Обоснование рациональных параметров гидротранспорта подводного комплекса для добычи твердых полезных ископаемых с учетом морских течений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Егоров Илья Викторович

• Егоров Илья Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Егоров Илья Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ МОРСКОГО ДНА. СРЕДСТВА ДЛЯ ДОБЫЧИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ

1.1 Твердые полезные ископаемые океана. Свойства и условия залегания

1.2 Метеорологические и гидрологические условия в районах залегания подводных твердых полезных ископаемых

1.3 Анализ технических средств для подводной добычи

1.3.1 Оборудование выносного действия

1.3.2 Погружное выемочное оборудование

1.3.3 Трубопроводное подъемно-транспортное оборудования

1.4 Способы позиционирования и удержания системы гидроподъема в пространстве добычного поля

1.5 Подводный добычной комплекс с независимым позиционированием

системы гидроподъема. Конструкция и принцип работы

Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГИДРОПОДЪЕМА ПОДВОДНОГО ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА

2.1 Энергоемкость транспортирования твердых полезных ископаемых

до бункера питателя

2.2 Энергоемкость процесса гидроподъема твердых полезных ископаемых при вертикальном положении системы

2.3 Глубина погружения подводной станции

2.4 Разработка методики определения рациональных параметров гидротранспорта и параметров системы гидроподъема

2.4.1 Численное моделирование работы системы гидроподъема

2.4.2 Методика определения рациональных параметров гидротранспорта

и параметров системы гидроподъема

Выводы

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГИДРОТРАНСПОРТА ПОДВОДНЫХ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

3.1 Создание экспериментального стенда

3.2 Транспортируемый материал, его обработка и анализ

3.3 Планирование эксперимента

3.4 Проведение эксперимента по гидроподъему чистой воды

3.5 Проведение экспериментов по гидроподъему шельфовых ЖМК

3.5.1 Проведение эксперимента

3.5.2 Обработка экспериментальных данных

3.5.3 Анализ экспериментальных данных

Выводы

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГИДРОПОДЪЕМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕЧЕНИЙ

4.1 Энергоемкость процесса гидроподъема твердых полезных ископаемых при воздействии течений

4.2 Внутренние и внешние силы, действующие на систему гидроподъема

4.3 Теоретические исследования воздействия внутренних и внешних сил

4.3.1 Воздействие на гибкие трубопроводы

4.3.2 Воздействие на секцию трубопровода

4.3.3 Воздействие сил на оборудование системы гидроподъема

4.3.4 Нагрузки на придонное оборудование «якорная система ГПС»

4.3.5 Нагрузки на придонное оборудование «якорная система ЖМК»

4.4 Характер гидрологического воздействия на элементы системы гидроподъема

4.5 Компьютерное моделирование и его результаты

Выводы

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ГИДРОПОДЪЕМА

5.1 Показатели работы системы гидроподъема на примере добычи ГПС в приэкваториальной зоне Атлантического океана

5.1.1 Параметры месторождения и применяемое оборудование

5.1.2 Определение параметров гидротранспорта и параметров системы гидроподъема

5.1.3 Определение энергетических характеристик системы гидроподъема под воздействием течений

5.2 Закономерности изменения энергоемкости гидроподъема от характеристик подводных течений

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Компьютерная модель расчета системы гидроподъема

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Методы определения удельных потерь напора при

движении гидросмеси по трубам

ПРИЛОЖЕНИЕ В Секция шарнирного трубопровода

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Одинарная секция с гибкой связью

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Двойная секция с гибкой связью

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Местные сопротивления в шарнирных и гибких соединениях

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Экспериментальные данные

ПРИЛОЖЕНИЕ З Акт внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных параметров гидротранспорта подводного комплекса для добычи твердых полезных ископаемых с учетом морских течений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В соответствии с «Морской доктриной РФ до 2030 года» [51] и распоряжением правительства РФ от 22.06.2015 г. №21143-р «Об утверждении Концепции федеральной целевой программы «Мировой океан» на 2016-2031 годы» [56], направленных на развитие морской деятельности РФ, необходимо создавать высокотехнологичные технические средства для поиска, разведки и добычи минерального сырья, расположенного на дне морей и океанов.

В настоящее время Россия обладает правом на разработку двух полей залегания железомарганцевых конкреций (ЖМК) [20, 52], расположенных в восточной части провинции Кларион-Клиппертон (Тихий океан), с суммарными запасами более 640 млн.т, и проводит геологоразведочные работы на глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС) в рамках контракта, подписанного 29 октября 2012 г. с Международным органом по морскому дну [6, 52] о выделении РФ участка площадью 10 тыс. квадратных километров в районе Срединно-Атланти-ческого хребта. Для выполнения контрактных обязательств и сохранения права на разработку месторождений России необходимо разработать комплекс для подводной добычи (ПДК) и провести опытную добычу ЖМК и ГПС.

Гидротранспорт является наиболее производительным способом подъема полезных ископаемых со дна на добычное судно. Существующие системы гидроподъема при использовании в условиях районов расположения ЖМК и ГПС имеют ряд недостатков: простои оборудования во время прохождения морских штормов, монтаж и демонтаж транспортной системы снижают полезное время работы подводного добычного комплекса; повышенное морское волнение вызывает значительные динамические нагрузки в узлах крепления трубопроводов к добычному судну; воздействие подводных однонаправленных и разнонаправленных течений приводит к изменению профиля и длины трубопроводов, что повышает затраты энергии на транспортирование [13, 80].

Разработка оборудования, обеспечивающего высокую производительность и обладающего наименьшими энергетическими затратами при гидроподъеме ЖМК и ГПС в условиях районов их залегания, является актуальной задачей.

Целью работы является обоснование энергетических показателей работы подводного добычного комплекса на основе определения рациональных параметров гидротранспорта, обеспечивающих энергоэффективный режим работы системы гидроподъема, и установления зависимостей изменения профиля трассы и длины трубопроводов от воздействия подводных течений, обуславливающих дополнительные затраты энергии на подъем твердых полезных ископаемых со дна на добычное судно.

Идея исследования. Повышение энергетической эффективности подводного добычного комплекса основано на определении рациональных параметров гидротранспорта при добыче твердых полезных ископаемых с учетом влияния подводных течений на профиль трассы трубопроводов, характеризующий длину трубопроводов и глубину погружения энергетического оборудования.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований гидротранспорта твердых полезных ископаемых, а также опыта разработки и использования технических средств гидроподъема полезного ископаемого со дна на добычное судно; метод механики гибкой нити и теория процессов взаимодействия потока с трубопроводом; теоретические исследования на базе математического и компьютерного моделирования воздействия подводных течений на искривление профиля трассы транспортирующих трубопроводов; методы планирования эксперимента; методы подобия и размерностей; проведение экспериментальных исследований; сопоставление экспериментальных и теоретических данных.

