений, когда видимость увеличивается, но не позднее 15 ч тех же суток.

Иногда состояние ледяного покрова в течение дня значительно изменяется. В таком случае повторяют наблюдения и отмечают время и причину, вызвавшую эти изменения. Ежедневно также производят зарисовку ледяной обстановки. Когда ледяной покров установится до горизонта, зарисовка производится с периодичностью 10 дней.

Толщину льда и высоту снега измеряют в постоянной точке на льду (а при добычных работах — в местах размещения основного оборудования). Периодичность измерений зависит от толщины льда:

5—10 смЕжедневно

20—50Черездень

50—1001 разв пятидневку

Более 1001 раз'в декаду

Плотность снега осенью и зимой определяют 1 раз в пятидневку. Весной измерения толщины льда, высоты и плотности снега проводят ежедневно.

Описанные виды измерений должны дополняться эксплуатационными в период, предшествующий ведению горных работ. В рабочий (зимний) сезон они должны осуществляться в связи с динамическими, постоянно действующими механическими, тепловыми и другими видами воздействия на ледяной покров во время работы горнотранспортного оборудования.

Выбор места ПНЛП определяется следующими требованиями: а) ПНЛП должен быть расположен как можно выше над уровнем моря (не менее 15 м), не далее 200 м от береговой черты и доступен в любую погоду; б) ПНЛП должен иметь наибольший сектор обзора в сторону моря (залива, бухты, пролива) .

Для определения расстояния до границы видимой поверхности моря обычно используют реечный дальномер либо угло- дальномер Владимирского. Дополнительно расстояние до точки на поверхности моря вычисляется по номограмме Мелентьева.

Определение положения кромки и ширины припая производится 1 раз в декаду мерной лентой, перспектометром, теодолитом, углодальномером. На карту-бланк наносят ширину и положение кромки припая, а также имеющиеся в припае канавы, полыньи, трещины, их ширину, площадь и направление распространения.

Аналогично определяют положение кромки плавучего льда и визуально по 11-балльной системе — количество неподвижного льда. Нулевой балл — полное отсутствие льда. Если вся поверхность, видимая с ПНЛП, покрыта неподвижным льдом, оценка соответствует 10 баллам. Количество неподвижного льда, превышающее 0,5 балла, оценивается 1 баллом, менее 0,5 балла — как 0. Количество чистой воды оценивается по 11-балльной системе так же, как количество плавучего льда, сплоченность (густота) плавучего льда (табл. 25).

Возрастной вид форм неподвижного льда (припай, ледяной заберег, подошва припая; лед, скрепленный с грунтом; стамуха — лед на берегу) записывается в книжку ледовых наблюдений. Такие записи производятся для темного и светлого ниласа, серого, серо-белого и белого льда, однолетнего, двухлетнего и многолетнего льда. Определяются формы плавучего дрейфующего льда: поля, обломки полей, крупнобитый, мелкобитый, тертый лед, ледяная каша, несяк. Записывается возрастной вид: ледяные иглы, ледяное сало, снежура, шуга, блинчатый лед, склянка. К основным формам плавучего льда относят также темный и светлый нилас, серый, серо-белый и белый лед, однолетний, двухлетний и многолетний лед.

Определение торосистости припая и плавучего льда (табл. 26) позволяет установить возраст льда и его среднюю

Шкала сплоченности (густоты) льда

Балл

Отношение площади льдин к площади воды

Площадь, покрытая льдом, % к наблюдаемой площади

Характеристика

0

Льда нет

0

Лед отсутствует

1

1/9

10

Редкий лед

2

2/8

20

То же

3

3/7

30

4

4/6

40

Разреженный лед

5

5/5

50

То же

6

6/4

60

Сплоченный лед

7

7/3

70

8

8/2

80

То же

9

9/1

90

Очень сплоченный лед

10

Воды нет

100

Почти сплошной лед, распро-

страняющийся за пределы

ВИДИМОСТИ

Таблица 26

Шкала тороснстостн льда

Балл

Ледяной покров

Площадь, покрытая торосами, % к наблюдаемой площади

0

Ровный лед

0

I

Редкие торосы

0—20

2

Ровный, частично торосистый лед

20—40

3

Лед средней торосистости

40—60

4

Лед торосистый, местами ровный

60—80

5

Сплошные торосы

80—100

толщину. Различают такие виды торосов: отдельные торосы, гряда торосов, барьер торосов, пояс торошения. Высоту торосов определяют непосредственно на льду или с берега по шкале высот перспектометром Иванова.

Большое практическое значение для проведения геологоразведочных и горных работ имеет состояние припая, его разрушенность, а также разрушенность плавучего льда. Изменение ледяного покрова в основном связано с повышением температуры воздуха и воды и солнечной радиацией. Разрушение льда оценивается визуально по 6-балльной системе:

Состояние льда

Балл

О Полное отсутствие внешних признаков разрушения

На поверхности льда наблюдаются отдельные снежницы в виде темных пятен на снегу и луж. Происходит распад

дрейфующих полей, состоящих из сморози, битого льда и обломков

Снежницы распространены по реей поверхности льда, появляются озерки. В заснеженных районах, в бухтах и у наветренных берегов при интенсивном таянии лед покрывается сплошным слоем воды. Местами образуются водяные забереги, появляются устьевые полыньи

Озерки распространены по всей поверхности льда, появляются проталины, в припае возникают трещины и отдельные канавы, торосы сглажены, льдины приобретают округлую форму. Лед находится в стадии «обсыхания». Водяные забереги местами становятся сквозными, устьевые полыньи приобретают значительные размеры

Проталины и промоины распространены по всей поверхности льда. Сквозной ледяной заберег обычно развит на всем протяжении береговой черты. Лед уже «обсох». В бухтах происходит взлом припая. Среди битого льда встречаются грибовидные льдины с подводными таранами

Льдины распадаются на мелкие куски, которые сильно пропитаны водой, глубоко сидят в воде, имеют темносерый цвет и напоминают собой ледяную кашу, над водой выступают лишь возвышенные участки. Поверхность крупных льдии сверху покрыта сплошными проталинами и имеет кружевообразный вид

Так как первоочередные горные работы ведутся с припая, необходимо учитывать, что во многих районах процесс разрушения льда начинается у берегов, чему способствуют в основном более высокие температуры воды и воздуха, сток материковых вод и значительная загрязненность прибрежного льда и воды. Ледовые наблюдения производятся осенью, до начала устойчивого ледообразования, а также с началом весеннего таяния. Однако в связи со значительными нагрузками на лед при ведении горных работ необходимо систематически следить за нарушенностью льда в течение всего добычного сезона.

Как известно, снежный покров является хорошим теплоизолирующим материалом и значительно влияет на таяние и нарастание льда. Заснеженность льда оценивается по 4-балльной системе:

Состояние снежного покрова

Балл

О Отсутствие снега или отдельные его пятна

Тонкий равномерный снежный покров толщиной до 5 см или чередование равномерного снежного покрова с участками оголенного льда, составляющими 30—70 % общей площади

Снежный покров от 5 до 20 см с небольшими застругами и надувами без пятен оголенного льда или снежный покров с резко выраженными застругами, надувами и участками оголенного льда, составляющими 10—30 % общей площади. Надувы закрывают торосы высотой до 50 см

Значительный снежный покров, имеющий среднюю высоту более 20 ем, без пятен оголенного льда, с большими надувами, иногда закрывающими торосы высотой до 1,5 м

Снегозадержание, по-видимому, наряду с искусственными способами упрочнения льда может быть одним из способов сохранения целостности ледяного покрова. Поэтому необходимо остановиться на некоторых сведениях о снежном покрове [51]. Напомним, что поверхности, диффузионно отражающие свет, или так называемые матовые поверхности, создаются путем скопления множества неправильно ориентированных кристаллов. Поскольку лучистая энергия отражается от такой поверхности по всем направлениям, теряется понятие «угол отражения». Без особого допущения поверхность снега, образуемую хаотически ориентированными кристаллами, можно также считать матовой, кроме тех случаев, когда солнечная радиация взаимодействует со снегом при малых углах падения (менее 15°) или в весенний период при перекристаллизации льда. Это необходимо учитывать при ведении горных работ, в весенний период и производить в это время дополнительные наблюдения за состоянием снежного и ледяного покровов.

Солнечная . радиация, поглощаемая снежным покровом,S=Sn-(S0T-SA),

где Sn — радиация, падающая на поверхность снега; S0T— радиация, отраженная от снежного покрова; Sh— радиация, прошедшая сквозь всю толщину снега высотой h.

Глубина проникновения солнечной радиации зависит от физических свойств снега. Так, при малой прозрачности снега вся солнечная радиация почти полностью поглощается слоем снега толщиной 20—25 см, при хорошей прозрачности снега — слоем толщиной 65—70 см.

Закономерность ослабления солнечной радиации, проходящей через снег, пока еще выяснена недостаточно. В настоящее время для описания этого процесса пользуются простейшим экспоненциальным законом ослабления света, который для снежной среды является первым приближением:

ShS^'J\

где а — коэффициент ослабления.

Коэффициент а зависит от плотности снега, его влажности, структуры и загрязненности и меняется в широких пределах — от 0,083 до 0,446.

Загрязненность ледяного покрова определяется по его внешнему виду и оценивается по 4-балльной системе:

Загрязненность льда

Балл

0 Лед чистый, следы загрязненности (менее 10 % наблюдаемой площади)

1 Незначительная загрязненность (10—40%)

2 Средняя загрязненность (40—70 %)

Лед сплошь грязный (более 70 %)

Возможность предотвращения интенсивного таяния ледяного покрова во многом зависит от степени загрязненности поверхности снега и льда. Зачернение снега практикуется при открытой разработке россыпей во многих заполярных районах; оно обеспечивает ускорение таяния и сход снега. Его производят такими материалами, как угольная пыль, зола, песок, сажа, пылеватые грунты. При этом резко сокращается коэффициент отражения обработанных участков. Чистый снег отражает до 90—85 % солнечной радиации и только 10—15 % поглощается им. Зачерненная поверхность поглощает до 80 % солнечной радиации. Интенсивность таяния возрастает в 3—4 раза, снег может таять даже при отрицательной температуре воздуха. Известно также, что зачернение снежно-ледяного покрова рек позволяет ускорить начало навигации. Такие эксперименты проводятся на некоторых крупных реках Сибири и европейской части СССР.

Заслуживает внимания интересный эксперимент, в котором слоем сажи была покрыта половина поверхности столового айсберга шириной 23 м и длиной 45 м. Через 12 ч после нанесения сажи растаяла */з айсберга. Такое интенсивное таяние указывает на серьезные последствия, которые может вызвать загрязнение снежного и ледяного покрова.

Очень важны и наблюдения за сжатостью плавучего льда. Производятся они для льдов возрастом не моложе серых молодых льдов и сплоченностью не менее 9—10 баллов. Степень сжатости льда оценивается по 4-балльной системе:

Состояние льда

Балл

0 Лед «на расплыве» — лед, пришедший в заметное движение при начавшемся разрежении

Слабое сжатие. В зоне сжатия наблюдаются небольшие участки чистой воды; образуются отдельные торосы взлома, а в молодом льду — наслоения. Тертый лед в результате общего уплотнения выжимается кверху, на край льдин

Значительное сжатие. В зоне сжатия участки чистой воды закрываются. Торосы взлома увеличиваются. В результате интенсивного торошения молодых льдов, частично захватывающего и однолетние льды, появляются свежие - торосы в виде гряд и наслоений. Тертый лед набивается в плотный слой и вспучивается, образуя валы (подушки)

Сильное сплошное сжатие. Происходит интенсивное торошение однолетних льдов, частично захватывающее двух- и многолетние льды. Всюду наблюдаются валы тертого льда и гряды торосов. Молодой лед преимущественно всторошен

При ежедневных ледовых наблюдениях фиксируется направление дрейфа и по 5-балльной шкале оценивается его скорость:

Балл

0

1

ВизуальноПо приборам, км/ч

Лед не движется0

Движение льда еще ие0—0,5

заметно

2

3

4

Движение льда заметно0,5—1,0

Лед движется быстро1,0—3,0

Лед движется очень бы-Более 3,0

стр О

Очевидно, что одним из факторов, влияющих на ведение разведочных и добычных работ в целом, является толщина льда, а также высота и плотность снега на льду. Поэтому необходимы систематические измерения толщины льда (а при необходимости и его различных неоднородных слоев), толщины слоя подледной шуги, определение высоты и плотности снежного покрова. Следует описывать также характерные процессы, связанные с таянием снежного и ледяного покрова.

На плотность снега влияют размер снежинок, ветер (табл. 27), температура воздуха, при которой происходит выпадение снега, и период года.

Таблица 27

Плотность снега, кг/м3, в зависимости от ветра

Ветер

По Г. Зелигману

По Р. РизенталЮ

По А. Шепелевскому

Безветрие

50—60

47—70

Легкий

60—80

40—130

—

Средний

180

120—180

140—170

Сильный

280

150-230

180—220

Буря

Более 350

—

300—330

Если уподобить форму частиц снега шару с радиусом г, то максимальная плотность снега

Pmax = (K2/3)ltrp,,

где рл — плотность льда.

Зависимость плотности снега от высоты снежного покрова рассчитывают по формуле

р=180/4-90,

где I — высота снежного покрова.

Плотность снега оказывает непосредственное влияние на его теплоемкость и теплопроводность. При р^300-=-350 кг/м3 коэффициент теплопроводности А = 2,85- 10 6р2 Вт/(м-°С); при р>350 кг/м3 А = 3,56-10-6р2 Вт/(м-°С).

108

Температуропроводность снега при р = 1004-500 кг/м3 а = = 4,79-10~6р м2/ч, при р = 4004-700 кг/м3 а = 5,94-10"6р м2/ч.

Толщина льда измеряется ледомерными рейками с предварительным бурением льда различными ледовыми бурами. Толщина снега определяется снегомерными рейками, толщина шуги — шугомерными рейками или шугомерными планками. Существуют весовые и объемные снегомеры, предназначенные для определения плотности снега.

Помимо описанных выше основных наблюдений производятся также специальные. К ним следует отнести наблюдения за становлением и температурой снега и льда, определение прочности льда на изгиб.

Геологоразведочные и горные работы на шельфе Арктики

Природные факторы, влияющие на горные работы

Разработку полезных ископаемых шельфа целесообразно производить максимально длительное время в течение года и летом, и зимой. Очевидно, что в суровых арктических условиях на режим горных работ будут оказывать влияние несколько решающих факторов, причем в различное время года они будут иметь различную степень важности или вообще отсутствовать.

Ледовый фактор. Несомненно, что он оказывает преобладающее влияние на подводные горные работы на шельфе Арктики. Лед покрывает воды арктических морей 6—6,5 месяцев. В течение 3—3,5 месяцев весной и 1—2 месяцев осенью происходит соответственно таяние льда и его образование. В эти периоды года успешная работа горнодобывающих средств становится сомнительной, ввиду возможности возникновения аварийных ситуаций. Таким образом, ледовый фактор действует 10—11 месяцев из 12, причем его влияние сказывается отрицательно в течение 4—4,5 месяцев и положительно (в период, когда возможно ведение горных работ со льда) 6,5 месяцев.

Температурный фактор. Является вторым по значимости, потому что он отрицательно влияет на здоровье людей, занятых на работах по подводной добыче полезных ископаемых. Однако опыт нашей страны по освоению арктических районов, многочисленные дрейфы научно-исследовательских станций «Северный полюс» показали, что можно в значительной степени нейтрализовать это влияние.

Большие трудности вызывает обледенение плавсредств, инструмента и механизмов, поэтому весенний и осенний периоды малопригодны для ведения подводных горных работ. В летний

период значимость температурного фактора снижается, а во время продолжительного зимнего периода его влияние на ход горных работ может быть в значительной степени устранено применением специальной техники и технологии и соответствующих защитных средств.

Экологический фактор. Ведение горных работ в суровых арктических условиях должно в особой степени удовлетворять требованиям наименьшего нарушения экологического равновесия ввиду малой способности холодных морей к самоочищению. Подробно об этом говорится в гл. VII.

Нарушение целостности ледяного покрова. Разрушение льдов припая, с которого в первую очередь должны вестись подводные горные работы и уже ведутся геологоразведочные, может происходить и в зимний период, что следует учитывать при планировании и проведении работ. У кромки припая морское волнение создает прибой, который крошит и разламывает льдины. Кромка льдов постепенно перемещается к берегу. Само разрушение льдов подобного рода происходит довольно медленно, учитывается ледовыми наблюдениями и обычно не застает врасплох людей, работающих на льду.

Серьезную опасность представляет морская зыбь. Распространяясь подо льдом, она может привести к совершенно неожиданному разлому льдины. Отмечено, что этому явлению предшествуют сильные штормы в открытом море.

Торошение льдов (термическое, приливно-отливное и ветровое) — также один из видов деформации морских льдов. Наибольшие торосы образуются при надвижении льдов на берег или плавучих льдов на кромку припая. Торошение наблюдается и при отливе, когда ледяной покров опускается на осушку (участок дна, обнажаемый при отливах).

Следует отметить, что прочностные характеристики льда меняются в зависимости от температуры окружающего воздуха. При резком потеплении прочность льда понижается до 50 %.

Гидрометеорологические факторы. И. В. Архангельский [3] подчеркивает, что на технологию морского бурения существенно влияют морское волнение, колебания уровня моря, морские течения, ветер, туман, морские льды. Следует также вспомнить слова Дж. Меро о том, что самые благоприятные гидрогеологические условия могут быть сведены на нет погодными факторами.

Морское волнение следует отнести к одному из наиболее серьезных внешних факторов. Он действует в течение всего года и влияет как на людей (неприятные физиологические воздействия), так и на технологию производства горных работ и целостность механизмов. Волнение вызывает циклические перемещения (качку) плавсредств с расположенным на них оборудованием, снос в направлении движения волн, постоянное

нарушение контакта рабочего органа с забоем и некоторые потери полезного ископаемого.

Колебания уровня воды в прибрежной зоне вызывают приливы, сгоны и нагоны воды. При этом плавсредства перемещаются в вертикальной плоскости. Приливно-отливные явления обусловлены в основном притяжением Луны. В зависимости от расположения Земли, Луны и Солнца приливы и отливы могут быть максимальными (сизигийными) и минимальными (квадратурными). Сгонно-нагонные явления объясняются воздействием на поверхность воды устойчивых ветров определенного направления.

Течения бывают ветровые, приливно-отливные (возникающие при различной плотности морской воды по вертикали), сгонно-нагонные, стоковые (связанные со стоком рек), бароградиентные (возникающие при разности атмосферного давления в различных частях океана) и компенсационные (образующиеся вследствие перетока массы воды из одной части моря в другую под воздействием другого течения). Морские течения приводят к сносу плавсредств с расположенным на них оборудованием в направлении течения. Отрицательные последствия этого явления сказываются на качестве отработки подводного месторождения. Все это предъявляет повышенные требования к якорной системе, затрудняет маневрирование плавсредств.

Неравномерное распределение атмосферного давления является причиной ветров; последние характеризуются направлением, силой (скоростью) (табл. 28), повторяемостью и продолжительностью. Ветры силой более 7 баллов представляют опасность для плавучих буровых установок. На успешную

Сила ветра по шкале Бофорта [3]

Таблица 28

Балл

Ветер

Скорость, м/с

Давление, Па

0

Штиль

0,0—0,2

0

1

Тихий

0,3—1,5

0,98

2

Легкий

1,6-3,3

4,9

3

Слабый

3,4—5,4

18,6

4

Умеренный

5,5—7,9

39,2

5

Свежий

8,0—10,7

57,8

6

Сильный

10,8—13 8

108

7

Крепкий

13,9—17,1

167

8

Очень крепкий

17,2-20,7

245

9

Шторм

20,8-24,4

343

10

Сильный шторм

24,5—28,4

451

11

Жесткий шторм

28,5-32,6

628

12

Ураган

32,7 и более

Более 720

работу плавсредств с добычным оборудованием влияют ветры и меньшей силы, так как возникающее волнение моря не позволяет осуществить достаточно полный контакт рабочего органа с подводным забоем.

Определенную трудность при ведении подводных добычных и геологоразведочных работ представляют туманы. В прибрежных районах различают туманы: а) сплошной (охватывающий прибрежную акваторию довольно высоко); б) поземный (стелется над морем слоем на небольшой высоте); в) приподнятый (стелется на некоторой высоте от земли и воды); г) дымка (сильно разреженный туман, не дающий ощущения сырости); д) парение (клубящийся низкий туман, появляется в холодное и теплое время года, если температура воды значительно отличается от температуры воздуха). Все виды туманов осложняют ведение разведочных и добычных работ.

Индустриальное освоение ледяного покрова

Значительный индустриальный опыт проведения работ на дне акватории, в том числе и в зимний период, накоплен специалистами по подводно-техническому строительству. Многое, что уже достигнуто строителями, можно использовать при подводных добычных работах на шельфе Арктики. К. А. Забела и Ю. Г. Кушнирюк [27] отмечают, что большие сложности при производстве подводно-строительных работ в осенне-зимних условиях вызывают так называемые шуговые процессы, причиной которых является переохлаждение всей 'массы воды. Очевидно, что эти процессы окажут крайне отрицательное действие и на подводные горные работы.

При производстве подводных добычных работ для предотвращения попадания шуги во всасывающий патрубок и грунтовый насос, что может вызвать их забивание, можно использовать сетчатые заградители из стальной проволоки диаметром 6—8 мм, которые устанавливаются при известном направлении движения воды перед забойной зоной, а при необходимости и вокруг нее. Верхняя часть сетки крепится к понтонам или плавсредствам либо вмораживается в лед, а нижняя удерживается на дне якорями (рис. 24). Расчет сеток и тросов производится в несколько этапов.

Сначала определяется гидродинамическое давление на сетку

pz=kmbhv2,

где ^=1,04-1,5— коэффициент перегрузки; т— масса единицы объема воды; b— ширина сетки, равная расстоянию между понтонами; h— толщина слоя шуги, на которую действует течение; и — скорость течения.

Рис. 24. Противошуговая сетка./ — якорь; 2— шуга; 3— рабочий трос; 4— понтон; 5 — сетка заградителя.Рис. 24. Противошуговая сетка./ — якорь; 2— шуга; 3— рабочий трос; 4— понтон; 5 — сетка заградителя.

Рис. 24. Противошуговая сетка.

/ — якорь; 2— шуга; 3— рабочий трос; 4— понтон; 5 — сетка заградителя.

Рис. 24. Противошуговая сетка.

/ — якорь; 2— шуга; 3— рабочий трос; 4— понтон; 5 — сетка заградителя.

Усилие в тросе заградителя

pT=Pi/2/(8/).

где Pi — нагрузка на 1 м длины троса; f— коэффициент трения якоря о дно; I— расчетная длина троса (расстояние между опорами).

Если считать, что гидродинамическое давление на сетку распределяется на трос и якоря равномерно в момент движения шуги (^=1), то

Pt=0,25 (pjb) mhv1.

Число якорей и их вес определяют исходя из значений сдвигающего усилия и ширины пролета. Усилие на якорь

Q=0,5Pxb]n.,

где п — число якорей на один пролет.

Якорь обычно делают из камней. Принимая / = 0,5, определяют вес якоря Р и объем камня для него V:

0,5Pib .р 0.5Р16 . ^z Р

•'п ’nf ’7 ’

где у — удельный вес камня.

При производстве горных работ со льда часто в нем необходимо проделывать отверстия —майны. Можно применять буровзрывной метод, но тогда целостность ледяной платформы нарушается. Лед толщиной до 400 мм можно с успехом резать бензиномоторной пилой типа «Дружба». Существуют специальные прорезные машины, смонтированные на санях, которые доставляются к месту работы трактором или автомобилем. Передвижение во время работы осуществляется при наматывании троса на барабан (по типу врубовой машины). Трос длиной 50 м крепится в лунке. Масса машины 990 кг. Максимальная толщина разрезаемого льда 1100 м. Ширина прореза во льду 250 мм, скорость резания от 90 до 300 м/ч. На базе вездехода ГАЗ-47 смонтирована непотопляемая ледорезная машина ЛФМ-ГПИ-41; масса ее 5000 кг. Машина может резать лед толщиной до 1600 мм при ширине прорези во льду 350 мм со скоростью от 40 до 140 м/ч.

1131138 Заказ № 160

113

113

Рис. 25. Передвижная пневматическая установка для поддержания майны.Рис. 25. Передвижная пневматическая установка для поддержания майны.

Рис. 25. Передвижная пневматическая установка для поддержания майны.

Рис. 25. Передвижная пневматическая установка для поддержания майны.

7 —судно; 2 —ледяной покров; 3 —барабан для хранения трубопровода; 4 — компрессор; 5 — санн; 6— подводная часть трубопровода; 7— обратный клапан; 8— ледяная чаша вокруг корпуса судна; 9— перфорированная часть трубопровода; 10— майна.

Рис. 26. Стационарная установка для поддержания майны.Рис. 26. Стационарная установка для поддержания майны.

Рис. 26. Стационарная установка для поддержания майны.

Рис. 26. Стационарная установка для поддержания майны.

/ — подвеска воздухопровода; 2 —места выпуска пара для ускоренного таяния льда при передвижке копра; 3 —лед; 4 — задвижка; 5 —копер; 6 —паровой котел; 7 —ресивер; 8 — компрессор; 9 — компрессорная; -10 — кронштейн с лебедками для подъема и спуска воздухопровода; 11 — майна; /2 —фланец с сальником; 13 — гибкий шланг; /4 — перфорированный воздухопровод; 15 — обратный клапан; 16 — подводящий воздухопровод; 17 — выпускные отверстия; 18 — паропровод; 19— понтон.

Майны необходимо поддерживать в незамерзающем состоянии. Достаточно эффективен способ «холодного кипения», осуществляемый с помощью передвижных (рис. 25) или стационарных (рис. 26) пневматических установок, состоящих из ком-

прессора и трубопровода с отверстиями. Иногда в сочетании со сжатым воздухом используется пар. На таких установках применяются винипластовые или полиэтиленовые трубы. Диаметр сопел от 1 до 2,5 мм. Отверстия обычно располагают с нижней стороны трубопровода.

Грузоподъемность льда зависит от его толщины. Для определения допускаемой нагрузки на лед рекомендуется использовать формулу

P=A№kS^N,

где Л — коэффициент, принимаемый равным 100 для колесных транспортных средств, 125 для гусеничных массой до 18 т и 115 для гусеничных массой более 18 т; к.— наименьшая толщина льда (без снеговых образований), мм; к — темпёратурный коэффициент, при отрицательной температуре к = (100 + /)/ГО0 (/ — средняя температура воздуха за прошедшие трое суток, °C), при положительной ^=1—0,05п (и — число дней с момента появления воды на льду); 5 — коэффициент солености воды (для пресной воды 5=1, для морской 5 = 0,7--0,8); N — коэффициент запаса прочности льда (табл. 29).

Таблица 29

Коэффициент запаса прочности льда [27]

Переправа

Лед

ровный, без трещин

с сухими несая- заннымн трещинами шириной до 3 см

с мокрыми связанными трещинами шириной до 0,5 см

Нормальная

1,6

—

—

С пониженной прочностью

1,2

1,4

1,9

На пределе прочности

1,0

1,2

1,6

Известно, что груз, оставленный на льду, вызывает пластическую деформацию. Критическим является прогиб 12— 15 см, после которого наступает провал.

Предельное время (в часах) нахождения технических средств на одном месте

(Q + 1)]3,

где Рщах — максимально допустимая масса груза при транспортировке по льду данной толщины (табл. 30); Р — масса- груза, для которой подсчитывается допустимое время стоянки; Q — коэффициент, который зависит от условий стоянки — снегового покрова, температуры воздуха и др. (Q = 0 в случае стоянки на нерасчищенных от снега дорогах, при любой температуре

Таблица 30

Условия безопасного пропуска по льду единичных грузов

Масса груза, т

Толщина льда, см

Предельное расстояние от кромки льда, м

морского

пресноводного прн температуре от —1 до -20 °C

од

15

15

5

0,8

25

20

11

3,6

30

25

19

6,5

45

35

25

10,0

50

40

25

20,0

70

55

30

40,0

100

95

38

воздуха, если лед покрыт водой; на долговременных сооружениях, настилах, срубах; на расчищенном или частично расчищенном льду при температуре выше —5 °C; Q = 1 — на очищенных от снега дорогах при температуре ниже —5°C; на частично очищенных от снега дорогах при температуре ниже —10°С; Q = = 3 — на очищенных от снега дорогах при температуре ниже — 10°С; на частично очищенных от снега дорогах при температуре— 15°С; на очищенных от снега дорогах при температуре ниже —15 °C кратковременно).

При размещении нагрузки у края майны или проруби допускаемая толщина льда

А=15/Р,

где Р— нагрузка.

Для передвижения по льду устраивают дороги или переправы. Основные типы ледяных переправ: с верхним строением и без него и железнодорожная.

Устройство переправ по естественному льду без верхнего строения легко осуществимо и требует минимальных затрат труда и средств. Искусственные сооружения возводят только в месте сопряжения трассы с берегом для обеспечения более удобного и безопасного спуска грузов на лед. Работы по предварительной очистке трассы от снега можно начинать при толщине льда 5—10 см. В процессе эксплуатации трассы необходимо вести постоянные наблюдения за ее состоянием и заделывать возникающие трещины.

Устройство переправ с верхним строением необходимо, если надо увеличить грузоподъемность естественного ледяного покрова. Увеличение грузоподъемности при совместной работе верхнего строения и льда определяется соотношением между жесткостью конструкции и льда и имеет предел. При толщине

льда до 0,5 м верхнее строение увеличивает несущую способность льда, с увеличением мощности последнего роль верхнего строения сводится к защите льда от износа и снижению вредного влияния трещин (табл. 31). Для одновременной работы верхнего строения и льда их необходимо смораживать в единую плиту.

Таблица 31

Увеличение несущей способности ледяного покрова, %, при намораживании льда

Ширина намороженной полосы, мШирина намороженной полосы, мНачальнаятолщинальда, смНачальнаятолщинальда, см।Конечная толщина льда, см।Конечная толщина льда, см102030405010203040501001002482481020406010204060204060102040601020406020406016250216250221 о19 021 о19 0311311

Ширина намороженной полосы, м

Ширина намороженной полосы, м

Начальнаятолщинальда, см

Начальнаятолщинальда, см

।

Конечная толщина льда, см

।

Конечная толщина льда, см

1020304050

1020304050

100

100

2

4

8

2

4

8

10

20

40

60

10

20

40

60

20

40

60

10

20

40

60

10

20

40

60

20

40

60

1625

02

1625

02

21 о

19 0

21 о

19 0

31

1

31

1

Для подсчета времени намораживания можно воспользоваться формулой М. М. Корунова:

t=750H]T,

где t— время намораживания; Н— толщина намороженного слоя льда; Т— температура воздуха во время намораживания (табл: 32).

Таблица 32

Толщина намороженного льда, см, при различных температурах воздуха и скорости ветра

Скорость ветра, м/с

Температура воздуха, °C

-4

-5

-10

-15

-20

-25

-30

0

0

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

1

0

0

0,5

1,0

1,5

2,0

3,0

3

0

0

1,0

1,5

2,5

3,5

4,5

5

0

0

1,0

2,0

3,0

4,0

5.5

7

0

0,5

1,5

2,5

3,5

5.0

6,5

10

0,5

1,0

1,5

3,0

4,5

6,0

8,0

Все вышеизложенное относится к пресным водам, при работах на море следует учитывать соленость воды.

Железнодорожные переправы получили довольно широкое распространение в России с 90-х годов XIX в. К рассматриваемым нами вопросам этот тип переправ имеет косвенное отношение.

Работы в арктических условиях

Уже сейчас на шельфе арктических морей обнаружено значительное количество россыпей ценных минералов, разработка которых представляет несомненный интерес. Вместе с тем очевидно, что 1,5—2,0 месяца в году, когда водная поверхность полностью или частично свободна ото льда, не могут быть достаточным сроком для эффективной эксплуатации подводных россыпей и, значит, существующая техника и технология разведочно-эксплуатационных и промышленных работ с использованием плавсредств в этих условиях малоприемлема.

Следовательно, необходима специальная техника и технология ведения подводных горных работ со льда во время продолжительного зимнего периода для любых видов добычных работ на шельфе Арктики. Для успешного решения этой весьма сложной научной и инженерной задачи следует в первую очередь выяснить техническую возможность использования арктического льда в качестве площадки для размещения основного энергетического и горного оборудования в соответствующих утепленных помещениях. Кроме того, возникает необходимость использования льда в качестве основного строительного материала. При этом следует учесть существующий опыт по индустриальному освоению паковых льдов.

Паковый лед, имеющий толщину 2,5—3,0 м, покрывает почти 100 % площади Северного Ледовитого океана. Он представляет собой конгломерат молодого и старого многолетнего льда (средний его возраст 8—9 лет), а его неровная поверхность малоудобна для устройства на нем промышленных объектов. Кроме того, в паковых льдах постоянно действуют большие сдавливающие силы, которые держат лед в состоянии, близком к разрушению. Поэтому возникает проблема искусственного изготовления прочных ледяных платформ. Этими вопросами в период 1951—1953 гг. занимались ВМС США. Серия экспериментов показала, что наиболее перспективен метод искусственного увеличения толщины льда, которое придавало ему дополнительную прочность и увеличивало несущую способность. На поверхность природного льда намораживают новый лед, причем сверху лед намораживается значительно быстрее, чем снизу, благодаря повышенной теплоотдаче в воздух.

К настоящему времени известно два основных способа создания ледяных конструкций: метод заливки и метод сухого за- 118

полнения. Достаточно широкое распространение получил метод заливки: поверхность природного ледяного поля заливается водой, когда вода замерзнет, образовавшийся лед вновь заливают водой и неоднократно повторяют процесс до получения необходимой толщины льда. Для производства ремонтных работ можно рекомендовать менее распространенный метод сухого заполнения: на поверхность природного льда последовательно наносятся слои сцементированной смеси из льда с наполнителями, в качестве которых часто используют стекловолокно, смешиваемое с морской водой для большей прочности.

Многочисленными экспериментами в течение нескольких лет было установлено, что наиболее рационально намораживать лед сравнительно тонкими слоями (7—10 см) на участок круглой формы, которая обеспечивает наименьшие напряжения в природном льду. Из различных в техническом отношении способов наиболее перспективен, по-видимому, метод свободной заливки.

Оборудование для изготовления платформ может состоять из одной или нескольких насосных станций. Для изготовления крупных ледяных платформ используют погружные электропомпы, которые располагают подо льдом и извлекают после окончания работ. Кабель, питающий насосы, укладывается на поверхности природного льда. По мере намораживания он оказывается в надежном укрытии. Все эксперименты по созданию искусственных ледяных платформ проводились на Аляске (Пойнт-Барроу) и в.Гренландии (Туле).

Зимой 1973/1974 г. объединенной фирмой «Импириал ойл пан- арктик» были успешно опробованы новые способы освоения морских нефтяных месторождений. Бурение с ледяных платформ велось на глубинах вод 122 м. Широкому применению этого способа препятствует движение льда. В южных широтах при бурении скважин со специально оборудованных судов горизонтальное смещение буровой установки от устья скважины допускается в пределах 5 % от глубины моря — норматив, справедливый и для арктических условий. Ледяной покров утолщался с помощью насосов, нагнетающих морскую воду на поверхность льда. Естественную толщину льда в течение нескольких недель увеличили с 2,1 до 4,5 м. При работе в мелких водах основные элементы буровых установок защищают конусообразными кожухами, которые раскалывают наползающий на них лед.

Фирмой «Америкэн дженерал дайнэмикс» предложена специальная платформа для бурения в условиях больших ледяных полей [68]. Плавучая платформа со сплошным корпусом водоизмещением 10 900 т, диаметром 50 м и осадкой при полной нагрузке 14 м имеет вид перевернутого усеченного конуса и крепится ко дну восемью якорями, причем напряжение разрыва якорных тросов достигает до 2000 кН на каждый (рис. 27).

Рис. 27. Конусообразная платформа.Рис. 27. Конусообразная платформа.

Рис. 27. Конусообразная платформа.

Рис. 27. Конусообразная платформа.

Конусообразная форма платформы обеспечивает ее безопасность при движении ледяных полей. При подвижках льды выдавливают платформу вверх по вертикали до тех пор, пока под тяжестью платформы лед не разрушится. Рабочие места команды (экипаж платформы 40 человек) заключены в защитную оболочку. Это позволяет проводить работы при любой погоде.

Канада и США с каждым годом увеличивают объемы геофизических исследований в заполярных районах и на шельфах арктических морей.

Нормальную работу по планируемым исследованиям обеспечивает в первую очередь надежный транспорт. В последние годы в зарубежной практике все чаще используют транспортные средства на воздушной подушке. Грузоподъемность их от 25 до 100 т, они напоминают собой надувные плоты и могут при работах на воде держаться на поверхности. Подобная машина (АСВ и ACT) свободно передвигается на суше, болоте, льду, мелководье. Особенно важно (при непостоянстве погодных условий), что платформы или суда на воздушной подушке могут выдерживать даже штормовую погоду.

С платформы ACT-100 можно производить бурение на льду. Специальные нагреватели, устанавливаемые на льду, позволяют быстро освободить примерзшую ко льду платформу. Полная масса груженого ACT-100 190 т. При движении она проламывает лед толщиной до 1,5 м. Это необходимо учитывать при выборе платформы. Более легкие платформы используют для сейсмических работ. Средняя скорость движения машины АСВ на воздушной подушке составляет 50 км/ч, она свободно преодолевает препятствия (глыбы льда, кочки, неровности) высотой до 1 м. На ровной поверхности скорость движения машины увеличивается.

Для работы с воды в Канаде в 1972 г. было построено специальное судно «Маринер» по заказу компании ГСИ. Судно может работать на глубинах от 1 до 200 м и более. При работах в открытом море для улучшения устойчивости судна в него закачивается балластная вода, увеличивающая осадку судна до 2 м. «Маринер» может работать до 24 сут без пополнения запасов продовольствия и материалов.

Чтобы увеличить продолжительность исследовательских работ, канадская компания «Ассесс» намерена использовать для работы подо льдом трехместную подводную лодку. Длина лодки 14 м, работает она на батареях и в контакте с отрядом, который через каждые 80 км прорубает во льду полыньи для того,, чтобы осуществить подзарядку батарей.

На Аляске и в Северной Канаде испытываются оригинальные способы бурения в прибрежных водах Северного Ледовитого океана. С целью осуществления раскола двигающихся льдов вокруг обычной буровой установки в 1972 г. разработано устройство «Саб-Айс». Оно представляет собой несколько поверхностей плужного типа, которые в виде юбки располагаются вокруг бурового основания, и снабжено дизельным двигателем. Когда льды подступают к верхней наклонной поверхности «Саб-Айс», осуществляется быстрый выпуск под лед выхлопных газов из двигателя, что приводит к разломам во льду. Испытывавшаяся модель устройства за один выпуск выхлопных газов производила разлом льда на отдельные куски на площади 90 м2 при его толщине 0,36 м. Перед выпуском давление газа составляло 2800—4200 кПа. Зимой 1973/1974 г. в районе дельты р. Маккензи были осуществлены испытания первого промышленного образца устройства.

Фирмой «Америкэн дженерал дайнэмикс» сооружено буровое основание, выполненное в виде конусообразного пологого буя с диаметром основания 50 м и вершиной, обращенной вниз. Водоизмещение основания 10,9 тыс. т при осадке 12,5 м. Оно рассчитано для бурения подводных скважин при глубине моря от 20 до 200 м и мощности льда до 1,5 м. После успешного испытания модели такого острова весной 1974 г. создан промышленный экземпляр. При боковом давлении льда корпус поднимается на определенную высоту, после чего лед разламывается в связи с возрастающим весом поднимающегося вверх основания.

На мелководьях в США предложено использовать постоянные ледяные основания. В некоторых районах арктического шельфа лед, промерзая, достигает дна. Чтобы в летний период лед не таял, поверхность его, примыкающую к буровой скважине, укрывают теплоизоляционным материалом, толщина слоя которого зависит от его теплопроводности и температуры окружающего воздуха. При использовании в качестве теплоизолирующего материала полиуретана достаточная толщина его

составляет 30 см. Этот же материал закладывается в траншеи по периметру основания до дна моря и таким образом ледяной остров оказывается полностью изолированным от теплового воздействия окружающей среды.

Известная фирма США «Глобал марин» запроектировала ледокольное буровое судно, предназначенное для бурения в арктических шельфовых морях. Длина судна 122 м. Особенностью его является специальная система, которая создает килевую качку корпуса для разрушения льда, надвигающегося на закрепленное судно. Качка основана на пневматическом балластировании, создается автоматически и не мешает проведению основной операции — бурению.

В конце 1974 г. проводились промышленные испытания опытного образца АБС (арктическая буровая система), представляющего. собой алюминиевую баржу на воздушной подушке. Длина ее составляет 73,5 м, ширина — 44 м, высота.— 4,5 м, а грузоподъемность 4550 т. Особенностью АБС является наличие устройства для таяния льда. Тепло подается по периферийной части баржи, на выработку тепла работают 3 двигателя из 5 установленных на АБС. В сутки протаивается лед толщиной до 4,5 м, при этом образуется полынья и АБС превращается в плавучую систему. АБС может использоваться и как круглогодичное транспортное средство, способное преодолевать препятствия высотой до 2,5 м.

В 1972 г. (ноябрь—декабрь) канадские специалисты провели оригинальный эксперимент на дне залива Резольют (о. Корнуоллис, Канадский Арктический архипелаг). На глубине 13 м на дне залива была установлена подводная лаборатория, названная авторами «Саб-Иглу». Она представляет собой прозрачный шар диаметром 2,4 м, изготовленный из особого пластика (акрил). Отмечается, что при монтаже «Саб-Иглу» впервые в Арктике было использовано дыхательное оборудование, работающее по замкнутому циклу.

Лаборатория предназначена для выполнения следующих работ: изучение влияния погружений в ледовых морях на организм акванавтов; исследование жизни арктических вод, подводных структур льда, морфологии дна, степени загрязненности арктических вод; определение возможности разработки полезных ископаемых в арктических морях. Эта же лаборатория была использована в экспедиции Дж. М. Мак-Инниса при проведении подводных погружений аквалангистов в точке географического Северного полюса в апреле—мае 1974 г. Аквалангисты совершили 14 погружений и провели подо льдом в общей сложности более 10 ч. «Саб-Иглу» служила для обеспечения безопасности аквалангистов.

Передвижение судов в арктических районах довольно сложно, поэтому в начале 70-х годов в США был предложен проект постройки подводного танкера водоизмещением

250 тыс. т. Длина его 300 м при подводной скорости 33 км/ч и рабочей глубине погружения 26 м. Подобные танкеры предназначены для перевозки нефти из арктических районов Аляски в незамерзающие порты Европы и Северной Америки. Из залива Прудхоу до ближайшего незамерзающего порта восточного побережья США, по расчетам специалистов, танкер может дойти за 14 сут в любое время года (против 35 сут для надводного танкера во время полярной навигации).