Положения, выносимые на защиту:

- энергоэффективный режим работы системы гидроподъема, оснащенной подводной станцией, достигается при рациональной объемной концентрации твердого с учетом плотности гидросмеси, обеспечивающей минимальную

6

энергоемкость процесса гидроподъема, и выборе внутреннего диаметра трубопровода по параболической зависимости удельных потерь напора от ее скорости, построенной на основе численного моделирования вертикального гидротранспорта;

- плотность гидросмеси, взаимосвязанная с рациональной объемной концентрацией, определяется суммой диаметра транспортируемых частиц с переменной а, являющейся степенной функцией производительности, переменной Ь линейно-изменяющейся от 25 до -25 при повышении плотности твердого от 2000 до 4000 кг/м3 и постоянной составляющей с равной 1177;

- определение изменения профиля трассы и длины транспортирующих трубопроводов под воздействием подводных течений достигается с помощью компьютерного моделирования, проведенного по полученным аналитическим зависимостям, описывающим процесс ориентации секции трубопровода в трехмерном пространстве под воздействием потока течений;

- плавучесть элементов системы гидроподъема, характеризуемая коэффициентом положительной плавучести секции трубопровода и определяющая способность системы вытягиваться в линию с малым отклонением от вертикальной оси или свободно изгибаться под действием течений, устанавливает взаимосвязь диаметра оболочки секций, натяжений в узлах крепления трубопроводов и энергетических затрат на гидроподъем горной массы;

- влияние воздействия гидрологической среды на увеличение энергоемкости процесса гидроподъема определяется на основе установленных параболических зависимостей дополнительных затрат энергии, характеризуемых коэффициентом воздействия течений, от скорости и коэффициента разнонаправленно-сти подводных течений.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в определении и обосновании энергоэффективного режима работы системы гидроподъема с подводной станцией, определяемого по минимальной энергоемкости и обеспечиваемого при плотности гидросмеси равной сумме двух

переменных, являющихся функцией диаметра транспортируемых частиц, производительности и плотности твердого, а также постоянной составляющей равной 1177;

- в установлении параболических зависимостей дополнительных затрат энергии на гидроподъем твердых полезных ископаемых, характеризуемых коэффициентом воздействия течений, от коэффициента разнонаправленности подводных течений, оказывающих свое влияние на искривление профиля трассы трубопроводов;

- в выявлении и обосновании влияния плавучести элементов системы гидроподъема, характеризуемой коэффициентом плавучести секции, на дополнительную энергоемкость процесса гидроподъема твердых полезных ископаемых в условиях воздействия подводных течений.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, подтверждается корректностью постановки задач; корректным использованием методов теоретической механики и механики гибкой нити; представительным объемом экспериментальных данных, полученных как при численном моделировании, так и в стендовых условиях; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения коэффициентов корреляции находятся в пределах 0,86 - 0,99); опытом применения метода расчета вертикального гидротранспорта; удовлетворительной сходимостью экспериментальных и теоретических результатов с отклонением 1,34%.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- разработана модификация подводного добычного комплекса с независимым позиционированием системы гидроподъема, позволяющим обеспечить временную автономность подводной части комплекса и уменьшить динамические воздействия морских волнений на трубопроводы;

- разработана методика определения рациональных параметров гидротранспорта и параметров системы гидроподъема для снижения энергоемкости гидроподъема подводных твердых полезных ископаемых;

- разработана компьютерная модель, позволяющая определять рациональные параметры системы гидроподъема и проводить моделирование влияния морских течений на искривление профиля трассы трубопроводов, которое приводит к увеличению их длины и глубины погружения подводной станции, определяющих дополнительные затраты энергии на гидроподъем полезных ископаемых.

Реализация работы. Результаты исследований, конфигурация добычного комплекса, методика определения параметров, компьютерная модель и рекомендации приняты организациями, занимающимися разработкой средств добычи и транспортирования твердых полезных ископаемых, их разведкой и разработкой в условиях океана, - ФГБУ «ВНИИОкеангеология» и ООО «ГИКО» - для дальнейшего использования их в своих проектах.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Комплексное освоение подземного пространства» и «Расчет и проектирование горных и транспортных машин и комплексов» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности «21.05.04 Горное дело».

Личный вклад соискателя состоит в анализе и обобщении результатов ранее выполненных исследований, формулировании цели и задач исследований; разработке модификации подводного добычного комплекса с независимым позиционированием системы гидроподъема, разработке стендовой установки; проведении экспериментальных и теоретических исследований, интерпретации их результатов и подготовке публикаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры горных транспортных машин и докладывались на Международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» / Санкт-Петербургский горный университет 2014, 2015 гг.; на 54-й Международной конференции молодых ученых / Краковская горно-металлургическая академия, 2013 г.; на 65-ом Международном форуме горняков и металлургов / Фрайбергская горная академия, 2014 г.; в летней школе «От дноуглубительных работ до глубоководной добычи» / Фрайбергская горная академия, 2015 г.; на

9

ТРО МОО «Академия горных наук» / Тула, 2019 г.; на научном семинаре кафедры ГиСПС ТулГУ / Тула, 2019 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 189 страницах, содержит 71 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 107 наименований и 8 приложений.

Автор выражает глубокую признательность Санкт-Петербургскому горному университету за помощь и поддержку в выполнении настоящей работы и особенно благодарит докт. техн. наук, профессора Александрова В.И. за ценные советы и консультации.

ГЛАВА 1. МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ МОРСКОГО ДНА. СРЕДСТВА ДЛЯ ДОБЫЧИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ

1.1 Твердые полезные ископаемые океана. Свойства и условия залегания

Мировой океан всегда являлся для человека таинственным и загадочным местом. Первые попытки освоить богатства мирового океана начались примерно пять тысяч лет назад, когда финикийцы вылавливали морских моллюсков на побережье Средиземного моря для изготовления пурпурных красок [48]. Исследователи морского дна всегда сталкивались с непреодолимыми преградами, и только с развитием индустриализации в конце XIX века началось активное изучение морских глубин.

В настоящее время известно множество месторождений полезных ископаемых (ПИ), залегающих в донной поверхности водоемов мирового океана. По структуре акваторию океана можно разделить на три зоны:

- континентальный шельф, (глубина до 500 м);

- континентальный склон, (глубина от 200 до 4000 м);

- ложе океанов, (глубина от 2500 до 6000 м).

Континентальный шельф богат как количеством, так и разнообразием полезных ископаемых, к ним относятся: углеводородные ПИ (нефть, газ и уголь), рудные ПИ (подземные рудоносные залежи, россыпи тяжелых минералов, россыпи черных и благородных металлов), нерудные ПИ (песок, ракушка, галька, гравий).

В прибрежной зоне шельфа по всему миру расположены огромное количество твердых полезных ископаемых (ТПИ): россыпи касситерита, монацита, ильменитовые и титаномагнетитовые песковильменит-рутил-циркониевые россыпи, россыпи тяжелых минералов, расположенные на глубинах до 100 метров и более; залежи рутила, золотоносных песков и платины расположены на глубинах до 60 метров; крупные месторождения алмазов на глубине до 120 метров [29, 16, 36].

Шельфовая зона Российской Федерации очень обширна и включает шельфы Каспийского, Черного, Балтийского, Берингова, Охотского, Японского морей и морей Северного Ледовитого океана. В настоящее время шельф достаточно изучен для того, чтобы утверждать об огромных и перспективных россыпях с содержанием металлов до 40%. Они залегают на небольшой глубине, мощность продуктивного слоя составляет 0,3 - 1 м [29]. Имеется несколько перспективных районов с достаточно высокими концентрациями ильменита, касситерита и титаномагнетита (при содержании железа до 70 %). На северном берегу Азовского моря пляжные россыпи ильменита известны давно и некоторое время эксплуатировались. Россыпи золота сосредоточены в восточно-арктической шельфовой зоне России, в Охотском море и на шельфе о. Аскольд на юге Дальнего востока. Прибрежные россыпи тяжелых минералов (включая титаномагне-титовые) обнаружены в береговой зоне Курильских островов. Особый интерес представляют ванадистые-титано-магнетитовые 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 [27]. Месторождения с наибольшей степенью оловоностности обнаружены в Ванькиной губе моря Лаптевых, Ча-уской губе Восточно-Сибирского моря и у побережья о. Б. Ляховский [36].