Помимо этого разработан проект подводного сухогрузного транспорта для перевозки груженых железнодорожных составов. Грузоподъемность судна 50 тыс. т, длина 425 м, подводная скорость 74—92 км/ч, рабочая глубина погружения до 60 м. Движение обеспечивается ядерной силовой энергетической установкой. Четыре таких транспорта за год могут перевезти такое количество грузов, как 50 надводных судов водоизмещением по 10 тыс. т каждое.

Необходимо упомянуть также и о таких новых для океана транспортных средствах, как подводные трубопроводы. Зарубежными специалистами разработана математическая модель подводного трубопровода, который предназначен для перекачки газа из Алжира во Францию через Средиземное море. Морская часть трубопровода диаметром 91 см имеет длину 800 км и положительную плавучесть. С помощью якорей трубопровод удерживается на" расстоянии 2,7 км от дна моря. С 1973 г. в Италии ведутся работы по прокладке нефтепровода на Апеннинский полуостров из Алжира через Тунис.

В одном только Северном море за 1973 г. уложено порядка 400 км подводных трубопроводов для перекачки нефти и газа с места добычи на береговые перерабатывающие заводы или хранилища. В 1974 г. планировалось уложить 1100 км трубопроводов, и ожидается, что в 1980 г. их длина составит 5— 6 тыс. км.

В условиях арктического шельфа весьма сложной и дорогостоящей составляющей технологического процесса освоения подводных минеральных ресурсов, определяющей все основные показатели добычи, является энергоснабжение. Возможны два варианта энергоснабжения горного предприятия. Снабжение электроэнергией со стационарной тепловой (в первую очередь) электростанции рационально при больших запасах полезного ископаемого и многолетнем сроке службы горного предприятия по подводной разработке россыпей шельфа. В иных случаях следует использовать передвижную энергоустановку.

* *

*

Следует отметить, что крупные горные предприятия могут, кроме того, обслуживаться передвижными (плавучими) энергоцехами, предназначенными для крупнейших строек Сибири, например плавучей электростанцией (ПЛЭС)

Рис. 28. Плавучая электростанция «Северное сияние-1».

1 — запасный газотурбинный двигатель; 2— утилизационные паровые котлы; 3— сепаратор пара; 4— вспомогательный дизель-генератор; 5 — вспомогательный паровой котел;

6 —расходная топливная цистерна; 7— генератор; 8— газовая турбина; 9 — запасные топливные цистерны.

«Северное сияние-1» (рис. 28). На станции установлены два агрегата мощностью по 10 тыс. кВт и два автоматизированных котла (один рабочий, другой резервный) паропроизводительностью по 6 т/ч. Два утилизационных котла имеют производительность по 18 т/ч каждый. Выхлопные газы турбин, имеющие температуру 375 °C, проходят через испарители котлов. Получаемый при этом пар может по трубам подаваться к судовым потребителям или на береговые и наледные установки.

Во вспомогательном машинном отделении установлены два дизель-гене- ратора по 300 кВт каждый, компрессоры, подогреватели, санитарные агрегаты, подающие воду потребителям. Для очистки топлива и масла от воды и механических примесей установлены шесть сепараторов. На станции имеются бытовые и жилые помещения, помещения для щита управления и распределительных устройств, радиорубка, АТС, средства пожарной сигнализации и др.

ПЛЭС «Северное сияние-1» — однопалубное буксируемое судно. Длина его 75,0 м, ширина 16,7 м, высота 20,08 м, водоизмещение 2244 т. Осадка судна достаточно мелкая (2,15 м), что позволяет устанавливать станцию в любых морских бухтах. Мощная тепловая изоляция корпуса и надстройки позволяет исключить какие-либо теплопотери при 65-градусном морозе. Вмерзание ПЛЭС в лед при ее длительной стоянке исключено, так как она снабжена системой обогрева акватории. Внутри корпуса проложен трубопровод, подключенный к бортовым отверстиям. К отверстиям подведены перфорированные трубы, проходящие по внешнему периметру судна. Подогретая вода подается к ним из охлаждающего контура турбин и через отверстия выливается в акваторию, сохраняя участок, свободный ото льда.

Экипаж ПЛЭС 26 человек. Экономичность ее использования очевидна. Достаточно сказать, что применяемые до настоящего времени в районах Заполярья энергопоезда имеют мощность агрегата 4 тыс. кВт, а обслуживаются 50—70 рабочими. Сравнивая ПЛЭС со стационарными электростанциями, необходимо помнить о том, что в северных условиях такого типа станция возводится в течение 5—7 лет, а иногда и более, а стоимость ее в 6—10 раз выше стоимости электростанции такой же мощности, построенной в промышленных, обжитых районах страны. ПЛЭС типа «Северное сияние-1» сооружается за 15—18 месяцев и еще 2—3 месяца уходит на доставку ее к месту эксплуатации.

Четвертая ПЛЭС «Северное сияние-4» построена в морском исполнении, ее мощность увеличена до 24 тыс. кВт. У новой станции усилен корпус, агрегаты перекомпонованы для более удобного их обслуживания. Последний вариант «Северного сияния» не только вырабатывает электроэнергию, станция может снабжать теплом город или поселок с населением 20 тыс. человек.

Она будет установлена на м. Шмидта на Чукотке. Очевидно, что станция типа «Северное сияние» найдет широкое применение при эксплуатации значительных по запасам месторождений арктического шельфа с осуществлением всего цикла горнообогатительных работ.

Для обеспечения электроэнергией геологоразведочных и опытно-промышленных добычных работ может быть с успехом использована передвижная автоматизированная электростанция, проект которой создан Центральным Проектно-конструкторским бюро крупных электрических машин. Существующие передвижные электростанции мощностью 2—4 тыс. кВт используют дизели, монтируются они в 12 железнодорожных вагонах. Обслуживающий персонал такой станции около 30 человек. Новая станция аналогичной мощности располагается в одном вагоне или автофургоне, обслуживающий персонал в несколько раз меньше, чем на дизельной станции, вместо дизелей используются двигатели самолета ИЛ-18, отслужившие срок на самолетах.

Резюмируя изложенное, необходимо подчеркнуть, что современная техника имеет достаточный уровень развития, чтобы приступить к промышленному освоению такого сложного и сурового во всех отношениях района, как арктический шельф.

Глава V

Подготовка горной массы к выемке в подводном забое

Общие сведения

Основные характеристики рыхлых осадков шельфа и внутренних водоемов

Современные прибрежно-морские россыпи образуют узкие- полосы шириной десятки и сотни метров (очень редко первые километры) и протяженностью вдоль береговой линии десятки, а иногда и сотни километров. Располагаются они обычно в зонах прилива и отлива, ,а в закрытых водоемах в зоне прибоя. Мощность таких россыпей небольшая и редко превышает 1 м. Полезные минералы обычно хорошо окатанные. Эта особенность современных прибрежно-морских россыпей оказывает определяющее влияние на технику и технологию их разработки, в первую очередь на подготовку материала россыпи к выемке в подводном забое и саму выемку.

Морские россыпи сложены хорошо отсортированным мелкозернистым материалом, размер частиц которого редко превышает 0,2—0,3 мм. Исключением являются пляжевые россыпи, располагающиеся у подножия коренных месторождений. Заметим, что частицы полезного компонента (тяжелой фракции) обычно имеют меньшие по сравнению со вмещающими породами размеры.

Продуктивный пласт морских россыпей не подстилается коренными породами, что типично для континентальных россыпей. Обычно плотик морских россыпей — это рыхлый материал, часто не отличающийся по составу от продуктивного пласта и содержащий рудный материал в очень небольших количествах. В отдельных случаях ложный плотик представлен прослоем глинистых плотных образований или грубозернистыми материалами.

Наиболее обширным шельфом СССР является арктический. На характер отложений шельфовых морей этой зоны значительное влияние оказывает ледяной покров. Типична большая монотонность осадков; она вызвана тем, что ледяной покров гасит волнения воды. Кроме того, отличительной особенностью отложений является то, что лед при дрейфе разносит крупнообломочный материал, аккумуляция которого происходит как

в грубых, так и в тонкодисперсных осадках. В осадках всей акватории имеются галька и валуны. Вообще же шельфовые моря представлены всеми литологическими разностями. Здесь есть глины, суглинки, супеси, алевриты, гравий, галька, валуны и т. д. Для глубоководной зоны арктического бассейна характерны тонкодисперсные отложения — глины, алевриты, иногда с включениями гравия и галечника [37].

Ширина шельфа восточных морей СССР — Берингова, Охотского и Японского — 250—350 км. Рельеф этих морей разнообразен, донные осадки слабо уплотнены, имеют сложное строение. Мощность осадков достигает иногда 200—300 м. Донные отложения представлены песчано-алеврито-глинистыми осадками.

Доказано, что в общем случае большая часть минералов тяжелой фракции в морских россыпях имеет размер зерен в пределах 0,003—0,25 мм. Максимум образуется между 0,05 и 0,1 мм [2]. Существует довольно большая разница в распространении рудных минералов в морских и континентальных россыпях. Основная доля рудных минералов, составляющая от 70 до 100%, в россыпях морского генезиса содержится в гранулометрическом классе мельче 0,25 мм. В аллювиальных россыпях нередко основной материал представлен зернами не менее 1 мм, а большая часть полезного компонента содержится в классе крупнее 0,25 мм.

В основу классификации донных грунтов, разработанной под методическим руководством Ленморниипроекта [50], положены данные изысканий, полевых и лабораторных исследований организаций Министерства морского флота СССР. Классификация учитывает основные физико-механические свойства донных отложений: гранулометрический состав, прочность (плотность, консистенция грунта в условиях естественного залегания), при- липаемость.

По гранулометрическому составу донные отложения в зависимости от процентного содержания и соотношения частиц различной крупности делятся на несколько классов (табл. 33). Классификация грунтов по трудности разработки приведена в табл. 34.

Весьма важной характеристикой донных отложений является плотность. Состояние плотности характеризуется коэффициентом плотности

К — 5е~5р 5п 8П —8р ' 8е ’ где 6е, 6Р и дп — объемная масса скелета грунта для естественного, предельно рыхлого и предельно плотного состояния соответственно.

Гранулометрическая характеристика грунтов

Класс

1——...

Грунт

, Разновидность

Характеристика грунта

Содержание

шифр

наименование

глинистых

Меньше 0,005

(по шкале Сабаннна) или меньше 0,002 (по шкале Стокса)

I

Галька

—

—

Меньше 10

II

Гравий

—

—

0) 3 я

я

0)

Е

0) 3 Я со

Я

О

СО

Меньше 3

III

Песок

к

с

р м

п

Крупный

Средний

Разнозернистый

Мелкий

Пылеватый

Меньше 3

Меньше 3

Меньше 3

Меньше 3

Меньше 3

IV

Супесь

н

п

и

Непылеватая

Пылеватая

Илистая

3-10

3—10

Меньше 3

V

Суглинок

н

п

Непылеватый

Пылеватый

3 я со

О

10—30

10—30

VI

Глина

л

т

Легкая

Тяжелая

30—60

Больше 60

разностей, % (размер разностей в миллиметрах)

илистых

пылеватых

песчаных

гравийных

галечных

булыжного камня

0,005-0,01

0,01-0,05

0,05-0,25

0,25-0,50

0,50-2,0

2,0-40

40-100

100-200

Не регламентируется

Больше 50

Меньше

2

Не регламентируется

Больше

50

Меньше 2

Меньше 15

Меньше 15

Меньше 15

Меньше 15

15—50

Меньше 50

Меньше 1 Больше

50150

Меньше 5(

Больше I Мень

501

Не меньше 5

Больше 50

Меньше 50

ше 50

0

Меньше

10

Меньше 2

Меньше, чем песчаных и гравийных, вместе взятых

Больше, чем песчаных и гравийных, вместе взятых

Больше 50

Больше, чем пылеватых и илистых, вместе взятых

Меньше, чем пылеватых и илистых, вместе взятых

Меньше 50

Меньше

10

Меньше 2

Меньше, чем песчаных и гравийных, вместе взятых

Больше, чем песчаных и гравийных, вместе взятых

Не регламентируется

Меньше

10

Меньше 2

Не регламентируется

Меньше

10

Меньше 2

Группа грунта по трудности разработки

Наименование грунта

Гранулометрический класс

Коэффициент плотности несвязных грунтов, Kfi

Коэффициент консистенции связных грунтов

Сопротивление грунта при погружении зонда N

Прилипае- мость, кПа

Объемный вес грунта в условиях естественного залегания, кН/м8

Категория грунта по трудности разгрузки

I

Илы структурные, текучие

IV-VI

—

Больше 1,0

Меньше I

—

14,0-14,5

1

II

Пески средней плотности

Пески пылеватые и супеси, средней плотности

Суглинки пластичные, слабоприлипаемые

Илы пластичные, слабоприлипаемые

Глины пластичные, слабоприлипаемые

III

IV

V

IV—VI

VI

От 0,30 до 0,60

От 1,0 до 0,26

От 1 до 4

Меньше 10

18,0—20,0

18,5—22,5

18,5—22,5

12,5-17,0

18,5—20,0

I

2

1

III

Пески слабой плотности

Пески пылеватые н супеси, слабой плотности

Суглинки текучие

Илы неструктурные, текучие

Глины текучие

III

IV

V

IV—VI

VI

Меньше 0,30

Больше 1,0

Меньше 1

Меньше 10

16,0—17,0

19,5—20,0

14,0—14,5

16,5—19,0

I

1

° Классификация грунтов

Таблица 34

Продолжение табл. 34

*

Группа грунта по трудности разработки

Наименование грунта

Гранулометрический класс

Коэффициент плотности несвязных грунтов К

Коэффициент консистенции связных грунтов

Сопротивление грунта при погружении зонда N

Прилипае- мость, кПа

Объемный вес грунта в условиях естественного залегания, кН/м8

Категория грунта по трудности разгрузки

IV

Гравий и гравийно-песчаные грунты

Пески и супеси гравелистые, средней плотности

Пески плотные

Пески пылеватые, супеси, илистая супесь, плотные

Суглинки пластичные, среднеприлипаемые

Глины пластичные, 1 среднеприлипаемые

II

III, IV

III

III, IV

V

VI

Не регламентируются

24,5—25,0

20,0 - 22,0

18,5—22,0

18,0—21,0

1

2

1

От 0,61 до 0,80

От 1,0 до 0,26

От 4 до 10

От 1 до 4

10-25

V

Пески и супеси, очень плотные

Суглинки полутвердые, сильноприлипаемые

Глины полутвердые, сильноприлипаемые

III, IV

V

VI

От 0,81 до

1,0

От 0,25 до 0

От 4 до 10

До 40

21,0—23,0

21,0-22,5

1

3

VI

СО

Галька чистая и галечные грунты

I

Не регламентируются

23,0—25,0

1

to .

Группа грунта пс трудности разработки

VI

Наименование грунта

Гравий глинистый и гравийно-глинистые грунты

Пески и супеси галечные

Пески и супеси, очень плотные

Суглинки и глины галечные и гравелистые

Суглинки и глины твердые с пределом прочности при сжатии от 0,1 до 0,2 МПа

Глины полутвердые, особо сильноприли- паемые

Гранулометрический класс

II

ш, IV

III, IV

V VI

V, VI

VI

:; Продолжение табл. ,34

Коэффициент плотности несвязных грунтов К

КоэффициентСопротивле-

консистенцииНие грунта

связных грунтовпри погруже-

Ккнии зонда ^

Прилипае- мость, кПа

Объемный вес грунта в условиях естественного залегания, кН/м8

23,0—25,0

21,0-22,5

Категория грунта по трудности разгрузки

Не регламентируются

От 0 до —0,5—

От 0,25 до 0 От 4 до 10

Больше 40

1

2

2

3

VII

Грунты с пределом прочности при сжатии от 0,2 до 0,5 МПа (сильно выветрившиеся сцементированные породы — песчаники, известняки, ракушечник, мел и др.), а также особо твердые глины и суглинки

Не регламентируются

24,0—25,0

3

W о я

bl

2 »

я я о

я

Я

a

О о о я оз

я

fa

^ О

Ох 2

я к

я о fa

x

я

я о

я я fa' ф я я

ояfa

fa

и

s

я я я

К ф я я я

о Т5 2

fa

к

2 я

fa о я я

Е X

я

fa

fa о

ф я я я«

я 2 ф 5

я я

fa

я

я я о fa о

fa

я ф fa

9

О\ к

fa я 2

X

fa fa я

я о

* ф я я я

Я5

я

я fa

я я fa я 5

О 3 я ° Я cd

к

я

м

Е

работы в этом направлении проводятся как в нашей стране, так и за рубежом, причем и в лабораторных, и в натурных условиях.

В настоящее время учеными США проводятся опыты в гипербарической камере при изменении давления от атмосферного до 70 МПа. При этом определяются прочность на сдвиг и отвердение образцов грунта с имитацией глубоководных условий.

В реальных условиях для определения механических свойств донных осадков существует ряд различных устройств. В частности, можно говорить об устройстве инженерно-строительной лаборатории ВМС США, которое опускается с судна на дно на специальном трос-кабеле. Устройство имеет три опоры с шарнирно укрепленными опорными башмаками (шаровые шарниры), обладающими плоской поверхностью, соприкасающейся с дном. При прекращении натяжения трос-кабеля, что происходит в момент установки устройства на грунт, к центральному пуансону перемещаются специальные грузы и пуансон вдавливает в грунт измерительную пластину специальной конструкции, вызывая явление сдвига. Акустическая система обеспечивает: а) контроль за перемещением пластины в грунте; б) определение общей нагрузки на пластину; в) регистрацию отклонения от вертикали. Устройство испытывалось на глубинах от 30 до 370 м.

Другим примером может служить механизм, опускаемый со специального судна на коаксиальном кабеле и представляющий собой площадку 3,7ХЗ,7 м, оборудованную фото- и телекамерами, подводными светильниками, достаточно мощным (15 кВт) источником энергии и электронными приборами, позволяющими проводить испытания на морском дне. Предельная рабочая глубина 1830 м. С его помощью могут быть определены основные характеристики донного грунта: сопротивление сдвигу, проницаемость грунта, гидростатическое давление и некоторые другие. Интересно, что электроэнергия, необходимая для проведения испытаний, записи результатов измерений, фоторабот и телепередач, генерируется на дне океана.

Самопроизвольные или вызванные внешними причинами перемещения донных осадочных отложений исследуются в основном для значительных глубин — на континентальном склоне, в подводных морских каньонах. Поэтому применительно к рыхлым отложениям шельфа накопленные сведения имеют косвенное отношение. Тем не менее рассмотрение имеющихся материалов и их анализ имеют определенный интерес в том отношении, что подводные горные работы приводят к созданию искусственных выемок различной глубины и протяженности, искусственных насыпей, т. е. нарушают существовавшее до начала горных работ равновесие и могут привести к перемещению шельфовых осадков на площадях, занимаемых подводными карьерами и отвалами.

Объектами современных исследований являются подводные потоки ила, усадки грунта и подводные оползни. Разрушения подводного склона независимо от глубины его нахождения принято делить на: 1) быстрое сползание вязких осадочных отложений, расположенных на крутом склоне, который сложен устойчивыми горными породами; 2) кратковременное движение больших количеств осадочных отложений; 3) длительные оползни на пологих склонах. Быстрое сползание вязких осадочных отложений обычно наблюдается на крутых склонах песчаной и гравийной дельты.

Второй тип перемещений, т. е. кратковременное движение большого количества осадочных отложений характерно и для крутых и для пологих подводных склонов, сложенных мелкозернистыми грунтами с незначительной вязкостью. Подобные динамические явления вызываются ожижением, которое может произойти при том условии, что структура большей части осадочных отложений неустойчива. Импульсы ожижению могут дать взрывные работы, землетрясения, а также фильтрационное давление, которое вызывается подтоком грунтовых вод к океану во время очень больших отливов. Характерной особенностью ожижения, которую необходимо учитывать при ведении подводных горных работ, является то, что оно может начаться в одной точке и распространяться от нее в площадном направлении со скоростью до 18 км/ч. Имея в виду сравни-, тельно небольшие размеры проектируемых подводных карьеров, подобные явления можно отнести к катастрофам.

Длительные оползни на пологих склонах характерны только для илистых отложений, и вызываются они отставанием процесса отвердения от осаждения. Причиной подобного рода перемещений является избыток гидростатического давления.

Общей закономерностью является незначительное влияние землетрясений на склоны, сложенные илистыми или крупнозернистыми осадочными породами. Склоны, которые состоят из мелкозернистых, маловязких или невязких пород, напротив, даже при производстве незначительных взрывных работ, под влиянием небольших подземных толчков или вибрации, вызываемой забивкой свай, могут интенсивно разрушаться.

Методы подготовки горной массы к выемке в подводном забое довольно разнообразны, что связано со значительными объемами гидромеханизации горных .работ, гидротехнического строительства, ирригационных работ, а также подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. Условия разработки морских россыпей специфичны и предъявляют особые требования к методам подготовки при их эксплуатации.

В основу классификации существующих и разрабатываемых методов подготовки горной массы к выемке в подводном забое положены прочностные характеристики добываемых горных пород, так как именно они определяют характер работы

в подводном забое и выбор техники и технологии разработки месторождения (табл. 35).

Таблица -35

Методы подготовки горной массы к выемке в подводном забое

Разрабатываемые породы

Дезинтеграция забоя

Область применения метода

послойная

объемная

Рыхлые

Эрозионный и контактный размыв

Размыв при рассредоточенной фильтрации

Морские россып- иые месторождения, рыхлые морские и озерные отложения

Уплотненные

Размыв свободными затопленными струями

Размыв несвободными затопленными струями

Морские россыпные месторождения, морские н озерные осадки

Плотные

Механическое рыхление забоя

Комбинироват

Вибрационное рыхление

иые методы

Месторождения строительных материалов во внутренних водоемах, дноуглубительные работы

Рыхление горных пород под водой и всасывание пульпы

На процессы отделения грунта от забоя без предварительного рыхления, приготовления пульпы и ее дальнейшей перекачки помимо свойств разрабатываемого грунта влияет и конструкция грунтозаборного устройства, от которого во многом зависит консистенция перекачиваемой пульпы и общая производительность агрегата по горной породе.

Грунтозаборное устройство непрерывно отделяет некоторое количество грунта от общей массы забоя и смешивает его с водой. Грунтозабор методом свободного всасывания применяется при работе землесосных снарядов на рыхлых отложениях дна. Используются наконечники различной формы: круглые, эллиптические, щелевидные, грушевидные, со струенаправляющими кольцами и т. д. Для обеспечения непрерывного процесса всасывания между входной плоскостью наконечника и породой всегда должен поддерживаться контакт. Это достигается регулированием скорости подачи грунтозаборного устройства на забой или устройством волочащегося грунтозаборника. Однако 136

при наличии волнения водной поверхности контакт с забоем все время нарушается и консистенция пульпы становится неравномерной, что ухудшает среднюю производительность землесосного снаряда. Так, при увеличении расстояния между срезом грунтозаборника и забоем до 1,5—2 его диаметров засасывается практически чистая вода.

Площадь поперечного сечения всасывающего наконечника принимается на 20—30 % больше площади поперечного сечения всасывающей трубы. При этом максимальная глубина внедрения наконечника в породу составляет 0,75 его диаметра и минимальная скорость всасывания 1,5—2 м/с. Для получения зоны всасывания больших размеров целесообразнее увеличивать диаметр наконечника, чем повышать скорость всасывания. На формирование скоростного поля при движении пульпы в зоне всасывающего наконечника влияет конфигурация его поперечного сечения. Поэтому различным способам отработки подводных месторождений соответствуют определенные формы всасывающего наконечника. Рассмотрим наиболее характерные наконечники.

Для отработки подводных месторождений методом воронок применяют грушевидные наконечники, которые позволяют обеспечивать равномерную консистенцию пульпы за счет уменьшения завихрений на входе. Однако для работы траншейным методом ввиду своей осесимметричности они не используются. При этом методе отработки применяют простейшие формы наконечников — цилиндрические и конические. Основное достоинство цилиндрической формы — простота изготовления. Конические наконечники применяют для увеличения зоны всасывания и одновременного уменьшения скорости пульпы на входе в наконечник. При папильонажном способе разработки сказываются недостатки конических всасывающих наконечников. Во время работы землесоса во всасывающую трубу со стороны, не обращенной к забою, все время поступает вода, разжижающая пульпу, что снижает производительность земснаряда. Оригинальное решение этой проблемы было предложено В. Н. Антиповым: всасывающее отверстие в зависимости от того, в какую сторону движется земснаряд, поочередно перекрывается шарнирно закрепленной пластиной. Этим обеспечивается меньший подсос воды из окружающего пространства и тем самым меньшее разжижение пульпы. Для уменьшения подсоса воды используют также всасывающие наконечники с экранирующими пластинами. Отличительной особенностью этих наконечников является наличие неподвижных или шарнирно закрепленных пластин у нижнего среза грунтозаборника. Во время работы пластины ложатся на грунт выше среза грунтозаборника и препятствуют попаданию в него лишней воды. Большого распространения такие грунтозаборники не получили ввиду их неприспособленности к работе на грунтах с крупными

включениями и на засоренных участках. Однако для разработки морских россыпей и илистых отложений они представляют вполне определенный интерес.

При траншейном методе разработки в основном используются наконечники эллиптической формы с соотношением сторон 2,84—3,5. Площадь поперечного сечения таких наконечников рекомендуется рассчитывать исходя из входной скорости, равной 2 м/с. А. И. Харин [63] для определения размеров эллиптических наконечников предлагает следующие зависимости:

0,5/>в —]/о,25/^~ 3,14S

У=,

где х и у—большая и малая оси эллипса; Рв— периметр входного отверстия грунтозаборника; S = 0,5Qdmax— площадь входного отверстия; Q — расчетный расход грунтового насоса по пульпе; dmax— гидравлическая крупность частиц максимальной крупности.

Следует отметить, что траншейный метод разработки, отличающийся простотой, по своим технологическим особенностям применим только при отработке слабосцементированных пород, где возможно эффективное применение свободного всасывания. Поэтому использование эллиптических наконечников, позволяющих получить высокое насыщение пульпы грунтом, является в этом случае наиболее целесообразным.

При работе земснаряда в режиме свободного всасывания его производительность определяется по формуле

Q=torlx)Bc,

где с — объемная консистенция пульпы; овс— скорость всасывания; г0 — радиус всасывающего патрубка.

Очевидно, что производительность земснаряда зависит в основном от консистенции пульпы. При переходе от легких, рыхлых пород к более тяжелым эффективность ведения работ методом свободного всасывания резко падает, и начиная с определенной категории грунтов этот метод вообще неприменим. В подобных случаях для интенсификации грунтозабора применяются различные разрыхляющие устройства.

Некоторые отечественные авторы, а также специалисты по гидромеханизации США считают что все землесосные снаряды, даже при работе на грунтах, разработка которых может эффективно осуществляться свободным всасыванием, должны оборудоваться разрыхлителями. Такая точка зрения подкрепляется тем фактом, что организованный грунтозабор, т. е. применение разрыхлителей на легких грунтах, позволяет получить лучшие условия разработки подводного забоя и стабильную консистен- 138

цию пульпы. На тяжелых грунтах необходимость применения разрыхлителей очевидна.

Все разрыхлители можно разделить на гидравлические, вибрационные и механические. Наиболее простыми являются гидравлические разрыхлители. Они представляют собой патрубок с гидромониторной насадкой у всасывающего патрубка или общий коллектор с несколькими насадками, к которому по специальной трубе подается напорная вода. Интенсификация грунтозабора происходит за счет воздействия на грунт водяных струй. В гидравлических разрыхлителях применяются струи большого диаметра и относительно низких давлений, называемые гидромониторными. Они характеризуются движущимся потоком, плотность которого такая же, как и у окружающей водной среды. Вследствие этого они относятся к категории затопленных струй.

Для разрушения подводного забоя целесообразно использовать начальную часть струи, т. е. небольшой участок с постоянным сечением. Поэтому желательно размывающие гидромониторные насадки располагать как можно ближе к забою. При определенной глубине погружения насадки размыв и вынос грунта из траншеи прекращается и наступает взвешивание и интенсивное перемешивание грунта. Образуется так называемая зона диффузии грунта. Закономерности взаимодействия затопленной струи с сыпучим грунтом были исследованы Г. П. Сизовым, Д. В. Рощупкиным. Гидравлическая струя характеризуется диаметром выходного сечения насадки, напором на выходе из нее и расходом жидкости. Немаловажное значение имеет и конструкция самой гидромониторной насадки (ее угол конусности и условия входа в нее жидкости).

Конструктивно гидрорыхлители можно разделить на три типа: а) основанные на размывающем действии напорных струй, б) с использованием напорных струй для размыва и подгонки грунта к всасывающему наконечнику, в) гидродиффузи онные.

Гидрорыхлители первых двух типов нашли широкое применение при дноуглубительных работах на несвязных грунтах (песок, песчано-гравийные смеси). Помимо размывающих гидромониторных насадок в грунтозаборниках второго типа используют и подводящие насадки, которые направлены в сторону грунтозаборника и, как правило, соединены общим коллектором. С их помощью пульпа подгоняется к срезу всасывающего наконечника. Принудительный подгон пульпы к грунтозаборнику позволяет частично разгрузить грунтовый насос землесоса и стабилизировать консистенцию пульпы.

Рыхлители гидродиффузионного типа находятся в стадии разработки и проходят в настоящее время производственную проверку. С точки зрения более полного и эффективного использования напорных струй этот тип гидрорыхлителей следует

считать наиболее перспективным, поскольку помещение всасывающего наконечника в зону диффузии, где'грунт находится во взвешенном состоянии с консистенцией около 40 % и более, позволит резко повысить производительность земснарядов. При разработке песчано-гравийных слабослежавшихся грунтов расход жидкости на размыв принимают равным 1 м3 на 1 м3 разрабатываемого грунта при напоре 500—600 кПа (50—60 м вод. ст.). При работе на плотных грунтах эффективность гидро- рыхления резко падает, требуется увеличение расхода воды и повышение напора. Поэтому весьма перспективным представляется сочетание гидронасадок с другими видами разрыхлителей, например вибрационными.1

Наибольшее распространение вибрационный метод получил в строительстве. Однако, несмотря на то что он применяется давно, физические процессы, обусловливающие изменение свойств грунта при вибрации, до сих пор полностью не выяснены. Остановимся на отдельных выводах исследований, проведенных различными учеными по вопросу влияния вибрации на свойства грунтов.

Внешним признаком изменения свойств грунта под воздействием вибрации является изменение сил внутреннего трения и, как следствие этого, более легкое внедрение в грунт механического снаряда. При воздействии вибраций на несвязные материалы лишенные связей частицы, сотрясаясь, перемещаются относительно друг друга, что вызывает резкое уменьшение коэффициента внутреннего трения. Для того чтобы грунт мог претерпевать тиксотропные изменения, необходимы определенные условия, касающиеся как свойств и состояния грунта, так и характера внешних воздействий. По данным Б. М. Гуменского, необходимым условием проявления тиксотропии грунта является наличие в нем не менее 1,5—2 % частиц. размером менее. 0,002 мм. Однако количество этих частиц не всегда является определяющим и имеются мнения, что на тиксотропные изменения грунта влияют и частицы других размеров. Таким образом, несмотря на имеющиеся противоречия во взглядах, можно отметить, что способность грунта к разжижению под действием вибрации проявляется в том случае, когда в составе грунта имеется не менее 2 % глинистых частиц размером менее 0,002 мм. Другим условием тиксотропии является наличие в грунте воды, что характерно для донных отложений шельфа.

Приложенная вибронагрузка характеризуется зависимостями

юл = .гсюу/30; а=«?лА, где юл— линейная частота; юу— угловая частота; а — ускорение колебаний; Л — амплитуда колебаний.

Значительные исследования по изучению влияния вибраций на свойства грунта проведены А. А. Барканом. Он утверждает, 140

что интенсивность разрушения упругих связей между грунтом и погружаемым элементом зависит от амплитуды и ускорения колебаний, причем продолжительность колебаний также значительно влияет на степень разрушения этих связей. При увеличении амплитуды в 3 раза (с 0,15 до 0,5 мм) и постоянной частоте колебаний усилие сдвига свеженасыпанного песка уменьшалось на 30 % •

Определение влияния вибраций на коэффициент внутреннего трения мелко-, средне-, крупнозернистого и гравелистого песков проведено И. А. Савченко. В результате опытов было установлено, что коэффициент внутреннего трения песков постепенно убывает с увеличением амплитуды колебаний. Так, при амплитуде 2—"3 мм коэффициент внутреннего трения песка уменьшается в 1,5—2 раза по сравнению с первоначальным состоянием. При увеличении частоты колебаний коэффициент внутреннего трения также уменьшается, причем до частоты 1700 миш1 убывает медленно, а затем в диапазоне частот 1700—2400 мин-1 наблюдается резкое его снижение, почти в 2 раза, после чего снижение опять идет медленно. По-види- мому, каждому гранулометрическому составу соответствует определенный порог частот. При увеличении ускорения колебаний до (6 ч-7) g коэффициент внутреннего трения уменьшается почти в 2 раза и при дальнейшем увеличении ускорение не оказывает существенных изменений.

Различают следующие виды вибромашин:

по способу воздействия на среду: 1) глубинные вибромеханизмы и машины, рабочие элементы которых вводятся внутрь среды (вибростержень, вибролопата и др.); 2) виброплощадки; 3) виброударные машины; 4) поверхностные вибромашины;

по роду используемой энергии: 1) электромеханические— дебаланс установлен на валу электродвигателя; 2) электромагнитные, постоянного и переменного тока; 3) пневматические; 4) механические, привод от двигателя; 5) гидравлические.

Отсюда и два направления, которые наметились в конструировании виброрыхлителей: одни подвергают вибрации значительную часть грунта забоя, другие — лишь ограниченные зоны грунта, -непосредственно около грунтозаборника. Наиболее оптимальна конструкция виброрыхлителя, разработанная ВНИИнеруд. Этот виброрыхлитель соответствует второму направлению. Дополнительно в нем применен гидроразмыв. Виброрыхлитель является сменным рабочим органом к земснаряду и крепится к всасывающей трубе с помощью фланца. Органом, непосредственно передающим вибрацию забоя, является объемная решетка, на которой расположена центральная гидронасадка, размывающая грунт перед ней, и шесть симметрично расположенных и направленных к центру всасывающего патрубка насадок, подгоняющих разрыхленный грунт. Внедряясь

в грунт забоя, решетка передает вибрацию определенной массе грунта, называемой присоединенной массой. Она оказывает влияние на энергетические характеристики электровибратора, так как увеличивает общую массу вибрирующих частей. Следовательно, необходимо стремиться к получению максимально возможного объема присоединенной массы для данного вибратора, т. е. как можно более полной передачи энергии колебаний в грунт. Таким образом, в конструировании виброрыхлителей вопрос о конструкции и объеме органа, непосредственно передающего вибрацию грунту, является наиболее важным.

Самой многочисленной серией рыхлителей являются механические, из которых наибольшее распространение получили фрезерные рыхлители. Основным рабочим органом здесь являются фрезы различной конфигурации. Общим признаком для всех фрез является наличие ножей, срезающих стружку грунта, толщина которой зависит от частоты вращения фрезы и от скорости перемещения. При практическом выборе габаритных размеров фрезы для отработки песков и песчано-гравийных месторождений можно пользоваться следующими зависимостями:

средний диаметр фрезы лежит в пределах 0,23Q°-35— 0,2Q°-33 (где Q — часовая паспортная производительность землесоса);

минимальное количество ножей п = (nZ)cp/L)^tg9 (где ДсР— средний диаметр фрезы; L — длина фрезы; к— коэффициент перекрытия ножей, больше 1; 0 — угол наклона ножей к оси вращения фрезы).

На энергоемкость процесса резания грунтов в значительной степени влияет форма ножей фрезы. В настоящее время полагают, что наилучшей является ромбовидная форма. Некоторые зарубежные и советские авторы считают также целесообразным делать режущие кромки ножей волнистой формы. Такая форма, по их мнению, способствует дроблению стружки. Скорость всасывания в грунтозаборных устройствах с фрезерным рыхлением теоретически не обосновывается. Из анализа существующей практики рекомендуется применять овс = 34-4 м/с. Для определения мощности привода фрезерного разрыхлителя при работе на рыхлых и несцементированных породах Б. М. Шкундин рекомендует использовать следующую зависимость, полученную статистическим методом: Nn = QNTO (где A^=0,2-^-0,25— удельная мощность привода фрезерного рыхлителя) .

Кроме фрезерных применяют и рыхлители других конструкций, Винтовые рыхлители используются для слабосвязанных грунтов. Их назначение — отделять и подавать к грунтозабор- нику срезанный грунт. При разработке вязких глинистых грунтов они быстро залипают и не дают положительного эффекта. Хорошие результаты с этими рыхлителями достигнуты на раз- 142

работке тррфа с большим содержанием корней. Широкого распространения они не получили вследствие узкой области их возможного применения. Шнековые рыхлители созданы для разработки илистых грунтов и подачи грунта с широкой полосы захвата к приемному всасывающему отверстию. Их применение может быть эффективно только на очистке малых оросительных каналов при небольшой толщине наносов. Ковшовые рыхлители имеют ограниченное применение на малых и средних земснарядах. Конструктивно они представляют собой обычные черпаковые цепи. Отличие заключается в том, что рыхлители оборудованы бездонными ковшами. Скорость движения 18—20 ковшей в минуту.

Все виды механических рыхлителей требуют больших энергозатрат, обладают высоким абразивным износом и конструктивно рассчитаны на работу с жесткой рамы. Все это снижает эффективность их работы в рассматриваемых горно-геологических условиях. Для мощных морских месторождений наиболее приемлем метод воронок, при котором рабочий орган не перемещается продольно, а только вертикально опускается под собственной тяжестью. В данном случае гидравлическое и виброрыхление имеют несомненное преимущество ввиду меньших удельных энергозатрат. Механические рыхлители могут оказаться конкурентноспособными при траншейном методе разработки. При этом оказалось, что создание виброрыхлителя, способного работать при перемещении грунтозаборника в двух направлениях, является сложной проблемой.

Как показал опыт работы виброрыхлителя ВНИИнеруда в условиях Финского залива при установке его на грунтозабор- нике стандартного земснаряда, рабочий режим (разрушение грунта) осуществлялся только при вертикальном опускании всасывающего устройства. При поперечных перемещениях грунтозаборника резко ухудшались условия разрушения забоя и возникала опасность поломки агрегата. В результате этого появилась дополнительная непроизводительная операция по подъему грунтозаборника. Это еще раз показывает необходимость подробного рассмотрения различных вариантов рыхлителей применительно к конкретным условиям с учетом геологических данных, принятого метода отработки и параметров рабочего агрегата.

Подготовка к выемке рыхлых горных пород

Послойная дезинтеграция забоя

ЭРОЗИОННЫЙ РАЗМЫВ

Здесь и далее мы будем иметь в виду, что независимо от типа гидравлической машины (грунтовый насос, струйный насос— гидроэлеватор, эрлифт) физический процесс разработки

забоя будет неизменным. Процесс грунтозабора характеризуют: разность между давлением у входа в грунтозаборник и давлением во всасывающей трубе; положение среза грунтозаборника по отношению к забою; конфигурация грунтозаборника; степень связности и размеры частиц разрабатываемой горной породы.

При эрозионном размыве горных пород всасывающая труба находится в воде, а ее нижний срез в непосредственной близости от разрабатываемого забоя. Скорость всасывания воды при работающем насосе

где h — глубина погружения нижнего среза грунтозаборника в воду; g— ускорение свободного падения; ро — плотность воды; Нвак— разрежение, создаваемое насосом.

Процесс всасывания частиц горной породы состоит в том, что во внешней зоне грунтозаборника вокруг его нижнего среза создаются радиальные токи воды [71]. Когда их скорость превышает неразмывающую скорость для данной горной породы, вода увлекает частицы горной породы во всасывающую трубу. Очевидно, что чем больше скорость движения воды (всасывания), тем интенсивнее процесс эрозионного размыва.

В общем виде работа гидродобычной машины состоит в отделении грунта от забоя, приготовлении пульпы и ее перекачке. Отделение частиц грунта от подводного забоя происходит под действием скоростного поля всасываемой воды. Механизм отрыва частиц можно представить следующим образом: при обтекании водой частиц грунта ее кинетическая энергия передается им, силы воздействия воды на грунт преодолевают силы сцепления между частицами грунта, отделяя их от массива. В ходе этого процесса кинетическая энергия воды теряется и, следовательно, расходуется часть вакуума, создаваемая гидродобычной машиной, обеспечивающая кинетическую энергию воды. Мощность двигателя гидродобычной машины, расходуемая на всасывание цульпы, пропорциональна избыточному давлению:

NBC=QnHJ№)=^HB=-fe2Hn, где NBC — мощность, расходуемая на всасывание; Qn — расход пульпы; Нв = Нпуп и Нп—разрежение перед входом в землесос в метрах столба воды и пульпы соответственно; уп — удельный вес пульпы; ц — к. п. д. землесоса; кх и &2— коэффициенты пропорциональности.

Следовательно, общий расход мощности на всасывание можно охарактеризовать разрежением перед входом в землесос.

Как было указано выше, часть вакуума расходуется на отрыв частиц грунта от подводного забоя. Однако в реальных 144

условиях значительная часть мощности землесоса затрачивается на подсос осветленной воды из окружающего пространства. Это объясняется следующими факторами. Весьма трудно обеспечить постоянный контакт между всасывающим наконечником и забоем. При недостаточной скорости подачи грунтоза- борника на забой подсос осветленной воды происходит за счет неплотного прилегания грунтозаборника к грунту. При чрезмерной скорости подачи возможна закупорка грунтозаборника. Выдержать оптимальную скорость подачи грунтозаборника на забой в реальных условиях трудно. К тому же в подавляющем большинстве случаев разработка пород землесосными снарядами ведется свободным всасыванием, т. е. без заглубления грунтозаборника в разрабатываемый грунт. При этом всасывание грунта происходит из области, которую в первом приближении можно считать полусферой. В то же время анализ скоростного поля всасывающих наконечников показывает, что при удалении грунтозаборника от забоя на расстояние, равное его диаметру, скорости подтекающих струй уменьшаются в 2 раза, а при расстоянии, равном двум диаметрам,— в 10 раз. Таким образом, с расстоянием резко уменьшается всасывающая способность землесоса по горной породе и увеличивается подсос осветленной воды.

Многих недостатков, присущих свободному всасыванию, можно избежать путем заглубления грунтозаборника в разрабатываемый грунт и ведения выемки из-под слоя вышележащей толщи (метод внедряющегося грунтозаборника). В этом случае область всасывания можно в первом приближении уподобить сфере. При таком методе ведения работ вся вода, поступающая во всасывающее отверстие профильтровывается сквозь толщу грунта. За счет движения воды к грунтозаборнику создается фильтрационный поток, под давлением которого грунт поступает в грунтозаборник.

Образующаяся вокруг грунтозаборника полость непрерывно заполняется грунтом, «подтекающим» из вышележащих слоев. Вследствие этого консистенция перекачиваемой пульпы выше, чем при работе свободным грунтозаборником, и значительно устойчивее. Подсос осветленной воды из окружающего пространства исключен. Однако в данном случае существует опасность закупорки грунтозаборника, при этом землесос будет перекачивать лишь профильтрованную через массив воду, а если он расположен выше уровня воды произойдет срыв вакуума. Чтобы избежать таких нежелательных явлений, необходимо регулировать интенсивность и форму фильтрационного потока.