Ввиду нарастающего интереса к минеральным ресурсам океана с середины XX века проводятся обширные глубоководные геологоразведочные работы, которые привели к открытию множества ТПИ, залегающих на континентальном склоне и ложе океана.

Континентальный склон и ложе океана находятся в достаточной удаленности от берега и в большинстве своем не попадают под юрисдикцию прибрежных государств, которая распространяется на «Исключительную экономическую зону» - 200 миль от берега для открытого моря и 350 миль для континентального шельфа [42]. Следовательно, в этих зонах любое государство с разрешения

Международного органа по морскому дну (МОД) при ООН (г. Кингстон, Ямайка) может проводить работы по геологоразведке и добычи полезных ископаемых.

К широко распространенным глубоководным полезным ископаемым относятся Фосфоритовые конкреции (ФК) и Глауконит. ФК представляют собой зерна песчаной размерности со средним содержанием Р около 30% и Са около 37%. Они обнаружены как на шельфе, так и на океаническом дне, залегают на глубинах от 30 до 6000 м [28]. Глауконит - это гидросиликат калия, алюминия и железа в виде маленьких, округленных зерен, распространен на континентальных склонах Атлантического и Тихого океанов.

Отложения глубоководного дна различны по генезису и составу. К ним относятся [26]:

- кремнистые илы:

а) радиоляриевые илы - Тихий и Индийский океаны, глубина

4300-8300 м, содержание кремнезема около 60%;

б) диатомовые илы - Тихий, Атлантический и Индийский океаны,

глубина залегания 1100-5700 м, содержание кремния около 68 %;

- известковые илы - Тихий и Индийский океаны, глубина 700-6000 м, содержание кальция 65-93%, кремния 1,6-1,8%, магний 0,2-2,5%;

- металлоносные илы расположены во впадинах Красного моря на глубине около 2200 м. Содержание в них железа, марганца, свинца, цинка, серебра, золота в 1000 - 50000 раз больше, чем в обычной морской воде;

- красные глубоководные глины.

Кроме упомянутых ТПИ континентального склона и ложа океана существуют ещё 4 вида глубоководных образований, представляющих наибольший интерес, это:

- газовые гидраты;

- кобальтмарганцевые корки (КМК);

- глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС);

- железомарганцевые конкреции (ЖМК).

Газовые гидраты выбиваются из этого списка, так как являются углеводородным сырьем с особой структурой, представляющие собой кристаллические соединения, образование и разложение которых зависит от температуры, давления, химического состава газа и воды, свойств пористой среды. Преобладающими газогидратами являются гидраты метана и диоксида углерода, но также встречаются гидраты, образованные на основе: C2H6, CзH8, N2, H2S и изобутана. При извлечении газовых гидратов из среды залегания (повышенное давление) они начинают терять твердую структуру и переходить в газообразное состояние, это свойство должно в первую очередь учитываться при создании систем для их добычи [18].

Газовые гидраты встречаются по всему миру в океаническом осадке континентальных и островных склонов, в осадке внутриматериковых глубоководных озер и морей, на континентальном шельфе, а также в полярных континентальных областях на глубинах между 150 и 2000 м. На основе российских глубоководных исследований выявлены залежи газовых гидратов в Охотском, Черном, Каспийском морях и в озере Байкал [46].

Кобальтмарганцевые корки - это полиметаллические образования, основой для которых служат нотифицированные и вулканогенные осадки расположенные, как правило, в пределах подводных горных сооружений и возвышенностей в интервале глубин 800-4600м. Строение корок одно-трехслойное: первый антрацитоподобный слой, расположен на выходах коренных пород; над ним -пористый слой с включением глинистого материала, а еще выше - плотный бу-роугольный слой. Наибольшая мощность характерна для нижнего слоя, а наиболее высокое содержание металлов присуще пористому слою. Толщина корок варьирует от первых миллиметров до 24 см и находится в прямой зависимости от их возраста. Плотность залегания корок достигает 270 кг/м2, в среднем составляя 60-100 кг/м2 [30].

Впервые корки были обнаружены в 1957 г. на глубине 700 м в 370 км от

о. Таити. В 1994 г. российскими учеными в ходе проведения глубоководных

14

геологоразведочных работ (ГРР) в северной приэкваториальной зоне Тихого океана были обнаружены высокопродуктивные скопления этого сырья на гайотах в Магеллановых гор с углами наклона от 3-5 до 20°. Общие запасы двух гайотов после первых оценок составляли около 134 млн. т сухой руды с содержанием рудных компонентов, в процентах: кобальта 0,39, никеля 0,48, марганца 18,1, меди 0,29 [7, 28]. В течение 20 лет Россия проводила дополнительные исследования в данном районе, после чего 10 марта 2015 года был подписан контракт между МОМД и Минприроды на разведку КМК в данном районе. Разведочный район состоит из 150 блоков площадью 20 кв. км каждый с прогнозными ресурсами до 280 млн. тонн. Ожидается, что к концу контрактного срока в контурах 50 блоков будут разведаны запасы КМК категорий С1 и С2 общим объемом не менее 45 млн. т [52].

Глубоководные полиметаллические сульфиды - это массивные сульфидные залежи, образованные в результате гидротермальной деятельности, ярким представителем которых являются черные курильщики (рисунок 1.1) [20]. ГПС залегают на границах литосферных плит, как на поверхности дна, так и внутри океанических пород.

Рисунок 1.1 - Активные черные курильщики

В 1985 г. российскими учеными были организованы и проведены первые ГРР с целью их изучения в области Восточно-Тихоокеанского поднятия, которые не привели к обнаружению значительных месторождений этого сырья, в

результате чего направление поиска ГПС сместилось в область Северно-Атлантического хребта, и уже в 1994 году обнаружены крупные рудные узлы «Логачев-1» и «Логачев-2» (глубина 2800 м), в дальнейшем были обнаружены рудные узлы «Ашадзе 1-2» (глубина 3200-4200 м), «Зенит Виктория», самое большое рудное поле 16°38л (запасы более 13 млн. т), «Питерское», «Семенов 1-5» (глубина 2160-3020 м), суммарные запасы, которых оцениваются более 50 млн. т [88].

Рудные залежи узла «Логачев-1» 14°45'с.ш., разделяющиеся на богатый медный и медно-цинковый типы [19], отличаются высоким содержанием Си (до 53,4 %) и Аи (до 32,22 г/т). Пористость руды составляет примерно 35%, а удельная плотность равна 4600 кг/м3. На основе электроразведки, проведенной в ходе экспедиций, и обработки результатов обнаружено 7 крупных рудных тел, получены данные об их размерах и приблизительном объеме полезных ископаемых в каждом [8, 17]. Данные представлены в таблице 1.1. Форма рудных тел преимущественно овальная, глубина залежей может достигать до 20-24 м.

Таблица 1.1 - Характеристики рудных тел рудного узла «Логачев-1»

Рудные тела

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7

Размеры, м 160/120 45/20 60/30 30/25 110/40

Площадь, м2 5851 1208 1477 1147 2126 1438 497

Объем, м3 140424 28983 35449 27531 51024 34534 11930

Запасы, тыс.т 1274 48,4 86,2 18,6 208,8

Суммарные запасы рудного узла оценены более чем в 2 млн. т, но эта цифра на основе проведения разведочного бурения может быть увеличена в полтора раза [17].