Косвенной характеристикой грунтозаборников с регулируемым фильтрационным потоком и заглубленным в грунт нижним срезом всасывающего патрубка могут служить воронки предельного размыва, форма и размеры которых зависят от

параметров скоростного поля жидкости и характеристик поля фильтрации. Сравнение воронок предельного размыва, получающихся при работе свободным грунтозаборником и при регулировании фильтрационного потока и заглублении грунтозаборника в грунт, позволяет сделать вывод о наиболее рациональной конструкции грунтозаборного устройства и оптимальных режимах работы.

Образование воронок всасывания рассматривалось Д. В. Рощупкиным [54], Б. Е. Романенко [53] и другими. При свободном всасывании в течение некоторого времени частицы грунта будут увлекаться во всасывающую трубу, причем радиус всасывания до определенного момента будет увеличиваться. Вокруг грунтозаборника будет создаваться углубление, по внутренней образующей которого частицы будут увлекаться струями воды в зону вертикального вихря, возникающего при засасывании мелкозернистого материала. Грунт поднимается к центральной части восходящего потока и поступает в центральную (осевую) часть грунтозаборника. Вертикальный вихрь отклоняется в разные стороны, поочередно опираясь на различные участки дна образующейся воронки, выравнивая и расширяя ее. При достижении размеров, соответствующих определенной производительности грунтового насоса, диаметр и глубина воронки стабилизируются и процесс всасывания частиц грунта прекращается. Такая воронка носит название воронки предельного размыва (рис. 29).

Процесс образования воронки является эрозионным, т. е. происходит за счет эрозии грунта под действием скоростного поля воды (рис. 30). Общая формула для расхода твердого при таком процессе была предложена М. А. Великановым [63]:

Q-^-k^E (®ср ®н)>

где кс— коэффициент динамической сплошности, равный отношению суммарного объема движущихся частей к объему сплошного слоя толщиной Е; E=ndcp— толщина перемещаемого слоя твердых частиц; оср — средняя скорость потока в контрольном сечении; он—неразмывающая скорость; п — количество рядов частиц, движущихся в слое грунта; dcp— средний диаметр частиц.

Однако эта формула, хорошо описывающая сущность процесса всасывания, на практике не применяется из-за трудности определения параметров Е и кс.

В формулу входит параметр он—неразмывающая скорость, являющаяся основной характеристикой грунта при его оценке для случая эрозионного размыва. Неразмывающей скоростью называют то предельное значение скорости потока, при котором частицы данного грунта остаются неподвижными. Она объединяет такие показатели качества грунта, как диаметр его частиц, их удельный вес, силы сцепления и трения между ними.

Рис. 29. Воронка предельного размыва.

Ятах — максимальный радиус воронки; г0 —радиус всасывающего патрубка; R — радиус вороики всасывания на уровне среза грунтозаборника; (pi — угол естественного откоса воронки; hB — глубина воронки; й— расстояние от среза грунтозаборника до забоя; г — -глубина внедрения грунтозаборника; овс —скорость всасывания.

Рис. 30. Схема процесса всасывания.

Для определения неразмывающей скорости Д. В. Рощупкиным [54] .была предложена формула

»н/^= 14^+5/^,

где d— диаметр зерен грунта; g — ускорение свободного падения.

На практике грунт состоит из смеси многих фракций. Для такого грунта понятие d— диаметра его зерен —будет несколько иное, чем для случая идеального однофракционного грунта. Соответственно изменится и формула для неразмывающей скорости. В частности, для грунта, представляющего

собой смесь нескольких фракций с размерами частиц от 0,1 до 7 мм, формула неразмывающей скорости примет вид

^/£=-^2Л(14^+5/^),

где Pi — содержание данной фракции в смеси; d,= (dn + + <Уп_])/2 — средний диаметр частиц по интервалу.

Из выражения для неразмывающей скорости видно, что она является функцией диаметра частиц грунта. Следовательно, при каком-то вполне определенном диаметре неразмывающая скорость будет иметь минимум. По данным экспериментов Б. Е. Романенко, Д. В. Рощупкина и А. И. Харина, она минимальна при d, равном 1; 0,6 и 0,3 мм соответственно. (Очевидно, что размеры воронки предельного размыва при постоянной производительности землесоса будут несколько меняться в зависимости от крупности частиц разрабатываемого грунта.)

Кроме неразмывающей скорости к важнейшим характеристикам грунта при его эрозионном размыве можно отнести предельное число Рейнольдса, т. е. обычное число Рейнольдса, записанное в виде

Re0=dcppH/v, где v — кинематическая вязкость воды.

Воспользовавшись Re0, общую формулу для расхода твердого можно переписать в виде

q^=kcn (Re — Re0),

где Re — обычное число Рейнольдса; Re° — предельное число Рейнольдса.

Для грунта, состоящего из смеси различных фракций, предельное число Рейнольдса

Re°=S ^HidtM.

Следующей важнейшей характеристикой грунта для случая эрозионного размыва является гидравлическая крупность его частиц. Эта характеристика играет роль в процессе грунтоза- бора в период, когда отделенная от массива частица грунта поступает во всасывающий наконечник и поднимается по всасывающей трубе вверх.

Итак, размыв массива грунта и отрыв от него отдельных частиц характеризуются неразмывающей скоростью и предельным числом Рейнольдса, а подъем и транспортирование частиц во всасывающей трубе — их гидравлической крупностью. Эти характеристики являются необходимыми и достаточными характеристиками грунта при изучении процесса его эрозионного размыва.

На параметры воронки предельного размыва кроме характеристик разрабатываемого грунта влияют также гидравличе-

ские характеристики всасывающего устройства. Долгое время к основной характеристике грунтозаборника относили скорость всасывания в плоскости входа во всасывающий наконечник. Однако Д. В. Рощупкиным было показано, что скорость всасывания весьма неравномерна по сечению грунтозаборника (отклонение от средней в 2—2,5 раза). Вследствие этого использовать ее как расчетную нельзя. Был представлен новый параметр — средняя скорость движения через кольцевую щель между нижним срезом грунтозаборника и грунтом

^cp = Qn/(^),

где Qn — расход землесоса по пульпе; Р— периметр входного отверстия; h—расстояние от нижнего среза грунтозаборника до грунта.

Однако на практике расстояние h непостоянно и определить его весьма трудно. Поэтому А. И. Хариным предложен другой параметр — удельный расход

Между скоростью всасывания и удельным расходом существует взаимосвязь. Для всасывающих наконечников с круглым сечением ее можно представить в виде

, q=yBCDj4.

При определении размеров воронки предельного размыва основным параметром является глубина К под срезом грунтозаборника, зависящая только от его главной гидравлической характеристики — удельного расхода q—и характеристики грунта — неразмывающей скорости ин.

Диаметр воронки предельного размыва в плоскости входного отверстия грунтозаборника зависит от глубины h, его размеров, угла естественного откоса <рь Функциональная зависимость h имеет вид

А=/(^, у„, v) или /(A, q, v, рн)=0,

где v — кинематическая вязкость воды.

Применяя л-теорему, можно получить

HW Ш-

В этом выражении член v/oH характеризует способность грунта к размыву, а член f(q/v)—геометрические и гидравлические параметры грунтозаборника. Для параметра h при разработке песчаных грунтов с dCp = 0,16-4-0,54 мм получена зависимость

где & — коэффициент пропорциональности.

Диаметр воронки предельного размыва в плоскости нижнего среза грунтозаборника можно найти из выражения

2/?=2Л ctg а-4-2г ctg <pi+

где а —угол динамического откоса (мгновенный угол откоса); <pi — угол естественного откоса грунта под водой; z— заглубление грунтозаборника; b— размер входного отверстия грунтозаборника (для круглых он равен их диаметру, для эллиптических какой-либо оси). Эти же величины можно определить по другим формулам:

Однако в последних выражениях за расчетный параметр принята скорость всасывания, которую, как уже отмечалось, использовать нежелательно ввиду ее неравномерности.

Д. В. Рощупкиным в результате многочисленных исследований с различными грунтами было выведено соотношение между радиусом воронки всасывания на уровне среза грунтозаборника и расстоянием между его срезом и дном воронки. Для многих типов несвязных грунтов

A>/A=const=3.

При эрозионном размыве обычно используются цилиндрические, конические и эллиптические грунтозаборники. Кроме того, применяются грибовидные грунтозаборники. Наиболее известны работы по созданию грунтозаборников упомянутых типов А. И. Харина, В. В. Юдичева, В. А. Раздольного, Д. В. Рощупкина. А. И. Харин делит грунтозаборники на траншейные (рис. 31, в, г), папильонажные (рис. 32) и для разработки методом воронок (рис. 31, а, б). Последний вариант наиболее распространен при эрозионном размыве.

Траншейные наконечники обычно имеют эллиптическую форму входного отверстия, причем большая ось эллипса расположена перпендикулярно к направлению перемещения наконечника. Нижнюю грань наконечника с целью равномерного распределения скоростей всасывания по всему его периметру обводят по радиусу или скругляют по бокам. Для этих же целей служат специальные диафрагмы — направляющие. Такие диафрагмы дополнительно увеличивают прочность грунтозаборника и предохраняют грунтовый насос от попадания крупных включений. Отношение осей входного эллиптического отверстия колеблется от 1 :2 до 1 :5. Такие грунтозаборники используются при добычных работах. При дноуглублении применяют 150

Рис. 31. Всасывающие наконечники для разработки воронками и траншеями, а —круглый; б— грушевидный; в — эллиптический; г — щелевидный.

Рис. 32. Всасывающие наконечники папильонажного типа.

а — обычный; б — с перекидным экраном.

1 — тяга поворота экрана; 2 — блок; 3 — фланец; 4 — решетка; 5 - перекидной экран,

6 — всасывающий патрубок.

щелевидные грунтозаборники с еще большим соотношением осей.

Всасывающие наконечники папильонажного типа имеют эллиптическую форму с расположением большой оси в вертикальной плоскости. Процесс размыва в большей степени эрозионный.

При разработке способом воронок наиболее целесообразно использовать грунтозаборники с круглой формой входного отверстия. При этом условия всасывания грунта наиболее благоприятные.

КОНТАКТНЫЙ РАЗМЫВ

Контактный размыв — это переходная стадия при подготовке горной массы к выемке от эрозионного размыва к размыву по методу внедряющегося грунтозаборника, т. е. к фильтрационному размыву без предварительного рыхления горной массы. Как уже отмечалось, эрозионный размыв в основном происходит при вертикальной подаче грунтозаборника на забой.

я о * я Е Е х S3 Я

Sa ф я я я

to

E

Cd

to

13

fa а

Sa tr я

я■Оя

х

to

to

я я я

£ я X о я 2 я Sa tr я

X

S3

Е ф Я8

Я to G\ д

я 00 о я

Sa tr я о Яс

Я= о ■ я

я

X я ф Яс

я я я

к

о

я

ю о со £ О * я

Я

о я со я Sa Ф X

to

я 00 ю Sa

я

Я

я я

X

2 ф

3

к

я

fa

я ф S3 to 3

£

fa

£•£

я

5 £ я 8

to

я ф £

Ё ф я я я

я

S3 ег я о я

я н о я 00 to S3

5 £

s=

я * я о Яс

я о

to

OJ

я я я

x

^ 1з

я я я

OJ

s тз

s

я я=

Sa

£ я

я

to

8

я о

fa о

Е *5 “ я

X о 13 я Е

2 я я X я 2

я я

Е я 5

3 Е

5 о я

X о я

я

Я 20 Е ф я я

3

о я

fa о

я о

я ф ф к

8 *-6 гл -<1 Я

о

я

о ф £

я

to Я

fa —

to

я

£

Q

я

Е

faя

Я

6

Яс о я

13 Я Я ф Я

Я оо

1з

я

fa fa я

Я 5-

Я 6

я

to

я

to

Q о я

X о Я«

fa

to

я

я о to о

я

Я ф я о 13 to Я

X

to

Sa tr я

я о S

£

я

ш fa

о

X

8

Я

5 5

to

я ф я

я

5 £

я £ X

я я

я fa

я

-d

С\

я

ГО fa я о

я

S3 tr я о Яс

я=

s=

5

я я X

о

to я

13 to

X

fa

£

Я Я Я

8 fa

я тз я со я я X я

со я о я я

я fa

12 я о Я я

Sa •

£ я 8

я о

я о

о

to

to

Д

о 8

X о я

X

я о S

8

м

я

I £ Я

to

to я

to

g я <5

Cd®6

я= ю to

о

я я

я

fa

я

Я

оfa

я

X н Я

яя

я * ф я я

Я Е X

я

X

С\ о

13

X

Д-о я О\ g 8 § ^

с\ о

S3

to

to

я я

1 S3 Я-

Я S3 О Е я 13 я

XО3

2фЕ

fa £

Я

Sc

я я

д

X о Яс

00 я С\

д

ш

8 £

Is

я

to

я я X

Saф

S3 tr я о

я

Sa tr

Е

о

Ct g

У го

о 13 я £ о

о

я=

о

Е я

я

я

я Т5 я

fa

8

6

fa

а "О а 8 ф я я

1з to О S3

£

X я

я 00 о я

fa fa я

я о Sa tr 00 =< 3

S3 ф я я

я я я 13 я

я

Sa tr я о Яс

я fa

я

я

я

я

я

fa я

fa

я £

8

2 X я

13 о я я Е X

я

fa

я

я

я

3 я

to

fa

я

Sa tr я

Таблица 36

Основные размеры грунтозаборников волочащегоси типа

Землесос

Грунтозаборник

Основные размеры

Глубина опускания торцевой кромки при повороте, см

Неподвижная часть

Поворачивающаяся часть

Длина, см

Ширина у фланца трубы, см

Шир ина у оси поворота, см

Высота, см

Длина, см

Ширина, см

Периметр, см

Площадь, м2

«Выборгский»

Для песка

Для ила

230

230

70

70

175

175

66

66

56

56

168

168

448

448

0,85

0,85

62

62

«Северодвинский»

Для песка

Для ила

220

220

65

65

137

137

85

85

108

56

120

135

532

382

0,85

0,72

75

72

«Черное море»

Универсальный для песка, ила и других неуплотненных пород

200

85

192

155

155

145

600

2,25

80

специальные окна, запираемые регулируемыми клапанами. Они служат для впуска воды, разжижающей пульпу, и предотвращают, таким образом, срыв вакуума грунтового насоса.

В табл. 36 приведены основные размеры грунтозаборников, используемых при подготовке горной массы к выемке контактным методом.

Очевидно, что применение контактного метода ограничивается прочностными характеристиками разрабатываемых пород. В частности, установлено, что при разработке плотных слежавшихся отложений, представленных мелкими заиленными песками, суглинками и подобными горными породами, насыщение всасываемой смеси, как правило, не превышает 10^. Кроме того, части грунтоприемника, соприкасающиеся с забоем, подвержены чрезвычайно сильному абразивному износу и механическим повреждениям.

Наиболее интенсивно грунт всасывается в основном по периметру волочащегося грунтозаборника за счет создаваемого гидравлической машиной перепада давления между внутренним пространством грунтозаборника и окружающей его водной средой. В средней части всасывающего отверстия на расстоянии от стенок корпуса грунтозаборника более V»—Vs его ширины интенсивного всасывания грунта не происходит.

Разработаны и внедрены усовершенствованные типы грун- . тозаборников, и в частности со щелевидными трубами и экранирующими плоскостями (табл. 37 и 38). Грунтозаборник со

Таблица 37

Основные размеры грунтозаборника с щелевидными трубами, см

Землесос

Щелевидные трубы

Наружный периметр всасывающего отверстия

Периметр щелевндных труб

Длина

Ширина

«Выборгский»

56

5

44,8

23,4

«Арбатский»

92

6

56,0

32,0

«Черное море»

ПО

5

60,0

46,0

Таблица 38

Основные размеры грунтозаборника с экранирующими плоскостями, см

Землесос

Экранирующие плоскости

Ширина ‘ основного конуса

Ширина грунтоприемника с экранизирующими плоскостями

Длина

Ширина

«Арбатский»

98

45

129

219

«Балтийское море»

140

50

145

245

Рис. 34. Подводный земснаряд «Моллюск»./ — электрокабель: 2 — понтон; 3 — электродвигатель;4 — автоматический уравнитель давления; 5 — погружной землесос; 6 — всасывающая груба; 7 — желобовидный грунтозаборннк.Рис. 34. Подводный земснаряд «Моллюск»./ — электрокабель: 2 — понтон; 3 — электродвигатель;4 — автоматический уравнитель давления; 5 — погружной землесос; 6 — всасывающая груба; 7 — желобовидный грунтозаборннк.Рис. 35. Шарнирный наконечник фланцевого типа.Рис. 35. Шарнирный наконечник фланцевого типа.

Рис. 34. Подводный земснаряд «Моллюск».

/ — электрокабель: 2 — понтон; 3 — электродвигатель;

4 — автоматический уравнитель давления; 5 — погружной землесос; 6 — всасывающая груба; 7 — желобовидный грунтозаборннк.

Рис. 34. Подводный земснаряд «Моллюск».

/ — электрокабель: 2 — понтон; 3 — электродвигатель;

4 — автоматический уравнитель давления; 5 — погружной землесос; 6 — всасывающая груба; 7 — желобовидный грунтозаборннк.

Рис. 35. Шарнирный наконечник фланцевого типа.

Рис. 35. Шарнирный наконечник фланцевого типа.

щелевидными трубами позволил за счет увеличения периметра всасывания повысить производительность при разработке песчаных пород на 15—40%, суглинистых на 30—60 % в 'Средней части всасывающего отверстия. Две щелевидные трубы устанавливаются продольно внутри поворачивающейся части. Верхние оголовки труб примыкают к прорезям в потолочном листе, а нижние — к решетке всасывающего отверстия.

Две экранирующие плоскости, укрепленные снаружи боковых стенок поворачивающейся части на уровне всасывающего отверстия, увеличивают зону всасывания. Вода, протекая между плоскостями и породой, производит эрозионный размыв. При этом за счет экранирующих пластин увеличивается зона всасывания. При разработке песков средней крупности оптимальное отношение ширины грунтозаборника с экранирующими плоскостями к ширине основного корпуса равно 1,7. Производительность по ' грунтоизвлечению у таких грунтозаборников по сравнению с обычными увеличивается до 50%. Результаты работ показали целесообразность совместного использования щелевидных труб и экранирующих плоскостей.

Московским горным институтом [44] создан специальный подводный земснаряд «Моллюск» (рис. 34) многоцелевого назначения трех типоразмеров с комплектом грунтозаборников.

Желобовидный грунтозаборннк земснаряда при работе на рыхлых отложениях морей и внутренних водоемов, обеспечивает увеличение и стабилизацию консистенции пульпы. Очень важной его технологической особенностью является обеспечение выемки тяжелых металлов, являющихся полезным

компонентом морских россыпей. Трунтозаборник представляет собой свернутый в спираль желоб, имеющий только верхнюю крышку. Нижняя, открытая его часть находится в постоянном контакте с разрабатываемым забоем. В наибольшем сечении он соединяется со всасывающим патрубком. Процесс разрушения породы идет за счет либо эрозионного размыва, либо, если порода заполняет весь объем грунтозаборника, разжижения и выпора во всасывающую трубу.

При необходимости грунтозаборник может быть оснащен вдавливаемыми ножами, которые закрепляются на кромках желоба поперек его оси. Сравнительные испытания желобовидного грунтозаборника и прямого цилиндрического показали несравненно большую эффективность первого. Заметим, что желобовидный спиральный грунтозаборник — одна из разновидностей экранирующих наконечников для грунтозаборников.

При контактном размыве также используется шарнирный наконечник фланцевого типа, созданный во ВНИИнеруде (рис. 35). На всасывающей трубе земснаряда он устанавливается при помощи шарнира. Такой наконечник обеспечивает эффективность размыва пород забоя за счет изменения положения грунтозаборника относительно плоскости забоя и гарантирует минимальный подсос чистой воды во всасывающую трубу, т. е. максимальную консистенцию пульпы.

Объемная дезинтеграция забоя

РАЗМЫВ ПРИ СВОБОДНОЙ РАССРЕДОТОЧЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ (МЕТОД ВНЕДРЯЮЩЕГОСЯ ГРУНТОЗАБОРНИКА)

При подводной разработке морских россыпных месторождений -пульпа, практически минуя напорный тракт (при его минимальной длине), перегружается в транспортные сосуды. Это технологическое преимущество позволяет всасывать пульпу при максимальном ее насыщении твердой составляющей и повышать эффективность процесса добычи.

Очевидно, что особое значение приобретает процесс пульпо- приготовления, имеющий свои специфические особенности при разработке россыпей методом внедряющегося грунтозаборника, нижний срез которого постоянно находится ниже уровня разрабатываемого забоя. Основное требование, которое здесь должно выполняться,— минимальное содержание воды в пульпе, обеспечивающее достаточную подвижность материала россыпи в зоне всасывания и перемещение пульпы во всасывающем пульповоде.

Известно, что эффективность грунтозабора определяется физическими свойствами разрабатываемого грунта (плотностью, гранулометрическим составом и консистенцией) и расположением всасывающего отверстия грунтозаборника относительно 156

плоскости подводного забоя. Исследование процессов всасывания в лабораторных и производственных экспериментах показало, что наиболее благоприятные условия для всасывания материала россыпи или других рыхлых донных отложений создаются, когда грунтозаборник круглого сечения вертикально заглубляется в забой. Приемное отверстие грунтозаборника, находящееся в центре зоны всасывания, обеспечивает равномерное поступление разрабатываемого материала к грунтоза- борнику, а сам процесс рыхления породы происходит не по слою, а в некотором объеме.

При включенном грунтовом насосе и расположении среза грунтозаборника ниже уровня забоя вода фильтруется сквозь слой горной породы, нарушает его целостность и увлекает во всасывающую трубу. Очевидно, что степень заглубления грунтозаборника зависит от прочностных характеристик разрабатываемых пород. При экспериментальной проверке метода в лабораторных и производственных условиях установлено, в частности, влияние отношения В заглубления устья (среза) грунтозаборника к размеру входного отверстия в вертикальной плоскости на консистенцию пульпы Сп. Испытания на гравийном грунте фракции 5—10 мм показали, что при В, равном 1, 2 и 3, Сп составит 16, 35 и 47 % соответственно. Для фракции 10— 15 мм В, равному 3 и 3,5, соответствует Сп 30 и 40%.

Установлено, что по условиям транспорта максимальная консистенция пульпы 40—50 %, и получить ее можно при заглублении грунтозаборника круглой или эллиптической формы большем, чем утроенный его диаметр.

РАЗМЫВ ПРИ РАССРЕДОТОЧЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКРАНИРУЮЩИХ ПЛАСТИН

Одним из простых, но весьма результативных вариантов повышения эффективности подготовки горной массы к выемке в подводном забое является установка на нижней части грунтозаборника экранирующих пластин, как правило, выполненных в виде кольца и исключающих интенсивное подтекание чистой воды вдоль -образующих всасывающего патрубка и разжижение пульпы. Консистенция пульпы увеличивается, также увеличивается и зона всасывания и объем, извлекаемый с одной точки стояния. Помимо плоских пластин могут использоваться фигурные экранирующие наконечники (рис. 36).

Наибольшее распространение подготовка к выемке горных пород подводного забоя методом рассредоточенной фильтрации может получить при разработке россыпей шельфа воронками. Исследования генезиса воронки всасывания на плоской модели забоя показали определенные преимущества экранирующих пластин. В отличие от варианта без экрана, где максимальные зоны фильтрации и размыва наблюдались непосредственно

Рис. 36. Фигурный экранирующий наконечник.

1 — всасывающий патрубок; 2 — экранирующий наконечник; 3 — линии токов воды; 4 — откос подводной выработки; 5 — линии токов воды в породе; 6 — зона активного всасывания породы.

у всасывающего пульповода, при применении экранирующих пластин максимальная фильтрация и размыв грунта приурочены к краям этих пластин. Форма и объемы воронок, полученные при использовании экранирующих пластин как с заглублением грунтозаборника цилиндрической формы в породу, так и без него, существенно отличаются от формы и объемов воронок, полученных без применения экранов. Причем для каждогр размера экрана существует предельное заглубление грунтозаборника, после которого его влияние на форму и объем воронки практически не наблюдается. Наибольшее увеличение предельной воронки всасывания при использовании экранирующих пластин наблюдается в том случае, когда всасывающий патрубок находится (как и экран) непосредственно на забое..

При изучении процессов, происходящих в подводном забое, большое применение находит аналоговое моделирование. С использованием аналоговой машины БУСЭ-70 были получены линии равных потенциалов, аналогичные линиям равных напоров в массиве при разработке его с применением экранирующих пластин. При постоянном отношении глубины внедрения грунтозаборника к его радиусу, равном 5, изменялось отношение глубины внедрения грунтозаборника к радиусу экранирующей пластины, принимая значения 0,5; 1,0; 2,0; 2,5 (рис. 37). Необходимо отметить, что данные аналогового моделирования можно использовать лишь для качественной оценки процесса.

Эксперимент показал, что линии равных напоров не сфе- ричны, причем при уменьшении отношения глубины грунтоза- 158

Рис. 37. Линии равных напоров при отношении глубины внедрения грунтоза- борника к радиусу экранирующей пластины, равном 0,5 (а), 1,0 (б),-2,0 (в) и 2,5 (г).

/ — радиус экранирующей пластины, 2— глубина внедрения грунтозаборника.

борника к его радиусу несферичность возрастает. Очевидно, что экранирующие пластины в значительной степени изменяют гидродинамическую сетку движения и определяют технологические процессы в забое, увеличивая область движения горной массы. Технологические преимущества экранирующих 'пластин несомненны, поскольку объем горной массы, добываемых с одной точки стояния агрегата, увеличивается.

Если объем воронки, представляющей собой конус, равен V = QUWxh,

то прирост объема за счет экранирующей пластины (диска) составит

Д V = тс к (гг+ hr 2 ctg V1 — Гз — hra ctg у 2),

где ri —радиус основания воронки (конуса) при работе без экранирующих пластин; h— высота воронки (мощность отрабатываемого слоя); г2 —радиус основания воронки (усеченного конуса) при работе с экранирующими пластинами; г3 —радиус экранирующей пластины; q>i — угол конусности (угол естественного откоса).

Подготовка к выемке уплотненных горных пород

Послойная дезинтеграция забоя

РАЗМЫВ ОДИНОЧНОЙ СВОБОДНОЙ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУЕЙ

Подготовка к выемке уплотненных горных пород гидравлическими струями получила широкое распространение в практике добычных и дноуглубительных работ. Напомним, что струя, распространяющаяся в воде и производящая размыв пород забоя называется свободной затопленной струей. При приближении насадки к забою и внедрении его в породу струя будет распространяться в массиве. В этом случае она называется несвободной затопленной струей (рис. 38).

Свободная струя имеет начальный участок с ядром постоянных скоростей и растекается симметрично. Аналитические зависимости для параметров размывающей свободной струи получить сложно, и на практике применяют эмпирическую формулу Д. В. Рощупкина

/ г° т/ уо 'mln — 0>02 у ун •

где /щщ — минимальное расстояние от насадки до забоя (минимальная длина струи); у0— скорость истечения воды из насадки; уя— неразмывающая скорость для частиц горной породы данной крупности (табл. 39); г о — радиус насадки.

Для месторождений шельфовых россыпей, где крупность отдельных зерен колеблется в основном в пределах 0,5— 0,003 мм, данных табл. 39 недостаточно и нужны специальные исследования.

На рис. 39 показано наиболее распространенное расположение гидромониторной насадки и всасывающей трубы грунтового насоса. Наиболее рациональным вариантом будет такой, когда между гидравлической насадкой и забоем будет сохраняться оптимальное расстояние. Удовлетворить такое требование

Таблица 39

Неразмывающая скорость для различных грунтов (по В. Н. Тонгарову)

Размер зерен грунта, мм

Неразмывающая скорость, м/с

Размер зерен грунта, мм

Неразмывающая скорость, м/с

0,05

0,35

25

1,2

0,25

0,5

40

1,5

1.0

0,6

75

1,7

2,5

0,7

100

2,0

3

0,85

150

2,2

10

1,0

200

2,4

15

1,1

Рис. 38. Схема распространения свободной (а) и несвободной (б) затопленной напорной струи.

/ — гидромониторная насадка; 2 —ядро постоянных скоростей.

/ь /2 и /кр — начальный, основной и рабочий участок струи.

Рис. 39. Гидравлический рыхлитель с одной насадкой./ — гидромониторная насадка; 2 — всасывающий наконечник; 3 — пульповод; 4 — напорный патрубок.Рис. 39. Гидравлический рыхлитель с одной насадкой./ — гидромониторная насадка; 2 — всасывающий наконечник; 3 — пульповод; 4 — напорный патрубок.

Рис. 39. Гидравлический рыхлитель с одной насадкой.

/ — гидромониторная насадка; 2 — всасывающий наконечник; 3 — пульповод; 4 — напорный патрубок.

Рис. 39. Гидравлический рыхлитель с одной насадкой.

/ — гидромониторная насадка; 2 — всасывающий наконечник; 3 — пульповод; 4 — напорный патрубок.

можно, используя грунтозаборное устройство, созданное во ВНИИнеруде. Основным отличием такого устройства является то, что оно оснащено подвижным, дистанционно управляемым гидромонитором. В процессе разработки горных пород забоя ствол гидромонитора выдвигается вперед, непосредственно в забой. Поворачиваясь на определенный угол относительно диаметральной оси всасывающей трубы, он обеспечивает эффективное разрыхление пород забоя и некоторый их подгон к зоне всасывания. Испытания подобного рыхлителя показали, что производительность по грунту увеличивается в 2,5 раза по сравнению с вариантами фрезерного рыхлителя и свободного всасывания. Расход электроэнергии при новом рыхлителе уменьшается в 2 раза. В производственных условиях при разработке мелкозернистых песков производительность увеличивалась на 80 %.

РАЗМЫВ НЕСКОЛЬКИМИ СВОБОДНЫМИ ЗАТОПЛЕННЫМИ СТРУЯМИ

В. А. Раздольным был предложен гидравлический рыхлитель со струенаправляющим кольцом и кольцевым водяным коллектором (рис. 40) диаметром 800 мм с 12 насадками диа-

В землесосВ землесос

В землесос

В землесос

Рис. 40. Гидравлический рыхлитель со струенаправляющим кольцом и кольцевым водяным коллектором.

/ — коллектор-экран; 2 — напорный водовод; 3 — резиновый шланг; 4— шарнир; 5 — всасывающая труба; 6 — грушевидный наконечник.

метром от 8 до 12 мм, расположенными под углом 30—40° к плоскости кольца вовнутрь его [26]. Такой угол наклона был выбран, чтобы отраженные от разрабатываемого забоя струи вместе с размытой горной породой попадали во всасывающее отверстие грунтозаборника, способствуя процессу всасывания. Шаровой шарнир рыхлителя обеспечивал самоустанавливание кольца параллельно плоскости забоя под действием упора.

Такой рыхлитель испытывался на землесосном снаряде типа 8НЗ. Было установлено, что производительность земснаряда при работе на супесчаных породах повысилась на 25—30% по сравнению с односопловым рыхлителем. Расход воды на гидравлический рыхлитель 75 м3/ч (около 10 % расхода землесоса 8НЗ), напор у насадок составлял 270 кПа.

В Венгрии гидравлические насадки используются для рыхления горной породы при разработке подводных месторождений эрлифтными снарядами. Гидромониторные насадки разделены по назначению: одни производят рыхление материала забоя, другие принудительно направляют разрыхленный материал во всасывающий наконечник.

Грунтозаборное устройство эрлифтной драги компании «Коллинз», ведущей добычу алмазов у берегов Юго-Западной Африки (глубина вод в месте разработки 10—30 м) представляет собой гидрорыхлитель и всасывающий цилиндрический наконечник, на котором установлен коллектор напорной воды, с гидравлическими насадками, расположенными по окружности. Всего установлено 6 насадок, направленных под углом 9—12° во внешнюю от оси грунтоподъемной трубы сторону. Несколькими гидромониторными насадками в качестве рыхлителя был оснащен эрлифтно-землесосный снаряд ЭрЗСВ-250/30, созданный во ВНИИнеруде.

Во ВНИИпрозолоте создано несколько вариантов гидравлических рыхлителей, успешно испытанных в производственных условиях при эрлифтной разработке морских россыпей [39], и в частности грунтозаборное устройство с гидрорыхлителем 162

Рис. 41. Грунтозаборное устройство с гидрорыхлителем направленного действия.Рис. 41. Грунтозаборное устройство с гидрорыхлителем направленного действия.44Рис. 42. Грунтозаборное устройство с гидравлическим сгребателем.Рис. 42. Грунтозаборное устройство с гидравлическим сгребателем./ — насадки; 2—кольцевой коллектор; 3 — патрубок для воды; 4— труба эрлифта; 5— патрубок для сжатого воздуха; б — коллектор; 7— отверстия для ввода воздуха./ — насадки; 2—кольцевой коллектор; 3 — патрубок для воды; 4— труба эрлифта; 5— патрубок для сжатого воздуха; б — коллектор; 7— отверстия для ввода воздуха.— воздухоподводящий патрубок; 2 — гибкий подъемный трубопровод; 3 — водопод- водящнй патрубок; 4 — водяной коллектор;

Рис. 41. Грунтозаборное устройство с гидрорыхлителем направленного действия.

Рис. 41. Грунтозаборное устройство с гидрорыхлителем направленного действия.

4

4

Рис. 42. Грунтозаборное устройство с гидравлическим сгребателем.

Рис. 42. Грунтозаборное устройство с гидравлическим сгребателем.

/ — насадки; 2—кольцевой коллектор; 3 — патрубок для воды; 4— труба эрлифта; 5— патрубок для сжатого воздуха; б — коллектор; 7— отверстия для ввода воздуха.

/ — насадки; 2—кольцевой коллектор; 3 — патрубок для воды; 4— труба эрлифта; 5— патрубок для сжатого воздуха; б — коллектор; 7— отверстия для ввода воздуха.

— водораспределительные патрубки; 6 — гидромониторные насадки; 7 — отверстия для ввода воздуха; 8 — воздушный коллектор.

направленного действия (рис. 41). Вода к четырем гидрорых- лительным насадкам подается по гибким резиновым шлангам диаметром 38 мм. Кронштейны позволяют изменять угол наклона рыхлящих струй по отношению к забою.

С целью интенсификации гидравлической зачистки плотика или повышения эффективности разработки маломощных морских россыпей за счет увеличения площади интенсивного всасывания материала россыпи создано эрлифтное грунтозаборное устройство с гидравлическим сгребателем (рис. 42). В таком устройстве вода с напором до 800 кПа через специальный патрубок подается в кольцевой коллектор диаметром 500 мм. Насадки имеют диаметр отверстий 4,5 мм.

Кроме этого, создано грунтозаборное устройство с полусферическим гидроинтенсификатором. Состоит оно из форсунки эрлифта и полусферического интенсификатора грунтозабора, который включает в себя коллектор напорной воды и распределительное устройство с изменяющимся щелевым зазором, предназначенное для выпуска струй воды на полусферическую поверхность отражателя.

Из распределительного устройства вода по стенкам отражателя движется со скоростью 20—30 м/с. Это обеспечивает захват окружающей воды и образование внутри отражателя вихревых восходящих потоков. Последние способствуют взвешиванию и подгону частиц разрыхленной породы к всасывающему отверстию эрлифта.

Описанные гидравлические рыхлители имеют гидравлические насадки, расположенные по окружности, плоскость которой перпендикулярна к оси грунтозаборника. При дноуглубительных работах достаточно широкое распространение нашли щелевидные грунтоприемники с соответствующим расположением гидравлических насадок. Все описанные выше конструкции относятся к гидравлическим рыхлителям с размывающим действием струй.

Объемная дезинтеграция забоя

Объемная дезинтеграция массива производится несвободными затопленными струями при использовании так называемых диффузионных рыхлителей. Наиболее полно диффузионное рыхление горных пород гидравлическими струями исследовано Г. Н. Сизовым и Д. В. Рощупкиным.

Схема распространения несвободной затопленной струи показана на рис. 43. Длина зоны размыва, по Г. Н. Сизову, определяется по формуле

Z=S(y0/oH- 1), где В — коэффициент, зависящий от диаметра насадки, напора воды и заглубления насадки; у0— скорость истечения струи из насадки; ун— неразмывающая скорость для грунта.

Взаимодействие струи с горной породой происходит следующим образом. При погружении насадки в породу на некоторую глубину весь размытый материал выносится за пределы образовавшейся выемки (рис. 44, а). При дальнейшем внедрении насадки в породу размыв и вынос породы прекращается и наступает взвешивание и интенсивное перемешивание породы, образуется зона диффузии (рис. 44, б). Заглубление насадки в этом случае является критической глубиной Акр. Если насадку погружать далее, то над зоной диффузии будет образовываться неподвижный объем породы АБВ (рис. 44, в).

Критическая глубина может быть определена по формуле

где S площадь выходного сечения насадки; р0 — плотность воды; рср — средняя плотность гидросмеси в зоне массообмена; ф коэффициент, учитывающий экранирующее действие стенок котлована (для песка ф = 1); Уо— скорость истечения воды из

Рис. 44. Схема взаимодействия несвободной затопленной струи с грунтом.Рис. 44. Схема взаимодействия несвободной затопленной струи с грунтом.а — размыв; б — образование замкнутой зоны диффузии; в — образование зоны диффузии и мертвого объема АБВ (зона неподвижного объема грунта).а — размыв; б — образование замкнутой зоны диффузии; в — образование зоны диффузии и мертвого объема АБВ (зона неподвижного объема грунта).рис. 43. Работа одиночной затопленной струи при размыве материала россыпи (по Г. Н. Сизову) .

Рис. 44. Схема взаимодействия несвободной затопленной струи с грунтом.

Рис. 44. Схема взаимодействия несвободной затопленной струи с грунтом.

а — размыв; б — образование замкнутой зоны диффузии; в — образование зоны диффузии и мертвого объема АБВ (зона неподвижного объема грунта).

а — размыв; б — образование замкнутой зоны диффузии; в — образование зоны диффузии и мертвого объема АБВ (зона неподвижного объема грунта).

насадки; ин—неразмывающая скорость для частиц грунта данной крупности; Ьд — средняя ширина зоны диффузии.

Живое сечение зоны диффузии SKp на критической глубине /(кр исходя из теоремы о равенстве количества движения определяется выражением

о 1 Ро С / уо Vкрф ‘ Рср \ Ун / •

Средняя ширина зоны диффузии b0 = SKV/h.Kp. Многочисленные эксперименты показывают, что Ьо~^кР, тогда SKp = ^Kp. Длину котлована зоны диффузии определяют по выражению Atp = 2,3/iKp.

Всасывающий наконечник грунтозаборника целесообразно располагать в ядре зоны диффузии на глубине 0,5/гкр. Длину зоны диффузии с учетом того, что наконечник земснаряда

Рис. 45. Схемы гидродиффузионных рыхлителей.

а двухсопловый конструкции Г. Н. Сизова; б — миогосопловый конструкции Г Н Си* зова; в — миогосопловый траншейный; г — конструкции Д. В. Рощупкина.

1 — всасывающий иакоиечник; 2— трубопровод напорной воды.

непрерывно движется, рекомендуется рассчитывать по формуле ^нр = 1,1 5Анр-

При описанном варианте рыхления разработка месторождения ведется методом траншей или веерным методом. Четыре варианта гидродиффузионных рыхлителей показаны на рис. 45. Они предназначены для подготовки горной массы к выемке в подводном забое при разработке месторождений как траншейным методом, так и методом воронок.

Вода для гидравлических рыхлителей, как показала практика, должна подаваться в количестве, равном 10—20 % расхода грунтового насоса по пульпе. Напор у насадок рыхлителей принимается в весьма широких пределах — от 100 до 700 КПа.

До сего времени, несмотря на очевидную эффективность гидравлических рыхлителей, их теория разработана недостаточно, лабораторные и производственные эксперименты не проведены 166

в достаточном объеме. Совершенствование этих исследований диктуется все увеличивающимся объемом работ по освоению россыпей шельфа, которые сложены породами, наиболее эффективно размываемыми гидравлическими струями. Наибольший интерес представляют гидродиффузионные рыхлители при разработке россыпей полезных ископаемых способом внедряющегося грунтозаборника.

Подготовка к выемке плотных горных пород

В случае плотных горных пород применяется механическое рыхление горной массы в подводном забое; оно производится одновременно со всасыванием пульпы гидравлической машиной. Наибольшее распространение механические рыхлители получили при разработке подводных месторождений полезных ископаемых землесосными снарядами, оснащенными грунтовыми насосами. Кроме того, механические рыхлители широко используются при подводных строительных работах во внутренних водоемах, а также при добычных и дноуглубительных работах в спокойных заливах и бухтах [47].

Послойная дезинтеграция забоя

Вращающиеся механические рыхлители—наиболее разработанный в конструктивном отношении класс рыхлителей. Сюда относятся фрезы различного типа, винтовые и роторные рыхлители.

Фрезы открытого типа (рис. 46) применяются на крупных землесосных снарядах. Землесосный снаряд 500-70Гл оборудован фрезой открытого типа, масса которой 3450 кг, максимальный диаметр 2000 мм, длина 1500 мм. Фреза еще больших параметров установлена на американском землесосном снаряде «Гидроквебек». Достаточно сказать, что ее масса составляет 40 т.

На фрезах открытого типа устанавливаются клиновидные зубья. Существуют четырехножевые фрезы со сменными ножами. Созданы и успешно используются особые ложкообразные открытые фрезы для разработки тяжелых суглинков и налипающих глин. Такие фрезы имеют криволинейные спирально расположенные ножи с сильно развитой ложкообразной лобовой частью.

Фрезы закрытого типа митрообразные (рис. 47) используются на землесосных снарядах типа 300-40. Они имеют диаметр 1450 мм, длину 1430 мм и массу 1550 кг. Фрезы выполняются литыми и оснащены мощными клыками. Используются такие фрезы для разработки тяжелых, полускальных пород.

б

Рис. 46. Фрезы открытого типа.

а —фреза землесосного снаряда 100-35; б — фреза типа «Моозуид».

Об усилиях, передаваемых клыками фрезы разрабатываемым горным породам, можно судить по тому, что мощность привода рыхлителя составляет 800 кВт.

Исследованиями П. Я. Архипова, Б. Е. Романенко, Б. Э. Фридмана [62] установлено, что наибольшая производительность по всасыванию породы обеспечивается при симметричном скоростном поле вокруг всасывающего наконечника; это гарантируется при использовании наконечника круглого сечения.

Обычно всасывающие наконечники расположены ниже оси фрезы. При этом происходят большие потери горной массы, что крайне нежелательно вообще, и особенно при разработке россыпей, содержащих тяжелые минералы. Во ВНИИнеруде создана фрезерно-всасывающая головка (рис. 48), шарнирно соединенная со всасывающей трубой землесоса. Она позволяет в 2,5 раза уменьшить потери горной массы по сравнению с обычными устройствами, состоящими из фрезы и наконечника, расположенного ниже оси фрезы.

Рис. 47. Фреза закрытого типа митрообразная к землесосному снаряду типа 300-40.Рис. 47. Фреза закрытого типа митрообразная к землесосному снаряду типа 300-40.Рис. 48. Фрезерно-всасывающая головка.Рис. 48. Фрезерно-всасывающая головка./ — фреза; 2 — всасывающий наконечник; 3 — привод; 4 — всасывающая труба; 5 — шестерня./ — фреза; 2 — всасывающий наконечник; 3 — привод; 4 — всасывающая труба; 5 — шестерня.Рис. 49. Отвальная фреза с зубьями для земснарида типа 350-50Т.Рис. 49. Отвальная фреза с зубьями для земснарида типа 350-50Т.

Рис. 47. Фреза закрытого типа митрообразная к землесосному снаряду типа 300-40.

Рис. 47. Фреза закрытого типа митрообразная к землесосному снаряду типа 300-40.

Рис. 48. Фрезерно-всасывающая головка.

Рис. 48. Фрезерно-всасывающая головка.

/ — фреза; 2 — всасывающий наконечник; 3 — привод; 4 — всасывающая труба; 5 — шестерня.

/ — фреза; 2 — всасывающий наконечник; 3 — привод; 4 — всасывающая труба; 5 — шестерня.

Рис. 49. Отвальная фреза с зубьями для земснарида типа 350-50Т.

Рис. 49. Отвальная фреза с зубьями для земснарида типа 350-50Т.

Фрезы отвального типа (рис. 49) используются при разработке глинистых грунтов средней плотности. Такие фрезы исключают налипание на них глины и дают увеличение производительности земснаряда на 25—35 % (до 385 м3/ч).

Фрезы плужного типа также используются для разработки глинистых пород средней плотности. Кроме этого, при работе на землесосном снаряде 100-35 успешно разрабатывались сильно проросшие донными растениями липкие илисто-глинистые породы.

Ковшовая фреза реверсивного типа (рис. 50) представляет собой роторное колесо, укрепленное соосно со всасывающей трубой. Однотипным является реверсивный рыхлитель с прямыми ножами конструкции ВНИИГиМ.

Винтовые рыхлители известны в трех модификациях: голландский винтовой рыхлитель фирмы «А. Ф. Смульдерс» без поперечных ножей и с поперечными ножами и винтовой рыхлитель с прерывистой спиралью, созданный в нашей стране [47].

Однороторные рыхлители (рис. 51) успешно применяются при резании плотных грунтов и обеспечивают высокую консистенцию пульпы. Основная фреза — роторное колесо — находится в постоянном контакте с подводным забоем. На торцах вала основной фрезы крепятся вспомогательные, способствующие разработке грунта и расширяющие прорезь забоя. Грунт подается в приемный бункер рыхлителя, а затем засасывается грунтовым насосом.

Двухроторные рыхлители имеют два роторных колеса, укрепленных на одном валу по обеим сторонам всасывающей трубы. Разрыхленный грунт непосредственно всасывается несколько выдвинутой вперед всасывающей трубой. Двухроторные рыхлители открытого типа бывают двух видов. В конструкции С. П. Огородникова роторы состоят из режущих звеньев. Такие рыхлители целесообразно использовать на связных грунтах. Для разработки проросших травой грунтов применяются рыхлители конструкции ВНИИГиМ. Роторы вращаются со скоростью 5,5—7,5 м/с.

Поворотные рыхлители [67] относятся к волочащимся и являются своеобразными подводными скреперами и лопатами. В частности, они применяются в качестве грунтозаборных устройств на грунтоотвозных дноуглубительных землесосных снарядах. Устройство состоит из двух ковшей, которые поворачиваются вокруг оси на некоторый угол. Попеременно в зависимости от направления движения (вправо или влево) задние отверстия ковша совмещаются с входным отверстием всасывающей трубы. Ковши поворачиваются при натяжении папильонажных тросов, причем направление поворота соответствует направлению папильонирования. Срезаемый при движении ковша слой горной породы продвигается внутрь ковша под действием новых ее порций и разрежения, создаваемого грунтовым насосом.

Основным -преимуществом такого грунтозаборного устройства по сравнению с рассмотренными выше является отсутствие вращающихся частей. На режущей кромке ковшей создаются весьма значительные усилия резания. Ковшовым грунтозаборным устройством был оборудован землесосный снаряд типа 350-50Т при разработке гравийных и песчано-гравийных грунтов. Модернизированное по первым результатам работы ковшовое грунтозаборное устройство предназначено для глубинного землесосного снаряда типа 500-30Гл с погружным грунтовым насосом. Масса грунтозаборного устройства 15 т.

Фрезерно-гидравлические рыхлители относятся к комбинированным. Разрушение забоя производится одновремен- 170

ua

к

ci

ным воздействием механических усилий, передаваемых фрезой, и напорной струи, истекающей из насадки, расположенной по оси вала фрезы [63]. Производительность земснаряда, оснащенного фрезерно-гидравлическим рыхлителем, по сравнению с фрезерным вариантом повышалась на 50—80%. Консистенция пульпы в среднем составила 32 % по сравнению с 19,5 % (при фрезерном рыхлителе). Иногда консистенция пульпы доходила до 50 % и выше при устойчивой работе грунтового насоса. Гидравлические струи могут быть как с постоянным (напором, так и пульсирующими.

Объемная дезинтеграция забоя

ВИБРАЦИОННАЯ ПОДГОТОВКА ГОРНОЙ МАССЫ В ПОДВОДНОМ ЗАБОЕ

Вибрационная подготовка горной массы к выемке из подводного забоя является одним из перспективных методов, разрабатываемых в настоящее время. Грунтовая среда, как известно, является трехфазной дисперсной системой, состоящей из твердой (скелета), жидкой (воды, заполняющей поры грунта) и газообразной фазы (некоторого количества содержащегося в грунте воздуха, водяных паров и т. д.). Газ, как правило, находится в защемленном состоянии, что же касается заполняющей поры скелета грунта воды, то она подразделяется на две части: воду, молекулярно сведенную со скелетом грунта, когда молекулярные силы, взаимодействуя со скелетом, преобладают над влиянием силы тяжести и градиента давления, и свободную воду, в которой влияние силы тяжести преобладает над влиянием молекулярных сил взаимодействия. Свободная вода может перемещаться в пределах части объема под действием этих факторов.

Изменение среды при вибрации разнообразно. Частицы, расположенные в зоне действия вибромашины, например глубинного вибратора, под влиянием интенсивной вибрации отделяются от общего массива и начинают колебаться около своего равновесного положения. Они перемещаются по некоторой траектории относительно вибрирующей части рыхлителя, в породе происходит интенсивное выделение газа и воды, которые, захватывая по пути мельчайшие частицы, выбрасывают их на поверхность. Образовавшиеся поры заполняются твердой фазой.

Разжижением водонасыщенных песков можно назвать явление полной или частичной потери грунтом его несущей способности и перехода песка в текучее состояние, возникающее в результате разрушения структуры и смещения зерен песка относительно друг друга.

Возможность разрушения исходной структуры зависит не только от начальной плотности песка, но также от характера 172

и интенсивности динамического воздействия, напряженного состояния, обусловленного собственным весом, внешней нагрузкой и действием фильтрационных сил. Кроме того, возможность разрушения структуры определяется степенью прочности связей между частицами песка. Содержание в песчаных грунтах даже небольшого количества мелких пылеватых и в особенности глинистых частиц приводит к образованию связей между частицами песка. Это может значительно уменьшить возможность разрушения структуры.

Лабораторными исследованиями установлено, что состояние разжижения присуще всем достаточно рыхлым несвязным грунтам любой крупности. Разрушение структуры уменьшается с увеличением плотности грунта и начального напряженного состояния, а также с уменьшением интенсивности динамического воздействия. Амплитуды перемещения отдельных частиц будут уменьшаться с увеличением расстояния от центра вибрации и затухать, когда силы инерции, развиваемые частицами, будут меньше сил сцепления и трения между ними. Это не означает, что вибрация всего массива прекратилась, но указывает на то, что воздействие на среду на этих участках резко уменьшилось. Деформация грунта здесь уже не сопровождается перемещением отдельных частиц, а обусловливается только упругой деформацией скелета. Чем больше сцепление между частицами разрыхляемой среды, тем меньше радиус действия вибромашины при прочих равных условиях.

Наиболее широкие лабораторные опыты по изучению особенностей разжижения песчаных грунтов при вибрационных воздействиях были поставлены А. А. Барканом, О. А. Савиным, Н. И. Масловым, М. Н. Гольдштейном, В. Б. Жиховичем, О. Я- Шехтером [4]. Специальные лабораторные опыты были посвящены определению влияния амплитуды А и частоты колебаний со вибраций на изменение плотности песчаных грунтов. Установлено, что разрушение структуры песчаных грунтов определяется не по отдельности амплитудой или частотой колебаний, а зависит от ускорения колебаний т]=А(о2, которое и характеризует интенсивность силового воздействия при вибрациях.

При дезинтеграции отеска с различными А и ®, но при одном и том же т), получалось примерно одинаковое разжижение грунтов. При одинаковом ускорении ц время разжижения песка увеличивается с уменьшением со и соответствующим увеличением А. Если песок предварительно уплотнен, то вибрирование вызывает разрушение его структуры только при т), превосходящем определенное значение, которое можно назвать «порогом вибрации». Ряд авторов значение т], при котором начинается процесс разрушения структуры песка, называет критическим ускорением цкр. График изменения объемного веса (пористости) от ц называется виброкомпрессионной кривой.

Непосредственно по виброкомпрессионной кривой можно найти т]кр для заданного значения объемного веса или коэффициента пористости грунта.

Существование критического ускорения колебаний подтверждается экспериментами. Если грунт предварительно тщательно уплотнить, то вибрирование его с ц, меньшим критического, не приводит к существенному изменению плотности грунта. Интенсивное разрушение грунта начинается только при ускорении колебаний, превышающем цКр. В этом случае виброкомпрес- сионные кривые имеют характерный горизонтальный участок, тем больший, чем выше первоначальная плотность грунта. При отсутствии статической нагрузки и при максимальной плотности песка разрушение его структуры обычно достигается при ц = (4-ъ5) g\ Следует отметить, что крупнозернистые пески разрушаются при вибрационных воздействиях более легко и требуют меньшее щ чем мелкозернистые пески.

Основными параметрами вибратора являются максимальная амплитуда возмущающей силы, частота колебаний, амплитуда колебаний, вес колеблющихся частей, поступательная скорость, размеры и конфигурация рабочих органов. От правильного их выбора зависит эффективность работы виброрыхлителя.

При превышении некоторого предельного значения напряжений на поверхности грунта при вибрировании грунт разрушается, процесс рыхления начинается в поверхностном слое. С увеличением напряжений толщина разрыхленного слоя растет. Статическое напряжение в грунте при воздействии на него виброрыхлителя

oCT=G]F,

где G — вес рыхлителя; F — площадь опоры.

Осадка грунта

Г ст == ^Ст/^ zl ’

где Сг] — коэффициент упругого равномерного сжатия грунта. Круговая частота собственных колебаний

ш=уГКс[т. ,

где Кс — жесткость среды; т — вибрирующая масса.

Жесткость среды можно определить по формуле

Kc=CzXF.

Коэффициент упругого равномерного сжатия сгХ=сйуУ5р,

где CZ2 — удельный коэффициент упругого равномерного сжатия, определяется для площади основания Ео=1Ом2 (табл. 40).

174

Таблица 40

Ориентировочные удельные коэффициенты упругого равномерного сжатия

Категория грунта

Вид грунта

Допусти мое статическое давление, Ю4 Па

Коэффициент равномерного упругого сжатия, МПа

1

Слабые грунты (глина, пылеватые пески средней плотности и т. д.)

До 15

До 30

2

Средней прочности глины, песок

15—35

30—50 50—100

3

Прочие грунты в твердом гравелистые пески и т.

СОСТОЯНИИ, д.

35—50

Напряжение под рабочим органом

а==аст + а^>

где Од — напряжение от возмущений силы.

Допустимое напряжение на поверхности грунта должно быть меньше напряжения под рабочим органом. Ориентировочно приняты следующие предельные значения допустимого напряжения, 104 Па:

Малосвязные грунты 60—80

Грунты средней связности 80—100

Грунты связные110—160

Для выявления характера воздействия единичного вибратора на грунт были поставлены опыты с использованием разноцветного песка, насыпаемого слоями, и получены следующие

результаты.

При круговой вибрации в горизонтальной плоскости вертикального стержня было замечено, что частицы грунта в некоторой зоне около стержня подвергаются интенсивным колебаниям и в то же время перемещаются вниз под некоторым углом. Потоки сходятся в нижней части вибрирующего стержня. В непосредственной близости от него поток воды и мельчайшие частицы грунта устремляются вверх; если в этот поток попадают более крупные частицы, то и они увлекаются потоком и выбрасываются на поверхность. На некотором участке, представляющем собой усеченный конус, обращенный основанием кверху, происходит интенсивное перемешивание, прослойки окрашенного песка разрушаются, смешиваясь с неокрашенным песком. На других участках линии окрашенного песка сохранились, но с приближением к вибрирующему стержню изогнулись вниз и несколько расширились. С помощью стробоскопирования удалось заметить, что отдельные частицы песка колеблются около своего равновесного положения и перемещаются по определенной траектории. Также было замечено, что при длительном вибрировании зона песков, подверженных вибрации, постепенно уменьшается, доходя до некоторого объема, который в даль-

нейшем остается постоянным. Для того чтобы вновь увеличить объем, подверженный вибрации, необходимо было увеличивать частоту или амплитуду колебаний.

Для определения рациональной формы рабочего органа виброрыхлителя были поставлены следующие сравнительные опыты. При одинаковых параметрах вибрирования и вертикальном направлении вибраций сравнивалось действие плоской сплошной металлической пластины, плоской металлической решетки таких же геометрических размеров с отверстиями сечением 20X20 см, изготовленной из прутьев диаметром 10 мм, а также объемной металлической решетки, представляющей собой полусферу с такими же отверстиями и такой же площадью горизонтальной проекции.

Результаты опытов показали, что при использовании плоской решетки вместо сплошной пластины зона разрушения структуры песка увеличивалась почти в 2 раза, а при использовании объемной решетки — почти в 4 раза. Помимо этого было замечено, как и в опыте с вертикальным стержнем, что спустя некоторое время после достижения зоной разжижения максимальных размеров она уменьшалась до определенного размера, причем уменьшение этой зоны более всего было у сплошной пластины и менее всего у объемной решетки.

В процессе вибрации плоская и объемная решетки довольно легко погружались в грунт на небольшую глубину, приводя, таким образом, в движение большую массу песка. Подобного явления со сплошной пластиной не наблюдалось. Этот факт, по- видимому, и является основным в столь существенном увеличении зоны разжижения объемной решеткой по сравнению со сплошной пластиной.

Для выяснения влияния направлений вибрации на интенсивность разрушения песков были поставлены опыты с объемной решеткой, описанной выше. Благодаря возможности универсального вибрационного стенда менять направления и траектории вибрации были проведены круговые колебания рыхлителя в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При круговой вибрации в вертикальной плоскости картина разрушения получилась несколько асимметричной относительно центра рыхлителя, размер же зоны разжижения остался практически тем же, что и при вертикальных прямолинейных колебаниях. При круговой вибрации в горизонтальной плоскости зона разжижения вытянулась по ширине, но при этом уменьшилась ее глубина, общий объем зоны разжижения тоже уменьшился.

Далее исследовались прямолинейные вибрации, направленные под различными углами к горизонту. При этом в большинстве случаев зоны разжижения получались асимметричными, но объемы этих зон не уменьшались по сравнению с полученными при вертикальной вибрации, а даже увеличивались, и в диапазоне от 30 до 60° от горизонта превышали эту зону

по объему до 1,5 раза. Причина такого явления пока еще окончательно не выяснена, требуется постановка дополнительных экспериментов.

ПОДГОТОВКА ГОРНЫХ ПОРОД К ВЫЕМКЕ

ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМИ РЫХЛИТЕЛЯМИ

К возвратно-поступательным механическим рыхлителям относятся рыхлители с вибрирующим грунтозаборником и выносными "вибраторами. Подобного рода рыхлители созданы и совершенствуются советскими учеными И. С. Хоперским, А. И. Хариным, Ф. Ш. Доктором, П. Н. Ивановым, В. А. Жученко, П. П. Пуховым, К. А. Пятницким.

Рыхлители с выносными вибраторами предназначены для подготовки горной массы к выемке при разработке методом воронок и траншей. На рис. 52 показана принципиальная схема вибрационного устройства для разработки методом воронок. Конический грунтозаборник оснащен тремя вибраторами И-50 с частотой вибраций 5700 мин-1, амплитудой колебаний конца наконечника 1,05 .мм и массой 20 кг. Несмотря на то что устройство было несовершенным, производительность землесосного снаряда 6НЗ, на котором оно было установлено, возросла в 2 раза. Вибрационное устройство, предназначенное для подготовки горной массы к выемке при разработке методом траншей, показано на рис. 53.

Землесосный снаряд ЗРС-1 с грунтовым насосом 8НЗ, оборудованный выносным вибрационным рыхлителем конструкции Ф. Ш. Доктора (рис. 54), при очистке одного из каналов за 1 ч разработал 53,5 м3 грунта, а такой же снаряд с гидравлическим рыхлителем разработал около 17,27 м3 при работе на связных грунтах. Для предотвращения порчи вибратора от контакта с водой в этой конструкции он вынесен выше уровня воды. Рабочий орган виброрыхлителя — вибрирующая плита диаметром 700 мм. Мощность двигателя вибратора ВПП И кВт. Недостаток такого виброрыхлителя—утяжеление конструкции за счет несущей ферменной части — компенсируется основным достоинством выносных вибраторных рыхлителей, независимой по отношению к грунтозаборнику установкой всасывающего наконечника, к которому через шаровой шарнир и амортизаторы подсоединен кольцеобразный диск-экран. На верхней стороне экрана смонтированы вибраторы, а лицевая, забойная сторона оборудована радиально установленными зубьями.

Благодаря шарнирному соединению виброэкран все время находится в соприкосновении с забоем. Вибрирующий экран с зубьями разрыхляет материал забоя, и образовавшаяся пульпа поступает в отверстие грунтозаборника, расположенное по оси конструкции. Эксперименты, в которых сравнивались грунтозаборник с виброэкраном и фрезерный рыхлитель на сце-

Рис. 52. Вибрационное грунтозаборное устройство для разработки методом воронок.Рис. 52. Вибрационное грунтозаборное устройство для разработки методом воронок.Рис. 53. Вибрационное устройство, предназначенное для подготовки горной массы и выемки методом траншей.Рис. 53. Вибрационное устройство, предназначенное для подготовки горной массы и выемки методом траншей.

Рис. 52. Вибрационное грунтозаборное устройство для разработки методом воронок.

Рис. 52. Вибрационное грунтозаборное устройство для разработки методом воронок.

Рис. 53. Вибрационное устройство, предназначенное для подготовки горной массы и выемки методом траншей.

Рис. 53. Вибрационное устройство, предназначенное для подготовки горной массы и выемки методом траншей.

ментированном песчано-гравийном грунте, показали, что фрезерный рыхлитель обеспечивает консистенцию пульпы в пределах 1 %, а грунтозаборное устройство с виброэкраном — свыше 14 %.:

Рыхлители с вибрирующим грунтозаборни- ком — более современная модификация, предложенная $ ВНИИнерудом. Вибронаконечник конструкции И. С. Хопер- j ского (рис. 55) оборудован вибраторами С-357 и И-85 со еле- 1 дующими основными характеристиками: частота вибраций 3000 мин-1, амплитуда колебаний 1,2 мм, мощность электродвигателя 0,4 кВт, напряжение 36 В, масса 25 и 45 кг.

Вибрационно-гидравлические рыхлители относятся к комбинированным. Конструкция виброрыхлителя с гидронасадками разработана во ВНЙИнеруде П. Н. Ивановым. Такой рыхлитель является сменным рабочим органом зем- ( лесосного снаряда. Со всасывающей трубой он соединяется посредством фланца. Виброголовка состоит из объемной решетки с шестью гидравлическими насадками, которые симметрично расположены относительно всасывающего отверстия с центральной насадкой. Вибратор связан с объемной решеткой через жесткие опорные стойки. Вся система подвешена к всасывающему наконечнику посредством шаровой опоры и амортизирующих пружин. Мощность вибратора 15 кВт, частота колебаний 1500 мин-1, масса вибрирующих частей 1360 кг, длина 1742,

ширина 1725 и высота 3120 мм. Вибратор рассчитан на подсоединение к трубе диаметром 600 мм, т. е. его можно использовать на землесосных снарядах типа 350-50Л. Подобный вибрационно-гидравлический грунтозабор- ник успешно работает на гравийно-песчаных породах, содержащих валуны.

Рис. 55. Вибронаконечник конструкции И. С. Хоперского.

Глава VI

Процессы в подводном забое и устойчивость подводных горных выработок

Перемещение тяжелой фракции россыпей шельфа в процессе разработки забоя

Наибольшее распространение при разработке рыхлых полезных ископаемых дна акватории с использованием грунтовых насосов, эрлифтов, гидроэлеваторов получил метод свободного всасывания, т. е. такой, когда между нижним срезом грунто- заборника и забоем поддерживается определенное расстояние или когда грунтозаборник касается забоя, не внедряясь в него. В настоящее время при ведении подводных горных работ на россыпях шельфа начинает получать применение метод, названный нами методом внедряющегося грунтозаборника. Грунтозаборник, как уже отмечалось, в процессе разработки постоянно находится на некоторой глубине ниже уровня забоя и в таком положении осуществляется выемка горной массы при фильтрации воды через определенный слой горной породы.

При методах свободного всасывания (послойная дезинтеграция массива) и внедряющегося грунтозаборника (объемная дезинтеграция массива) всасывание материала россыпи может осуществляться без рыхления, с гидравлическим и вибрационным рыхлением. В большинстве случаев разработки морских россыпей, как показала практика, необходимо предварительное рыхление материала перед его выемкой.

Очевидно, что процесс подготовки горной массы к выемке должен постоянно опережать процесс всасывания пульпы, причем рыхление материала забоя происходит при интенсивном перемешивании компонентов россыпи, имеющих весьма различную плотность. Напомним, что плотность вмещающих горных пород 2,5—2,7, касситерита 6—8, золота 17—18, платины 19— 20 г/см3. Таким образом, при подготовке россыпей шельфа к выемке, т. е. при рыхлении, происходит их непрерывное обогащение, при котором частицы полезного компонента скапливаются в нижней части разрыхленного объема на границе нетронутого массива и разрыхленной породы. Одновременно подобный процесс происходит и на стенках подводной выработки независимо от метода производства работ.

Рис. 56. Перемещение тяжелой фракции в процессе разработки забоя при свободном всасывании с эрозионным размывом или размывом свободными незатопленными струями (а), при всасывании внедряющимся грунтозабории- ком с подготовкой горной массы несвободными затопленными струями или вибраторами (б) и осыпание откосов выработки при любых методах подготовки забоя (в).

/ — зона взвешенных частиц горной массы; // — зона насыщения материала россыпи водой; /// — массив, не подверженный дезинтеграции.

Схематично вышеизложенное можно представить себе так, как это показано на рис. 56. Деление на зоны условно, происходит их непрерывное перемещение при отсутствии строгих границ между ними. Однако, как показали многочисленные эксперименты, частички тяжелых минералов непрерывно перемещаются вниз, т. е. практически во все время разработки забоя до конечной глубины подводной выработки.

Подготовка горной массы к выемке осуществляется и во время разработки подводной россыпи и в процессе ее опробования при взятии крупнообъемных (до 50 м3 с одной точки) проб. С учетом вышеизложенного необходимо помнить о том, что при разведочных работах виброрыхлением или гидравлическим рыхлением вполне вероятно получение заведомо недостоверных данных о фактическом содержании полезного компонента в россыпи, поскольку в процессе выемки пробы мы искусственно опускаем по вертикали всю тяжелую фракцию, содержащуюся в извлекаемом объеме, который далее направляется для выделения тяжелой фракции, уже отсутствующей в пробе или содержащейся в минимальных количествах. Очевидно, что и при разработке подводной россыпи мы будем иметь весьма значительные потери полезного компонента, тем более, что при разработке шельфовых россыпей скальный или подобный плотик практически отсутствует.

Оценивая возможные потери полезного компонента при разработке россыпи одиночными воронками, в качестве примера наши рассуждения отнесем к одной воронке. Одиночная воронка представляет собой конус, обращенный вершиной вниз, с радиусом основания R и высотой Н. Сразу же нужно сказать,

что при этом в теле россыпи остается значительная часть полезного компонента, равная его содержанию в разности объемов цилиндра с параметрами R и Н и этого конуса. Поскольку объем цилиндра равен nR2H, а конуса nR2Hf3, то, очевидно, что при отсутствии потерь будет извлечена 7з полезного компонента. Кроме того, как показала практика, а также лабораторные эксперименты, на стенках воронки также остается значительное количество полезного компонента, которое принадлежало к объему воронки, но в процессе выемки материала россыпи было потеряно.

Можно рассматривать два предельных случая. В обоих случаях в центральной части конуса, т. е. в зоне активного воздействия гидравлической машины, весь объем породы, включая полезный компонент, извлекается полностью; этот объем равен дг2Н (г — радиус всасывания гидравлической машины). Что касается остального объема полезного компонента, то для первого случая он полностью теряется, т. е. остается на стенках подводной выработки, и тогда удельное содержание полезного компонента составит

q = PRTtr2H),

где Р— масса полезного компонента в извлеченном объеме конуса.

Для второго случая весь полезный компонент из объема воронки в процессе выемки перемещается в зону всасывания и извлекается. Тогда

q^3PI^R2H).

Очевидно, что в первом случае результат будет занижен, а во втором завышен. Аналитически вывести точное выражение достаточно трудно и необходима постановка серии специальных экспериментов для определения коэффициента, учитывающего отмеченные погрешности.

Вышеизложенное относится к варианту равномерного распространения полезного компонента в объеме разрабатываемой россыпи. При наличии нескольких продуктивных пластов по вертикальному разрезу россыпи для первого случая объем t-ro пласта, попадающий в воронку (конус), будет равен

[(// — /?)+(// —Zz) X

XlH-lt- h^-ЦН-к- Zta2] cos¥1,

где hi — мощность /-го пласта; к— расстояние от уровня днг водоема до кровли /-го пласта; ф]—угол естественного откоса Суммарный объем полезного ископаемого в воронке

п

= 1

+ (Я - к) (А/ - Ц - Н^+(Я - Ц - h.^.

Для второго случая (для цилиндра) соответственно

Vt^vr^h и 2^/ц=^2 2 ^ьi = l

Полученные аналитические выражения и выбранная модель могут служить основой для дальнейших аналитических и экспериментальных исследований с целью определения основных технологических критериев разработки россыпей шельфа.

Динамическая устойчивость подводного забоя

Динамическая устойчивость подводного забоя как при строительных, так и при добычных работах на месторождениях шельфа, представленных рыхлыми породами, имеет первостепенное значение для обеспечения безаварийной работы. Особенно это касается месторождений мощностью 10—80 м.

В практике подводных работ при значительных заглублениях довольно часты случаи поломок рабочих органов оборудования, когда скорость их подачи на забой выше, чем скорость постепенного выполаживания забоя от мгновенного угла до1 угла естественного откоса.

Очевидно, что крайне важно определить максимально возможную скорость подачи рабочего органа (в нашем случае — грунтозаборного устройства грунтового насоса, гидроэлеватора или эрлифта) на забой, при которой будет сохраняться состояние предельного равновесия стенок подводной воронки или траншеи.

По закону Кулона, который до настоящего времени является основной предпосылкой для решения задач устойчивости откосов рыхлых горных пород под водой, сопротивление сдвигу где с — сцепление между частицами грунта; о — сжимающие напряжения; ф — угол внутреннего трения.

Приведенное выражение является эмпирическим и получено для сухих сыпучих горных пород. Для сыпучих горных пород, находящихся под водой, приведенное соотношение приобретает следующий вид:

tgy, где о' — избыточное давление поровой воды (с обычно принимается равным 0).

В 1956 г. К. Терцаги предложил уравнение т5 = с-4-(рг: —«) tgcp, где р — плотность рыхлых горных пород под водой; г — глубина рассматриваемого слоя от свободной поверхности (дна); и.— избыточное, гидростатическое давление поровой воды в точке

Рис. 57. Схема для расчета скорости погружения рабочего органа при разработке методом воронок без учета (а) и с учетом (б) диаметра рабочего органа или экранирующей пластины.

приложения усилия; значения с и ф определяются экспериментально.

Приведенные выражения малоудобны для практических расчетов, поскольку для них необходимы либо известные, либо легко определяемые величины.

Рассмотрим вариант разработки подводной россыпи воронками. Будем предполагать, что россыпь представляет собой однородную изотропную среду. В связи с этим в первом приближении воронку можно считать круговым конусом с углом при вершине равным л — 2ф0 (рис. 57, а), где фо — мгновенный угол трения (откоса воронки). При оптимальном режиме работ скорость и подачи рабочего органа на забой должна быть такой, чтобы весь сползающий по откосам воронки материал засасывался и удалялся из выработки на поверхность или на ее борта. При этом будем считать, что угол ф0 остается постоянным при любой глубине h воронки.

Нашей задачей является определение скорости и подачи рабочего органа при упомянутом оптимальном режиме. Очевидно, что

v=dh[dt.

Найдем объем V конической воронки:

У —С/з) ^3ctg2 ср0.

Обозначим производительность насоса через Q. Поскольку насос засасывает пульпу, т. е. смесь песка и воды, то

Qj AQ,

где Qi — секундное поступление породы во всасывающую трубу; к — коэффициент, учитывающий эффект разжижения породы водой (консистенция пульпы).

Нетрудно видеть, что

Qt=dV]dt.

В свою очередь dV dVdh dV

dt ' dhdtУ dh

Таким образом,

Qx=X№fl2 Ctg2 ф0, откуда Скорость подачи рабочего органа на забой

и№ ctg2 ч>о '

В формуле (2) не учтены размеры рабочего органа (его диаметр). На самом деле воронка примет вид усеченного конуса (рис. 57, б), объем которого

V1 = (7з) ^h [го+(г0 + h ctg ф0)2+г0 (г0+h ctg фо) ],(3>

где го — радиус грунтозаборника.

Следует отметить, что выражение (3) справедливо также и для случая использования на грунтозаборнике экранирующих пластин. В этом варианте го будет являться радиусом экранирующей пластины, профилирующей выработку в виде усеченного конуса. Из выражения (3)

-^^^(ro+Ztctgcpo)2.

Следовательно, в соответствии с формулой (1)

” (г0 + h ctg <Ро)2 ‘'

Таким образом, при большой глубине воронки, т. е. при значительной мощности разрабатываемой россыпи, влияние радиуса грунтозаборника не будет существенным. В то же время при малой глубине воронки с этим фактором следует считаться. Формулой (2) при малых глубинах воронки пользоваться вообще нельзя, ибо и->оо при й = 0. В этом случае справедлива формула (4), которая при достаточно больших глубинах автоматически переходит в формулу (2). Такое утверждение иллюстрируется графиком (рис. 58), где

и =-(rc/Q0 ctg2 фо,

поэтому формула (2) примет вид

и = 1/й2,

а формула (4) —

o = l/(/t+r0tgTo)2.

Рис. 58. Зависимость скорости подачи рабочего органа и от глубины разработки /г без учета его диаметра (/) и с учетом (2).Рис. 58. Зависимость скорости подачи рабочего органа и от глубины разработки /г без учета его диаметра (/) и с учетом (2).ггРис. 59. Схема для расчета скорости погружения рабочего органа при разработке методом траншей.Рис. 59. Схема для расчета скорости погружения рабочего органа при разработке методом траншей.

Рис. 58. Зависимость скорости подачи рабочего органа и от глубины разработки /г без учета его диаметра (/) и с учетом (2).

Рис. 58. Зависимость скорости подачи рабочего органа и от глубины разработки /г без учета его диаметра (/) и с учетом (2).

г

г

Рис. 59. Схема для расчета скорости погружения рабочего органа при разработке методом траншей.

Рис. 59. Схема для расчета скорости погружения рабочего органа при разработке методом траншей.

При построении графиков принято rotgфo = 2O см. Если принять для rotgфo другие значения, то характер кривой, очевидно, сохранится. График показывает, что при наших условиях начиная с глубины воронки, равной 6 м, влияние диаметра грунто- заборника не сказывается на скорости подачи рабочего органа на забой.

Рассмотрим вариант траншейной разработки подводной россыпи. При этом предполагается, что первоначально россыпь проходится по вертикали на полную ее мощность одиночной воронкой, а затем осуществляется горизонтальная подача рабочего органа и производится траншейная разработка также на всю мощность пласта (или то и другое на определенную глубину при весьма значительной мощности разрабатываемого месторождения).

• При разработке пласта россыпи рабочий орган перемещается вдоль оси забоя с некоторой постоянной скоростью, которая обеспечивает оптимальный режим работы. Под последним, как и ранее, будем понимать такую разработку россыпи, при которой скорость подачи рабочего органа такова, что грунтовым насосом осуществляется выемка всей породы, сползающей со стенок полуконуса, обращенного в сторону забоя. При таком режиме поверхность полуконуса перемещается по оси забоя параллельно самой себе.

Рассмотрим поверхность Zi = f(x, у) (рис. 59). Пусть эта поверхность, оставаясь параллельной самой себе, переместится вдоль оси г на расстояние Аг. При этом произвольная точка М

2r0 »2hctgV02r0 »2hctgV0Рис. 60. Схема для расчета скорости подачи рабочего органа на забой при малых глубинах траншей.

2r0 »2hctgV0

2r0 »2hctgV0

поверхности переместится по вертикали в новое положение Mi на расстояние Az. Координаты х и у точки остались неизменными. Поэтому уравнение поверхности в новом положении запишется так: Zi = ^x, y)+Az. Указанные поверхности имеют в проекции на координатную плоскость хОу одинаковую фигуру о, ограниченную замкнутой кривой ф(х, у)=0. Объем, ограниченный поверхностями Zi = ^x, у), z2 = f(x, y)+Az и цилиндром ф(х, у) =0, равен

К = Ц Кх> У) + Дг —у)]^А=Ц HzdS=S Hz,

где S — площадь фигуры о.

В нашем случае проекция полуконуса представляет собой равнобедренный треугольник с высотой h и основанием 2/lctgфo, являющийся осевым сечением рассмотренной ранее конической воронки.

Таким образом,

У = й2^ср0Дг.(5)

Учитывая, что AK/A^=Qi и вследствие равномерного перемещения рабочего органа в горизонтальном направлении \z!\t = v, формула (5) может быть переписана так:

Qx = № ctgcp0D,

откуда

u = Qi/(A2ctgcp0).(6)

В формуле (6) не учтены размеры рабочего органа. Для малых глубин h воронки, как показано ранее, необходимо учитывать диаметр грунтозаборника. С учетом последнего (рис. 60) формула (6) примет следующий вид:

(2го + h ctg ?0) h + w2/2

Полученные выражения для расчета оптимальной скорости подачи грунтозаборника на забой, гарантирующей динамическую устойчивость подводных выработок, для разработки как воронками, так и траншейным способом, учитывают технические

характеристики применяемого оборудования и физические свойства разрабатываемых горных пород.

Для использования полученных формул необходимо экспериментально определить коэффициент для реальных условий и мгновенный угол внутреннего трения ф0. Формулы (4) и (7), учитывающие диаметр грунтозаборника, справедливы во всем диапазоне глубин забоя.

Время выполаживания откосов подводных выработок

. Процессы в подводном забое и время выполаживания откосов подводных выработок тесно взаимосвязаны, поскольку они в конечном итоге регламентируют режим горных работ.

Выполаживание откоса подводной горной выработки можно представить следующим образом. Тонкий слой горной породы начинает сползать по прямой Ло/(о, которая представляет собой мгновенное положение борта выработки (рис. 61). Следующий слой движется по другой прямой, представляющей собой новое мгновенное положение откоса. Этот процесс продолжается до тех пор пока не образуется откос выработки без последующего сползания горной породы, т. е. откос с его устойчивым состоянием (линия АХК\ на рис. 61). В процессе выполаживания мгновенный угол откоса постепенно переходит в угол естественного откоса, который зависит от физико-механических характеристик разрабатываемой горной породы. Очевидно, что от этих же характеристик зависит и время выполаживания.

Рассмотрим в качестве механической системы сползающий материал, заключенный между весьма близкими плоскостями, перпендикулярными к оси траншеи (при траншейном способе разработки) или проходящими через ось конуса (при разработке воронками). Тогда можно считать, что центр масс системы совпадает с центром тяжести соответствующего плоского сечения. Применим к этой системе теорему о движении центра масс:

mWc=Te, (8)

где т— масса сползающего материала; U7C — ускорение центра масс; Fe — главный вектор всех действующих на материал сил.

В первом приближении будем считать, что центр тяжести сечения движется по прямой, соединяющей начальное и конечное его положения. Эти положения находятся по-разному в зависимости от способа разработки.

Рассмотрим сначала траншейный способ разработки. Обозначим через фо мгновенный угол откоса, а через ф1 — угол естественного откоса (ф1<фо)- Поперечное сечение траншеи в момент начала выполаживания (при ^ = 0) представляет собой треугольник А0В0К0. После выполаживания поперечное се-

Рис. 61. К расчету выполаживания подводного откоса.

а — схема сползания породы по откосу; б — схема для расчета равенства масс.

чение примет вид треугольника AxBxKv Отвлекаясь от крайних сечений траншеи, задачу можно считать плоской. Вследствие симметрии сечения траншеи относительно вертикальной оси ОКо можно изучать процесс выполаживания, ограничиваясь рассмотрением лишь одной половины сечения.

Заметим, что масса материала, заполняющая рассматриваемый элементарный объем, постоянна, однако плотность его переменна за счет разрыхления при сползании. Обозначим первоначальную плотность через бо, а конечную — через бь Условие равновесия масс запишется так (рис. 61, б).

80 щМ^о dz = 8] №hv dz,

где dz — толщина элементарного слоя.

Это выражение можно переписать в следующем виде:

A0AxhQ=\KQKxhx,(9)

где Х = б1/б0 — коэффициент разрыхления (Х< 1).

Далее из подобия треугольников ОАХКХ и £o^i-Do имеем

ОК\ ОАХ,,

LqDq Мх Кроме того,

OKo=LQDQ-)t-LxKo.(11)

Система уравнений(9) — (11) можетбыть переписана так:

(ОКХ ctg <pi — Н ctg ср0) Нй=к (Н — ОКО Ьъ

ОКХ ctg ф! — А1=А0 ctg®^

где Н — первоначальная глубина траншеи.

Исключив из этих уравнений h0 и hi, получим

(ОКх tg ср0 — Н tg Vl)2=X tg Фо tg Ф1 (Я — ОКхУ-

Это уравнение для ОКх имеет два корня. Из геометрических соображений остановимся на

=Н tg<P1 • ^tSfo + V1

1 Г tg Vo /tg Vo + Vх tg fl

Подставив это выражение во второе и третье уравнение системы, найдем

h — ^У^-tgyi .° /tg VO + /^tg <pi

/tg VO (/tg ?о + /^ tg Ф1 )

Координаты центров тяжести Со и С\

, Ер,+Ед0 + Ел, А, + Н ctg 90 + ОКХ ctg у,33

н , /X" (tgyo + tgyi) ч-3 /tg yptg VI .3 tg у0 /tg?l (/tg Ч>0 + /^-tg VI )

^Do^Ao + ^ Al A0 н , /X tg 91 .

^Co333 /tg Vo + yxtgvi

Ep, + ^K» + E^, / _.

C* 33 з/tgvo (Ktgvo' + yMgvi )

^Do + ^Ko + 4Ki ^0 + ^ + OKt

^C,"33—

н , tg Vo + tgVi + 3/XtgVotgyi

3 /tg Vo (/tg Vo + /XtgVl )

Найдем путь CoCi, пройденный центром тяжести сечения и угол фс, который составляет прямая CqCi с горизонтом:

CoCi="/(^c, — Ес,)2+ (’’Qc! — ^СоУ =

Н Viy^ (tg Vo + tg V1) +2 /tg Votg V112 +

+ tg Vo tg Vi (tg Vo + tg V1 +2 /X tg 90 tg V! )23 tg Vo /tg 91 (/tg Vo + /X tg V1 )

tgYc= £c ‘_^—= Ktg?otgcf»1 X

X/ tg Vo + tg Vi + 2 /X tg Vo tg Vi/^ (tgVo + tgVl) +2/tg Votg Vl

Приведем выражения для площади S треугольника Л0Л i£>0:

. ^- (tg то — tg Y1)

tgvo (/tg vo + /XtgVl)2

Заметим, что коэффициент X для песков весьма близок к единице (0,85<Х<1). Представляет интерес случай, когда Х=1. Это наиболее характерно для материала шельфовых россыпей, сложенных песками весьма тонкого класса крупности. Приведенные формулы значительно упростятся:

ок, = н У^Е"; к,—

V *g Vo-V tg Vo + /tg vi

й =H.

/tg Vo (/tgvo + /tg vi)

% = —^==]/l+tgфotgфl ;

3tg Vo У tg vitgtpc=KtgYotgyi ;

g № . tg Vo — tgvi

tg Vo (/tg VO + /tg vi )2

Перейдем к рассмотрению способа разработки воронками. Условие сохранения масс можно записать в виде

/о=^/ь(12)

где Уо— объем, который должен переместиться в результате выполаживания; У]— объем, который занимает в новом положении материал, сползший после выполаживания. Очевидно,

где У(о’и У^2) — объем усеченного конуса с осевым сечением AxDqEoBx и AoDqEqBq (см. рис. 61, а) соответственно.

Аналогично

где V^ и У]2) — объем конуса с осевым сечением DoKoEo и DoK\Eo соответственно.

Через глубины и углы рассматриваемые объемы выразятся следующим образом:

У^ = (^/3) й0 (ОКх ctg2 ¥1 + й?+hxOKx ctg фт);

У/ = ^/3) й0 ( /У2 ctg2 фо+й2+Й!Й/ ctg фо);

У/ = № кН - Йо) й?; V)2) = №) (ОКх - й0) hx.

Отсюда

Vо = (л/З) Ао (ОА*, ctg ?! — Н ctg т0) (OKi ctg ?;4- Hctg то+Ai);

Vx=№ (H — OKO Al.