Повсеместно, в течение четвертьвекового изучения ГПС, в мире было открыто более 60 значительных рудных полей и узлов, общие запасы полезных компонентов в которых представлены в таблице 1.2 [6].

Таблица 1.2 - Потенциальные ресурсы ГПС

Металлы Содержание Потенциальные ресурсы

Си 0,5-37,75 % 154,1 млн. т

0,5-23,64 % 88,4 млн. т

РЬ 0,4-9,3 % 19,1 млн. т

Ав 45-1213 г/т 316,7 тыс. т

Аи 1-32,3 г/т 4,54 тыс. т

29 октября 2012 г. состоялось подписание контракта между РФ и МОМД о выделении РФ участка площадью 10 тыс. квадратных километров в районе Срединно-Атлантического хребта (рисунок 1.10) для проведения ГРР на ГПС. Работы проводит «Полярная морская геологоразведочная экспедиция». В результате проведения работ планируется получить подробные данные о составе и объеме ГПС на всех выявленных месторождениях, на основании которых будет возможно заключить следующий контракт, дающий право на ведение добычи ГПС в данном районе [50, 52].

Железомарганцевые конкреции представляют собой полиметаллические образования, диаметр которых в среднем варьируется от 0.5 до 10 см. Наиболее распространены две разновидности ЖМК, «А» и «С» [90]:

- разновидность «А» представляет собой сфероидальные или эллипсоидальные конкреции, размером от 0,5 до 5 см, с гладкой или шероховатой поверхностью (рисунок 1.2);

- разновидность «С» - это конкреции размером от 5 до 10 и более см, эллипсоидальной, дисковидной или полигональной формы с ассиметричной поверхностью (рисунок 1.3).

Рисунок 1.2 - ЖМК сфероидальной Рисунок 1.3 - ЖМК в разрезе формы

Почти все железомарганцевые конкреции имеют ядро того или иного типа, которое определяет форму конкреций, и на которое послойно накладываются металлические осадки, образуя пористую структуру (рисунок 1.3). В состав ядра могут входить кварц, полевой шпат, слюда, оливин, пироксен, амфиболы, глинистые минералы, цеолиты, апатит, кальцит, арагонит и многое другое. В некоторых конкрециях на месте ядра пустота или же ядро замещено железомарган-цевыми окисями.

Состав конкреций довольно разнообразен. По данным, представленным в литературе, в состав конкреций входит свыше 40 элементов: Ве, В, С, О, №, Mg, Л], Si, P, S, К, Ca, Sc, V, Сг, Mn, Fe, Co, Ni, Си, Zn, Ga, Ge, As, Sr, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Ва, W, Hg, Т1. Аи, РЬ, Bi, Ra, Се, ТЬ, и и т.д. [45]. Их концентрация может меняться в зависимости от глубины и расположения месторождения. Кон-крецеобразующими элементами являются: Fe, Мп, Л1; а важнейшими с точки зрения рентабельности добычи: М, Со, Си, Мо - они же определяют сортность конкреций [83].

ЖМК широко распространены в мировом океане и покрывают около 10% морского дна. Основная часть приходится на глубоководные районы Тихого, Индийского и Атлантического океанов. К настоящему моменту выделяют около 40 полей залегания конкреций, наиболее крупные изображены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Расположение залежей ТПИ в Мировом океане: а - рудные узлы

ГПС, б - поля ЖМК, в - залежи КМК.

По оценкам специалистов общие запасы конкреций на поверхности дна Мирового океана оцениваются в 300 - 350 млрд. т, из них в Тихом океане находится около 112 млрд. т, в Атлантическом 45 млрд. т, в Индийском 41 млрд. т, но если учесть, что конкреции распространены не только на поверхности дна, но и в осадках на глубинах до трех метров ниже уровня дна, то их запасы значительно выше [89]. Кроме того, запасы конкреций непрерывно растут: только на поверхности дна Тихого океана они ежегодно увеличиваются на 6 млн. т. Данные по глубине расположения наиболее известных и перспективных для разработки полей, плотности залегания ЖМК в их пределах и содержанию основных элементов в конкрециях представлены в таблице 1.3.

На сегодняшний день запасы металлов в оцененных месторождениях ЖМК достигают: марганца 42 млрд. т, кобальта 620 млн. т, никеля 1,34 млрд. т, меди 860 млн. т, циркония 120 млн. т, молибдена 80 млн. т, цинка 140 млн. т [30].

Таблица 1.3 - Характеристики полей ЖМК Мирового океана [30]

Поле конкрецино-сти Глубина, м Плотность залегания ЖМК, кг/м2 Среднее содержание основных элементов, % Сортность (№+Си+Со)

Бе Мп N1 Си Со

Кларион-Клип-пертон 40005400 6 7,3 27,0 1,3 1,1 0,25 2,65

Центрально-индийское 50005200 до 46 9,0 22,0 0,99 0,97 0,13 2,09

Перуанское - восточная часть - западная часть 4400 4600 10 10 4,9 10,8 31,5 25,4 1,14 0,97 0,62 0,48 0,05 0,17 1,81 1,62

Центрально-тихоокеанское 5500 8,6 10,1 22,2 0,74 0,6 0,29 1,63

Маркус-Уэйк 4200 11,5 13,7 20,5 0,73 0,39 0,34 1,46

Калифорнийское до 5000 10 8,57 24,1 1,08 0,58 0,19 1,63

Амстердамское 5400 до 54 12,0 24,0 0,79 0,41 0,19 1,39

Капская котловина до 5000 - 14,0 16,6 0,32 0,58 0,16 1,06

Средняя плотность залегания конкреций колеблется в районе 6-10 кг/м2 и достигает в некоторых месторождениях до 54 кг/м2 (таблица 1.3). На рисунке 1.5 изображен фотоснимок залегания ЖМК в пространстве поля Кларион-Клиппер-тон в Тихом океане.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егоров Илья Викторович, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Александров, В.И. Параметры системы с грунтозаборным устройством для добычи железомарганцевых конкреций морского дна / В.И. Александров, С.Л. Сержан // Евразийское научное объединение. - 2016. - № 3. С. 35-42.

2 Александров, В.И. Расчет глубины погружения буферной емкости в системах гидроподъема горной массы с морского дна / В.И. Александров, И.В. Егоров // Горное оборудование и электромеханика. - 2015. - №4. - С. 37-40.

3 Александров, В.И. Результаты экспериментальных исследований вертикального гидротранспорта железомарганцевых конкреций / В.И. Александров, И.В. Егоров, И.И. Ганиев, А.Л. Васильев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 12. - Специальный выпуск 68. - С. 3-12.

4 Александров, В.И. Энергоемкость гидравлического транспортирования крупнодисперсных и мелкодисперсных гидросмесей / В.И. Александров, П.Н. Махараткин, С.Ю. Авксентьев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2012. - № 7. - С.72-79.

5 Альтшуль, А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д. Альтшуль. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1982. - 224 с.

6 Андреев, С. И. Глубоководные сульфидные руды океана: достижения и проблемы изучения / С.И. Андреев, Г.А. Черкашев, Л.И. Аникеева, Т.В. Степанова, Б.Н. Батуев, Л.И. Лазарева // Разведка и охрана недр. - 2005. - № 6. - С. 6976.

7 Андреев, С. И. Кобальтоносные железомарганцевые корки океана / С.И. Андреев, Л.И. Аникеева, М.М. Задорнов // Морская геология и геофизика. - 1989. - № 6. - С. 53.

8 Андреев, С.И. Использование данных ВЭЗ для пространственного картирования и оценки прогнозных ресурсов тел ГПС / С.И. Андреев, Е.Д. Лисицын, Л.Ф. Московская, С.И. Петухов // Разведка и охрана недр. - 2005. - № 1. - С. 44-47.

9 Баладинский, В.Л. Машины и механизмы для подводных работ / В.Л. Баладинский, В.А. Лобанова, Б.А. Галанова. - Л.: Судостроение, 1979. - 192 с.

10 Бать, М.И. Теоретическая механика в примерах и задачах в трех томах. Статика и кинематика / М.И. Бать, Г.Ю. Джанелидзе, А.С. Кельзон; под ред. Г.Ю. Джанелидзе и Д.Р. Меркина. - М.: Наука, 1973. - 512 с. - Т.1.

11 Безруков, Ю.Ф. Колебания уровня и волны в Мировом океане: учебное пособие / Ю.Ф. Безруков. - Симферополь: ТНУ им. В.И. Вернадского, 2001. - 50 с.

12 Бойко, Н.Г. Теория и методы инженерного эксперимента / Н.Г. Бойко, Т.А. Устименко. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - 158с.

13 Бреслав, Л.Б. Технико-экономическое обоснование средств освоения Мирового океана /Л.Б. Бреслав. - Л.: Судостроение, 1982. - 110 с.

14 Брюханов, О.Н. Основы гидравлики и теплотехники: Учебник для сред. проф. образования / О.Н. Брюханов, А.Т. Мелик-Аркелян, В.И. Коробко. -М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

15 Бугров, Я.С. Высшая математика: в 3-х том. / Я.С. Бугров, С.М. Никольский. - М.: Дрофа, 2004. - т.1 - 288 с.

16 Величко, Е.А. Перспективы освоения твердых полезных ископаемых Мирового океана / Е.А. Величко, Е.М. Соколовская // Морская геология и геофизика. - 1984. - № 4 - С. 56-63.

17 ВСН 51-9-86. Проектирование морских подводных нефтегазопроводов / МинГазПром. - Ведомственные строительные нормы. - Москва: Ротапринт ВНИИЭгазпрома, 1987. - 43 с.

18 Газовые гидраты [Электронный ресурс] / ВикипедиЯ. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Газовые гидраты.

19 Геология и минерагения Мирового океана. - СПб. - 138 с.

20 Голева, Р.В. К проблеме изучения и освоения минерально-сырьевых ресурсов мрового океана / Р.В. Голева // Ресурсы недр. - 2010. - №1. - С. 53-60.

21 ГОСТ 228-79. Цепи якорные с распорками. Общие технические условия. - Взамен ГОСТ 6346-65. - Москва: Изд-во стандартов, 1997. - 31 с.

22 ГОСТ 32388-2013 Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия. - М.: Стандартин-форм, 2016. - 195 с.

23 Грейнер, Леонард Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов / Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978. - 384 с.

24 Девнин, С.И. Гидроупругость конструкций при отрывном обтекании /С.И. Девнин. - Ленинград: Судостроение, 1975. - 192 с.

25 Дмитриев, А.Н. Проектирование подводных аппаратов / А.Н. Дмитриев. - Л.: Судостроение, 1978. - 234 с.

26 Дноуглубительный флот (земснаряды) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http: //www.miniboat.ru/zemsnarvady.html.

27 Добрецов, В.Б. Гидромеханизация и эксплуатация подводных месторождений / В.Б. Добрецов, Д.Н. Лигоцкий. - СПб.: Санкт-Петербургский Горный институт, 2002. - 104 с.

28 Добрецов, В.Б. Мировой океан и континентальные водоемы: минеральные ресурсы, освоение, экология / В.Б. Добрецов, В.А. Рогалев, Д.С. Опрышко. - СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы, 2007. - 796 с.

29 Добрецов, В.Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа / В.Б. Добрецов. - Л.: Недра, 1980. - 272 с.

30 Добрецов, В.Б. Основные вопросы освоения минеральных ресурсов мирового океана / В.Б. Добрецов, В.А. Рогалев - СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы, 2003. - 524 с.

31 Добрецов, В.Б. Технология добычи железомарганцевых конкреций Балтийского моря с помощью вертикального аэрлифтного подъема / В.Б. Добрецов, А.А. Кулешов, В.С. Евдокименко // Горный журнал. - 2001. - № 8. - С. 1723.

32 Егоров, И.В. Разработка математической модели для нахождения глубины погружения буферной емкости под водную поверхность в системе добычи железомарганцевых конкреций / И.В. Егоров // 20-ая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Сборник тезисов: СПбГУПТД. - 2015. - С.149.

33 Егоров, И.В. Определение рациональных параметров гидротранспорта твердых полезных ископаемых в системе гидроподъема с подводной станцией / И.В. Егоров, А.Б. Жабин, А.В. Поляков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2019. - Вып. 9. - С. 89-98.

34 Егоров, И.В. Рациональные параметры подводного добычного комплекса, определяющие наименьшую энергоемкость гидроподъема горной массы с морского дна / И.В. Егоров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 6. Спец. вып. 19. - С. 3-12.

35 Егоров, И.В. Сравнительная оценка гидравлических систем транспортирования твердых полезных ископаемых с морского дна на добычное судно / И.В. Егоров // Национальная ассоциация ученых. - 2015. - № 9. - С. 118-120.

36 Иванова, А. М. Геолого-промышленные типы россыпей полезных ископаемых в шельфовых областях мирового океана / А.М. Иванова, А.Н. Смирнов, Е.А. Пашковская // Тихоокеанская геология. - 2004. - Т. 23. № 4. - С. 86-101.

37 Иванова, А. М. Шельфовые железомарганцевые конкреции - новый вид минерального сырья / А.М. Иванова, А.Н. Смирнов, В.С. Рогов, А.П. Мотов, Н.С. Никольская, К.В. Пальшин // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2006. - № 6. - С. 14-19.

38 Исследование циркуляции и переноса вод Атлантического океана / Междувед. геофиз. ком. при Президиуме АН СССР. - М.: Наука, 1971. - 290 с.

39 Кабанов, М.Л. Формирование трасс шарнирного трубопровода положительной плавучести для гидроподъема полезных ископаемых при подводной добыче: дис. канд. тех. наук: 05.05.06 / Кобанов Максим Леонидович. - Санкт-Петербург, 2003. - 126 с.

40 Кириченко, Е.А. Моделирование динамических процессов в глубоководных пневмогидротранспортных системах: моногр. / Е.А. Кириченко, О.Г. Го-ман, В.Е. Кириченко, А.В. Романюков. - Д.: Национальный горный университет, 2012. - 268 с.

41 Кисляков, В.Е. Основы новой технологии разработки грунтов шельфа на больших глубинах / В.Е. Кисляков, П.В. Катышев, И.А. Баранова // Горная промышленность. - 2013. - №3. - С. 96.

42 Конвенция ООН по морскому праву [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/lawsea.shtml, свободный.