Тогда из формулы (12)

Ao (O/iTi ctg q?i — H ctg To) (OKX ctg?i +

4-^ctgTo + A1) = X(^-0^1)/гt(13)

Кроме того, как и при траншейном способе разработки,OK1ctg?1-/t1 = Zt0 ctg ?ь

Ao4-Ai tg?0=A/i,

откуда

AiAiAqAqН-ОКх tg Vo + tg V1 ’OKx tg?Q — X/ tgvitg Vo — tg VlН-ОКх tg Vo + tg V1 ’OKx tg?Q — X/ tgvitg Vo — tg Vl(14)(14)(15)(15)

Ai

Ai

Aq

Aq

Н-ОКх tg Vo + tg V1 ’

OKx tg?Q — X/ tgvitg Vo — tg Vl

Н-ОКх tg Vo + tg V1 ’

OKx tg?Q — X/ tgvitg Vo — tg Vl

(14)

(14)

(15)

(15)

Подставив в формулу (13) выражения (14) и (15), получим

(ОКх tg ?0 — X/tg <Pi)2 vn(X/ —OKi)tg?0tg?i ] _

tgvo — tgvitgVo — tg?i J

= X (H - OK^

'(tgVo — tgVl)2

После преобразований будем иметь такое кубическое уравнение:

ОКх (tg4 ?о — 2 tg3 то tg Ti)4-3°^хН tg2 то tg2 Ti —

— гОКх№ tg то tg2 Ti4-№ (2 tg То tg3 Ti — tg4 ?i) =

= X ( И3 - ЗОКх н2+ЪО^Н - ОКЪ tg2 То tg2 Т1.

Положим OKxiH=z, tgTi/tgTo—А.

Тогда предыдущее уравнение примет вид

z3 (1 - 2й 4~Хй2)4-Зг2й2 (1 - X) - 3zK (1 - X) - (X - 2й 4-й2) й2=О.

(16)

В общем виде его решение затруднительно. Однако можно воспользоваться тем, что значение X близко к единице. Найдем сначала корень этого уравнения в случае Х=1, а затем методом последовательных приближений уточним его с какой угодно степенью приближения для Х^1.

При Х=1 уравнение (16) примет вид

z3 (1 - 2й 4-й2)- (1 - 2й +й2) й2=0, откуда 2о = й2/’ .

Истинный корень уравнения (16) будем искать в виде

где е = 1 — К, a zi и z2 — поправочные коэффициенты, подлежащие определению.

Приведем уравнение (16) к удобному для использования методом последовательных приближений виду

z3(l — 2^-4/г2 — ^2s)4~3z2^2s — 32^4 — (1 — 2^4'^2” е)£2=0.

(17)

Тогда корни уравнения (17)

+ W + . . ,)2 =

=^3+2^hzi£4-^z2i-t--2fe2,s22)£2+ . .

z*3=l^/s+2^/sz1e+(z?+2&Z/sz2)e2+ . . .] X

Х(^ /з Ц-2]Е Ц-22е -j- . . ,)=^ -|-3^ ^z^-^

+ 3(^/sZ^,/sZ2)e2+ . . .

В дальнейшем во всех выражениях будем оставлять 8 в степени не выше второй.

Подставим z*, z*2, z*3 в формулу (17), тогда

\k2-Y ЗУ^е-ф-З (ti^+^Za) е2] [(1 - kf-k\\ +

+ 3A2(A*/se+ 2fe2isz^V ЗД^’е+г^2)-

-(1 -2А+А2-е)А2-}-0.

Коэффициент при е° автоматически обращается в нуль. Приравнивание к нулю коэффициентов при е и е2 приводит к урав-

_з&8/з+^=0;_з&8/з+^=0;нениям

_з&8/з+^=0;

_з&8/з+^=0;

— 3^2Zj=O.— 3^2Zj=O.ЗЛ‘/з (1 — ^)2zi — ^+3^ 3

— 3^2Zj=O.

— 3^2Zj=O.

З^/з^ГМО - ^)- ^Zx-Y^^v Определив отсюда

k3h^_£l^ .

zi" 3(1—А)” ’

//» (2а:2/з + о (1рр_^0!_

Z2g (1—6)*

получимz^k'13 [1получимz^k'13 [1(1 _ б’'8)3— 3(1—й)2(1 _ б’'8)3— 3(1—й)2(2£2/з + 1)0-£2/05 .2'9(1—6)4(2£2/з + 1)0-£2/05 .2'9(1—6)4ок,-нд/^Ток,-нд/^Т(^tg2 То —/tg2?i~)33(tg?o — tgVi)2(^tg2 То —/tg2?i~)33(tg?o — tgVi)2

получим

z^k'13 [1

получим

z^k'13 [1

(1 _ б’'8)3

— 3(1—й)2

(1 _ б’'8)3

— 3(1—й)2

(2£2/з + 1)0-£2/05 .2'9(1—6)4

(2£2/з + 1)0-£2/05 .2'9(1—6)4

ок,-нд/^Т

ок,-нд/^Т

(^tg2 То —/tg2?i~)33(tg?o — tgVi)2

(^tg2 То —/tg2?i~)33(tg?o — tgVi)2

(2^tg2<? +V"tg2=Po )(l/tg4>o"—/tg2 ?1~)_ e29(tg ?о —tg?i)4

, Теперь по формулам (14) и (15) можно найти Н\ и йо, затем по методу, описанному ранее, координаты центра тяжести в начальном и конечном положениях, а также СОСЬ tgфc и S. Соответствующие выражения не приведены ввиду их громоздкости.

Рассмотрим частный случай, когда %=1. Как было уже указано, в этом случае

hн (у tg ч» + /tg vi ).

(/tg2 Vo + У"tg Vfltg V1 + ^/ tg2 Vl ) Vtg2 ?0

H yTg2 ?! .

3,— 3A 3,— ’

/tg2Vo + /tgVOtgVl + /tg2Vl

н(^tg vo -y^tg ?i )3.

C° 3tg Vo /tg V1 С/tg2 Vo + ytg Votg Vi + ^"tg2 Vi )

^tg2?i"-

C° 3Vtg2 Vo + Vtg Vo tg V1 + T^tg2 V1

g =_H_ . /tgVo + ^tgyi‘.

C1 3^ tg2 Vo (^tg2 Vo" + v'tg Vo tg VI + /tg2 V1 )

=Л_ . _JJgJ^LllL/lLO[/L±j^S•

C‘ 3Vtg2 Vo (^ tg2 Vo + /tg ?o tg V1 + r^tg2 ?1 )

t к _ H Vtg Vo + V'tg vf .

sc0з "зЛ’

tg Vo У tg V1

„ _ hH - ^tg2y0 +^tg2?l .— 3 •3^——

У tg2 Vo

СйСх= stgvol^T+^t^T)‘+.

+v tg^oig2^ /g^o H-ytg2^ ) ;

У tgvo + V tg vif/2>CtgVi (>Ctgv/ —yTg VI )

2 tg Vo (tg Vo — tg Vi)

Теперь найдем закон движения центра масс рассматриваемой системы. На нее действуют следующие внешние силы 194

Рис. 62. Схема движения центра масс при выполаживании подводного откоса.

(рис. 62): Р—вес системы; Q — архимедова сила; N— нормальная реакция; R — сила сопротивления среды; Ртр — сила трения. Очевидно, что

P=mg\ Q=—pBg;

где рв горной точноегде рв горной точноеN=(P — Q) cos фС, и р — плотность воды и породы, фс — промежу- значение угла откоса.

где рв горной точное

где рв горной точное

материала приматериала приПредполагаем, что скорость перемещения выполаживании невелика, т. е. отсутствует лавинообразное обрушение уступа. Поэтому для силы сопротивления среды при-

материала при

материала при

мем закон Стокса

Р=^)с.

где 0 — коэффициент пропорциональности; ис — скорость центра масс системы.

Сила трения

F^-fN,

где f— коэффициент внутреннего трения (f=tgфl).

Выберем систему координат, как показано на рис. 62.

В проекциях на ось х уравнение (8) примет вид

tnxc=(P— Q)sm^c —FTp—R.

Этому уравнению можно придать вид

Лс+р-^с=«,(18)

где ц=В/т.

Проинтегрируем уравнение (18) при начальных условиях Хс|/ = о=И; -Хс|< = о=О-

Первый интеграл

или

ic.i(l-«-").

Второй интеграл

^^^^(e-^-l).(19)

Обозначим время выполаживания через tx. Оно может быть найдено из трансцендентного уравнения (19), если положить в нем t = tY и Хс = С0Сь

Получить решение уравнения (19) в общем виде затруднительно. Поэтому его следует решать численно для конкретных параметров.

При некоторых условиях вязкостью среды можно пренебречь. Тогда дифференциальное уравнение (18) примет вид

"хс=а,

откуда

хс=а/2/2.

В этом случае время выполаживания tx-^V^CoC^a.

Порядок отработки отдельных горизонтов подводного карьера

В отличие от карьеров на материке углы откосов подводных карьеров будут определяться только углами естественных откосов рыхлых полезных ископаемых дна акватории. В связи с этим при большой мощности россыпи и отработке ее слоями большое значение имеет правильное определение точки начала работ на первом и последующих горизонтах подводного карьера, поскольку при отработке первого слоя или горизонта откос уступа от угла его мгновенного значения постепенно выпола- живается до угла естественного откоса с соответствующим перемещением верхней и нижней бровок уступа. Отмеченное по- ложенйе особенно важно для мощных россыпей, в частности для россыпей шельфа Арктики, мощность которых достигает 80 м.

Основной отправной точкой при наших рассуждениях является то, что угол откоса подводного карьера не регулируется, он определяется углом естественного откоса разрабатываемого материала россыпи. Во всяком случае, по нашему мнению, искусственное регулирование углов откосов подводных карьеров в ближайшее время является весьма проблематичным. Для того чтобы эти естественные контуры выдерживались и отработка россыпи производилась качественно, без потерь полезного ископаемого или без выемки дополнительных объемов пустых пород, необходимо определить порядок отработки каждого горизонта.

Рис. 63. Порядок отработки отдельных горизонтов.

Рассмотрим слоевой способ отработки месторождения с мощной толщей вскрышных пород, покрывающей россыпь. Вся горная масса представлена рыхлыми породами. Предположим, что россыпь находится на глубине nh от поверхности дна, где h — мощность отдельного слоя пород вскрыши (рис. 63), извлекаемого за один проход грунтозаборного устройства (земснаряда). Наша задача заключается в опреде-- лении расстояний от верхнего контура подводного карьера до точек начала работ на каждом горизонте, с тем чтобы после выполаживания откосов борт карьера имел общий угол ф1 (угол естественного откоса данной породы под водой).

Обозначим через ф0 мгновенный угол откоса. Очевидно, что треугольники ЛВ5[ и jM1/<1S1 равновелики, их высоты одинаковы и равны hj2. Из рис. 63 видно, что Ц—АН—МХК\\ АН= = /z ctg ф1; МХК\= (h/2) (ctg q>i—ctgфo). Поэтому

/^(^(CtgCO^Ctg^).

Для 2-го слоя U=lx-VCD-, CD = LKi = h ctgфЬ Отсюда

4=(А/2) (3 ctgcpi ctgcp0).

Повторяя рассуждения, заключаем, что для n-го слоя ln=(hl2) [(2и—1)ctgcp^ctgcpo].

Полученное выражение позволяет с достаточной точностью определять порядок отработки каждого горизонта, начальную и последующие точки выемки с целью выдерживания общего угла откоса подводного карьера.

Основные параметры процессов в подводном забое при всасывании пульпы

Разработка полезных ископаемых дна акватории при обычных схемах гидромеханизации по технологическим признакам регламентируется максимальной консистенцией пульпы, которая

197

может транспортироваться в напорном пульповоде, поскольку обычно напорный тракт в подобных условиях несравненно больше всасывающего тракта. В связи с этим консистенция пульпы сравнительно невысока и практически не превышает 25 % по твердому во избежание заиливания пульповодов и аварийных остановок работы. При разработке россыпей шельфа, когда рефулирование нецелесообразно, перегрузка добытой горной массы осуществляется непосредственно в транспортные сосуды, и при этом напорный тракт практически отсутствует, поскольку высота подъема пульпы выше уровня воды составляет 3—5 м. Тогда возникает возможность работы при максимальном содержании твердого компонента в пульпе, которое достигает 70—75%, что неоднократно подтверждалось нами при проведении лабораторных экспериментов.

Технологически обеспечение консистенции пульпы подобной концентрации возможно при осуществлении забойных процессов по методу внедряющегося грунтозаборника, когда его нижний срез постоянно находится ниже уровня разрабатываемого забоя. При этом вода фильтруется сквозь слой горной породы, увлекая за собой материал россыпи, и, таким образом, происходит процесс разработки в отличие от свободного всасывания.

Ниже определяются основные параметры, которые характеризуют процесс всасывания по методу внедряющегося грунтозаборника [24]. К ним в первую очередь следует отнести скорость фильтрации в любой точке забойной зоны Уф, скорость движения гидросмеси (пульпы) и0 и давление, вызванное в породе работой грунтового насоса, р.

При всасывании пульпы по методу внедряющегося грунтозаборника (из-под слоя) вода, поступающая к грунтозабор- нику, должна фильтроваться через слой материала россыпи. Под давлением фильтрационного потока горная масса поступает к грунтозаборнику при том условии, что образовавшееся давление достаточно для обеспечения этого процесса (критерии его будут даны ниже). При отмеченном движении горной массы к грунтозаборнику порозность и объемный вес горной породы практически не изменяются. Это дает основание рассматривать движущуюся пульпу как тяжелую жидкость с объемным весом, равным объемному весу грунта с порами, заполненными водой.

В первую очередь определим скорость движения фильтрационного потока Уф. При этом предполагаем, что грунтозабор- ник находится в безграничной среде. При включении насоса вследствие создаваемого им перепада давлений в порах материала россыпи начинает течь вода. Жидкость предполагается нами идеальной, так как силы вязкого трения распределены 198

(20а)(206)(20а)(206)уФ^ф=^—x-^p-g;уСрУф)^8^)-уФ^ф=^—x-^p-g;уСрУф)^8^)-по объему практически непрерывно. На основании этого запи- шем систему уравнений:

(20а)

(206)

(20а)

(206)

уФ^ф=^—x-^p-g;уСрУф)^8^)-

уФ^ф=^—x-^p-g;уСрУф)^8^)-

где (20а) —уравнение Эйлера для идеальной жидкости; (206) — уравнение неразрывности с учетом влияния на систему насоса; Оф — скорость фильтрации; F — напряженность поля сил сопротивления течению жидкости, для нашего случая полагаем

F = а-и^\ (21)

a = const; q— массовый расход; р — плотность воды (р = = const); р — давление в данной точке; g— напряженность поля силы тяжести; gjpn=Q— производительность насоса (объемный расход); 6(г).— дельта-функция, J 6(r)/(r)dr= =f(0); рп — плотность пульпы.

Учитывая, что p=cons,t, уравнение (206) можно записать так:

V^ = Q8(r).

Член Q6(r) описывает воздействие на систему насоса..

—1 д 2diva* — -^^г .—1 д 2diva* — -^^г .(22)(22)Перейдем к решению уравнения (206). Распределение скорости Оф считаем сферически симметричным. Очевидно, что на скорость фильтрации при работе насоса силы тяжести будут оказывать незначительное влияние. Тогда

—1 д 2

diva* — -^^г .

—1 д 2

diva* — -^^г .

(22)

(22)

Пусть йф=Н^ При г>0 6(г)=0. Учитывая все это, пе репишем уравнение (206) так.

JJ-r2/(r)F=0.

Г2 dr J v '

Отсюда находимЛг)^С]г\Отсюда находимЛг)^С]г\(23)(23)

Отсюда находим

Лг)^С]г\

Отсюда находим

Лг)^С]г\

(23)

(23)

где С=const.

Определим С: $ div J Q6(r)dV; при r=0 = Q С учетом выражений (22) и (23) получим

J_Crr<iS=Q=>C=-2-.

Итак,Итак,(24)°Ф 4л г3(24)°Ф 4л г3

Итак,

Итак,

(24)

°Ф 4л г3

(24)

°Ф 4л г3

Решим уравнение (20а), предварительно подставив в него равенство (21):

- --1.

Уф7Уф=аиУ grad р — g.

Пусть p'=p-Vpgz, тогда

ОфУОф^аог»^-grad/.(25)

Очевидно, что при такой замене в нашей системе получается сферическая симметрия. Для решения уравнения (25) перейдем к сферической системе координат, учтя предварительно выражение (24):

I^р'„ / о \21I о/ о V i.i

рдг\ 4л )г4'\ 4л /г5 '

.(26)

r f x ' dr dr

Интегрируя, получаем. -

,11 QV11 Г QV1,

г3\ 4л/ rR32 \ 4л) rR41’

тогда

1/(? \211 / 01,

°Д4л ) РR324л ) Р^4— Pg2: + C,

где С=const.

Таким образом, последнее уравнение определяет давление в точке ^R, 2) зоны фильтрации.

Как только скорость фильтрации воды станет больше некоторой критической скорости (0ф>0ф,кр), песок и вода (т. е. пульпа) приходят в движение. Для определения Уф. кр положим, что частицы равнообъемные, на них действует сила тяжести и сила со стороны фильтрующейся воды. Давление со стороны вышележащих частичек отсутствует, так как они уже пришли в движение по направлению к грунтозаборнику. Учитывая вышеизложенное, запишем условие равновесия N частиц в объеме dV;

dV = sdV-VNV4,

где е — порозность россыпи; Уч— объем частицы.

Перепишем окончательно условие равновесия N частиц:

Wu4p4g=ay*.KPedV'p,(27)

где рч — плотность частицы в воде.

200

Рис. 64. Схема для расчета скорости движения пульпы в зоне всасывающего отверстия грунто- заборника.Рис. 64. Схема для расчета скорости движения пульпы в зоне всасывающего отверстия грунто- заборника.Очевидно, что MIC,^!—a^dV. Отсюда ^=[(1—e)dV]/V4. Разделив уравнение (27) на число частиц N, найдем уравнение критического равнове-Очевидно, что MIC,^!—a^dV. Отсюда ^=[(1—e)dV]/V4. Разделив уравнение (27) на число частиц N, найдем уравнение критического равнове-сия для одной частицы:Ичрч^аРф.крер ■Отсюда имеемсия для одной частицы:Ичрч^аРф.крер ■Отсюда имеемРчРч1 — s1 — sУф. крУф. крIzzf₽2S- . (28)3ра v 7Izzf₽2S- . (28)3ра v 7Скорость Уф. кр является критерием начала движения материала россыпи. И с этого момента будем рассматривать движущуюся пульпу как тяжелую жидкость.Определим давление в зоне движения пульпы. Для этого в уравнении (25) положим р=рп и а—0 и проинтегрируем его с учетом равенств (26). После интегрирования получим('t)2 Р“ ' "Я— Ри^+Сп, (29)Скорость Уф. кр является критерием начала движения материала россыпи. И с этого момента будем рассматривать движущуюся пульпу как тяжелую жидкость.Определим давление в зоне движения пульпы. Для этого в уравнении (25) положим р=рп и а—0 и проинтегрируем его с учетом равенств (26). После интегрирования получим('t)2 Р“ ' "Я— Ри^+Сп, (29)r4r4где рп — давление в зоне движения пульпы; Сп — постоянная интегрирования.Для нормировки постоянных С и Сп полагаем следующие граничные условия: 1) рп(го)=Ро (разряжение, создаваемое насосом), 2) Рп(7?о)=р№)- Проделав определенные выкладки (которые мы не приводим), получим следующие выражения для искомых давлений:где рп — давление в зоне движения пульпы; Сп — постоянная интегрирования.Для нормировки постоянных С и Сп полагаем следующие граничные условия: 1) рп(го)=Ро (разряжение, создаваемое насосом), 2) Рп(7?о)=р№)- Проделав определенные выкладки (которые мы не приводим), получим следующие выражения для искомых давлений:рп —+рп5(г0-г);' 1 \ r° r )рп —+рп5(г0-г);' 1 \ r° r )

Рис. 64. Схема для расчета скорости движения пульпы в зоне всасывающего отверстия грунто- заборника.

Рис. 64. Схема для расчета скорости движения пульпы в зоне всасывающего отверстия грунто- заборника.

Очевидно, что MIC,^!—a^dV. Отсюда ^=[(1—e)dV]/V4. Разделив уравнение (27) на число частиц N, найдем уравнение критического равнове-

Очевидно, что MIC,^!—a^dV. Отсюда ^=[(1—e)dV]/V4. Разделив уравнение (27) на число частиц N, найдем уравнение критического равнове-

сия для одной частицы:

Ичрч^аРф.крер ■

Отсюда имеем

сия для одной частицы:

Ичрч^аРф.крер ■

Отсюда имеем

Рч

Рч

1 — s

1 — s

Уф. кр

Уф. кр

Izzf₽2S- . (28)

3ра v 7

Izzf₽2S- . (28)

3ра v 7

Скорость Уф. кр является критерием начала движения материала россыпи. И с этого момента будем рассматривать движущуюся пульпу как тяжелую жидкость.

Определим давление в зоне движения пульпы. Для этого в уравнении (25) положим р=рп и а—0 и проинтегрируем его с учетом равенств (26). После интегрирования получим

('t)2 Р“ ' "Я— Ри^+Сп, (29)

Скорость Уф. кр является критерием начала движения материала россыпи. И с этого момента будем рассматривать движущуюся пульпу как тяжелую жидкость.

Определим давление в зоне движения пульпы. Для этого в уравнении (25) положим р=рп и а—0 и проинтегрируем его с учетом равенств (26). После интегрирования получим

('t)2 Р“ ' "Я— Ри^+Сп, (29)

r4

r4

где рп — давление в зоне движения пульпы; Сп — постоянная интегрирования.

Для нормировки постоянных С и Сп полагаем следующие граничные условия: 1) рп(го)=Ро (разряжение, создаваемое насосом), 2) Рп(7?о)=р№)- Проделав определенные выкладки (которые мы не приводим), получим следующие выражения для искомых давлений:

где рп — давление в зоне движения пульпы; Сп — постоянная интегрирования.

Для нормировки постоянных С и Сп полагаем следующие граничные условия: 1) рп(го)=Ро (разряжение, создаваемое насосом), 2) Рп(7?о)=р№)- Проделав определенные выкладки (которые мы не приводим), получим следующие выражения для искомых давлений:

рп —+рп5(г0-г);

' 1 \ r° r )

рп —+рп5(г0-г);

' 1 \ r° r )

т 3 “ \ 4л ) P p3 ^3 j + 2 \ 4л J P p4 ^4

+PS (^o г) + Png' (,zo ^o), (30) где z0 — аппликата линии среза грунтозаборника; z — текущая аппликата; Zo — аппликата границы зон фильтрации' и псевдоожижения.

Найдем скорость пульпы в зоне всасывающего отверстия гидравлической машины, для чего составим следующее уравнение (рис. 64):

2 Р№ 8if=(Qpny2— Qpn^i) 8/,

где Wi — площадь i-ro поперечного сечения рассматриваемого элемента; р,.— давление в этом сечении; щ и и2— скорости в сечении 1 и 2; 6/ — вариация времени.

Иначе можно записать так:

22

£1^1 ~ р2и)2 = Рпш2®2 —Pn^l.

Площадь wx запишем как Wi~krt. Отсюда имеем 22

Pirt — р2г2=рпг2-и2 — РпПОь

Пусть г2=г0, тогда п2=мо и Ri — Ra. Отсюда Oi = 0.

Pn(Ro) Ро — Рп(го)гоPn(Ro) Ро — Рп(го)гоУчитывая это, получаем

Pn(Ro) Ро — Рп(го)го

Pn(Ro) Ро — Рп(го)го

или окончательно

(31)

Определим радиус зоны всасывания (радиус псевдоожижения) Ra. Это можно сделать исходя из того, что на границе зоны скорость фильтрации должна быть равна критической. Итак, используя формулы (24) и (28), имеем

Q , 1 „ 1 / 1 —£g

Отсюда

■<32>

Очевидно, что для более плотной фракции полезного компонента радиус зоны всасывания будет меньше. Его можно найти, подставив в выражение (32) вместо плотности частиц вмещающей породы плотность полезного компонента.

Для выполнения расчетов по приведенным формулам необходимо иметь значение коэффициента а. Для его определения можно предложить следующий метод. Критическую скорость фильтрации можно получить, используя стандартный способ, т. е. приравнивая вес частицы напору фильтрующейся воды. Тогда получаем

уф. кр — 1 ^С/9 - (33) где da— размер частицы по диаметру шара, эквивалентного по объему; С/ — коэффициент лобового сопротивления.

202

Эта формула годится только для свободного режима движения. Стесненные условия учтем поправкой Е:

"Уф. кр. ст==^-®ф. кр-(33а)

В дальнейшем индекс «ст» опускаем.

Существует множество эмпирических формул по определению коэффициента стесненности Е. Примем наиболее компактную формулу Н. В. Лященко [41]:

Е=еп,

где и— опытный коэффициент, равный 2,5—3,8 в зависимости от режима обтекания (по данным Д. М. Минца [41],/г=2,25-ь -е4,5).

Для нашего режима обтекания примем показатель степени и=3. Из формул (33), (33а) и (28) найдем коэффициент

ОС —■— С/,

* d3 е4

В автомодельной области .(Re=400-е5500), по данным Г. М. Ломизе, статический коэффициент формы для морского песка равен 1,17, динамический коэффициент — 2,5, коэффициент лобового сопротивления С/=1,1*. Порозность ё«25-е ->35%, что соответствует нашим условиям и подтверждается данными многих авторов.

Рассчитанные значения коэффициента а для реальных пределов изменения е и с?э приведены в табл. 41.

Таблица 41

Значения коэффициента а для различных е и d3

е

dy мм .

а, м 1

0,25

0,5 1,0

369 600

184 800

1,5

123 200

0,30

0,5

166 358

1,0

83 179

1,5

55453

0,35

0,5 1,0

83 382

41 691

1,5

27 794

* Обстоятельный обзор по определению этих параметров сделан в ра боте [11].

Для иллюстрации полученных формул приведем пример расчета. Примем следующие исходные данные: е=0,3; Q=1200 м3/ч; da=0,5 мм; р=10 т/м3; рп= 1,2 т/м3; рч= 1,6 т/м3; го=О,3 м; р0=931,6 Па (95 мм вод. ст.); а = = 166 358 м-1. При этих условиях необходимо определить и0, Уф. кр, До-

Из формулы (28) имеем

^ф. кр = уS_ = 1/71—0,3) ■ 1,6 • 9,8 ~

Г 6 р а Г 0,3 • 1 • 166 358 = °'015 М/С"

Из формулы (32) определяем

1200 у 0,3 - 1 • 166 358'4.3,14.3600 V (1—0,3) - 1,6 - 9,8Из формулы (31) находим1200 у 0,3 - 1 • 166 358'4.3,14.3600 V (1—0,3) - 1,6 - 9,8Из формулы (31) находим+ 1,2-103.9,8 (0- 1,33)] 1,33-931,6-0,з}'^!,2.0,3. 103)+ 1,2-103.9,8 (0- 1,33)] 1,33-931,6-0,з}'^!,2.0,3. 103)

1200 у 0,3 - 1 • 166 358

'4.3,14.3600 V (1—0,3) - 1,6 - 9,8

Из формулы (31) находим

1200 у 0,3 - 1 • 166 358

'4.3,14.3600 V (1—0,3) - 1,6 - 9,8

Из формулы (31) находим

+ 1,2-103.9,8 (0- 1,33)] 1,33-931,6-0,з}'^!,2.0,3. 103)

+ 1,2-103.9,8 (0- 1,33)] 1,33-931,6-0,з}'^!,2.0,3. 103)

= 7,55 м/С;

с началом в точке z0, осьс началом в точке z0, осьZ0=0, так как мы приняли систему координат аппликат направлена вертикально вверх.

с началом в точке z0, ось

с началом в точке z0, ось

Анализируя полученные данные можно отметить, что принятая при решении задачи модель дает достаточно хорошее приближение. Формула (31), служащая для определения скорости движения пульпы у всасывающего отверстия, так же как и формулы для определения Пф. кр и Ro, дает хорошую сходимость с результатами экспериментальных данных автора настоящей работы, а также данными других авторов.

Глава VII

Совершенствование освоения морских россыпей

Крупнообъемное опробование рыхлых отложений шельфа

Развитие техники и технологии крупнообъемного опробования рыхлых отложений шельфа находится в начальной стадии, однако эта проблема в последнее время приобретает все большее значение. Наиболее приемлемыми механизмами для осуществления крупнообъемного опробования являются гидравлические машины, и в частности погруженные низконапорные грунтовые насосы (ПНГН) и кольцевые гидроэлеваторы (струйные насосы) в сочетании со средствами обогащения взятой пробы.

Немаловажным является разработка методики учета систематических погрешностей крупнообъемного опробования гидравлическими машинами и изучение источников возможных потерь полезного компонента применительно к таким полезным ископаемым, как золото, олово и алмазы, обладающим различной плотностью [5].

Известно, что при проведении поисковых работ на морские россыпи максимальные объемы достоверных проб требуются для оценки алмазоносности (до 50 м3) и золотоносности (0,5—5 м3) отложений. Большой объем материала, в котором полезный компонент зачастую распределен крайне неравномерно, естественно, не может быть проанализирован непосредственно. Поэтому при крупнообъемном опробовании исходную пробу предварительно обогащают с целью получения двух продуктов: небольшого по объему концентрата, в котором должна быть большая часть полезного компонента, и хвостов, в которых оставшийся полезный компонент распределен более или менее равномерно. Это позволяет резко сократить объем материала, направляемого на анализ, так как обедненный продукт может быть сокращен до малой навески и проанализирован высокочувствительным методом. В целях сокращения объема перевозок, что особенно важно для отдаленных районов с суровыми климатическими условиями, добычное и обогатительное обо- рудование следует объединять в единый комплекс. Примером

Т я б л и п а 42Т я б л и п а 42такого комплекса может служить установка «Помор-1», созданная в Ленинградском горном институте и опробованная в 1975—1977 гг. Описание установки и результаты испытаний будут изложены ниже.

Т я б л и п а 42

Т я б л и п а 42

На основе анализа погрешностей, вносимых средствами опробования, предлагается первоначальная методика их учета, заключающаяся в определении коэффициентов достоверности.

Коэффициент достоверности в идеальном случае равен 1, что свидетельствует о получении полностью достоверной информации. Значение коэффициента менее 1 говорит о необходимости введения тех или иных дополнительных мероприятий, направленных на повышение достоверности в определенном процессе технологической схемы опробования. В табл. 42 приведены источники получения систематических погрешностей опробования, проблемы, с которыми приходится сталкиваться в процессе опробования, а также пути решения этих проблем.

Зная коэффициент достоверности, можно определить объем технологически достоверной пробы Ут. д:

VT.a-Vr.>,

где Уг. д — объем геологически достоверной пробы [61]; к= п

=П kt — коэффициент достов ер ности. i

Кроме того, можно оценить достоверность пробы данного объема:

к^У^У^,

где У г — объем пробы отложений.

В конечном итоге такая методика позволит квалифицированно определять реальные параметры крупнообъемного опробования при проведении геологических работ на море с помощью средств гидромеханизации. Однако до ее полной отработки необходимо выполнить целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые следует максимально форсировать.

Работы по крупнообъемному опробованию при минимальном диаметре подводной выработки 300 мм в основном проводятся НПО «Севморгео» и Ленинградским горным институтом.

В 1975 г. сотрудниками ЛГИ и НПО «Севморгео» были проведены промышленные эксперименты по крупнообъемному опробованию рыхлых отложений шельфа с помощью опытного агрегата, спроектированного и изготовленного в ЛГИ. При его создании учитывались сравнительно короткий полевой сезон на арктическом побережье, а также частые штормы, при которых геологические работы с плавсредств осуществлять невозможно. Разработанный агрегат комплектный и имеет независимый источник питания. Отбор пробы и ее обогащение осуществляется на обогатительном блоке, находящемся непосредственно 206

Систематические погрешности при крупнообъемном опробовании морских месторождений алмазов, золота и других тяжелых минералов средствами гидромеханизации

3

'я

S

Продолжение табл. 42

хрупкость зерен алмаза

Алмаз может быть раздроблен в процессе добычи и обогащения пробы, что повлечет за собой снижение его стоимости и снижение вероятности улавливания ал- маза

Использование оборудования, в котором возможность разрушения зерна алмаза

Испытание добычного и обогатительного оборудования на материалах сходной хрупкости

, минимальна:

эжектора, а не

грунтового насоса либо грун-

тового насоса с эластичным рабочим колесом;

гидрогрохотов

с рабочей по-

верхностью из упругой износоустойчивой ре-

Источник получения систематической погр ешности

Проблема получения недостоверной информации

Подход к проблеме ликвидации систематической погрешности

Характер перспективных, работ для детальной оценки достоверности

ЗИНЫ

Технологические потери:

при обогащении со сливом дезинтеграции и промывки

В этом случае могут быть потеряны самые мелкие частицы

Внедрение операции контрольного обогащения слива промывки в гидроциклоне

Проведение технологических исследований обогатимости с последующим технико-экономическим расчетом глубины и обогащения пробы

14 Заказ № 160

при грохочении

Потери с галечным продуктом частиц минералов размером больше, чем крупность грохочения отложений

Установка самородоуло- вителя иадрешетного продукта грохочения

при первичной концентрации

при доводочных операциях

Потери концентрата могут быть подразделены на 2 этапа:

потери, связанные с низкой эффективностью данного способа концентрации;

потери мелких, неулавливаемых зерен

Потери, связанные с извлечением алмазов и золота из концентрата

Повышение эффективности работы обогатительного оборудования

Введение контрольных операций

Использование специальных методов обогащения с высокой эф- .фективностью извлечения (рентгенометрический, оптический, жировой и другие для алмаза; МГД и цианирование для золота)

Введение дополнительных контрольных специальных методов извлечения алмазовВведение дополнительных контрольных специальных методов извлечения алмазовПроблемы, связанные с возможностью попадания алмазов с особыми свойствами (например, известны алмазы, не светящиеся в рентгеновских лучах)

Введение дополнительных контрольных специальных методов извлечения алмазов

Введение дополнительных контрольных специальных методов извлечения алмазов

Слаб в отвалСлаб в отвалРис. 65. Агрегат для опробования морских россыпей.Рис. 65. Агрегат для опробования морских россыпей./ — всасывающий наконечник; 2 г- ручной рыхлитель; 3— всасывающий пульповод; 4 — рабочая камера погружного грунтового насоса; 5 — плавучее основание; 6— переходная муфта; 7 — приводной двигатель насоса; 8 — нагнетательный пульповод; 9 — промежуточный бункер; 10 — конический гидрогрохот; 11 — нагнетательный пульповод блока обогащения; 12 — короткоконусный гидроциклон; 13 — струйный шлюз; 14 — стойки; 15 — емкость для сбора концентрата; 16—песковый насос; 17— пульповод для сброса гальки./ — всасывающий наконечник; 2 г- ручной рыхлитель; 3— всасывающий пульповод; 4 — рабочая камера погружного грунтового насоса; 5 — плавучее основание; 6— переходная муфта; 7 — приводной двигатель насоса; 8 — нагнетательный пульповод; 9 — промежуточный бункер; 10 — конический гидрогрохот; 11 — нагнетательный пульповод блока обогащения; 12 — короткоконусный гидроциклон; 13 — струйный шлюз; 14 — стойки; 15 — емкость для сбора концентрата; 16—песковый насос; 17— пульповод для сброса гальки.Галькав отвалГалькав отвал

Слаб в отвал

Слаб в отвал

Рис. 65. Агрегат для опробования морских россыпей.

Рис. 65. Агрегат для опробования морских россыпей.

/ — всасывающий наконечник; 2 г- ручной рыхлитель; 3— всасывающий пульповод; 4 — рабочая камера погружного грунтового насоса; 5 — плавучее основание; 6— переходная муфта; 7 — приводной двигатель насоса; 8 — нагнетательный пульповод; 9 — промежуточный бункер; 10 — конический гидрогрохот; 11 — нагнетательный пульповод блока обогащения; 12 — короткоконусный гидроциклон; 13 — струйный шлюз; 14 — стойки; 15 — емкость для сбора концентрата; 16—песковый насос; 17— пульповод для сброса гальки.

/ — всасывающий наконечник; 2 г- ручной рыхлитель; 3— всасывающий пульповод; 4 — рабочая камера погружного грунтового насоса; 5 — плавучее основание; 6— переходная муфта; 7 — приводной двигатель насоса; 8 — нагнетательный пульповод; 9 — промежуточный бункер; 10 — конический гидрогрохот; 11 — нагнетательный пульповод блока обогащения; 12 — короткоконусный гидроциклон; 13 — струйный шлюз; 14 — стойки; 15 — емкость для сбора концентрата; 16—песковый насос; 17— пульповод для сброса гальки.

Галькав отвал

Галькав отвал

на плавсредствах, выше или ниже уровня водоема. Для круглогодичного (зимой — с ледяного покрова при погружении агрегата под лед в специальные отверстия) придонного отбора проб требуется создание специальных устройств.

ММ И длинойММ И длинойПринципиальная схема несамоходного плавучего агрегата для крупнообъемного опробования приведена на рис. 65. В его состав входят: забойный узел, включающий в себя грунтоза- борник, представленный системой гидроразмыва; всасывающий пульповод; погружной низконапорный грунтовый насос ПНГН и напорный пульповод. Система гидроразмыва состоит из двух бензиновых насосов типа «Дружба» (мощность 3 кВт, подача воды до 4 м3/ч), двух напорных водоводов (резиновые шланги с внутренним диаметром 24 мм и длиной 7 м) и патрубков, приваренных к всасывающему наконечнику. Насосы гидроразмыва крепятся на палубе плавучего основания агрегата. Всасывающими и напорными пульповодами служат армированные резиновые шланги с внутренним диаметром 72 соответственно 6,5 и 4,5 м.

ММ И длиной

ММ И длиной

основе блок-основе блок-Погружной низконапорный насос собран на исниве олок- импеллера однодюймового пескового насоса. Внутренний диаметр рабочей камеры насоса 205 мм, высота 90 мм. Значительные зазоры между камерой и колесом позволяют проходить через насос довольно крупному (до 50 мм) материалу. В каче-

основе блок-

основе блок-

стве приводного двигателя использован подвесной мотор типа «Москва-30/АЭ» мощностью 22 кВт и с максимальной частотой вращения маховика 5100 об/мин. Масса мотора составляет 48 кг. Конический гидрогрохот, предназначенный для отделения крупного материала (шлама), представляет собой устройство с неподвижным криволинейным решетом, которое имеет вид опрокинутого усеченного конуса, закрепленного в цилиндро-коническом корпусе. По существу, это модернизированный конический грохот, используемый при гидравлической добыче строительных материалов. Короткоконусный гидроциклон с внутренним диаметром 100 мм предназначен для обогащения пробы, поступающей непосредственно с забоя.

Испытания забойного узла проводились в устьях рек, где отложения представлены песчаным материалом без крупных галечниковых включений, но с высоким (15—20 %.) содержанием глины. Глубина вод в месте опробования составляла 3— 4 м. Пробы брались на глубине 0,7—1,2 м от уровня дна. Исследования велись методом отдельных воронок. Эксперименты показали, что при быстром внедрении грунтозаборника образовывалась выемка, по форме- весьма приближающаяся к цилиндру. После окончания отбора пробы и удаления грунтозаборника стенки выработки быстро оплывали. В процессе опробования песчаных участков установлено, что при диаметре воронки 0,5 м и мощности опробованного слоя 0,7—1,2 м на отбор пробы объемом 140—250 л' затрачивается 30—50 с. Содержание твердого компонента в пульпе в среднем было 30—35 %. Испытания грунтозаборного устройства показали, что при содержании твердого компонента более 30—35 % производительность устройства 3—5 л/с, или 10—18 м3/ч. Максимальные размеры частиц в мерных емкостях составляли 30—40 мм.

2П2ПВ процессе исследований через конический гидрогрохот была пропущена проба объемом 1,2 м3 для подтверждения принципиальной возможности использования такого типа оборудования при опробовании. В результате полностью была выделена галька крупностью свыше 5 мм. Однако в ней отмечено сравнительно высокое (до 7—8 %) содержание песка, что, вероятно, связано с применением упрощенной схемы обезвоживания. Производительность грохота по исходной пульпе достигала 4,5 м3/ч. На этой же стадии был опробован короткоконусный гидроциклон. При испытаниях его располагали на палубе плота-катамарана и ниже уровня воды на длинных тягах, которые крепились к плоту. Крупность песков в месте испытаний грунтозаборника и гидроциклона изменялась от 0,7 до 0,2 мм. Содержание минералов тяжелой фракции составляло около 20 г/л. Сравнительное обогащение производилось на ручном лотке. Выполнялись три перечистки хвостов. При обогащении с помощью гидроциклона установлено, что за одну стадию обогащения можно получить концентрат с содержанием тяже-

2П

2П

14*

лой фракции до 200—250 г/л; это в 10—12 раз выше исходной концентрации тяжелой фракции в анализируемых песках. Однако извлечение тяжелой фракции в пески (концентрат) не превышало 30—40 %, хотя степень сокращения исходного продукта при этом составляла 20 %.

Результаты испытаний гидроциклона под водой примерно те же, что и над водой. При работе гидроциклона под водой обогащено около 8 м3 песков и выделено 180 л обогащенного продукта, содержание тяжелой фракции в котором равно 250 г/л (против 20 г/л в исходном материале). Извлечение тяжелой фракции в пески также достигало 30—40 %. Проведенные работы позволили сделать ряд выводов. Грунтозаборный узел, основной частью которого является ПНГН с гибким всасывающим и напорным шлангами, является достаточно надежным и эффективным средством для отбора крупнообъемных проб отложений шельфа, представленных песками и песками с галечником. Для работы в галечниковых песках наиболее целесообразно применять гидроэлеваторы.

Очевидно, что в условиях морских волнений, туманов, дрейфа плавсредств, короткого летнего периода полевых работ на арктическом шельфе необходимы механизмы, осуществляющие оперативное взятие крупнообъемной пробы за минимально короткое время работы на одной точке стояния. Такое требование обусловливается также и тем, что стоимость эксплуатации судна в затратах на каждую пробу составляет 80—90 %. В значительной мере таким требованиям удовлетворяют малогабаритные грунтовые насосы, эрлифты и гидроэлеваторы. Одним из подобных механизмов является гидроэлеватор ГЭ-1, созданный в ЛГИ по заданию НПО «Севморгео» и испытанный совместно с сотрудниками НПО на шельфовых россыпях Арктики в полевой сезон 1976 г.

Основным требованием при конструировании гидроэлеватора являлось обеспечение его портативности, автономности питания, возможности использования при эксплуатации с любых плавсредств, начиная с обычной весельной лодки и кончая крупнотоннажными судами. На перспективу необходимо было также обеспечить возможность работы гидроэлеватора в зимний период при его эксплуатации со льда. В связи с этим конструктивно гидроэлеваторная установка состояла из следующих узлов: 1) гидроэлеватора, 2) мотопомпы, 3) водоводов и пульповодов.

Гидроэлеватор ГЭ-1 (рис. 66) в конструктивном отношении представляет собой кольцевой гидроэлеватор с опрокинутой полой струей, в котором инжектируемый поток (пульпа) поступает по оси гидроэлеватора, а рабочий поток (напорная вода)—по кольцу, образованному внешней рубашкой гидроэлеватора и внутренней частью кольцевой насадки.

Рис. 67. Конический гидрог.рохот КГГ-2.Рис. 67. Конический гидрог.рохот КГГ-2.1 — входной патрубок с шибером; 2— колосники; 3— опорное гнездо для колосников; 4 — косынки крепления опорного гнезда; 5 — пульповыводящий патрубок; 6 — стойки-опоры; 7— выводной патрубок для крупных включений; 8 — ручки для переноса.1 — входной патрубок с шибером; 2— колосники; 3— опорное гнездо для колосников; 4 — косынки крепления опорного гнезда; 5 — пульповыводящий патрубок; 6 — стойки-опоры; 7— выводной патрубок для крупных включений; 8 — ручки для переноса.