43 Кузьминский, В.П. Проблемы создания технических средств для промышленной добычи полиметаллических конкреций и новые пути их решения /

B.П. Кузьминский, В.Г. Кравченко, Ю.М. Кузнецов, Д.В. Кудрявцев // Геотехническая механика. Межведомственный сборник научных трудов. - 1999. - № 16. -

C. 39-65.

44 Материалы океанологических исследований: Экспедиционное судно "Витязь". Тихий океан. Октябрь 1958 г. - март 1959 г. Вып. 3. Температура, течения, волнение. - М.: Ин-т океанологии АН СССР, 1961. - 165 с.

45 Маховиков, Б.С. Средства гидроподъема полезных ископаемых с донной поверхности морского шельфа / Б.С. Маховиков, Н.В. Братчиков // Наука в СПГГИ: сб. научных трудов. - СПб, 1998. - С.38-45.

46 Мельниченко, А.М. Газовые гидраты: распределение, образование и ресурсы / А.М. Мельниченко, А.В. Кузина // Научный вестник Московского государственного горного университета. - 2011. - № 7. - С 75-91.

47 Меркин, Д.Р. Введение в механику гибкой нити / Д.Р. Меркин; ред. А.Б. Елагин. - М.: Наука, 1980. - 240 с.

48 Меро, Дж. Минеральные богатства океана / Джон Меро; пер. с анг. И.М. Варенцова - М.: Прогресс, 1969. - 440 с.

49 Механика сплошных сред в задачах: в 2 т. / Г.Я. Галин, А.Н. Голубятников, Я.А. Каменярж и др.; Под ред. М.Э. Эглит. - М.: Моск. лицей, Б., 2002. -394 с. - Т. 2.

50 Минеральные ресурсы Мирового океана: концепция изучения и освоения (на период до 2020г.) / Гл. ред. С.И. Андреев. - СПб.: ВНИИОкеангеология, 2007. - 97 с.

51 Морская доктрина Российской Федерации [Электронный ресурс] / Президент России. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://kremlin.ru/events/president/news/50060.

52 Муравьев, К.Г. Станет ли Россия морской сырьевой державой? / К.Г. Муравьев, Г.А. Черкашёв, А.А. Лайба, С.А. Козлов, С.Л. Ивановский, В.В. Стрекопытов // Редкие земли. - 2016. - №4. - С. 3-10.

53 Нарышкина, О.А. Выбор технологии глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций в субтропической зоне тихого океана: дис. канд. тех. наук: 25.00.18: защищена 24.05.07 / Нарышкина Ольга Александровна. - Москва: МГГИ, 2007. - 85 с.

54 НД 2-020301-002 Правила классификации и постройки морских подводных трубопроводов / Российский морской регистр судоходства. - СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2009. - 202 с.

55 Неизвестнов, Я.В. Инженерная геология рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане / Я.В. Неизвестнов, А.В. Кондратенко, С.А. Козлов; Тр. ВНИИОкеангеологии м-ва природн. ресурсов РФ и РАН. - Санкт-Петербург: Наука, 2004. - 281 с. Т. 197.

56 Об утверждении Концепции ФЦП «Мировой океан» на 2016-2031 годы: распоряжение правительства РФ от 22 июня 2015 г. № 1143-р // Правительство РФ. - 2015. - С. 45.

57 Основные положения по проектированию подземного транспорта для новых и действующих угольных шахт. - М.: 1986. - 292 с.

58 Пат. 1538610 СССР. МПК E21C 50/00. Устройство для добычи полезных ископаемых со дна моря / Ю.Н. Железнов/ заявитель и патентообладатель

156

ЦКБ "Океангеотехника" Южного ПО по морским ГРР "Южморгеология". -№19884367627/03; заявл. 22.01.1988; опубл. 20.01.1996. - 4 с.

59 Пат. 1602397 СССР. МПК Е 21 С 50/00. Устройство для подъема марганцевых конкреций или подобных образований с морского дна / А.Г. Происсаг, Ханс Аманн, Аксель Бат. - № 9853933052/03; заявл. 02.08.1985; опубл. 23.10.1990, Бюл. № 39. - 8 с.

60 Пат. 2090755 Российская Федерация. МПК Е21С 50/00. Способ добычи железомарганцевых конкреций и устройство для его осуществления / В.Н. Поту-раев, А.Г. Червоненко, Г.А. Шевченко, Д.Е. Борохович // заявитель и патентообладатель Институт геотехнической механики Украины. - № 1990 4873281/03; заявл. 15.10.1990; опубл. 20.09.1997. - 5 с.

61 Пат. 2157438 Российская Федерация. МПК Е 02 F 7/00, Е 02 F 3/00. Гибкий погружной пульпопровод / В.В. Шорников, В.Э. Шмидт, Б.С. Маховиков, О.В. Кабанов, А.Б. Незаметдинов, Н.В. Братчиков // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - № 99106286/03; заявл. 29.03.1999; опубл. 10.10.2000, Бюл № 28. - 7 с.

62 Пат. 2168634 Российская Федерация. МПК Е 21 С 50/00. Способ перемещения агрегата для добычи полезного ископаемого на морском дне и устройство для его осуществления / В.Ю. Изаксон, Сукумар Бандопадхай, В.Н. Власов, М.В. Власова // заявитель и патентообладатель Инст. горного дела Севера СО РАН. - № 99105146/03; заявл. 15.03.1999; опубл. 27.12.2000, Бюл. № 16. - 11 с.

63 Пат. 2214510 Российская Федерация. МПК Е 21 С 50/00. Глубоководный добычной комплекс и телеуправляемый подводный робот / Ф.А. Шеста-ченко, Г.С. Маракуца, В.В. Тетюхин, Ю.А. Львович, В.С. Ястребов, Э.О. Чову-шян, А.Н. Терехов, Ф.В. Каплун, Кнут Хервиг. - № 2002130516/03; заявл. 14.11.2002; опубл. 20.10.2003, Бюл. №29. - 19 с.

64 Пат. 2214940 Российская Федерация. МПК В 63 G 8/00, Е 21 С 50/00. Плавуче-шагающий донный аппарат / В.И. Беляев, В.В. Кореновский, Н.В. Ум-нов // заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. акад. А.А.

Благонравова РАН. - № 2001114278/28; заявл. 29.05.2001; опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30. - 24 с

65 Пат. 2230193 Российская Федерация. МПК E 21 C 50/00, Е 02 F 7/00. Изгибающийся напорный трубопровод / Ю.Д. Тарасов // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - № 2002127081/03; заявл. 10.10.2002; опубл. 10.06.2004, Бюл № 16. - 4 с.

66 Пат. 2231643 Российская Федерация. МПК E 21 C 50/00. Самоходная тележка для сбора конкреций в условиях дна мирового океана / Б.С. Маховиков,

A.Б. Незаметдинов, А.В. Шалыгин // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - № 2003106579/03; заявл. 11.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. № 13. - 8 с.

67 Пат. 1602397 СССР. МПК E 21 С 50/00. Устройство для подъема марганцевых конкреций или подобных образований с морского дна / А.Г. Происсаг, Ханс Аманн, Аксель Бат. - № 9853933052/03; заявл. 02.08.1985; опубл. 23.10.1990, Бюл. № 39. - 8 с.

68 Пат. 2352783 Российская Федерация. МПК E 21 С 50/00. Прямоточная многоступенчатая гидротурбина / Б.С. Маховиков, А.Б. Незаметдинов,

B.В. Шорников, Н.А. Екимов // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - № 2007147540/03; заявл. 19.12.2007; опубл. 20.04.2007, Бюл. № 11. - 7 с.