Рис. 67. Конический гидрог.рохот КГГ-2.

Рис. 67. Конический гидрог.рохот КГГ-2.

1 — входной патрубок с шибером; 2— колосники; 3— опорное гнездо для колосников; 4 — косынки крепления опорного гнезда; 5 — пульповыводящий патрубок; 6 — стойки-опоры; 7— выводной патрубок для крупных включений; 8 — ручки для переноса.

1 — входной патрубок с шибером; 2— колосники; 3— опорное гнездо для колосников; 4 — косынки крепления опорного гнезда; 5 — пульповыводящий патрубок; 6 — стойки-опоры; 7— выводной патрубок для крупных включений; 8 — ручки для переноса.

Для работы на уплотненных осадках гидроэлеватор оснащен легко монтируемой и демонтируемой системой гидроразмыва, питаемой непосредственно от гидроэлеватора, что исключает необходимость использования дополнительных напорных водоводов или насоса. К системе гидроразмыва относятся два независимых друг от друга приспособления. Первое состоит из каркаса, представляющего собой ребра жесткости с вмонтированными в них четырьмя водоподводящими трубками диаметром 10 мм, каждая из которых в нижней части имеет разветвление (одно по контуру, другое к центру), благодаря чему размыв осуществляется как на оси выемки, т. е. в центре забоя, так и по периферии, улучшая, таким образом, рыхление уплотненных грунтов.

Вторым повышающим эффективность грунтозабора приспособлением являются цилиндрические насадки направленной фильтрации диаметром 140, 160, 180 мм. Улучшение размыва грунта в этом случае происходит за счет направленного потока

без отвода от напорной сети. При общей длине гидроэлеватора 0,8 м масса его1 составляет 18 кг. Для питания гидроэлеватора напорной водой была использована переносная мотопомпа марки МП-600. Она состоит из двухтактного двигателя и центробежного насоса, смонтированных на общей раме.

Техническая характеристика мотопомпы МП-600

Тип насоса Производительность, л/минНаибольшая высота всасывания, мДвигатель (тип) . . .Мощность, кВт . . . .ОхлаждениеЕмкость топливного бака, л Расход топлива, л/ч . .Длина, ммШирина, мм Высота, ммМасса, кгТип насоса Производительность, л/минНаибольшая высота всасывания, мДвигатель (тип) . . .Мощность, кВт . . . .ОхлаждениеЕмкость топливного бака, л Расход топлива, л/ч . .Длина, ммШирина, мм Высота, ммМасса, кгЦентробежный, одноступенчатый, консольный6006Двухтактный, карбюраторный9,5Водяное, принудительное от насоса8,56,883065060058Центробежный, одноступенчатый, консольный6006Двухтактный, карбюраторный9,5Водяное, принудительное от насоса8,56,883065060058

Тип насоса

Производительность, л/мин

Наибольшая высота всасывания, м

Двигатель (тип) . . .

Мощность, кВт . . . .

Охлаждение

Емкость топливного бака, л

Расход топлива, л/ч . .

Длина, мм

Ширина, мм

Высота, мм

Масса, кг

Тип насоса

Производительность, л/мин

Наибольшая высота всасывания, м

Двигатель (тип) . . .

Мощность, кВт . . . .

Охлаждение

Емкость топливного бака, л

Расход топлива, л/ч . .

Длина, мм

Ширина, мм

Высота, мм

Масса, кг

Центробежный, одноступенчатый, консольный

600

6

Двухтактный, карбюраторный

9,5

Водяное, принудительное от насоса

8,5

6,8

830

650

600

58

Центробежный, одноступенчатый, консольный

600

6

Двухтактный, карбюраторный

9,5

Водяное, принудительное от насоса

8,5

6,8

830

650

600

58

Мотопомпа МП-600 являетсяМотопомпа МП-600 является

Мотопомпа МП-600 является

Мотопомпа МП-600 является

достаточно производительным и устойчиво работающим агрегатом и выпускается серийно. Подача воды для питания гидроэлеваторной установки осуществляется при использовании шлангов, придаваемых к мотопомпе МП-600. Для забора воды из водоема применяются гофрированные резино-кордовые шланги диаметром 75 мм и длиной 4 м. Между собой отдельные отрезки шлангов соединяются при помощи замков Богданова. Такого же диаметра шланги идут от мотопомпы к гидроэлеватору и от гидроэлеватора к коническому гидрогрохоту.

Конический гидрогрохот КГГ-2 (рис. 67) является модификацией гидрогрохотов для разделения песчано-гравийных смесей. В конструкции ЛГИ изменения касались уменьшения габаритных размеров, некоторого упрощения гидрогрохота и стыковки его с приемной камерой, гидроэлеватором и песковым насосом. Основным изменением второй конструкции (против конструкции 1975 г.), или ее дополнением, явилось устройство приемной части, куда поступает песчаный материал пробы после ее грохочения для последующей подачи в обогатительный узел — короткоконусный гидроциклон.

Первоначальное опробование гидроэлеватора производилось на побережье Финского залива на разнозёрнистых слабоуплотненных песках приливно-отливной зоны. Целью испытаний было определение основных технических характеристик гидроэлеватора с последующей их проверкой в условиях шельфа арктических морей.

В сезон 1976 г. на шельфе Баренцева моря гидроэлеватор- ная установка испытывалась на двух участках при расположении ее на борту самоходной баржи. Первый участок, на котором были проведены испытания, находился в устье реки Черная. Глубина вод в месте опробования составляла 1—3 м, заглубление гидроэлеватора в грунт до 1 м. Были опробованы песчано-галечные осадки с крупностью обломочного материала от 0,1 до 40 мм. Разрежение в гидроэлеваторе при давлении в камере центробежного насоса 405 кПа (4 атм) и максимальной производительности 600 л/мин составило 87 кПа (0,86 атм). Производительность гидроэлеватора при указанных условиях взятия крупнообъемной пробы 79 м3/ч при содержании твердого 30 % (23,7 м3/ч). Свободно извлекались отдельные куски породы размером до 40 мм.

На втором участке испытания проводились в условиях моря в 700 м от берега в прилив и в крупную зыбь при глубинах вод от 8 до 11 м. Были опробованы морские отложения с крупностью материала от 0,05 до-20 мм. Разрежение в гидроэлеваторе 91 кПа (0,9 атм), производительность 93 м3/ч при содержании твердого 30 % (31 м3/ч).

За период испытаний было принято около 10 т песчаногалечных отложений. Испытания показали перспективность использования гидроэлеваторов и их устойчивую работу. Достаточно работоспособным оказался также и конический гидрогрохот, пульпа в который подавалась непосредственно гидроэлеватором.

Перерабатываемые отложения представляли собой хорошо отмытый песок с содержанием гальки и щебня до 15—20 %, что явно указывает на необходимость грохочения материала шельфовых отложений. При испытаниях было установлено, что производительность конического гидрогрохота 26 м3/ч при установленном зазоре между колосниками 9—10 мм. При этом крупность подрешетного продукта 98 % класса 3,0 мм. Попадание гравия крупнее 3,0 мм в подрешетный продукт было довольно ограниченно и случалось весьма редко при перегрузках аппарата. Содержание мелкозернистых продуктивных классов в надрешетном продукте в среднем не превышает 5—8%, что следует учитывать при составлении баланса переработанных отложений. При необходимости содержание мелких классов может быть значительно снижено за счет дополнительного орошения поверхности гидрогрохота с использованием водяного насоса. Всего за период испытаний было переработано 10 т песчано-галечных отложений, причем колосники практически не износились.

В целом результаты работ 1976 г. показали перспективность выбранного направления в механизации крупнообъемного опробования, работоспособность гидроэлеваторной установки.

215

Гидрофизические методы разработки россыпей шельфа

Техника и технология

Подавляющее большинство существующих методов добычи полезных ископаемых дна акватории предусматривает непрерывное использование как минимум одного судна (или другого типа плавсредств), на котором монтируется все добычное, а зачастую и обогатительное оборудование. Причем практически полная зависимость большинства применяемых методов от погодных условий — это, на наш взгляд, один из самых серьезных недостатков, который мешает эффективно использовать плавсредства и успешно осуществлять подводные горные работы. Но и при отсутствии штормовых условий (а при шторме горные работы абсолютно невозможны) даже при сравнительно небольших волнениях водной поверхности весьма затруднительным или дорогостоящим является осуществление постоянного контакта рабочего органа с подводным забоем, а также преодоление определенных подвижек или дрейфа судна; это ведет к ухудшению разработки подводного месторождения, неполной выемке полезного ископаемого.

Трудности применения существующих методов связаны и с невозможностью достаточно успешного наблюдения за ходом горных работ под водой. Удачное использование телевизионных камер, которое предполагается в ряде проектов, вызывает некоторые сомнения ввиду практически неизбежной потери прозрачности воды при производстве горных работ и вследствие волноприбойной деятельности.

Наличие самой толщи воды, являющейся неизвлекаемой вскрышей, также становится отрицательным фактором горногеологических условий. Помимо коррозионного воздействия на металлические части машин и механизмов возникает необходимость значительных затрат энергии при проведении спускоподъемных операций и ограничение скорости их выполнения ввиду сопротивления воды ускоренному подъему или спуску.

Существующие методы подводной разработки предусматривают в основном два варианта размещения хвостов: сброс в океан после обогащения и складирование на прибрежной площади при обогащении на берегу. Известны проекты, по которым хвосты должны размещаться во внутренних отвалах подводных карьеров. Однако во всех этих случаях в значительной степени засоряется либо вода, либо берег, либо дно акватории (потенциально возможная кровля месторождения, еще не обнаруженного разведочными работами). Весьма невыгодной с экономической точки зрения является также необходимость транспортировать на судно или берег весь объем добываемой горной массы с последующим обогащением полезного ископаемого.

Таким образом, большинству существующих методов подводной разработки присущи три недостатка: 1) зависимость от погодных условий и, как следствие, от плавсредств, 2) необходимость извлеченш^ из подводного месторождения всего объема горной массы — и полезного ископаемого и пустой породы, 3) загрязнение окружающей среды — воды, дна водоемов и суши.

С учетом изложенного требования, предъявляемые ко вновь разрабатываемым методам, сводятся к следующему. Необходимо создать такие способы ведения горных работ при добыче рыхлых полезных ископаемых дна акватории, которые позволили бы:

свести к минимуму зависимость от плавсредств, чего можно достичь, если будет производиться придонная разработка, причем снабжение специальных придонных агрегатов энергией и управление их работой должно осуществляться с берега или платформ с опорами, устанавливаемыми на дне (и в дальнейшем с полупогружных платформ);

исключить транспортирование всего объема горной массы на плавсредства или на берег с последующим обогащением на судовых или береговых установках;

исключить засорение морской воды и дна акватории при обогащении на судне и засорение берега при обогащении на береговых обогатительных установках;

обеспечить экономичное и высокопроизводительное ведение производственного процесса при валовой выемке горной массы в любых климатических условиях, в том числе и при выемке горной массы из-подо льда.

В соответствии с физической сущностью процессов разработки рыхлых горных пород дна акватории и обогащения полезного ископаемого разрабатываемые методы носят название гидрофизических.

В Японии разработан и успешно испытан в условиях моря метод добычи железосодержащих песков при помощи устройства для^бесир^рывного сепарирования песков у всасывающего патрубка земснаряда [35]. Принципиальная схема и основные узлы такого земснаряда показаны на рис. 68. Наибольший интерес представляют конструкция и принцип работы сепаратора (рис. 69).

Сепаратор состоит из барабана, который вращается вокруг магнитной системы, набранной из постоянных магнитов. Магнитная система не вращается и все время находится в положении, показанном на рис. 69. Вода, подаваемая насосом, поступает к насадке рыхлителя 6 и размывает поверхность россыпи. Песок и Магнитные частички при этом оказываются во взвешенном состоянии и магнитами притягиваются к поверхности барабана. Вращаясь, барабан переносит налипшие частички полезного ископаемого из магнитной в немагнитную зону, где притяжение исчезает и происходит их засасывание через вса-

Рис. 68. Земснаряд для добычи железосодержащих песков с беспрерывным сепарированием у всасывающего патрубка (по М. Л. Кронгаузу [35]).Рис. 68. Земснаряд для добычи железосодержащих песков с беспрерывным сепарированием у всасывающего патрубка (по М. Л. Кронгаузу [35]).Рис. 69. Магнитный сепаратор (по М. Л. Кронгаузу [35]).Рис. 69. Магнитный сепаратор (по М. Л. Кронгаузу [35]).1 — неподвижные магниты; 2 — наконечник* всасывающего патрубка; 3— немагнитная зона; 4— вращающийся барабан; 5 — трубопровод высокого давления; 6 —наконечник гидрорыхлнтеля; 7 — магнитная зона.1 — неподвижные магниты; 2 — наконечник* всасывающего патрубка; 3— немагнитная зона; 4— вращающийся барабан; 5 — трубопровод высокого давления; 6 —наконечник гидрорыхлнтеля; 7 — магнитная зона.

Рис. 68. Земснаряд для добычи железосодержащих песков с беспрерывным сепарированием у всасывающего патрубка (по М. Л. Кронгаузу [35]).

Рис. 68. Земснаряд для добычи железосодержащих песков с беспрерывным сепарированием у всасывающего патрубка (по М. Л. Кронгаузу [35]).

Рис. 69. Магнитный сепаратор (по М. Л. Кронгаузу [35]).

Рис. 69. Магнитный сепаратор (по М. Л. Кронгаузу [35]).

1 — неподвижные магниты; 2 — наконечник* всасывающего патрубка; 3— немагнитная зона; 4— вращающийся барабан; 5 — трубопровод высокого давления; 6 —наконечник гидрорыхлнтеля; 7 — магнитная зона.

1 — неподвижные магниты; 2 — наконечник* всасывающего патрубка; 3— немагнитная зона; 4— вращающийся барабан; 5 — трубопровод высокого давления; 6 —наконечник гидрорыхлнтеля; 7 — магнитная зона.

— судно; 2 — грунтовой насос; 3 — бункер;

— гидронасос; 5 — всасывающий пульповод; 6 — трос; 7 — трубопровод высокого давления; 8 — наконечник всасывающего патрубка; 9 — магнитный барабан; 10 — наконечник гидрорыхлителя.

сывающий патрубок 2 с дальнейшим транспортированием до уровня водоема и перегрузкой в приемный бункер.

Внутри барабана установлен двигатель постоянного тока, который допускает изменение частоты его вращения, т. е. регулирование режима ведения горных работ. Скорость движения воды в трубопроводе регулируется путем изменения расстояния между всасывающим патрубком и поверхностью барабана 4. Изменение расстояния от насадки гидравлического рыхлителя до забоя также позволяет добиваться нужной производительности рыхления россбши.

С учетом физико-механических свойств грунта эффективность работы сепаратора является функцией напряженности магнитного поля, частоты вращения барабана и напора на размыве.

Экспериментальная добыча проводилась на подводном месторождении титаномагнетитовых песков, залегающих на глубине вод 15 м. Содержание титаномагнетита составляло 5 %. Техническая характеристика сепаратора, использовавшегося при экспериментальной добыче, была следующей: диаметр барабана 600 мм; напряженность магнитного поля на поверхности барабана 28 А/м (350 э); мощность электродвигателя привода 218

барабана 0,37 кВт (0,5 л. с.'); скорость движения барабана 1,5—3 м/с; давление струи на выходе гидравлического рыхлителя 392 кПа (4 кгс/см2); производительность сепаратора по исходным пескам 10 т/ч.

При этой технической характеристике было достигнуто 100 %-ное извлечение магнитной фракции. Описанная установка является пока единственной действующей.

В США разработано устройство для добычи материалов,, поддающихся намагничиванию, в частности пелагитов (глубоководных марганцевых конкреций), из глубоководных областей (рис. .70). По принципу действия устройство аналогично описанному выше, но без гидрорыхления, поскольку при добыче марганцевых конкреций надобность в нем отпадает.

Устройство представляет собой барабан 6, изготовленный из антимагнитного материала, который установлен" в цапфах таким образом, что может вращаться над морским дном, покрытым марганцевыми конкрециями 9. Внутри барабана находится магнит 1, который создает магнитное поле, намагничивающее пелагиты. Конкреции притягиваются к поверхности барабана и располагаются между зубцами 5. При вращении барабана (направление показано стрелкой) они поднимаются до- всасывающего пульповода, выходя из магнитной зоны, и далее поступают на поверхность. Все устройство передвигается в направлении, показанном горизонтальной стрелкой.

В Гипроруде группой инженеров под руководством Г. П. Давидянца выполнено несколько схем по придонной разработке и обогащению магнитной фракции подводных россыпей. На рис. 71, а показана принципиальная схема скреперной установки, которую авторы рекомендуют для разработки как подводных, так и наземных россыпей. Рабочим органом установки служит скреперный ковш (рис. 71, б). Внешне скреперная установка имеет вид волокуши с усовершенствованным ковшом 7, который состоит из боковых стенок 15, предназначенных для осуществления жесткой связи, и ряда плужков 14, размещенных наклонно между стенками. Плужки в разрезе имеют Т-образную форму и расположены так, как показано на рисунке. На внутренней поверхности плужков находятся электромагниты. Для подвода электроэнергии служит гибкий кабель 13, который закреплен вдоль тягового троса 7. Скреперная лебедка 10 и опоры блоков смонтированы на ближайшем от воды участке берега, который находится вне пределов зоны затопления в период штормов и приливов. Концевой блочок 2 крепится якорями 3. Чтобы осуществлялась регулировка глубины посадки блочка, его соединяют с понтоном 5. Это устраняет замыв блочка и тросов грунтом и преждевременное их изнашивание.

Предполагается, что при работе ковш врезается в толщу россыпи. Горная масса пересыпается через плужки и попадает

Рис. 70. Устройство для добычи Д марганцевых конкреций (пела- гитов).

У — магнит; 2 —ось; 3 — всасываю- ; щий пульповод; 4 — неподвижный < барабан; 5 — зубцы; 6 — вращающийся барабан; 7 —тяга; 8 —валуи;

9 — марганцевые конкреции; 10 — подшипник.

Рис. 71. Скреперная установка (а) и скреперный ковш (б) (по Г. П. Давидянцу).

1 — ковш; 2 — концевой блочок; 3 —якорь; 4 — буй; 5 — понтон; 6 — трос; 7— тяговый трос; 8—бункер; 9— мачта; 10 — лебедка; 11— берег водоема; 12— магниты; 13 — электрокабель; 14 — плужки; 15 — боковые стенки.

б

Рис. 72. Вибрационное устройство для добычи полезных ископаемых, содержащих магнитную фракцию (по Г. П. Давидянцу).

а —вибрационное устройство; б — виброцилиидр.

1— судно; 2 — грузоподъемная стрела; 3— несущий трос; 4— электрокабель; 5 — распределитель; 6— вибратор; 7 —рама; 8 — шток виброцилиндра; 9— полый цнлиидр; 10—направляющие; // — отверстие для выпуска воздуха; 12 — привод; 13 — электромагниты; 14 — тяги; 15 — шарнирные клапаны; 16— стенка цилиндра; /7 — шарниры; 18 — крышка.

в зону действия включенных электромагнитов. Полезное ископаемое, обладающее определенными магнитными свойствами, притягивается к поверхности плужков, а пустая порода беспрепятственно просыпается сквозь ковш. При прохождении ковша над опорами, установленными на берегу, электромагниты отключаются и полезный компонент высыпается в бункер 8. Для предотвращения чрезмерного зарывания ковша и регулирования снимаемого им слоя служат регулировочные лыжи. Авторы рекомендуют применять описанную установку при разработке подводных месторождений, расположенных в пределах 300— 400 м от берега.

На рис. 72 показана принципиальная схема вибрационного устройства для добычи полезных ископаемых, обладающих

магнитной восприимчивостью. Устройство состоит из полых цилиндров 9, имеющих штоки 8, с установленными на цилиндрах вибраторами 5. Штоки проходят сквозь направляющие 10 в раме 7, что позволяет цилиндрам передвигаться вверх и вниз в зависимости от рельефа дна. Все устройство крепится на тросе к стреле 2 добычного судна 1.

Выполненный в виде желонки полый цилиндр 9 внутри имеет шарнирно закрепленные клапаны 15, которые соединены между собой вертикальными тягами 14. Два верхних клапана (по одному с правой и левой стороны) через рычаги шарнирно соединены с приводом 12 так, что в опущенном состоянии все клапаны оказываются заподлицо с внутренней поверхностью цилиндра. Для выпуска воздуха в момент погружения цилиндра в воду служит отверстие 11. Внутри подвижных клапанов 15 находятся плоские электромагниты 13.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В момент достижения рамой 7 поверхности дна автоматически включаются вибраторы 6. Это позволяет рабочим органам 9 (цилиндрам) погружаться на заданную глубину. После достаточного заглубления начинается подъем рамы и рабочих органов с одновременным включением электромагнитов. При подъеме грунт пересыпается с вышележащих клапанов на нижележащие, а полезное ископаемое удерживается магнитами на поверхности клапанов. Пустая порода остается в теле россыпи, а концентрат поступает на борт судна.

Основным недостатком всех описанных конструкций является невозможность разработки и обогащения подводных россыпей значительной мощности. Рассмотренные устройства могут снимать только тонкий слой грунта. При этом пустая порода либо укладывается на поверхность россыпи, разубоживая ее, либо удаляется за пределы месторождения, что снижает эффективность разработки.

Физическая сущность и технологические особенности гидрофизических методов, разрабатываемых в ЛГИ (табл. 43), заключается в изолировании определенного объема россыпи по всей ее мощности путем гидравлического и механического (при необходимости) внедрения корпуса устройства от кровли россыпи до плотика или подошвы с последующими (или параллельно протекающими) процессами обогащения, производящимися непосредственно в самом устройстве.

Гидрофизические методы придонной разработки и придонного обогащения предполагают использование специальных агрегатов, которые состоят из двух основных блоков: несущего корпуса с открытым дном и расположенного выше него блока обогащения. Несущий корпус внедряется в россыпь и ограничивает определенный объем ее. Затем с началом работы выемочных установок металлоносные пески перемещаются в блок обогащения, где производится извлечение полезного компо-

Классификация гидрофизических методов разработки рыхлых горных пород дна акватории по горнообогатительному циклу-[16]

Группа

Метод

Область применения

Гидродинамиче- . ская

Гидравлический с обогащением выше уровня воды

Гидровоздушный с обогащением выше уровня воды

Валовая выемка горной массы (строительных материалов, металлоносных илов, океанических глин, диатомитовых и сапропелевых илов и т. п.)

То же

Гидрограви- тациоиная

Гидравлический с обогащением в тяжелой жидкости

Гидравлический с гравитационным обогащением

Придонная выемка янтаря, конкреций

Придонная выемка золота, платины, серебра, касситерита, ильменита, магнетита и т. и.

. Гидромагиитная

Гидравлический с магнитным обогащением

Придонная выемка магнетита

цента, а пустая порода ссыпается в выработанное пространство. После этого вся установка извлекается с отработанного места и перемещается в новое положение.

Корпус агрегатов для придонной разработки и придонного обогащения, их основные несущие конструкции являются типовыми, унифицированными. Разница между агрегатами должна заключаться только в блоках обогащения, которые имеют определенные отличия друг от друга в связи с различным удельным, весом полезного ископаемого и вмещающих пород. Технология отработки подводных месторождений является однотипной. Ее принципиальная схема показана на рис. 73.

Очевидно, что в этом случае полнота отработки месторождения (как по мощности, так и по площади) обеспечивается предлагаемой технологией и конструкциями установок. Управление их работой осуществляется с берега при незначительном удалении месторождения от береговой линии или с платформы, установленной на опорах на дне (либо полупогружной). Вышеизложенное показывает, что здесь плавсредства выполняют лишь вспомогательную роль и используются при подвозке материалов, переустановке придонных агрегатов в новое положение и т. п.

Рис. 73. Схема технологии отработки подводных россыпей гидрофизическим методом.

1 — россыпь; 2— установка; 3— платформа; 4— почва россыпи..

На первой стадии работ областью применения гидрофизических методов являются непогребенные россыпи месторождений шельфа независимо от глубины их залегания. Ограничениями на этой стадии служат мощность вскрышных пород и мощность россыпи. Поскольку в нашем случае в процесс обогащения будет вовлекаться не только материал россыпи, но и-пустые покрывающие породы, которые также ограничиваются корпусом устройства, необходим расчет возможного разубоживания россыпи. Это сравнительно нетрудно сделать, имея контрольные цифры по минимально допустимому содержанию в россыпи полезного компонента, подлежащего извлечению. Мощность россыпи, по нашим предварительным расчетам, на первой стадии будет ограничиваться 5 м. Причем это значение определяется, во-первых, общей высотой установок, которая находится в прямой зависимости от мощности россыпи, подлежащей разработке, и, во-вторых, условием безаварийного извлечения установки из тела россыпи по окончании технологического цикла разработки — обогащения на одном месте стояния.

Мы предполагаем, что в дальнейшем по мере совершенствования гидрофизических методов оба ограничения будут становиться менее жесткими. Во всяком случае влияние первого из них может быть уже сейчас несколько уменьшено за счет конструктивного совершенствования установок и создания специальной емкости для промежуточного складирования покрывающих пустых пород.

Гидродинамические методы служат для валовой выемки горной массы со дна водоемов при комплексном использовании добываемых горных пород. Они применяются также при производстве подводных строительных работ, дноуглублении и т. п. Сравнительная простота установок (несложность изготовления, обслуживания, малая масса, отсутствие дефицитных дорогостоящих материалов и т. п.), при использовании которых реа- 224

лизуются основные принципы гидродинамических методов, привела к тому, что наши основные конструкции смогли быть применены не только для подводной разработки рыхлых горных пород при весьма высокой (до 50 % твердого компонента) консистенции пульпы, но и для транспортирования высококонсистентных смесей. В этом отношении сотрудничество ЛГИ с Гип- рорудой, Механобром, Управлением подводно-технических работ, Оленегорским ГОК и другими организациями привело к ощутимым результатам.

Помимо установок и агрегатов для разработки рыхлых отложений дна акватории на основе гидродинамических методов возможно создание специальных устройств для валового взятия проб рыхлых отложений дна морей и океанов, включая и глубоководное дно.

С учетом того что гидродинамические установки (погружные низконапорные грунтовые насосы — ПНГН) имеют небольшую массу, они могут монтироваться на рамной базе санного типа и перемещаться по поверхности льда. Добычные работы при этом будут проводиться через предварительно прорезанные отверстия или щели. Это обстоятельство весьма ценно, так как обеспечивается возможность ведения подводных горных работ в условиях Крайнего Севера, где акватория в течение длительного времени покрыта льдом. Естественно, в данном случае необходимы серьезные технологические исследования по всему комплексу вопросов ведения горных работ в зимних условиях, однако эта весьма сложная задача облегчается вследствие наличия основного агрегата, обеспечивающего разработку и выдачу на поверхность полезного ископаемого,— погружного низконапорного грунтового насоса типа ЛГИ-М.

Как будет показано далее, коротко рассмотренные нами гидрофизические методы разработки рыхлых полезных ископаемых дна акватории вполне удовлетворяют тем требованиям, которые были сформулированы в этом разделе.

ДОБЫЧНЫЕ АГРЕГАТЫ

Устройство для подводной разработки янтаря (ги др огр ав и тационн ы й метод). Принципиальная схема показана на рис. 74. Агрегат представляет собой несущий цилиндр 12 (или тело-прямоугольного сечения) с коаксиально расположенным цилиндром И, который перфорирован отверстиями 9. Между собой цилиндры связаны креплениями 10. Цилиндры не имеют дна, и в нижней части место их соединения представляет собой режущую кромку. Вверху корпус устройства заканчивается усеченным конусом 2 со сборочным цилиндром 5, перфорированным по боковой поверхности (размеры отверстий меньше кондиционного размера частиц полезного ископаемого). В крышке 3 цилиндра имеется отвер-

Рис. 74. Устройство для подводной разработки и обогащения янтаря.Рис. 74. Устройство для подводной разработки и обогащения янтаря.7 —патрубки; 2— коническая крышка; 3— крышка; 4 — несущий стержень; 5 — сборочный цилиндр; 6 — запирающий край; 7— отверстие патрубка; 8 — закрывающее приспособление; 9— отверстия; 10 — крепления цилиндров; 11 — коаксиально расположенный цилиндр; 12 — несущий цилиндр.7 —патрубки; 2— коническая крышка; 3— крышка; 4 — несущий стержень; 5 — сборочный цилиндр; 6 — запирающий край; 7— отверстие патрубка; 8 — закрывающее приспособление; 9— отверстия; 10 — крепления цилиндров; 11 — коаксиально расположенный цилиндр; 12 — несущий цилиндр.Рис. 75. Устройство для разработки россыпей шельфа, содержащих магнитную фракцию.Рис. 75. Устройство для разработки россыпей шельфа, содержащих магнитную фракцию.— рабочая крыльчатка; 2 — внутренний барабан; 3— гофрированный кольцевой профиль; 4 — постоянный магнит; 5 — приемный бункер; 6 — створки; 7 — корпус устройства; 8 — телескопическая всасывающая труба; 9 — пригрузочное приспособление.

Рис. 74. Устройство для подводной разработки и обогащения янтаря.

Рис. 74. Устройство для подводной разработки и обогащения янтаря.

7 —патрубки; 2— коническая крышка; 3— крышка; 4 — несущий стержень; 5 — сборочный цилиндр; 6 — запирающий край; 7— отверстие патрубка; 8 — закрывающее приспособление; 9— отверстия; 10 — крепления цилиндров; 11 — коаксиально расположенный цилиндр; 12 — несущий цилиндр.

7 —патрубки; 2— коническая крышка; 3— крышка; 4 — несущий стержень; 5 — сборочный цилиндр; 6 — запирающий край; 7— отверстие патрубка; 8 — закрывающее приспособление; 9— отверстия; 10 — крепления цилиндров; 11 — коаксиально расположенный цилиндр; 12 — несущий цилиндр.

Рис. 75. Устройство для разработки россыпей шельфа, содержащих магнитную фракцию.

Рис. 75. Устройство для разработки россыпей шельфа, содержащих магнитную фракцию.

стие, через которое проходит стержень закрывающего цилиндр приспособления 8. В боковой поверхности конуса находится отверстие 7 с запирающим краном 6. Патрубки 1 служат для подвода рабочей жидкости. Они позволяют нагнетать забортную воду для размыва, а затем и тяжелую жидкость (рассол) для обогащения в межцилиндровое пространство.

Конструкция работает следующим образом. Устройство опускается под воду до соприкосновения его с кровлей полезного ископаемого. В этот момент по патрубкам / под напором осуществляется подача воды, которая истекает из отверстий 9 цилиндра 11 и размывает породу, содержащую полезное ископаемое. Вследствие этого устройство опускается и внедряется на полную мощность пласта до касания его почвы. Размыв

происходит до того момента, пока не будет достигнута полная дезинтеграция компонентов пласта, ограниченного стенками корпуса устройства. Затем подача забортной воды прекращается и одновременно начинается подача тяжелой жидкости. Если полезное ископаемое представлено янтарем, то в качестве тяжелой жидкости с успехом может быть использован водный раствор соли с концентрацией, которая соответствует плотности несколько более 1,1 г/см3, поскольку плотность янтаря составляет 1,05—1,10 г/см3. Очевидно, что расход солц для создания тяжелой жидкости (плотность морской воды в прибрежных районах можно без особых допущений принять равной 1,0, так как соленость ее составляет всего 5—7%о) в нашем случае будет минимальным.

В процессе дальнейшего размыва образованной пульпы тяжелой жидкостью горная масса обогащается и янтарь всплывает (плотность вмещающей породы — глауконита — 2,5— 2,7 г/см3) на поверхность, постепенно скапливаясь в перфорированном сборочном цилиндре 5 (когда начинается подача рассола, патрубок 7 перекрывается краном 6). Момент выхода рассола из сборочного цилиндра (он контролируется датчиками, установленными на его внешней поверхности) означает завершение процесса обогащения. В этот момент все полезное ископаемое, заключенное в объеме, ограниченном устройством, всплыло и оказалось в сборочном цилиндре 5. Затем, спустя определенное время после контрольного периода, подача рассола прекращается, производится вертикальный подъем несущего стержня 4 с запирающим устройством 8, которое снизу перекрывает сборочный цилиндр 5, а затем все устройство с полезным ископаемым поднимается на поверхность выше уровня воды.

При этом пустая порода остается в теле россыпи, не засоряя ни воды, ни других участков россыпи. Полностью отпадает нужда в транспортировании всего объема горной массы либо на плавсредства, либо на берег. Управление устройством может осуществляться в автоматическом режиме или с платформы координации работ и энергопитания, или непосредственно с берега.

Устройство для разработки россыпей шельфа, содержащих магнитную фракцию (г идр о магнитный метод). Принципиальная схема модели устройства показана на рис. 75. В процессе работы корпус устройства 7 погружается в россыпь. В это время телескопическая всасывающая труба 8 с пригрузочным приспособлением 9 вдвигается внутрь и, таким образом, остается на поверхности россыпи, ограниченной корпусом устройства. Затем приводится в действие рабочее колесо 1, осуществляется засасывание материала россыпи и его разбрасывание по сторонам крыльчаткой. Под собственным весом всасывающий патрубок опускается по мере

отработки россыпи, причем поддерживается постоянный контакт грунтозаборника с забоем.

Материал россыпи продолжает двигаться и просыпается в кольцевой зазор между внутренним барабаном 2 и гофрированным кольцевым профилем 3. Гофрированный профиль находится внутри кольцевого постоянного магнита 4, и в связи с этим магнитная фракция россыпи притягивается к гофрированному профилю, а немагнитные частицы ссыпаются вниз и падают на створки 6.

Процесс продолжается до тех пор, пока весь материал не пройдет через обогатительный блок. После этого гофрированный профиль опускается в положение, показанное на рисунке, и выходит из зоны действия магнитного поля, вследствие чего магнитная фракция ссыпается в приемный бункер 5. Одновременно открываются створки 6 и песок ссыпается вниз. Цикл обогащения может повторяться необходимое для полного извлечения полезного компонента число раз.

ШАГАЮЩАЯ НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Обзор существующих и проектируемых подводных механизмов для ведения горных работ показывает, что их движителями являются либо колеса, либо гусеницы. И тот и другой типы наряду с достоинствами обладают рядом серьезных недостатков, среди которых следует выделить: а) весьма большую массу, нужную для обеспечения достаточного сцепления с грунтом, и необходимость большой площади гусениц или колес; б) быстрый абразивный износ гусеничного и колесного хода, поскольку смесь воды и грунта, образующаяся при движении механизмов и ведении горных работ, имеет повышенные абразивные свойства; в) необходимость частых перемещений агрегатов. В связи с этим одним из наиболее удачных вариантов нам представляется шагающий ход.

Конструкция подводной шагающей базы, на которой может устанавливаться добычное оборудование, разработана в ЛГИ под руководством И. П. Тимофеева. В основу ее положен ряд технологических требований и особенностей ведения горных работ под водой. В частности, к таким требованиям относятся следующие:

добычное устройство в комплексе с механизмом перемещения должно отрабатывать месторождение или его участок с минимальными потерями полезного ископаемого;

механизм перемещения должен обеспечивать эффективное ведение горных работ добычным устройством (осуществление маневров, перемещение на новые участки отрабатываемого месторождения, сохранение Заданного положения при изменении рельефа морского дна);

перемещение всего добычного комплекса должно осуществляться автоматически в заданном режиме, без использова-

Рис. 76. Схема шагающей базы с добычным устройством (по И. П. Тимофееву).

/ — несущая балка; 2 —монорельс; 3 — кронштейны; 4 — ролики; 5 — поворотные кулаки; 6 —платформы опор; 7 —стойки; 8 —упоры; 9 — тяговая тележка; 10 — шаровые соединения; 11 — пульповод; 12 — механизм управления положением агрегата; 13 — возвратный механизм; 14 — Т-образные оси; /5 — механизм управления; 16 — блок обогащения; 11 — добычный агрегат; 13 — выдвижные штоки; 19 — опорные башмаки.

НИЯ сложных систем дистанционного управления. Дистанционное управление должно сводиться к координации программы, управляющей циклом добычи—перемещения, которая может корректироваться в связи с изменением горно-гидрогеологической обстановки (штормовые условия, изменение мощности россыпи, содержания полезного компонента, а также прочностных характеристик разрабатываемых горных пород и т. п.);

все узлы и "конструкции должны быть надежными в работе и долговечными, рассчитанными на специфику ведения добычи в подводных условиях.

Принципиальная схема одного из вариантов шагающей базы с добычным устройством показана на рис. 76. Агрегат состоит из несущей балки / ферменного типа, к которой крепится монорельс 2. Оба конца фермы и монорельса изогнуты кверху под некоторым углом к горизонтали. В поперечнике ферма может иметь различное сечение, и в частности треугольник, а монорельс изготовляется из стандартного двутавра. Монорельс служит для опоры и движения по нему тяговой тележки 9 с размещенным внутри нее тяговым механизмом и с двумя приводными катками. Добычный агрегат 17 крепится к тяговой тележке посредством упругих элементов.

. Особенностью подводной шагающей базы является то, что ферма 1 подвешена к двум концевым опорам; при этом концы ее с изогнутыми участками образуют консоли постоянной длины. Их параметры таковы, что при передвижении тележки с рабочим органом (добычным агрегатом) на изогнутый участок центр тяжести всей системы перемещается на эту консоль.

Опоры шагающей базы представляют собой платформы 6, которые установлены на трех стойках 7, снабженных выдвижными штоками 18. На концах стоек шарнирно крепятся опорные башмаки 19. Платформы имеют внутри герметические полости, в которых могут быть расположены вспомогательные устройства различного назначения. В центре платформ находятся стаканы, которые служат для размещения подшипниковых узлов вертикальной цапфы Т-образных осей 14.

Подвеска фермы 1 к платформам ойор допускает их взаимный поворот вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Взаиморасположение фермы и опор определяется положением поворотных кулаков 5, которые упираются в ролики 4, установленные с помощью кронштейнов 3 на несущей ферме. Механизм управления 15 осуществляет поворот кулаков, а упоры 8 ограничивают взаимный поворот фермы и опор вокруг горизонтальных цапф Т-образных осей. Механизм 13 служит для возврата опор в исходное положение после очередного шагания, а механизм 15 управляет положением всего агрегата в пространстве посредством выдвижения штоков 18.

Исходное положение шагающего транспортного устройства, которое можно назвать подводным транспортно-отвальным мостом, показано на рис. 77, а. Работа начинается с включения двигателей фрикционного тягового механизма, которые приводят в движение тележку 9 (см. рис. 76) с добычным агрегатом 17. В процессе работы в добычном агрегате происходит обогащение материала россыпи, а пустая порода остается позади него. В случае движения рабочего органа к правой опоре после его выхода на правую консоль центр тяжести переместится, а ферма повернется вокруг горизонтальной оси на угол а и поднимет левую опору вверх (рис. 77, б). Одновременно ферма повернется вокруг вертикальной оси на угол р за счет взаимодействия ролика 4 с кулаком 5, который установлен на правой опоре. После подъема с поворотом производится реверсирование тягового механизма, и тяговая тележка с добычным органом начинает движение влево. Левая опора опускается (рис. 77, в) и заканчивается первый шаг. Затем описанный процесс повторяется с правой опорой (рис. 77, г), осуществляется поворот на угол Рь и весь цикл завершается при опускании правой опоры (рис. 77, д).

В конце цикла агрегат продвинулся от первоначального положения на расстояние L и дополнительно повернулся на 230

Рис. 77. Последовательность работы подводного гранспортно-отвального моста (по И. П. Тимофееву).

угол у. При отношении p/pi= 1 перемещение добычного устройства будет поступательным', что наблюдается в случае прямоугольной формы отрабатываемого участка. При отношении Р/Рь большем или меньшем 1, агрегат будет совершать повороты с различными радиусами, что характерно для отработки подводного карьера криволинейной формы. Отношение p/Pi изменяется установкой различных углов наклона рабочих поверхностей кулаков 5 на правой и левой опорах (p/pi > 1 — левый поворот, р/Р1<1 — правый поворот), причем радиус поворота зависит от абсолютного значения отношения.

В качестве баз обеспечения работы подводного шагающего моста, добычных агрегатов или их комбинаций с успехом могут быть использованы существующие и проектируемые платформы различных типов, о которых говорилось ранее. Представляют интерес некоторые ориентировочные расчеты. Длина погружной или самоподъемной опоры базы управления и энергопитания складывается из следующих элементов [60]:

Д>п=4Р+ И -VhB-\-h3-V HY^\~h.^Lh,

где /Гр — глубина проникновения опоры в грунт; Н— глубина моря в месте проведения работ; /гв—высота гребня волны; h3 — зазор между гребнем волны и днищем платформы; Н\ — высота борта понтона; h— высота портала; А/г— высота части опоры, возвышающейся над порталом.

Для определения несущей способности грунтов, что одинаково важно для расчетов и баз (платформ) и шагающего устройства, можно воспользоваться уравнением Терцаги

QrP=^+7Zrp1

где Qrp — несущая способность грунта; с — среднее сопротивление сдвигу под опорой; N — безразмерный коэффициент; у — удельный вес грунта в воде; / — заглубление опоры в грунт.

При цилиндрической форме основания опор коэффициент N определяется по эмпирической формуле Скемптона

AZ=6(l+0,2/rp/<Z),

где d — диаметр оконечности опоры.

Многочисленные эксперименты показали, что N. обычно не больше 9,0. Это соответствует отношению /гр/(/ —2,5.

Чтобы опора проникла в грунт на глубину /гр, к ней необходимо приложить определенную нагрузку

P = QtpS=SkcN-H^

где S — площадь поперечного сечения опоры, м2. Тогда

, Р — ScN

Ts

Нагрузка на опору вычисляется как отношение P=D/n, где D — вес базы; п — число опор. При цилиндрических оконечностях опор

ГР!

Очевидно, что для шагающего агрегата, во-первых, в выражения, приведенные выше, нужно вносить поправку на закон Архимеда и, во-вторых, все расчеты вести на одну опору, памятуя о том, что при шагании центр тяжести* системы перемещается на одну опору.

По данным практики удельный вес рыхлых горных пород в воде составляет: для мягких глин — 3,14—6,27, для твердых глин — 6,27—7,85, для очень плотных глин — 7,84—9,40 мН/см3. С увеличением глубины значение сопротивления грунта сдвигу возрастает в пределах (0,02 4-0,2) • 105 Па.

Высоту гребня волны определяют либо по данным наблюдений, либо по графику. Для ориентировочных расчетов в случае работы на глубинах более 50 м и средних грунтах высоту гребня волны принимают равной 10—11 м, а расстояние между гребнем волны и днищем платформы—1,5 м. Высота портала • и борта понтона, по данным американских специалистов [69], составляет в среднем 15 м. Высота Ай определяется конструктивно и обычно равна 2—3 м.

Таким образом, для глубины более 50 м и средних грунтов ориентировочная длина опоры (в метрах) составляет

АОП=Я+37.

До глубины моря 50 м рекомендуется применять цилиндрические опоры, а свыше 50 м — ферменные.

Новые технологические схемы

Исходя из технологических и технических особенностей гидрофизических методов разработки рыхлых полезных ископаемых дна акватории все подводные россыпи, содержащие полезный компонент, который извлекается при обогащении, можно разделить на три категории: 1) маломощные (до 1,5 м), 2) средней мощности (от 1,5 до 5,0 м)', 3) мощные (более 5,0 м). Отдельную группу представляют несвязные полезные ископаемые, которые подлежат валовой выемке (пески, галечники, сапропелевые и диатомитовые илы и т. п.).

Главными технологическими методами являются следующие: 1) метод траншей, 2) метод воронок, 3) веерный метод. Классификация гидрофизических методов по основным технологическим признакам приводится в табл. 44.

Маломощные россыпи рекомендуется отрабатывать поточно методом траншей с придонной выемкой полезного компонента. При этом должны использоваться гидрофизические установки,

Классификация гидрофизических методов по основным технологическим признакам

Группа полезных ископаемых

Месторождение

Характер разработки

Технологический метод

Шельфовые россыпи

Малой мощности

Придонная выемка полезного компонента

Поточный, траншеями на полную мощность

Строительные материалы

Илистые осадки, илы

Средней мощности

Мощные

Малой мощности

Средней мощности

Мощные

Различной мощности

То же

Валовая выемка горной массы и комплексное использование 'сырья

Валовая выемка горной массы

То же

Цикличный, траншеями на полную мощность россыпи

Траншеями послойно; воронками на полную мощность россыпи; воронками послойно

Траншеями на полную мощность россыпи; веерный

Траншеями послойно; воронками на полную мощность россыпи

Воронками на полную мощность россыпи

Воронками при вертикальном заборе; воронками при горизонтальном заборе

Примечание. Для разработки шельфовых россыпей малой и средней мощности применяют платформу обеспечения или подводный шагающий мост, ■оснащенные добычными агрегатами с блоками обогащения. Во всех остальных случаях используются только добычные установки. Обогащение при этом осуществляется либо на плавсредствах, либо на береговых обогатительных фабриках.

объединяющие забойный орган и обогатительный блок и имеющие базой подводный шагающий мост конструкции И. П. Тимофеева. Такое же оборудование и базу следует применять при разработке россыпей средней мощности. Однако в этом случае поточная добыча будет затруднена, и россыпь необходимо разрабатывать уже циклично, хотя и также методом траншей. Добычный агрегат движется по вертикали с последующей перестановкой в новое рабочее положение по окончании процесса обогащения на одной точке стояния. Помимо подводного шагающего моста при этой технологической схеме для переста-

новки добычных агрегатов на новые точки работы можно использовать базы-платформы и плавсредства (см. рис. 73).

Мощные россыпи на данном этапе развития техники и технологии подводной добычи полезных ископаемых затруднительно разрабатывать при помощи гидрофизических установок (мощность иных морских россыпей достигает50—80 м).В связи с этим рекомендуется валовая выемка горной массы с выдачей ее выше уровня воды и последующими процессами обогащения и комплексного использования добытой горной породы, что обеспечит сохранение чистоты окружающегр пространства (и воды и прибрежной полосы материка). Очевидно, что наиболее приемлемым вариантом обогащения полезного ископаемого в этом случае является обогащение на береговых обогатительных фабриках.

Месторождения строительных материалов могут разрабатываться любым из трех технологических методов в зависимости от конкретных горно-гидрогеологических условий, т. е. методом траншей, воронок или веерным методом, при использовании самоподъемных платформ или платформ других типов, а также плавсредств.

Рассмотрим некоторые приближенные расчеты размыва горных пород при работе добычных агрегатов. При этом отметим, что необходимы дальнейшие исследования в данном направлении для получения более точных зависимостей и их проверка на практике.

Работа затопленной струи, выходящей при определенном напоре из насадки, описана в ряде книг [38, 56]. Применительно к нашим задачам следует остановиться на двух основных случаях, а именно: на вертикальном размыве (процесс внедрения добычного агрегата в россыпь) и горизонтальном размыве (процесс разработки объема россыпи, ограниченного корпусом добычного агрегата).

В своей работе А. О. Шестопал [66] детально рассматривает вопросы теории и практики гидравлического погружения труб, свай и шпунта. Гидравлическое погружение труб диаметром 630—720 мм производилось при помощи насоса КСМ 100X210 (расход 100 м3/ч, напор 210 кПа) с двигателем мощностью 105 кВт и вибратора типа ВПП-2 на глубину 13—15 м. В песках, не имеющих прослойков связных грунтов, труба погружалась свободно, без включения вибратора, на глубину 7—9 м. Конец гидромониторной насадки диаметром 30 мм выступал за торец погружаемой трубы на 10—15 см.

В случае размыва водонасыщенных грунтов А. О. Шестопал дает следующее выражение для расхода размывающей жидкости:

Qp/D=530rf1’-^/ +0,017^,

где Qp=-Qb + Q» расход размывающей жидкости; QB — расход жидкости, вытекающей из воронки размыва; Q^— расход жидкости, фильтрующей в грунт; к — коэффициент фильтрации среды; D— диаметр погружаемой трубы; /— глубина погружения; d — средний диаметр частиц грунта.

Поскольку в нашем случае при внедрении корпуса подводного агрегата в россыпь необходимо, чтобы размыв осуществлялся по периметру основания корпуса, то для варианта цилиндрического корпуса нужное число насадок составит

vV0Kp=2^(530о! VyT +0,017^)/Qrp,

а для корпуса прямоугольного сечения —

N^A.L (.530^ у7+0,017^ )/Qrp,

где R— радиус основания корпуса; L — длина стороны основания прямоугольного корпуса.

При этом толщина стенки корпуса приравнивается нами к диаметру погружаемой трубы.

Работа горизонтальных затопленных струй достаточно полно освещена в книге Г. Н. Сизова [56].

После окончания процесса погружения подводного добычного агрегата в тело россыпи на полную ее мощность работа вертикальных струй прекращается и начинается размыв объема россыпи, заключенного внутри корпуса агрегата.

Рассмотрим сначала работу одиночной затопленной струи при размыве материала россыпи. При погружении насадки в толщу разрабатываемой россыпи на глубину, меньшую критической НКр, будет происходить размыв с выбросом. Если глубина погружения насадки равна hKp, то по окончании процесса размыва будет осуществляться взвешивание и перемешивание, т. е. диффузия материала россыпи (см. рис. 43). Естественно, что если заглубление насадки значительно больше hKp, то полный размыв россыпи не будет наблюдаться. В работах Г. Н. Сизова [55, 56] показано, что существует установленная экспериментальным путем зависимость kp/hKp—2,3, где кр— длина зоны диффузии.

Применительно к случаю с цилиндрической формой корпуса подводного агрегата можно сказать, что при глубине разработки от уровня дна Н необходимо размещать по окружности H!hKp рядов насадок. Поскольку же струи, истекающие из насадок, работают по радиусу, то для полного размыва грунта значение кр должно быть несколько больше R — внутреннего радиуса корпуса подводного добычного агрегата. В этом случае струи из противоположных размывающих насадок будут ненамного перекрывать друг друга, что явится гарантией полного размыва россыпи, ограниченной корпусом устройства. Если принять /кр=1,15, то hKp= 1,15/2,3=0,5 R, а количество рядов на-

садок, необходимое для размыва объема россыпи мощностью Н, равно N=H/(0,5R).

Найдем необходимые для успешной работы скорость истечения струи и общий расход размывающей жидкости при использовании конических гидромониторных насадок. Начальная скорость истечения струи ио определяется уравнением

dq=^ V^gHo ,

где ф — коэффициент скорости; Но— напор у выходного сечения насадки.

Практика свидетельствует, что наиболее употребительными являются конические гидромониторные насадки, для которых <р = 0,945. Тогда у0 = 0,945 ^2gH0. Значения Но без каких-либо допущений можно брать по данным Г. Н. Сизова [56] для различных грунтов в зависимости от конкретных условий.

Диапазон площадей выходного сечения насадки <оо можно рассчитать по уравнению

Для выбранной нами конической формы насадки ее диаметр do определяется следующим образом:

о)0=тс^о/4 ИЛИ d0=]/4w0/i:.

Общий расход размывающей жидкости через все насадки подводного добычного агрегата равен

N

Qo = ^StooK2g"^o ,

1

где ц— коэффициент расхода (для конической насадки ц= = 0,945).

Для взвешивания грунта после его размыва целесообразно применять средние- напоры и большие расходы размывающей жидкости.

При использовании конических сопел расчетными формулами ДЛЯ Uq И Qq будут

Уо=4,17/Т77; Qo=3,28^]/757.

Разработка россыпей шельфа с использованием подводного шагающего моста рассматривается нами с учетом двух возможных случаев: 1) вскрышные породы отсутствуют и 2) коэффициент вскрыши примерно равен единице.

Технологические схемы разработки подводных россыпей по первому варианту будут зависеть не от площади месторождения, а только от мощности россыпи, т. е. соответствовать классификации, предложенной в табл. 44. Напомним, что при

мощности до 1,5 м принимается поточная схема разработки, а при мощности от 1,5 до 5,0 м — цикличная. Здесь мы рассмотрим лишь вариант поточной разработки, поскольку он представляется несравненно более сложным, чем цикличный.

Исходя из ориентировочных расчетов и базируясь на предельной мощности для варианта поточной разработки 1,5 м, можно принять следующие основные размеры добычного агрегата. Общая высота агрегата 4,5 м, из них -2 м приходятся на высоту блока обогащения и 2,5 м — на высоту блока приемного пульповода и выброса пустой породы. При этом диаметр блока обогащения равен 5.м, а блока приемного пульповода и выброса— 3 м. Внешне добычный агрегат представляет собой (упрощенно) два цилиндра, поставленных один на другой (больший на меньший) и расположенных на одной вертикальной оси.

Расстояние между опорами шагающего мо.ста допустимо принять равным 90—100 м. Тогда высота фермы (исходя из соотношения 1 : 30) составит 3,0—3,5 м.

При подобных условиях подводным шагающим мостом в комплексе с добычным агрегатом можно отрабатывать полосу месторождения шириной до 70 м. Если ширина месторождения больше, то оно будет отрабатываться полосами по 70 м при челночном движении моста и его разворотах на 180° по достижении границ карьера (рис. 78).

Добычный агрегат будет перемещаться по транспортной балке моста, например слева направо, засасывая горную массу. Последняя начнет поступать в блок обогащения, где произойдет извлечение полезного компонента, а хвосты будут сброшены позади добычного агрегата в траншею, образованную в процессе передвижения добычного агрегата’, т. е. во внутренний отвал. После отработки всей полосы по ширине заходки добычный агрегат по наклонной части транспортной балки выйдет на поверхность (выше уровня дна водоема или кровли россыпи). Угол поворота моста определяется исходя из длины фермы и ширины разрабатываемой полосы, другими словами, исходя из необходимости выполнения требования выемки полезного ископаемого с минимальными потерями. После поворота добычного агрегата на угол, соответствующий ширине полосы его выемки (ширине траншеи), будет осуществляться последующая отработка месторождения. При этом могут встретиться два случая: 1) невозможность максимального обогащения горной массы за один проход через обогатительный блок, 2) максимально возможное извлечение полезного компонента за один проход через обогатительный блок добычного агрегата.

В первом случае мост поворачивают только тогда, когда на одной полосе работы будут осуществлены все возможные реверсивные перемещения добычного агрегата от одной опоры моста к другой, но их окажется недостаточно для максималь-

Рис. 78. Схема отработки месторождения транспортно-отвальным подводным мостом.

I—IV — различные положения моста. 1

— направление движения моста; 2— направление движения добычного агрегата; 3— разворот моста иа новую заходку; 4— отработанная часть месторождения; 5 — часть месторождения, подлежащая отработке.

ного извлечения полезного компонента. Затем мост передвинется в очередное положение, параллельное первоначальному и удаленное от него на ширину прохода добычного агрегата. При этом необходим холостой, без добычных работ, проход добычного агрегата от опоры к опоре, который нужен только для шагания. Ведение добычи в этом случае нецелесообразно, поскольку до 40 % объема горной массы будет разрабатываться повторно.

Во втором случае все рабочие перемещения моста, а также рабочие и холостые движения добычного агрегата аналогичны таковым в первом случае. Здесь исключаются только реверсивные рабочие движения добычного агрегата от опоры к опоре.

Одним из важных элементов технологии добычи полезного компонента -из подводного месторождения при использовании шагающего моста является внедрение добычного агрегата в россыпь от кровли до почвы с целью последующей ее отработки. На первой стадии реализации технологических схем производства горных работ предусматриваются два варианта: а) постепенный заход по кривой, б) вертикальное внедрение.

Рис. 79. Различные стадии работы добычного агрегата на базе транспортноотвального подводного моста.

mouuu агРегата в тело россыпи; г—г — выход агрегата из тела россыпи при завершении работ по одному проходу.

При работах по первому варианту транспортная балка моста имеет криволинейную конфигурацию. Мост располагается так, чтобы криволинейный участок транспортной балки находился вне контура подводного карьера. Таким образом, внедрение добычного агрегата и выход его в рабочее положение осуществляются по пустым породам; При этом засасываемая порода, минуя блок обогащения, направляется непосредственно в выработанное пространство позади добычного агрегата. Возможные колебания мощности россыпи можно компенсировать вертикальным перемещением всего моста путем удлинения или укорачивания телескопических опор. На рис. 79 показаны различные стадии внедрения добычного агрегата в россыпь с постепенным заходом по кривой и его выхода из тела россыпи при завершении работ по одному проходу.

При работе по второму варианту внедрение добычного агрегата происходит в виде его вертикального опускания за счет работы телескопических опор моста, а затем осуществляется горизонтальное перемещение рабочего органа. Второй вариант является более простым по сравнению с первым и в связи с этим более предпочтительным. Заметим, что по второму варианту реализуется весь технологический цикл добычи и обогащения при разработке россыпей средней мощности.

В подводной разработке полезных ископаемых достаточно. распространен также случай, когда имеются вскрышные породы. Поскольку техника и технология подводных горных работ в настоящее время находятся на стадии начального развития, мы рассматриваем наиболее простую разновидность, т. е.

a,

Рис. 80. Схема поточной технологии при разработке маломощных россыпей, а — с опережающим вскрышным агрегатом; б — с совмещенными вскрышным и добычным агрегатами.

/ — поперечное сечеиие траншеи; 11— продольное сечение траншей; III— траншея в плане.

когда коэффициент вскрыши равен единице и технология принята поточной (разновидность маломощных россыпей).

На рис. 80 показаны два возможных варианта производства добычных работ в этих условиях. При добыче по первому варианту (рис. 80, о) мы имеем два раздельных агрегата — вскрышной и добычный. Первоначально вне контура карьера проходится траншея, причем пустая порода располагается на борту карьера. Образованная выемка является внутренним отвалом карьера, постоянно перемещающимся по мере отработки месторождения. Вскрышной агрегат продвигается по транспортной балке моста, снимает слой вскрышных пород и пересыпает их во внутренний отвал. Следом за ним идет добычный агрегат. Он извлекает полезное ископаемое и оставляет позади себя хвосты обогащения.

При добыче по второму варианту (рис. 80, б) рабочий агрегат состоит из трех блоков: вскрышного, добычного и обогатительного. Технология производства работ лишь несколько отличается от прежней.

Россыпные месторождения средней мощности и мощные могут отрабатываться методами как воронок, так и траншей. Очевидно, что второй способ характерен для месторождений, значительных по площади. Порядок добычи будет определяться

Рис. 81. Работа спаренными траншеями при различных мощностях отрабатываемой россыпи.Рис. 81. Работа спаренными траншеями при различных мощностях отрабатываемой россыпи.

Рис. 81. Работа спаренными траншеями при различных мощностях отрабатываемой россыпи.

Рис. 81. Работа спаренными траншеями при различных мощностях отрабатываемой россыпи.

размерами и конфигурацией месторождений. Рассмотрим некоторые возможные варианты системы разработки траншеями. ■ Месторождения, значительные по площади.

В этом случае возможна отработка месторождения отдельными участками. Размеры участков определяются .временем, необходимым для заполнения выработанного пространства, на котором ведется добыча, песками соседних полос месторождения в результате естественной миграции их под действием приливно- отливных и донных течений. При этом часть месторождения отрабатывается на полную мощность траншеей, направление которой может быть самым разнообразным: она может идти параллельными ходами, спиралью и т. д.

Следует учитывать, что при уменьшении мощности залежи резко снижается объем 1 м траншеи. Это повышает скорость подвигания забоя и в свою очередь определяет увеличение размеров участков. Скорость подвигания забоя является функцией объема 1 м траншеи при условии, что производительность добычного агрегата постоянна.

Поскольку объем 1 м траншеи равняется

H=№ctga • 1,

где Н — мощность залежи; а — угол воронки (на момент отработки), то очевидно, что скорость подвирания забоя уменьшается по параболе вида

да=А(1/Я2),

где w— скорость подвигания забоя; А—постоянная для данных условий вёличина, определяемая отношением производительности добычного агрегата Q к котангенсу угла воронки.

Если производительности добычного агрегата недостаточно для обеспечения потребной нагрузки на забое, то отработку месторождения можно производить спаренными траншеями (сдвоенными). Расстояние между осями траншей (рис. 81) определяется мощностью залежи и углом воронки, поскольку желательно, чтобы сечения траншей не перекрывали друг друга (C2>ai при Нг>Н\ и a = const). Перекрытие приводит к уменьшению к. п. д. агрегатов. Таким образом, область применения 242

отра-отра-Рис. 82. Послойная ботка залежи.Рис. 82. Послойная ботка залежи.

отра-

отра-

Рис. 82. Послойная ботка залежи.

Рис. 82. Послойная ботка залежи.

данной схемыностью разносаданной схемыностью разносаразработки ограничена технической возмож-

данной схемы

ностью разноса

данной схемы

ностью разноса

добычных агрегатов на определенное расстояние 7?, которое прямо пропорционально мощности залежи: ^ = = Hctga. В остальном условия отработки и порядок ведения -

добычи аналогичны рассмотренным выше для случая, когда на россыпи шельфа отсутствуют вскрышные породы.

При увеличении мощности залежи возникает необходимость послойной отработки, поскольку существенное (для данных геологических условий и производительности агрегата) заглубление грунтозаборника, т. е. значительная глубина траншеи, может привести к завалам забоя и остановке добычного агрегата, а в некоторых случаях и к авариям механизмов.

Недостатком данной схемы отработки является необходимость регулирования или скорости подвигания забоя, или объема траншеи (слоя). Как видно из рис. 82, при постоянной высоте вынимаемого слоя объем траншеи на любом слое можно определить выражениями V! = /i2ctga; Уц =3/i2ctga; Уш = = 5/i2ctgа,..., Vx=(2x—l)/i2ctga= (2х—1)Vi, т. е. объем последующего слоя в 2х—1 раз больше объема первого слоя. Тогда скорость подвигания забоя любого слоя будет равна

йУ = Д-тк—1.. , „ ,

Vzx — 1) № ’

т. е. для каждого х-го слоя скорость подвигания забоя должна быть уменьшена в 2х—1 раз по отношению к скорости для первого слоя. Такой режим работы требует строгого контроля за скоростью перемещения добычного агрегата, что по техническим условиям не всегда возможно.

Естественно предположить, что наиболее рациональным в данном случае является изменение высоты каждого последующего слоя в 2х—1 раз по сравнению с предыдущим. Это обеспечит равенство объемов вынимаемых слоев и скорости подвигания забоя. Однако такое изменение высоты слоя при определенных условиях может резко снизить производительность агрегата, так как скорость подачи материала к грунтоза- борнику может оказаться недостаточной. Это возможно, когда мгновенный угол образования воронки «i^>a2 (a2— угол естественного откоса). Таким образом, при каждом последующем заглублении резко уменьшается толщина слоя, размеры тран-

16*16*243

16*

16*

Рис. 83. Варианты отработки место- Рис. 84. Отработка месторождения рождения вытянутой формы.без разбивки на выемочные участки.

f — подвигание забоя; II — направление выемки.

шеи поверху возрастают и подача материала к центру грунто- заборника с периферийных областей может быть обеспечена только дополнительными устройствами, например гидроразмывом.

Поскольку основным технологическим требованием является постоянство производительности и подвигания забоя, то наиболее правильным решением в таких гидрогеологических условиях будет изменение высоты вынимаемого слоя с учетом мгновенного угла воронки. Следовательно, конфигурация забоя траншеи будет изменяться с глубиной отработки.

Месторождения в форме вытянутой линзы. В этом случае необходимо, чтобы были согласованы поперечные размеры траншеи и сечение линзы. Возможны различные варианты расположения выемки (рис. 83), при которых: 1) разубоживание и потери примерно равны (рис. 83, а), 2) осуществляется максимальное извлечение полезного компонента без потерь, но при максимальном разубоживании (рис. 83, б), 3) потери максимальны, но разубоживание отсутствует (рис. 83, в).

Определяющим .фактором является ценность добываемого полезного ископаемого, которая диктует полноту выемки. Отсюда и различие в схемах отработки месторождения. Учитывая ограниченную ширину месторождения, необходимо обеспечить наибольшее продвигание фронта работ с целью уменьшения разубоживания руды боковыми породами, которое происходит вследствие естественного заполнения выработанного простран- ' ства этими породами и подсасывания их добычным агрегатом.

Наиболее простой схемой отработки является выемка линзы одиночной траншеей на всю мощность. Нагрузка на забой будет определяться мощностью линзы Н и возрастает в Н1 раз 244

Рис. 85. Зависимость объема 1 м траншеи VTp (/) и потерь в межтраншейных целиках В (2) от расстояния между осями траншей о.Рис. 85. Зависимость объема 1 м траншеи VTp (/) и потерь в межтраншейных целиках В (2) от расстояния между осями траншей о.Рис. 86. Работа спаренными траншеями с ограничением разноса добычных агрегатов.Рис. 86. Работа спаренными траншеями с ограничением разноса добычных агрегатов.

Рис. 85. Зависимость объема 1 м траншеи VTp (/) и потерь в межтраншейных целиках В (2) от расстояния между осями траншей о.

Рис. 85. Зависимость объема 1 м траншеи VTp (/) и потерь в межтраншейных целиках В (2) от расстояния между осями траншей о.

Рис. 86. Работа спаренными траншеями с ограничением разноса добычных агрегатов.

Рис. 86. Работа спаренными траншеями с ограничением разноса добычных агрегатов.

с увеличением высоты траншеи. В этом случае общее направление выемки совпадает с направлением фронта добычных работ.

■ Мощные линзы отрабатываются траншеей с послойной выемкой, т. е. общее направление добычи вертикальное сверху вниз, а направление фронта очистных работ горизонтальное. Подробно послойная выемка рассмотрена выше, и основные ее положения применимы и к данному типу месторождений.

Месторождения, незначительные по площади. В этом случае скорость выемки существенно опережает скорость заполнения выработанного пространства боковыми породами. Следовательно, разбивать месторождение на участки не имеет смысла и отработка ведется сразу по всей ширине месторождения (рис. 84), т. е. при продольном характере выемки перемещение забоя происходит в поперечном направлении. Очевидно, что режимы работы на разрезной (первоначальной) траншее .и последующих различны. На разрезной траншее максимальное использование параметров воронки дает наилучшие показатели работы добычного агрегата. На последующих траншеях резко уменьшается консистенция пульпы и потому падают все показатели по твердому (полезному) компоненту. Объем 1 м траншеи составит V=aH, где а — расстояние между осями траншей; Н — мощность россыпи. В пределе при a = 2R (R—радиус воронки) объемы разрезной и добычной траншей равны, т. е. с увеличением значения а возрастают потери полезного ископаемого, но улучшаются показатели добычного агрегата.

На рис. 85 показан характер изменения кривых VTp = f(a) и B — f(a) для частного случая при а = 30° и Н = \ м. Как видно из графиков, объем 1 м очистной траншеи резко возрастает с увеличением расстояния между осями траншей при малых значениях а (от 0 до 1,4) и затем плавно приближается к пределу, равному 1,7 м3. Объем руды в целиках между траншеями,

Рис. 87. Зависимость суммарного объема траншей V (/) и объема зоны перекрытия И (2) от мощности залежи Н.Рис. 87. Зависимость суммарного объема траншей V (/) и объема зоны перекрытия И (2) от мощности залежи Н.

Рис. 87. Зависимость суммарного объема траншей V (/) и объема зоны перекрытия И (2) от мощности залежи Н.

Рис. 87. Зависимость суммарного объема траншей V (/) и объема зоны перекрытия И (2) от мощности залежи Н.

Рис. 88. Схема для расчета объема одиночной веерной траншеи.

наоборот, при малых значениях а (от 0 до 1,8) увеличивается несущественно, резко возрастая при больших значениях. Таким образом, можно сделать вывод, что при менее ценном полезном ископаемом следует использовать а= 1,64-3,4 м; увеличение стоимости извлекаемой руды вызывает необходимость работать при а = 04-1,4 м. В общем случае первая область — это от Н ctg а до 2Н ctg а, а вторая — от 0 до 0,877 ctg а.

Аналогичные вопросы возникают при отработке месторождений в форме вытянутой линзы, а также незначительных размеров по ширине и длине спаренными траншеями (рис. 86). Поскольку разнос а двух добычных агрегатов ограничен размерами плавсредств, на которых размещено добычное оборудование, то с некоторого момента а должен быть постоянным. Тогда схема отработки подводного месторождения меняется. Приведенный на рис. 86 вариант возможен при отработке месторождения с переменной мощностью и постоянным разносом между добычными агрегатами.

При составлении проекта отработки такого месторождения необходимо заранее определить или расстояние между осями траншей, или, если оно известно, рациональную глубину отработки месторождения. Основными параметрами являются объем зоны перекрытия траншей Уь суммарный объем выемки по двум траншеям У, а также потери У2, объем которых постоянен для данных условий. На рис. 87 представлены зависимости У= = f(H) и У1 = ^(/7) для частного случая ctga=l,7, a = 3,4 м. Объем траншей для любой глубины определяется, как У,= = (2х—1)Уо, где Vx — объем траншей при глубине Н = х, а У о — объем траншей при /7=1 м. Следовательно, существует линейная зависимость между объемом выемки и глубиной тран- 246

шей. Объем перекрытия воронок Vi определяется степенной зависимостью Vi = (H—l)2ctga, т. е. с увеличением глубины траншей Vi возрастает более резко, чем V, а вместе с тем аналогично повышаются и непроизводительные затраты энергии. Очевидно, что для каждого месторождения существует предельная глубина разработки по такой схеме, когда затраты, связанные с извлечением полезного ископаемого, не окупаются ценой конечного продукта.

В работе [60] дано описание голландской самоподъемной землесосной установки, передвигающейся на опорах. Эта установка является одной из немногих конструкций подобного типа, осуществляющих разработку месторождений морского дна веерным методом.

На рис. 88 приведена расчетная схема для определения объема одиночной веерной траншеи. Здесь h обозначает глубину погружения всасывающей головки, R — проекцию стрелы ОА (в момент достижения ею дна траншеи) установки на горизонтальную плоскость, a — угол поворота стрелы, р — угол откоса траншеи; г — половину ширины траншеи поверху.

Объем веерной траншеи Утр состоит из объемов Vi, У2 и У3 трех фигур, и рассматривать его можно как объем, полученный от вращения относительно оси OiO2. Таким образом VABC = = V’o2aboi — V’o2aCo1, т. е. объем всей круговой траншеи равен разности объемов двух усеченных конусов.

Поскольку угол поворота стрелы установки ограничивается ее параметрами, то Уз = У.двсос/360. Объемы Vi и У2 равны между собой. . Они соответствуют фигурам, представляющим собой */2 объема конуса каждая, или Vi+V2= (n/i/3)r2. Тогда

Vabc = №) [(7?+г)Ч^2+(^+г)/?]-

- (тсА/З) [(^ - r^-VR^-HR - г) Я] =--№) 6 Rn

V' RD- а \.-2 "кг I Ra , Д

гтр— з oz<r 360 Т з3\ 360

Поскольку r = /l/tgP, то

,7 кй2 / ра h \— 3tg₽tgFr

Таким образом, имея основные параметры установки и задаваясь глубиной траншеи, можно определить ее объем при работе на одной точке стояния. Угол откоса траншеи р должен устанавливаться экспериментально в каждом конкретном случае, однако для приближенных расчетов можно пользоваться данными табл. 45.

В качестве примера, иллюстрирующего значение параметра h, т. е. мощности разрабатываемого подводного месторождения, рассмотрим три его значения, а именно 1; 2 и 3 м. Все остальные параметры будем брать применительно к голландской

S

Вид грунта

А < 2,5 м

А > 2,5 м

Заложение

Угол

Заложение

Угол

г II

Пески мелкозернистые Супеси, пески средне-

1:3

1:2,0

18°

26

1:3,5

1 :2,5

15°

21

и крупнозернистые

111

IV

Суглинки

Гравелистые и галеч-

1:1,5 1:1

34

45

1 :2,0

1*15

2

никовые грунты (гравия и гальки свыше 40%)

34

V

VI

Глины

Скальный грунт (раз-

1:0,75 1:0,50

52

65

1 :1,5

I * 1

34

рыхленный)

Таблица 45

Крутизна откосов подводных траншей для разных грунтов

длина тран-

установке: глубина моря 25 м, длина опор 38 м, шеи 41 м, заглубление всасывающей головки 1 J 2 Г1 М 1V1 , 1V11 пи - венный угол откоса 30°, естественный угол откоса после выпо- лаживания 20°, минимальное расстояние от края выположен- ной траншеи до опоры 5 м.

При этом объем горной породы, извлекаемой с одной точки стояния, т. е. объем веерной траншеи, при к, равном 1; 2 и 3 м, соответственно будет 100, 400 и 730 м3. Очевидно, что наиболее выгодной является отработка веерным методом на возможно большую глубину с одной точки стояния. Это может быть достигнуто как за счет изменения параметров установки, так и за счет выбора условий использования подобных установок, ибо при меньшей глубине моря увеличится вылет стрелы и соответственно возможная по конструктивным условиям глубина разработки.

и 3 м, мгно-

Загрязнение среды при освоении минеральных ресурсов шельфа и инженерная защита ее

Мировой океан-—чрезвычайно подвижная система, и в связи с этим особое внимание необходимо уделять сохранению его чистоты. Прежде всего это касается вод Арктического бас-, сейна. Установлено, что морские бактерии достаточно эффективно очищают океан от продуктов загрязнения лишь при положительных температурах воды. При температуре воздуха ниже минус 5—10°C процесс бактериального разложения прак- 248

тически замирает. Нефтепродукты в таких условиях могут сохраняться в течение десятилетий, а их увеличивающийся с каждым годом сброс неизбежно приведет к хроническому загрязнению океана, его северных морей. Очевидно, что в таких условиях попадание вредных веществ в воду должно сводиться к минимуму, а в перспективе вообще отсутствовать.

В настоящее, время особую опасность для океана представляют нефть и нефтепродукты, ядовитые вещества. Исследования показывают, что загрязнение морских вод нефтью и нефтепродуктами значительно превышает допустимые концентрации. К числу наиболее загрязненных нефтью относятся моря Северной Атлантики. В 1967 г. у юго-западной оконечности Англии потерпел аварию танкер «Торри-Каньон», разбившийся на скалах. На борту этого гигантского танкера находилось 100 тыс. т нефти. Ветрами и течением нефть понесло на восток. Юго-западное побережье Англии и северо-западные берега Франции покрылись ее слоем. Это привело к массовому уничтожению рыб и птиц, растений и беспозвоночных животных, населяющих прибрежные воды. При этом одних только погибших или погибающих птиц и рыб было выброшено на берег около 20 тысяч.

Много плавающий по океану известный норвежский исследователь Тур Хейердал был подавлен его загрязненностью. Экспедиция, возглавляемая, им, сообщила в Межправительственную морскую консультационную организацию (ММКО), что в течение 6 сут из 52 она следовала в загрязненных водах, содержащих дегтеобразные и асфальтовые материалы. Это была нефть, принесенная течением из районов морского бурения в океане, или нефть танкеров, потерпевших аварию. Теперь такие «нефтяные пятна» или плавающие «нефтяные острова» появились в открытых районах Мирового океана, в то время как раньше они были известны только в Персидском заливе и Каспийском море. Это свидетельствует об опасном росте загрязнения океана нефтью.

Загрязнение происходит также при перевозке нефти и промывке танкеров. К числу чрезвычайно загрязненных по этой причине районов Мирового океана относится Средиземное море. Только в 1970 г. в Средиземное море было сброшено около 300 тыс. т нефтяных остатков, в 1973 г.— около 500 тыс. т, а в 1980 г. ожидается сброс 650 тыс. т. В 1970 г. в Риме состоялся XXII съезд Международной комиссии по исследованию Средиземного моря, где было отмечено, что если загрязнение этого моря будет продолжаться нынешними темпами и масштабами, то в течение жизни двух-трех поколений людей оно умрет, станет «гнилым морем», непригодным не только для жизни рыб и других организмов, но и опасным для людей, живущих в его бассейне.

Выяснилось, что в портах назначения выгружается около 99 % нефти, которая была принята на борт танкера. Из одного оставшегося процента, который теряется при выгрузке, часть падает на испарение легкой фракции, а остальная — на оседание на дно и стенки танкера. Во избежание взрывов при испарении этих осадков танкеры промывают. Кроме того, пустые танкеры теряют устойчивость, становятся трудноуправляемыми, и на . борт в качестве балласта (40—60 % тоннажа танкера) берется морская вода. Перед очередной погрузкой нефти этот балласт (водная эмульсия остатков нефти) выкачивается в море и становится одной из основных причин загрязнения морской воды. По расчетам ряда специалистов, ежегодно на поверхность океана попадает таким образом не менее 10 млн. т нефти. Анализ существующего положения дел и результативности законодательных мер показал, что действительный эффект дает обязательная постройка во всех местах погрузки и выгрузки нефти специальных сооружений для очистки балластных и промывочных вод.

Большую опасность представляет морское бурение. В случае аварии эксплуатируемых скважин и буровых установок при бурении морских разведочных скважин на нефть в считанные минуты в морскую воду изливаются сотни тонн нефти.

В настоящее время поступление нефти и нефтепродуктов в Мировой океан оценивается приблизительно в 30 млн. т. в год. Можно предположить, что в связи со стремительным развертыванием добычи нефти на континентальном шельфе темпы загрязнения возрастут. В 1970 г. на шельфе добывалась у6 общего объема добычи нефти (440 млн. т)( в 1980 г. предполагается добывать 1300 млн. т, что составит Уз объема мировой добычи нефти. По некоторым прогнозам, в 2000 г, примерно 50 % добытой нефти будет приходиться на шельф Мирового океана. Все больше действующих скважин появляется в Мексиканском заливе, в Карибском море, у берегов Калифорнии. В нефтяной бассейн превращается Северное море.

Необходимо напомнить о недавней катастрофе в Северном море на месторождении Экофиск, когда столб нефти под огромным давлением вырвался с почти трехкилометровой глубины. Произошло это из-за того, что специальные аварийные клапаны, которые должны были перекрыть скважину, не сработали. Ежедневно в море в течение недели выбрасывалось свыше 4 тыс. т нефти и газа. Нефтяное пятно разлилось на площади более 160 квадратных миль.

Опыт морских нефтяных разработок показывает, что при морском бурении около 10 % добычи нефти попадает в море. При этом гибнут живые организмы на дне, в толще воды и на ее поверхности. Так, например, в 1970 г. в Мексиканском заливе, у берегов п-ва Флорида, где США ведут бурение нефти, были обнаружены косяки мертвой рыбы. Каждая тонна нефти, 250

попавшая в море, загрязняет 12 км2 его площади. Нефть поступает и в прибрежные районы, где идет массовый нерест рыб и развитие мальков. ‘Даже небольшое количество нефти в океане приводит к замедлению роста всех организмов. Фитопланктон погибает при концентрации свыше 1 мл нефти в 1 л воды, икра многих рыб — при концентрации 0,1—0,01 мл в 1 л воды. Более выносливы ракообразные и взрослые моллюски, но и их личинки погибают при небольших концентрациях.

Для фауны морей и океанов опасны не только морское бурение на нефть, но и сейсмические методы ее разведки. При взрывах гибнет икра, молодь и взрослая рыба. Поэтому сейсморазведку в море нужно применять на основе невзрывных

методов.

Мировой океан можно по праву назвать «легкими Земли» — в нем усваивается значительная часть углекислого газа атмосферы и выделяется более половины кислорода. Гибель планктона, с помощью которого осуществляется фотосинтез, не только вызывает загрязнение вод и ухудшает газообмен между Мировым океаном и атмосферой; но и приводит к нарушению экологии океана, что сокращает его биологические ресурсы.

ототИтак, самым загрязняющим океан веществом является нефть. Поэтому мы не случайно в качестве примера привели данные о загрязнении моря нефтью. Нефть — это единственное полезное ископаемое морского дна, добываемое в настоящее время в массовом масштабе и транспортируемое морскими путями. Нетрудно представить себе, что может произойти, когда первых опытов ряд стран перейдет к промышленной добыче полезных ископаемых дна акваторий без соблюдения необхо-

от

от

димых мер предосторожности.

Количество нефти, выбрасываемой в море, растет и угроза общего нефтяного загрязнения океана становится реальной. Нужно иметь в виду, что загрязнение может достигнуть степени, когда очищение океана потребует неизмеримо больших усилий, чем требует применение вполне возможных мер предохранения. Некоторые буржуазные ученые считают, что человечество стоит перед выбором: или девственная чистота океана при пассивном к нему отношении, или его промышленное освоение со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Это неверно. Человечество должно использовать ресурсы моря, но осваивать их так, чтобы океан оставался чистым.

Огромное значение приобретает международное сотрудничество, так как океан, как уже говорилось, представляет собой исключительно подвижную систему. Загрязнение его в одной части вскоре сказывается в зонах, значительно удаленных от загрязненных участков. Отмечено, например, что «нефтяные острова» прежде чем разделиться на отдельные пятна, могут преодолевать расстояния от 50 до 500 миль. Следовательно,

факты загрязнения океана, морских вод, омывающих берега различных стран, не могут рассматриваться как внутреннее дело того или иного государства. Здесь затрагиваются интересы различных государств, а в итоге всего человечества. Уже сделаны некоторые шаги в области международного сотрудничества по предотвращению загрязнения Мирового океана. Большая роль в решении этой проблемы принадлежит социалистическим странам. Плановая система хозяйства позволяет им успешно решать задачи рационального использования и восстановления природных ресурсов Мирового океана.

Очевидно, что охрана окружающей среды повсеместно на земном шаре является обязательным условием любой деятельности человека, и особенно при подводных горных работах любого направления (подводные строительные работы, дноуглубление, добыча полезных ископаемых и т. п.). Для выполнения этого условия необходимы четкие знания того, что соответствует интересам охраны природы, а что им противоречит.

До настоящего времени отрицательное влияние подводных горных работ и отвалообразования на окружающую среду оценивается различными авторами неоднозначно из-за слабой изученности степени их воздействия. Это затрудняет работу научно-исследовательских, проектных и конструкторских организаций, а также органов охраны природы.

Особо следует отметить работу впервые проведенной в СССР научно-технической конференции по изучению влияния дноуглубления и отвалов грунта на окружающую среду, созванной по инициативе Ленинградского бассейнового правления научно- технического общества водного транспорта и проходившей в Ленинграде в ноябре 1974 г.

Добычные горные работы только начинают развиваться. Дноуглубительные работы на морских и речных путях несравненно старше. Тем не менее действующие в настоящее время технические инструкции по производству речных и морских дноуглубительных работ не соответствуют задачам и требованиям защиты окружающей среды. Очевидно, что квалифицированному созданию таких документов должны предшествовать широкие теоретические работы и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Подобного рода работы начаты в 1974 г. Ленморниипроектом, Чер- номорниипроектом в Балтийском и Азовском бассейнах.

Наиболее сильно деятельность моря и человека сказывается на прибрежных участках. Справедливо отмечается, что ущерб, наносимый окружающей среде, будет минимальным, если деятельность человека будет незначительно отличаться от обычных явлений природы. Разумеется, природные процессы, относящиеся к стихийным бедствиям, исключаются. При освоении минеральных ресурсов океана наибольшее значение необходимо уделять сопоставлению процессов подводных горных ра- 252

бот (без рассмотрения специальных методов обогащения с применением токсичных или аналогичного рода флотореагентов) с явлениями, аналогичными штормовой деятельности и стоку рек.

В результате твердого стока ежегодно выносится в Мировой океан и откладывается в прибрежной зоне более 2 км3 речных наносов. Это несравненно больше годового количества горной массы, перерабатываемой дноуглубительным флотом и добываемой при подводных горных работах во всем мире.

На побережье Балтийского моря в период шторма волновая энергия приводит в движение миллионные объемы грунта, в сотни раз превышающие объемы, перемещаемые в процессе подводных горных работ. Деформация дна во время шторма на значительных площадях по глубине достигает 2 м, причем мутность воды на поверхности и у дна на порядок выше мутности воды у борта работающего земснаряда.

Итак, в прибрежной зоне морей и внутренних водоемов до глубины 15—16 м (при пологом шельфе это огромные площади) флора и фауна существуют, испытывая постоянное неблагоприятное влияние волнового воздействия и речного стока. По своим конечным результатам деятельность человека при подводных горных работах с большим запасом можно сравнить с отмеченными природными явлениями, -последствиями которых являются взмучивания, изменение рельефа дна, перемещение горных пород, нарушение растительного покрова и т. д. Следовательно, на глубинах моря до' 15—16 м подводные горные работы и отвалообразование оказывают меньшее влияние на природный режим моря в сравнении с естественно протекающими аналогичными явлениями, но на больших глубинах отрицательное влияние деятельности человека будет сказываться в большей степени. Очевидно, что подводные горные работы приводят к определенному нарушению экологического равновесия. Однако это временное явление.

По окончании работ восстановление «живой» пленки, так называемой «биопели», происходит в сравнительно короткие сроки. Существующие данные показывают, что формирование постоянной фауны в созданных озерах (временных или свеже- выкопанных) происходит в течение 2—3 месяцев. В море такие сроки, по утверждению биологов, могут быть еще короче, так как поврежденные участки не изолированы от окружающих акваторий, что в значительной степени облегчает их заиливание и заселение.

Специальные исследовательские работы не обнаружили непосредственного отрицательного действия на флору и фауну морей воды с содержанием взвешенных веществ до 20 мг/л. Кроме того, установлено, что для материковых рек и водоемов определенные изменения гидрологических и морфометрических 253

особенностей водоемов не всегда оказывают отрицательное воздействие.

Для полупроходных и проходных видов рыбы каналы, прорываемые в устьях рек, становятся искусственными путями миграции. На сильно заиленных участках могут создаваться условия, благоприятствующие нересту некоторых видов рыбы; удаление грунтов, содержащих значительное количество органических веществ, способствует улучшению кислородного режима. Это должно учитываться при проведении горных работ на месторождениях шельфа.