69 Пат. 2353774 Российская Федерация. МПК E 21 С 50/00. Устройство для добычи конкреций с морского дна / Ю.Д. Тарасов // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - №2007148956/03; заявл. 25.12.2007; опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12. - 7 с.

70 Пат. 2358106 Российская Федерация. МПК E 21 С 50/00. Комплекс для добычи конкреций / Ю.Д. Тарасов // заявитель и патентообладатель СПГГИ им. Г.В. Плеханова. - №2008102754/03; заявл. 23.01.2008; опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16. - 6 с.

71 Пат. 2460883 Российская Федерация. МПК E 21 С 50/00. Способ непрерывного сбора полезных ископаемых подводных месторождений и

158

многофункциональная система для его реализации / Г.Г Пивняк, В.П. Кравчук, Е.А. Кириченко, А.И. Егурнов, В.В. Евтеев // заявитель и патентообладатель Национальный горный университет. - № 2008141576/03; заявл. 06.10.2008; опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25. - 14 с.

72 Пат. 2517288 Российская Федерация. МПК E 21 C 50/00, E 02 F 3/88. Грунтозаборное устройство / В.И. Медведков, В.И. Александров, С.Л. Сержан // заявитель и патентообладатель Нац. минер.-сырьевой. унив. "Горный". -№2012150878/03; заявл. 27.11.2012; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15. - 9 с.

73 Полиамидные канаты двойного плетения [Электронный ресурс] / Петербургские канаты. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.kanat-spb.ru/kplet doub.htm.

74 Подводный транспортный модуль (ПТМ 300) [Электронный ресурс]. -Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.kryptonocean.com/podvodnvv-transportnyy-modul-ptm-ru.html.

75 Райзеры (водоотделяющие колонны) [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http: //ri g- s .ru/rayzery-vodo otdelyavuschie -kolonny.

76 Рогов, В.С. Опыт добычи и промышленного использованя железомар-ганцевых конкреций / В.С. Рогов, В.В. Фролов, Н.С. Никольская, А.С. Титов // Горный журнал. - 2012. - №3. - С. 50-55.

77 Светлицкий, В.А. Механика гибких стержней и нитей / В.А. Светлиц-кий. - М.: Машиностроение, 1978. - 222 с.

78 Светлицкий, В.А. Механика трубопроводов и шлангов / В.А. Светлицкий. - М.: Машиностроение, 1982. - 280 с.

79 Сергеев, А.Д. Вращение стержневой системы, содержащей поток инерционной жидкости / А.Д. Сергеев // Прикладная механика и техническая физика. - 2012. - Т. 53. - № 6. - С. 153-158.

80 Сержан, С.Л. Обоснование рациональных параметров системы с грун-тозаборным устройством и гидродвигателем для добычи железомарганцевых

конкреций: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.05.06) / Сержан Сергей Леонидович; Нац. минер.-сырьевой. унив. "Горный". - СПб, 2015. - 20 с.

81 Сержан, С.Л. Обоснование рациональных параметров системы с грун-тозаборным устройством и гидродвигателем для добычи железомарганцевых конкреций: дис. канд. тех. наук: 05.05.06: защищена 07.10.15 / Сержан Сергей Леонидович. - СПб, 2015. - 157 с.

82 Сержан, С.Л. Влияние глубины погружения капсулы с пульпоперекач-ным оборудованием на эффективность добычи полезного ископаемого морским добычным комплексом / С.Л. Сержан, В.И. Медведков // Горное оборудование и электромеханика. - 2016. - № 3. - С. 34-42.

83 Скорнякова, Н.С. Железо-марганцевые конкреции Центральной котловины Индийского океана / Н.С. Скорнякова, В.Н. Свальнов, И.О. Мурдмаа, Т.Ю. Успенская. - М.: Наука, 1989. - 223 с.

84 Скрыпник, С.Г. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин на море / С.Г. Скрыпник. - Москва: Недра, 1989. - 310 с.

85 Смолдырев, А.Е. Трубопроводный транспорт / А.Е. Смолдырев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980. 293 с.

86 Тарасов, Ю.Д. Комплексы для добычи железомарганцевых конкреций с морского дна / Ю.Д. Тарасов // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 2. - С. 17-25.

87 Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов / Г.А. Нурок, Ю.В. Бруякин, Ю.В. Бубис и др.; под общ. ред. В.В. Ржевского. - М.: Недра, 1979. - 381 с.

88 Тимофеев, И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна / И.П. Тимофеев. - Л.: ЛГИ, 1987. - 176 с.

89 Улицкий, Ю.А. Океан надежд / Ю.А. Улицкий. - М.: Просвещение, 1983. - 193 с.

90 Условия образования и закономерности размещения железомарганце-вых конкреций Мирового океана / Г.П. Акентьева, И.М. Горелик, О.Д. Корсаков и др. - Л.: Недра, 1987. - 259 с.

91 Хаукс, Герхард . Подводная техника / Пер. с нем. - Л.: Судостроение, 1979. - 288 с.

92 Чиликин, И.А. Сравнение энергетических затрат по мощности гидроподъема горной массы эрлифтным и насосным способами / И.А. Чиликин // Записки Горного института. - 2003. Т.155. Часть 2. - С. 145-148.

93 Чиркин, В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники / В.С. Чиркин. - М.: Атомиздат, 1968. — 474 с.

94 Шмидт, М.П. Равновесие гибкой нерастяжимой подвешенной нити / П.М. Шмидт, А.М. Шмидт // Фiзiка: праблемы выкладання. - 2005. - №2 1. - С. 2325.

95 Эластичные шарнирные вставки [Электронный ресурс] / ООО "Новые технологии". - Электрон. дан. - Режим доступа: https: //8035-ua.all. biz/elastichnye-sharnirnye-vstavki- gg1039165.

96 Энциклопедия эрлифтов / Ф.А. Папаяни, Л.Н. Козыряцкий, В.С. Пащенко, А.П. Кононенко. - Донецк, 1995. - 592 с.

97 Юфин, А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1974, 223 с.

98 Aleksandrov, V. Simulation and Calculation of System Hydraulic Lifting of Mineral coarse Solid Particles from Seabed to the Water Surface / V. Aleksandrov, E. Sobota, P. Voznjak // Marine Minerals: Crossroads of Science, Engineering, and the Environment /UMI. - California US, 2005. - pp. 8-14.

99 Andreev, S.I. Mineral Resources of the Ocean: a Pragmatical Reality of the Foreseeable Future or Geopolitical Phantom / Sergei I. Andreev, Svetlana F. Babaeva // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. - 2014. - Vol. 7. - Iss. 5. - P. 501-511.

100 Egorov I.V. Complex Survey of the Standalone Hydraulic Lift System to Extract Underwater Mineral Raw Materials / I.V. Egorov // Joint international Conference MINERALS OF THE OCEAN-9. Abstracts: VNIIOkeangeologia. St. Petersburg. Russia - 2018. - S. 35-37.

101 Floating Dredging Hoses [Электронный ресурс] / Trelleborg; Hoses. -Электрон. дан. - Режим доступа: http: //www.trelleborg.com/en/engineered-prod-ucts/products--and--solutions/hoses--for--dredging--and--mining.

102 Grouted Screw Mooring [Электронный ресурс]. - Электрон. дан.- Режим доступа: https://www.rigzone. com/training/insight. asp?insight id=358.