Выбирать места подводных отвалов необходимо учитывая режим морских течений, чтобы исключить засорение водорослей, глубинных мест отстоя рыбы и т. п. Рекомендуется использовать также специальные подводные шлейфоотклоняющие конструкции, шпунтовые стенки и другие устройства, ограничивающие распространение подводных отвалов в нежелательном направлении.

Следует сказать и о загрязнении окружающей среды механизмами, участвующими в подводных горных работах, тем более, что до настоящего времени этому не уделяется необходимого внимания.

В настоящее время в М.РФ РСФСР действует специальная система организационно-технических мероприятий, которая предусматривает исключение или резкое уменьшение загрязнения водоема следующими видами стоков и отходов: подслане- выми водами, топливом при бункеровке, отработанным маслом, фекальными сточными водами, сухим мусором, пищевыми отходами.

Горные работы на шельфе нашей страны в основном ведутся и будут проводиться, по всей видимости, на значительном удалении от крупных населенных пунктов с существующей механизацией мусороудаления и утилизацией отходов. Поэтому сомнительно осуществление в ближайшее время сбора с плавсредств подсланевых и фекальных сточных вод, а также мусора. Более целесообразно оснащение плавсредств специальными техническими средствами, которые могут обезвреживать стоки и уничтожать мусор и другие отходы.

Известно, что вода, сбрасываемая из системы охлаждения судовых двигателей внутреннего сгорания, по качеству должна быть аналогична забортной, допускается лишь некоторое повышение ее температуры. В то же время анализ проб, выполненный на земснарядах, показал высокое содержание в такой воде нефтепродуктов (от 8 до 46 мг/л). Предполагается, что масло попадает в воду через неплотности водомасляного холодильника. На крупных земснарядах объемы сбрасываемой * воды достигают нескольких тысяч кубических метров в сутки, что представляет большую опасность загрязнения водоемов нефтепродуктами — наиболее опасным загрязнителем. Кроме

земснарядов источником загрязнения воды могут быть и другие типы судов и плавсредств с горным и обогатительным оборудованием на борту.

Серьезным источником загрязнения морской воды являются также смазочные материалы. На много-черпаковых земснарядах централизованной системой густой смазки черпаковых скатов в 1 сут подается 18 кг солидола, большая часть которого попадает в воду. Интенсивному смазыванию на земснарядах подлежат также и тросы. Смазка их приводит к попаданию в воду от 50 до 100 кг смазочных масел по каждому судну ежегодно.

Большие опасения с точки зрения возможного загрязнения морской воды вызывают процессы обогащения полезного ископаемого при сбросе хвостов с плавсредств. Однако опыт Московского горного института при разработке касситеритовой россыпи в заливе Ванькина губа с обогащением на борту судна показал, что при сбросе хвостов обогащения за борт на расстоянии 100 м от точки сброса вода сохранялась практически чистой благодаря осаждению частичек породы (для большинства россыпей это хорошо отмытый материал, не образующий мути). Определенную опасность представляет миграция материала хвостов в нежелательном направлении под действием волн и донных течений.

Образование подводных отвалов нежелательно. Если без них нельзя обойтись, необходимо тщательно выбирать их место, учитывая горно-геологические, гидрологические и биологические факторы. Береговые отвалы требуют обязательной рекуль

тивации.

Весьма интересны предварительные выводы, сделанные В. Г. Вороновым [8] в отношении особенностей обитания животных на шельфе в зоне активного вулканизма. Как известно наиболее сильная вулканическая деятельность в настоящее время характерна .для Алеутских, Курильских и Японских островов, для Камчатки, а также Индонезии и некоторых других районов. В. Г. Воронов отмечает, что влияние вулканизма на обитателей шельфовых вод не менее существенно, чем на животных суши, и его можно подразделить на механическое, термическое и химическое. С учетом того, что добыча, обогащение и переработка полезных ископаемых, и в частности полезных ископаемых шельфа, практически в обязательном порядке связаны с такими же тремя процессами, становится очевидной целесообразность дальнейшего внимательного их изучения.

Механические процессы вулканизма проявляются в резких колебаниях земной коры и уровня вод, погребении изверженными породами (пеплом и шлаком), перетирании и смывании цунами животных на шельфе и берегу и т. д.

Как известно, цунами характеризуется волнами высотой 10—50 м у побережья, их большой скоростью (от 50 до 1000 км/ч), -мощной ударной силой и перемешиванием воды на

всю глубину. Все это приводит к резкому нарушению морских биоценозов. Помимо гибели литоральной ф’ауны, сидячих и малоподвижных беспозвоночных животных, что вполне естественно при цунами, меняются также пути миграции рыб и места обитания птиц и млекопитающих моря. Это отрицательные факторы цунами. Однако они имеют и положительные стороны. В частности, при перемещениях донных грунтов, их перемешивании, а также перемешивании вод происходит обновление шельфовых биоценозов. С больших глубин в поверхностные воды выносится большое количество питательных веществ, крайне необходимых для фитопланктона и макроводорослей. При этом биологическая продуктивность акваторий в значительной мере увеличивается.

Термическое воздействие современного вулканизма исследователями отмечается как положительное. Подогретые воды способствуют тому, что в высоких широтах образуются локальные зимовки водоплавающих птиц и появляется возможность обитания теплолюбивых форм морских организмов. В местах выхода термальных источников остаются свободными ото льда поверхности воды, что обеспечивает возможность добывания пищи птицами и животными зимой.

Химическое воздействие вулканизма на шельф и его обитателей и сложно, и противоречиво. Гидротермальная деятельность приводит к тому, что морские бассейны насыщаются значительными количествами гидроокислов. . В основном это относится к гидроокислам алюминия и железа, а также к карбонатам, фосфатам, хлоридам, кремниевой кислоте и др.

Существуют различные способы, позволяющие удалять загрязнители из морской воды. В нашей стране созданы биофильтры, в 3—4 раза ускоряющие процесс очистки воды в специальных бокс-прудах. Таганрогский судоремонтный завод серийно выпускает специальные суда — зачистные станции, производящие очистку нефтяных танкеров. В Англии создан материал, который впитывает разлитую на поверхности воды нефть в количествах, в 30 раз превышающих собственный вес ткани. При размерах полотнища 0,9X45 м и толщине 1,2 см за 10 с впитывается 0,5 т нефти.

В настоящее время строятся специальные суда, которые мощными насосами втягивают загрязненную воду с поверхности акватории и отделяют от нее нефть. За 1 ч работы такое судно перерабатывает 30 тыс. м3 загрязненной воды.

В Великобритании общая ответственность за подготовку работ и их осуществление в области ликвидации аварийных разливов нефти возложена на министерство торговли. Квали- ' фицированными кадрами и достаточным количеством технических средств располагают две организации этого министерства, а именно Береговая охрана и Гидрографическая служба. Су- 256

ществует специальный центр по подготовке специалистов, расположенный в Южной Англии (порт Хайт).

Одной из систем для локализации и сбора нефти с поверхности моря является состоящая из двух частей система, разработанная фирмой «Бритиш петролеум». Первая часть системы, называемая «Синэк»,— это легкий самоходный бот, внутри которого находится в сложенном виде боновое заграждение. Бот изготовлен из стеклопластика и имеет длину 7 м и массу 4 т. К месту разлива нефти он доставляется трейлером, самолетом или на борту судна.

' С борта бота производится разворачивание бонового заграждения, имеющего длину 480 м. Заграждение состоит из трех расположенных по вертикали нейлоновых цилиндрических оболочек, покрытых бутаклором. Верхняя из них имеет диаметр 75, средняя — 685, нижняя—430 мм. Две верхние оболочки заполняются воздухом, а нижняя — водой. Воздух в оболочки нагнетается как из баллонов, укрепленных на плавучем якоре, так и воздушным турбонагнетателем, установленным на боте. Вода в нижнюю оболочку подается центробежным насосом с бота. Заполнение бонового заграждения производится автоматически во время его постановки, осуществляемой за 15 мин. При нахождении заграждения на плаву оно может автоматически подкачиваться воздухом в течение 8 сут.

Схема ограждения разлива нефти при движении нефтяного поля со скоростью 3, а бонового заграждения 2 % скорости ветра и сбора ее в петлю-ловушку показана на рис. 89. Петлей- ловушкой можно при толщине слоя нефти 25 мм удерживать 1000 т нефти и при спокойном море буксировать ее со скоростью до 1 узла.

Второй частью описываемой системы является механический тороидальный нефтесборщик «Сискиммер» производительностью 100 т/ч (рис. 90).. Нефтесборщик состоит из 80 вращающихся дисков (диаметр каждого 810 мм), расположенных в виде тороида, а также гидравлического насоса с гидромотором. Производительность гидронасоса 200 м3/ч при напоре 98 КПа. Гидромотор имеет мощность 18,4 кВт при частоте вращения 500 об/мин. Собранная нефть перекачивается в емкость. Питание нефтесборщика осуществляется от энергоблока, включающего в себя дизель мощностью 52 кВт с частотой вращения 2500 об/мин и гидравлический насос производительностью 5 м3/ч при частоте вращения 2500 об/мин и давлении жидкости 24,5 МПа. Общая масса нефтесборщика 1,57 т, а энергоблока с подъемником 2,9 т. .

При вращении дисков на них налипает нефть, которая затем удаляется скребками и стекает в сборщик, откуда откачивается в сборочную емкость. Глубина погружения дисков автоматически регулируется камерой плавучести нефтесборщика. Испытания нефтесборщика показали, что он устойчиво работает

17 Заказ № 160 257

a

Рис. 89. Изменение положения боновогр заграждения при локализации нефтяного поля (а) и петля-ловушка для сбора нефти (6).

1 — скорость ветра; 2 и 3 — скорость, составляющая 2 и 3 % скорости ветра соответственно;

4 — нефть.

при высоте волны до 2 м, при этом содержание воды в собранной нефти не превышало 1—2 %.

Довольно часто в Великобритании при ликвидации аварийных разливов используют химические препараты-диспергенты. 258

Рис. 90. Тороидальный нефтесборщик.

I—подъемный рым; 2— предохранительная крышка; 3—-смотровые окна; 4 — крышка нефтесборщика; 5— надувной буртик; 6— стальной буртик; 7 — направление потока нефти; 8— диск; 9— канал прохода нефти со сдвоенным скребковым устройством; 10 — сборщик нефти; И— насос для откачки нефти; 12— станина; 13 — шланг для откачки нефти; 14— обух для найтовов; 15— емкость плавучести; 16 — камера регулирования плавучести; 17 — гидромотор привода; /8 — приводной червячный барабан.

Для условий открытого моря и на побережьях используются два специальных типа препаратов. Оба они считаются наиболее эффективными. К месту разливов, нефти диспергенты доставляются на судах, а хранятся в береговых складских помещениях в эластичных емкостях вместимостью по 3500 л. Специальные суда оборудуются системой, состоящей из емкости для диспергента, дозирующего и разбрызгивающего насосов и трубопроводов с отверстиями для выпуска диспергента, расположенных по периметру корпуса судна. Разбрызгивающий насос подает к трубопроводам с соплами диспергент и забортную воду так, что их соотношение составляет 1/10.

Диспергенты — вещества, превращающие разлившуюся по поверхности нефть в мельчайшие капельки. Такие вещества разработаны Институтом океанологии АН СССР и Уфимским институтом по сбору, подготовке и транспорту нефти и нефтепродуктов. Полученный препарат, испытанный на Балтике, лучше и быстрее справился с нефтяным разливом, чем американские и шведские диспергенты.

Специалистами Черноморского центрального проектно-конструкторского бюро создано боновое заграждение для разлившейся нефти, названное авторами «Анаконда». Секции бокового заграждения имеют длину по 5,5 м.

При эксплуатации механизмов в море неизбежен сброс сточных вод, которые необходимо очищать. В этом отношении заслуживает внимания очистка сточных вод биофильтрами, созданными в Ленинградском инженерно-строительном институте. Производительность установок до 2,5 тыс. м3/сут, что может обеспечить очистку бытовых и промышленных стоков поселка на 10 тыс. жителей.

Следует признать, что большинство существующих в настоящее время горно-обогатительных технологий, в том числе применяемых при освоении морских месторождений, экологически несостоятельны. Опыт эксплуатации морских, нефтяных месторождений, когда ежегодно в воду сбрасывается 40 млн. т нефти, является несомненным подтверждением сказанного. К морским разработкам необходимо предъявлять особые требования и помнить, что основным критерием эффективности работ не всегда будет минимальная стоимость добычи и переработки полезного ископаемого.

Основной путь решения проблемы сохранения экологического равновесия — создание замкнутых безотходных производств. Применительно к разработке россыпей шельфа такая проблема может решаться в двух направлениях: а) разработка с придонным обогащением при оставлении вмещающих пород в теле россыпи; б) разработка с обогащением на плавучих или береговых обогатительных фабриках при комплексном использовании горной массы. Выбор способа определяется горногеологическими и гидрологическими факторами и ценностью горной массы в целом.

Экологически состоятельная технология при разработке россыпей шельфа должна предусматривать полное извлечение полезного компонента, недопустимость использования химически вредных или сильнотоксичных реагентов, а также веществ, вызывающих побочные нежелательные явления, минимальные смещения равновесного состояния биогеоценоза, восстановление флоры.

Потери полезного ископаемого при подводной разработке рыхлых горных пород

В настоящее время, как отмечалось выше, разработка рыхлых полезных ископаемых производится либо траншеями, либо воронками. И в том, и в другом случае теряется определенная часть общего объема горной массы, подлежащей выемке.

Рис. 91. Разбивка карьерного поля по клеточному (а) и сотовому варианту (б) при разработке отдельными воронками.

/ — воронка; 2— потери полезного ископаемого.

В связи с этим необходимо определить и сравнить эти потери, а также наметить пути их снижения.

Разработка воронками может осуществляться при двух вариантах. При первом воронки располагаются по прямым взаимно перпендикулярным линиям. Поверхность кровли месторождения разбивается на равные квадраты (клеточная разбивка) и в них вписываются окружности, являющиеся основаниями воронок (рис. 91, а). При втором варианте поверхность кровли разбивается на равные шестиугольники (сотовая разбивка), в которые вписываются окружности (рис. 91, б). Что касается траншей, то их целесообразно располагать параллельно друг другу при расстоянии между осями двух соседних траншей, равном ширине траншеи поверху. Все эти случаи рассматриваются при неперекрывающихся воронках и траншеях. Очевидно, что потери полезного ископаемого здесь будут максимальными.

Рассмотрим вариант клеточной разбивки. Разработка ведется при мощности отрабатываемого слоя Н, которая связана с радиусом основания воронки R соотношением H = Rtgvp, где Ф — угол естественного откоса воронки. Представим себе параллелепипед с гранями 2R, 2R, Нис объемом УПар = 47?2// = = 4R3tgq>.

Из этого параллелепипеда извлекается объем конуса с радиусом R и высотой Н УКон=1/з л^2^=7з л7?31§ф. Тогда объем потерь "на одну воронку составит Упот = Vnap — VK0H или

^пот==4/?3 tg <р — 4- wR3 tg —^-(12 — к).

Найдем процент потерь

-Клок . 100 = J2-z . 100=73,8°/0. * пар

Таким образом, при разработке месторождения отдельными неперекрывающимися воронками при клеточной разбивке отрабатываемого поля потери составляют 73,8 %.

Рис. 92. Схема к определению потерь при разработке траншеями.

При разбивке поля по сотовой схеме параллелепипед заменяется шестигранной призмой с высотой Н и стороной основания равной 2Я/УЗ. Объем такой призмы ]/Пр = ^R2 УЗ Н = = 2Я3УЗtgф. Тогда

-y„.-2R? КЗ tgV-4 «Я8tgy =„-«^1.(6 КТ-,).

Вычислим процент потерь при разработке по сотовой схеме:

• 100 = Ш-^- . 100=69,8 8/0. '^пр 6/3 ’ '°

Таким образом, второй способ расположения воронок несколько сокращает потери полезного ископаемого.

При разработке необходимо четко знать, на каком расстоянии должны находиться оси соседних воронок. Очевидно, что при использовании клеточного варианта оси воронок должны располагаться по прямым, отстоящим одна от другой на расстоянии 2R. В каждом ряду оси воронок отстоят друг от друга на том же расстоянии. Выражая эти расстояния через мощность россыпи или отдельного слоя Н можно записать 2R = = 2Яctgф. При разработке по сотовой схеме оси воронок надо располагать тоже по прямым, но отстоящим друг от друга на расстоянии Я = Яс^ф. В каждом ряду расстояние между осями воронок составляет 4R cos 30o = 2Яy<?ctgф.

Рассмотрим вариант разработки траншеями, сопоставляя его с разработкой воронками. Из каждого параллелепипеда (рис. 92) извлекается призма треугольного сечения. Поскольку площадь треугольника АВЕ составляет половину площади прямоугольника ABCD, будем иметь Рпот = 0,5УПар; (Упот/Упар) X X 100 = 50%.

Очевидно, что во всех рассмотренных случаях потери полезного ископаемого недопустимо велики. С целью их уменьшения можно производить работы при перекрывающихся траншеях и 262

Рис, 93. Разработка перекрывающимися траншеями или воронками.Рис, 93. Разработка перекрывающимися траншеями или воронками.Рис. 94. Схема к определению потерь при разработке с использованием уширенных грунтозабор- ников или экранирующих пластин.Рис. 94. Схема к определению потерь при разработке с использованием уширенных грунтозабор- ников или экранирующих пластин.

Рис, 93. Разработка перекрывающимися траншеями или воронками.

Рис, 93. Разработка перекрывающимися траншеями или воронками.

Рис. 94. Схема к определению потерь при разработке с использованием уширенных грунтозабор- ников или экранирующих пластин.

Рис. 94. Схема к определению потерь при разработке с использованием уширенных грунтозабор- ников или экранирующих пластин.

воронках, уменьшая расстояние между их осями (рис. 93, а), а также при повторных проходах при смещении осей выработок на длину радиуса основания воронки или половину ширины траншеи поверху (рис. 93, б).

Перечисленные варианты относятся к технологическим. Кроме этого, возможны и технические варианты, т. е. такие, когда меняется геометрия рабочего органа добычной машины. Применительно к варианту разработки траншеями таким способом может служить использование уширенного всасывающего наконечника, а при разработке воронками — экранирующий диск, устанавливаемый в непосредственной близости от нижнего среза грунтозаборника. Очевидно, что в этих случаях потери будут существенно зависеть от радиуса экранирующего диска или ширины щелевидного грунтозаборника.

Извлекаемый материал составляет объем усеченного конуса

Vyc. к=^- Н (R^Rr^=2^- (1 +-£- + ~^), где г — радиус экранирующего диска.

Заметим, что R, г и Н (рис. 94, а) связаны между собой соотношением R = r-VHctg ср. При разработке воронками по клеточному способу потери на одну воронку будут определяться формулами

^-- 10Э=-^-[12 —(1^-4--^-)] . 100.v парL'^-- 10Э=-^-[12 —(1^-4--^-)] . 100.v парL'

^-- 10Э=-^-[12 —(1^-4--^-)] . 100.

v парL'

^-- 10Э=-^-[12 —(1^-4--^-)] . 100.

v парL'

^X™ ^^ гаОСОбОМ ™reP" "°™ ™№

"T-O+iг I г2 \1R "''"RTjV*"T-O+iг I г2 \1R "''"RTjV*vnoi = vnp- Vyc. K=2W /3"

"T-O+iг I г2 \1R "''"RTjV*

"T-O+iг I г2 \1R "''"RTjV*

-^[6)/зЛ(

R

Если месторождение разрабатывается траншеями, то из параллелепипеда извлекается призма, имеющая в сечении равнобочную трапецию (рис. 96, б), площадь которой S=(/?+г)Я. Ее объем равен VI1p = 2R(iR-V-r')H=2R2H^l-y-r/R'). Тогда

Vn0I=VnaP- Vnp=4W - 2R2H (1 ^rlR)^2R2H (1 - r/Я);

• 100(1 ~ rlR^ • 100.

У nap

Результаты вычислений по формулам для процентного определения потерь при этих трех вариантах для отношения r/R = = 0-ь0,5 сведены в табл. 46.

Метод разработки

Отношение г//?

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Воронками по клеточной схеме

73,8

71,0

67,6

63,7

59,2

54,3

Воронками по сотовой схеме

69,8

66,5

62,5

58,0

52,9

47,1

Траншеями

50

45

40|

35

30

25

Потери полезного ископаемого, %

Таблица 46

Экономическая эффективность подводной добычи полезных ископаемых

Мировой опыт разработки морских россыпей является во многих случаях и примером высокоэкономической работы горных предприятий [52], созданных в кратчайший срок и в ряде случаев с меньшими удельными капиталовложениями, чем на суше, за счет следующих преимуществ:

при подводной добыче полезных ископаемых часто сокращается объем горно-капитальных и подготовительных работ;

работы по укладке пустых пород в подводные отвалы незначительны;

исключается необходимость в отчуждении сельскохозяйственных земель;

при разработке россыпных подводных месторождений иногда не требуется вскрышных работ;

использование морского транспорта для доставки сырья потребителю;

отсутствие необходимости строительства хвостохранилищ,. линий электропередач, систем водоснабжения, капитальных траншей.

Все перечисленные преимущества подводной добычи по- сравнению с континентальной намного снижают не только капитальные, но и эксплуатационные расходы.

Себестоимость добычи полезного ископаемого и капитальные затраты, связанные с ней, зависят от производительности подводного карьера, варианта расположения обогатительного- оборудования и технологии разработки месторождения. На производительность подводного карьера в свою очередь влияют следующие факторы: запасы, горно-геологические параметры месторождения, глубина его залегания от поверхности моря. Помимо этих факторов нельзя не учитывать и метеорологический и гидрологический режимы моря над подводным карьером. Необходимо иметь в виду и возможную производительность технических средств подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов, которые еще находятся в стадии совершенствования существующих дноуглубительных средств и создания новых специальных конструкций.

Производственная мощность подводного карьера по полезному ископаемому Мп при разработке рудных месторождений без обогащения полезного ископаемого определяется по формуле

м —v ViV1n—in ь v n*к раз

где уп— объемный вес полезного ископаемого; ед— коэффициент извлечения при добыче полезного ископаемого; £раз = = V/Mn — коэффициент разубоживания; Vn — годовой объем полезного ископаемого; V—количество разубоживающей породы или некондиционной руды в добытой рудной массе.

Мощность или производительность карьера по горной массе Мм при разработке погребенных месторождений без обогащения полезного ископаемого будет равна

где ув — объемный вес вскрышных пород; &т — текущий коэффициент вскрыши для данного года эксплуатации.

МкМкаЁД^разаЁД^разПроизводственная мощность подводного карьера по черновому концентрату Л4К при первичном обогащении полезного ископаемого в море или в порту определяется по формуле

Мк

Мк

аЁД^раз

аЁД^раз

—Y V “Е° М

Р in^ п7Мм,

где а — содержание железного компонента в исходной руде; е0 — коэффициент извлечения при первичном обогащении; р — содержание полезного компонента в черновом концентрате.

При подводной добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов основные технологические схемы зависят от размещения оборудования первичного обогащения. Возможны различные варианты размещения обогатительного комплекса: 1) на берегу в районе подводной разработки; 2) в,порту; 3) на борту добычного судна; 4) на специальных судах или платформах; 5) придонное обогащение полезного ископаемого. В каждом конкретном случае рассчитывается экономическая эффективность технических решений и выбирается оптимальный вариант.

Экономическая эффективность технических решений в этом случае определяется по приведенным затратам на добычу и обогащение полезного ископаемого по каждому варианту л в качестве оптимального выбирается вариант с наименьшими приведенными затратами, которые рассчитываются по формуле

Кпр=С^-еК,

где С — себестоимость добычи и обогащения; 8=1/7— коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений; Т = КЩ — срок окупаемости капитальных вложений; К— капитальные вложения по вариантам; П—годовая прибыль.

В формуле приведенных затрат себестоимость С определяется следующим образом:

С —Ср+^вСв-|-Сд-^-Со6-5-СТр, где Ср — стоимость геологоразведочных работ, включаемая с 1974 г. в себестоимость продукции горных предприятий; кв — коэффициент вскрыши; Св — стоимость вскрышных работ; Сд — стоимость добычных работ; СОб — стоимость обогащения; Стр — стоимость транспорта.

Себестоимость разработки 1 м3 грунта будет зависеть от применяемого оборудования. Экономическое сравнение и оценка рациональной области применения плавучих снарядов можно производить по расчетной стоимости разработки 1 м3 грунта, полученной по теоретической производительности и предельному грунтовому к. п. д. машины:

СО = СМ. cm/QcmI См см = (АГам4'Ср у)/Гсм-ЬСремЦ-СэнЦ-Сс-^-3, 266

где См. см — стоимость машино-смены земснаряда; QCM — сменная эксплуатационная производительность; Кам— амортизационные суммы; Ср. у — суммы на содержание и ремонт вспомогательных устройств и сооружений; Тсм — число смен работы в году; Срем — стоимость ремонтов, кроме капитальных; .Сж — - стоимость энергии; Сс — стоимость смазочных и обтирочных материалов; 3 — зарплата обслуживающего персонала.

Данной формулой можно пользоваться для определения разработки 1 м3 грунта при работе любой машины. Однако для сравнения двух машин можно упростить формулу, исключив из нее те величины, которые не изменяются при переходе от одной машины к другой. При сопоставлении работы землесосных снарядов с эжекторным грунтозабором и без него такие затраты, как амортизация, содержание и ремонт вспомогательных устройств, стоимость ремонта, стоимость смазочных и обтирочных материалов, зарплата обслуживающего персонала, могут быть приняты одинаковыми. Тогда стоимость разработки 1 м3 грунта может быть выражена формулой

C0=(A-j-C’3H)/QCM,

где Л — стоимость всех затрат одинаковых как для землесосного, так и для эжекторно-землесосного снаряда.

Сменная производительность снаряда может быть выражена через часовую по формуле

где Q4—часовая производительность; &вр— коэффициент смен кого использования машины во времени. Тогда

Со—(-А-5-Сэн)/((2чДВр).

Если говорить о разработке мономинеральных россыпей и первичном обогащении на борту добычного судна, то допустимые затраты на 1 м3 перерабатываемых песков могут быть определены по следующему выражению:

Г аЕ1Е| о аЕ* \

р ^дов

где Цо — оптовая цена 1 т моноконцентрата, удовлетворяющего требованиям ГОСТ или ТУ; а — содержание полезного минерала в исходных песках; р— содержание полезного минерала в конечном концентрате; р,— содержание полезного минерала в черновом концентрате; е — коэффициент сквозного извлечения; 81 — коэффициент извлечения при получении черновых концентратов в морских условиях; Сдов — стоимость доводки 1 т чернового концентрата; Стр— стоимость погрузки и транспорта 1 т чернового концентрата с морского побережья на доводочную фабрику.

Капитальные вложения на строительство горнорудного предприятия для добычи морских россыпей определить довольно трудно из-за отсутствия достаточного опыта. Для промышленных комплексов континентальных драг В. Г. Лешков f40] приводит следующие данные.

Вместимостьчерпака, л80150250380Вместимостьчерпака, л80150250380Стоимостьстроительства,тыс. руб.200—2501100—16002200—30003100—4200Стоимостьстроительства,тыс. руб.200—2501100—16002200—30003100—4200

Вместимостьчерпака, л

80

150

250

380

Вместимостьчерпака, л

80

150

250

380

Стоимостьстроительства,тыс. руб.

200—2501100—16002200—30003100—4200

Стоимостьстроительства,тыс. руб.

200—2501100—16002200—30003100—4200

Эти цифры соответствуют удельным капитальным вложениям в пределах 1 —1,17 руб. на 1 м3 песков номинальной производительности драги. Обычно капитальные вложения находят путем прямого расчета: суммированием затрат по отдельным статьям. Имеющиеся в настоящее время данные отечественного и зарубежного опыта добычи полезных ископаемых со дна моря показывают, что эксплуатационные затраты при морской добыче не превышают затрат при разработке россыпей на суше или оказываются в 1,5—2 раза ниже. Срок окупаемости капитальных вложений в морскую драгу ожидается в пределах 2—4 лет, т. е. меньше нормативного в горной промышленности. Поэтому сотрудники МГРИ П. П. Кобахидзе и Л. П. Берденникова считают, что приведенные затраты Кпр = С + еК при освоении морских россыпей будут ниже, чем на суше, что в свою очередь повлечет снижение минимального допустимого промышленного содержания полезных компонентов в песках:

' ^гК^К^Цоки,

где Ко — капитальные затраты на драгу, транспорт, наземные сооружения и пр.; 8 — коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений; ки— коэффициент извлечения; Кр— затраты на геологоразведочные работы, отнесенные к единице промышленных запасов; Цо — оптовая цена продукции.

Заключение

В своей книге «Морская химия» один из известных американских исследователей океана Р. А. Хорн пишет: «Сегодня мы живем среди всеобщего волнения, вызванного первой попыткой человека покинуть родную планету и исследовать соседние миры. Это великое событие сопряжено с риском, которому подвергается человек, попадающий в экстремальные условия: почти полный вакуум мирового пространства; полное отсутствие воды и огромные перепады температур лунной поверхности; плотная закутанная облаками атмосфера Венеры; разреженная атмосфера Марса и, наконец, чрезвычайно холодная атмосфера Юпитера, содержащая аммиак, метан, водород и гелий. Хотя это может показаться странным, автор глубоко убежден в том, что даже наиболее необычная окружающая среда в любом ее проявлении является пусть одиноким, но хорошо известным путем к причалам по сравнению с дорогой в неизведанную даль — океаны Земли» [64, с. 11].

Мы позволили себе привести столь длинную цитату, чтобы, несмотря на определенную категоричность утверждений ее автора, еще раз подчеркнуть действительно чрезвычайные сложности в исследованиях глубин Мирового океана, и тем большие трудности, которые встанут при освоении его минеральных ресурсов, ибо такое освоение должно иметь массовый масштаб работ.

Любым техническим решениям (а геологи уже знают, насколько сложно вести разведочные работы в море) должен предшествовать тщательный анализ опыта предыдущих теоретических и лабораторных исследований и практических работ. Особое внимание необходимо уделять условиям ведения морских горных работ, процессам в подводных забоях, достоверности разведки и опробования, устойчивости подводных горных выработок и отвалов, потерям полезного ископаемого, контролю за полнотой его выемки и многим другим вопросам, которые должны предшествовать отработанным методам разведки и обоснованным системам разработки полезных ископаемых Мирового океана..

Автор надеется, что книга будет некоторым вкладом в решение этой сложнейшей технической проблемы.

Список литературы

Агранат Г. А. Конференции по Северу в 1973—1974 гг.—В кн.: Летопись Севера. Т. 7. М„ 1975, с. 151—152.

Аксенов А. А. О рудном процессе в верхней зоне шельфа. М., Наука,

Архангельский И. В. Бурение скважин в прибрежной зоне морей. Л., Недра, 1975. 173 с.

Баркан А. А. Виброметод в строительстве. М., Госстройиздат, 1959. 216 с.

Богданов А. В., Добрецов В. Б. Повышение достоверности крупнообъемного опробования морских россыпей. М., ВИНИТИ. Деп. № 2180—76, 1976. 18 с.

Бондаренко Н. Г. Образование, строение и разведка россыпей. М., Недра, 1975. 56 с.

Васильчиков Н. В., Стружков Ф. Э. Использование вертолета для изысканий на шельфах.— Колыма, 1975, № 10, с. 44—47.

Воронов В. Г. Особенности обитания животных на шельфе в зоне активного вулканизма.— В кн.: Шельф: природа и ресурсы. Л., 1976, с. 58—60.

Геология и полезные ископаемые Мирового океана/Е. А. Величко, Ю. Я. Кузнецов, Л. Э. Левин и др. М., Недра, 1978. 205 с.

Гончаров В. Н. Движение наносов в равномерном потоке. Л.—М., ОНТИ, 1938. 126 с.

Горбис 3. Р. Теплообмен и гидромеханика-дисперсных сквозных потоков. М., Энергия, 1970. 423 с.

Дерюгин К. К., Степанюк И. А. Морская гидрометрия. Л., Гидроме- теоиздат, 1974. 385 с.

Десятников И. А., Евстигнеев Е. С., Пешаков Ю. А. Основания для бурения скважин в море, применяемые за рубежом. М., 1976. НО с. (Все- союз. науч.-исслед. ин-т организации, экономики и управления нефтегаз, пром-сти).

Дикине Дж. Е. Изготовление платформ из морского льда,—В кн.: Лед и снег. М., 1966, с. 250—264.

Добрецов В. Б. Основы разработки полезных ископаемых дна акватории. Ч. 1. Л., 1976. 90 с. (Ленингр. горн. ин-т).

Добрецов В. Б. Гидрофизические методы разработки россыпей шельфа. Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. 98 с.

Добрецов В. Б. Технологические схемы разработки россыпей шельфа гидрофизическими методами.— Изв. вузов. Горн, журн., 1976, № 12, с. 19—23.

Добрецов В. Б., Богданов А. В., Лобович В. Г. Опробование рыхлых отложений шельфа.— Разведка и охрана недр, 1976, № 9, с. 53—55.

Добрецов В. Б. Процессы в подводном забое при разработке рыхлых отложений шельфа.— В кн.: Вопросы разработки месторождений Дальнего Востока. Владивосток, 1976, с. 106—110.

Добрецов В. Б. Подготовка горной массы к выемке в подводном забое. Л., 1977. 99 с. (Ленингр. горн. ин-т).

Добрецов В. Б. Гидродинамический метод подводной разработки рыхлых полезных ископаемых.— Физ.-техн, проблемы разработки полези. ископае

ископаемых диа аква- c. Гидроэлеватор для и охрана иедр, 1978,ископаемых диа аква- c. Гидроэлеватор для и охрана иедр, 1978,мых, 1977, № 3, с. 92—99.

ископаемых диа аква- c. Гидроэлеватор для и охрана иедр, 1978,

ископаемых диа аква- c. Гидроэлеватор для и охрана иедр, 1978,

Добрецов В. Б. Основы разработки полезных тории. Ч. 2. Л., 1977. 87 с. (Леиингр. гори. ин-т).

Добрецов В. Б., Голубев Е. В., Юдовный Е. опробования рыхлых отложений шельфа.— Разведка

технологические пара-технологические пара-№‘5, с. 29—32.

технологические пара-

технологические пара-

Добрецов В. Б., Двинский А. С. Основные

метры - разработки методом внедряющегося грунтозаборника.— Физ.-техн. проблемы разработки полезн. ископаемых, 1978, № 1, с. 80—87.

Доктор Ф. Ш. Опыт применения вибраций на очистке оросительных каналов от заиления землесосными снарядами.— Гидротехника и мелиорация,

1963, № 12, с. 16—19.

Жученко В. А. Новая технология гидромеханизированной добычи и переработки грунтов. М., Стройиздат, 1973. 283 с.

Забела К. А., Кушнирюк Ю. Г. Пособие по подводио-техническим работам в строительстве. Киев, Будивельник, 1975. 162 с.

Зубов Н. Н. Льды Арктики. М., 1945. 368 с.

Исследования в области буровзрывных работ и горных разработок в карьерах Главленстройматериалов/В. В. Добрецов, И. А. Сень, Г. С. Лурс- манашвили, В. Б. Шаповалов.— В кн.: Исследования в области новых строительных материалов, технологических процессов и машин. Л., 1977, с. 52—57.

История Мирового океана. М., Наука, 1971. 281 с.

Кан С. И. Морские льды. Л., Гидрометеоиздат, 1974. 123 с.

Коуш П. Исследовательские программы по океанографии в США и других странах.— Глюкауф, 1970, № 6, с. 43—47.

Коуш П. Исследование моря в ФРГ.— Глюкауф, 1970, № 2, с. 37—38.

Коротков А. И. Основы климатологии, гидрологии, гидрогеологии и инженерной геологии морских побережий. Л., 1973. 46 с. (Ленингр. горн. ин-т).

Кронгауз М. Л. Опыт попутного обогащения железосодержащих песков при их подводной добыче.— В ки.: Вопросы подводной добычи полезных ископаемых. М., 1971, с. 49—52.

Кустов Э. Д. География рыбной промышленности. М., Пищевая пром-сть, 1968. 186 с.

Лазуков Г. И., Чочиа И. Г., Спасский И. Я. Основы геоморфологии и геологии антропогена. Л., 1976. 220 с. (Ленингр. горн. ин-т).

Левин С. И. Проектирование и строительство подводных трубопроводов. М„ Гостоптехиздат, 1960. 263 с.

Лезгинцев Г. М., Истошин С. Ю„ Контарь Е. А. Применение эрлифтного оборудования для разработки морских россыпей. М., 1973. 72 с. (ЦНИИ- цветмет).

Лешков В. Г. Современная техника и технология дражных работ. М., Недра, 1971. 287 с.

Лященко П. В. Гравитационные методы обогащения. М., Гостоптехиздат, 1940. 232 с.

Менард Г. У. Глубоководное дно Океана.— В кн.: Океан. М., 1971, с. 81—99.

Михайлов С. В. Мировой океан и человечество. М., Экономика, 1969. 397 с.

Молочников Л. Н. .Подводный земснаряд.— В кн.: Научные основы создания подводной, автоматизированной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. М., 1975, с. 161—177.

Необитаемые подводные аппараты. Под ред. А. В. Сытина. М., Воен- издат, 1975. 155 с.

Огородников С. П. Инжектирование на землесосных снарядах. М„ . Госстройиздат, 1962. 269 с.

Огурцов А. И. Намыв земляных сооружений. М., Стройиздат, 1974. 214 с.

О потенциальных ресурсах и добыче нефти и газа на шельфе морей и океанов/Н. Г. Блинова, Г. И. Богацкая, А. Р. Бройтман и др.— Экономика нефт. пром-сти, 1975, № 11, с. 22—23.

Поиски, разведка и эксплуатация полезных ископаемых морского дна. Под ред. П. С. Воронова. Л., Недра, 1975. 190 с.

Производственные нормы на морские дноуглубительные работы. М., Транспорт, 1974. 247 с.

Ржевский В. В., Добрецов В. Б. Физические свойства горных пород и процессы при отрицательных температурах. М., 1969. 125 с. (Моск. горн, ин-т).

Ржевский В. В., Нурок Г. А., Бруякин Ю. В. Экономическая эффективность подводной добычи полезных ископаемых. М., 1975. 23 с. (Моск, горн. ин-т).

Романенко Б. Е. Эффективные режимы и способы работы землесоса. М., Речтрансиздат, 1954. 196 4.

Рощупкин Д. В. Разработка грунтов землесосными снарядами. М., Стройиздат, 1969. 248 с.

Сизое Г. И. Работа затопленной гидромониторной струи. М., Вод- трансиздат, 1953. 82 с.

Сизое Г. Н. Струйные установки и их применение на речном транспорте. М., Энергоиздат, 1962. 142 с.

Системы, приборы и устройства подводного поиска/Р. Ф. Жуков, А. А. Кондратович, С. Д. Могильный и др. М., Воениздат, 1972. 182 с.

Совершенствование технических средств и технологии морских дноуглубительных работ. Самоотвозные землесосы/А. А. Наумов, Н. И. Носов, В. Н. Песочинский и др. М., 1975. 47 с. (УБНТИ ММФ)^

Страхов П. М. Основы теории литогенеза. Т. 1—3. М., Изд-во АН СССР. Т. 1, 1960. 212 с. Т. 2, 1960. 574 с. Т. 3, 1962. 550 с.

Технические средства для освоения минеральных ресурсов океана. Л., Судостроение, 1972. 199 с.

Требования к материалам разведки и опробования при подсчете запасов россыпных месторождений. Под ред. А. П. Божинского. М., 1960. 196 с. (ЦНИГРИ).

Фридман Б. Э. Разработка россыпных месторождений гидромеханизацией. М., Металлургиздат, 1957. 244 с.

Харин А. И. Разработка грунтов плавучими землесосными снарядами. М., Стройиздат, 1966. 212 с.

Хорн Р. А. Морская химия. М., Мир, 1972. 397 с.

Шепард Ф. П. Морская геология. Л., Недра, 1976. 487 с.

Шестопал А. О. Гидравлическое погружение труб, свай и шпунта. М, 1959. 69 с.

Шкундин Б. М. Землесосные снаряды. М., Энергия, 1973. 270 с. ■

Шнюков Е. Ф., Белодед Р. М., Цемко В. П. Полезные ископаемые Мирового океана. Киев, Наукова думка, 1974. 204 с.

Шпайхер А. О. Исследования США в Арктическом бассейне.—В кнц Летопись Севера. Т. 7. М., 1975, с. 113—128.

Эмери К. О. Континентальные шельфы.— В кн.: Океан. М., 1971, с. 62—81.

Юфин А. П. Гидромеханизация. М., Стройиздат, 1974. 219 с.

Deep ocean floor nodule mining — ferst generation techniques are here.— Min. Engng, 1975, Apr., p. 47—52.

Li Ta M., Tinsley C. R. Meeting the challenge of material demands from the oceans.— Min. Engng, 1975, Apr., p. 28—30.

1980 date set deep sea nodule mining.— Can. Min. J., 1974, N 5, p. 65.

Walter N. Th. Modern statut of ofshore mining.— Min. Engng, 1971, vol. 23, N 10, p. 51—53.

I суровые суда

13 Заказ № 160

В. Б. Добрецов

Освоение

■ минеральных ресурсов шельфа

ЛЕНИНГРАД

«НЕДРА»

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1980

УДК 551.351.2:622.272.5

Добрецов В. Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа.— Л.: Недра, 1980.— 272 с.

■ Рассмотрены технические и технологические проблемы разведки и разработки минеральных ресурсов шельфа. Проанализировано современное состояние проблемы и дальнейшие перспективы ее развития. Приведены основные сведения о полезных ископаемых шельфа и других частей Мирового океана. Отмечены специфические особенности арктического шельфа, описано современное состояние индустриального освоения ледяного покрова. Подробно рассмотрены вопросы подготовки горной массы к выемке и процессы в подводном забое, вопросы устойчивости подводных горных выработок, а также совершенствования техники и технологии освоения морских россыпей с целью создания экологически состоятельной технологии.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся разведкой и разработкой Полезных ископаемых .дна акватории, а также может быть полезна студентам вузов соответствующих специальностей.

Табл. 46, ил. 94, список лит. 75 назв.

Р

В. л

Викто]

Освоение минеральных ресурсов шельфа

Редактор издательства В. С. Селиванов. Переплет художника Ю. И. Прошлецова. Технический редактор Н. П. Старостина. Корректор М. И. Витис.

ИБ № 2915

Сдано в набор 14.12.79. Подписано в печать 09.07.80. М-29711. Формат бОХЭО'Ае. Бумагакн.-журн. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 17. Уч.-изд. л. 18,47.Тираж 1550 экз. Заказ № 160/478. Цена 1 р. 30 к.

Издательство «Недра». Ленинградское отделение. 193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфо- ровская, 12. Ленинградская типография № 8 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 190000, г. Ленинград, Прачечный переулок, 6.

20801—336043(01)—8020801—336043(01)—8030—8030—8019040400001904040000© Издательство «Недра», 1980© Издательство «Недра», 1980

20801—336

043(01)—80

20801—336

043(01)—80

30—80

30—80

1904040000

1904040000

© Издательство «Недра», 1980

© Издательство «Недра», 1980

Оглавление