103 Jegorov, I.V. Berechnung der Eintauchungtiefe des Ausgleichsbehälters in Systemen der hydraulischen Förderung der Gesteinsmasse vom meeresgrund / I.V. Jegorov // Scientific Reports on Resource Issues. Материалы конференции: Technische University Bergakademie Freiberg. Germany. - 2014. - C 16-20.

104 Offshore Production System Definition and Cost Study [Электронный ресурс] / Nautilus Minerals. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http: //www. nautilusminerals. com/irm/content/png. aspx?RID=258.

105 Suction Anchor Calculation (Suction Piles) [Электронный ресурс]. -Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.drillingformulas.com/suction-anchor-calculation/.

106 Systemy I technologie wydobycia konkrecji z dna oceanow / Jerzy Sobota, Pavel Vlasak, Pavel Zworski and etc. - Wroclaw: Wydawnictwo akademii rolniczej we Wroclawiu, 2005. - 140 p.

107 Wear - resistant flexible industrial transport veins [Электронный ресурс] / Trelleborg; engineered systems. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://trelleborg.com.au/wp-content/uploads/2011/11/TrelleborgHoses.pdf.

Компьютерная модель расчета системы гидроподъема

Компьютерная модель расчета системы гидроподъема (рисунки А.1 -А.7) позволяет на основе параметров потенциального месторождения и необходимой производительности определить оптимальные параметры гидротранспорта и параметры системы, определить энергоемкость гидроподъема ТПИ при вертикальном положении системы и при воздействии течений на трубопроводы, а также построить зависимости изменения дополнительной энергоемкости и натяжений в трубопроводах и на якорных устройствах от коэффициента положительной плавучести секции трубопровода.

з Исходные данные

4 5 6 Тип ТПИ ГПС

Производительность по горной массе, т/ч Qtb 150

Парметры месторождения и свойства ТПИ

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Глубина разрабатываемого месторождения Hp 2800

Средняя плотность морской воды в придонном слое, кг/мЗ Р0 1020

Радиус разрабатываемого поля (рудного тела), м Ф 80

Мощность рудного тела (при ГПС), м m 24

Плотность ТПИ, кг/мЗ ртв 2990

Температура морской воды в придонном слое, К Т 275

Средний диаметр транспортируемых частиц, м d 0,035

Характеристи течений в районе месторождения:

№ п/п Глубина распространения, м Скорость течения, м/с Угол поворота, град

1 0-500 0,35 140

2 500-1000 0,15 145

3 1000-1500 0,1 300

4 1500-2000 0,15 275

S 2000-2500 0,2 300

б 2500-2800 0,22 290

7

8

9

10

26 27 Примечание: при направлении течения на восток угол равен 0°, на север 90", на запад 180°, на юг 270°.

нажать +

28 Параметры комплекса

38 <- нажать +

39 52 Параметры секций трубопроводов

нажать +

53 Дополнительные неизменяемые параметры

59 нажать +

Рисунок А.1 - Исходные данные, параметры месторождения

28 Параметры комплекса

29 Придельная концентрация твердого для насосного агрегата Стах 0,25

30 Коэффициент поверхтностных течений (1,1 -1,3) кт 1,2

Высота расположения устройства крепления над добычным ЬУК 80

31 полем:

32 Радиус расположения якогрных устройств, м гяу 160

Коэффициент компенсирующей способности бункера-питателя ск ОД

33 10,05-0,15)

34 Эксплутационный коэффициент заполнения бункера-питателя кз 0,5

35 Масса погонного метра каната, кг: тпк 3,2

36 Объем погонного метра каната, мЗ: VnK 0,003

Предварительный минимальный угол наклона секций amin 60

37 трубопровода 3 и 4 к горизонту, град:

38 нажать +

39 Параметры секций трубопроводов

40 Шероховатость внутренней поверхности трубопровода, м Дэ 0,0005

41 Длина секций трубопровода 1 Icl 5

42 Длина секций трубопровода 3, 4 1сЗ, 1с4 22

43 Количество стенок и перегород в оболочке секции ПСТ 3

44 Погонная масса цепи (разрушающая нагрузка 720 кН) тпц 10,7

45 Количество цепей в одном соединении секций пц 8

46 Плотность гибкого элемента, кг/мЗ ргэ 1100

47 Материал для изготовления трубопроводов 1, 2, 3 РСТ36; PCT36W

48 Предел текучести материала, трубопроводы 1, 2, 3, МПа (мин) Rel;2;3 355

49 Материал для изготовления трубопровода 4 РСТ620; PCT620W

50 Предел текучести материала, трубопровод 4, МПа (мин) Re4 620

51 Плотность материала, кг/мЗ рм 7600

52 нажать +

53 Дополнительные неизменяемые параметры

54 Ускорение свободного падения, м/с2 8 9,807

55 ПИ п 3,14

56 Динамический коэффициент вязкости придонной воды, Па-с Ц 0,00147

57 Универсальная газовая постоянная, Дж/моль'К R 8,31

58 Молярная масса воздуха, г/моль М 29

59 нажать +

Рисунок А.2 - Исходные данные, параметры комплекса и трубопроводов

Пояснения к выбору исходных данных (рисунок А.2):

- длина секций трубопроводов должна задаваться на основе ограничений по условию транспортирования от завода изготовителя в морской порт или по условию монтажа на добычном судне. Длина райзеров, применяемых при добыче нефти на шельфе, колеблется от 10 до 23 метров [75], длина секций транспортирующего трубопровода, применяемого в проекте Nautilus Minerals равна 20 метров [103]. Принимается lc3 = lc4 = 22 м. Длина секций шарнирного трубопровода 1, учитывая большую маневренность ГМ, составляет lc1 = 5 м;

- минимальный угол наклона секций трубопроводов к горизонтальной плоскости найден на основе предварительных расчетов;

- масса и объем погонного метра каната = 3.2 кг, Vm = 0,003 м3 (полиамидный канат двойного плетения D = 72, разруш. нагрузка 887 кН [73]).

164

Результаты расчета:

Энергоемкость гидроподъема при вертикальном положении системы транспортиров., кВт'ч/т Ев 10,7

Энергоемкость гидроподъема при воздействии течений на систему транспортирования, кВт-ч/т Ет 15,56

Параметры гидротраснспорта Трубопроводы 1;5 2; 3; 4

Концентрация твердого в гидросмеси Со 0,11

Критическая скорость, м/с Укр 2,8699 1,552

Скорость гидросмеси, м/с Уем 3,1569 2,2981

Диаметр трубопровода, м Р 0,2275 0,265

Удельные потери напора при вертигальном транспортировании ¡в 0,3272 0,3137

Удельные потери напора при горизонтальном транспортировании ¡г 0,0653 0,043

Дейсвительная концентрация в вертикальном трубопроводе Сд 0,1285 0,1365

Параметры комплекса без воздействия течений

Длина трубопроводов, м 1т2 40,2

1л5 16,8

Количество секций в трубопроводе п1 17

пЗ 91

п4 32

Глубина погружения подводной станции, м Нпс 718

Глубина погружения поплавка, м Нп 14

Напор насосного агрегата горной машины, м Нгм 76

Напор насосного агрегата подводной станции, м Нпс 969

Энергоемкость гидроподъема от ГМ в БП, Вт-ч/т Егм 784

Энергоемкость гидроподъема иа ПС на добычное судно, Вт-ч/т Епс 9933

Энергоемкость гидроподъема со дна на добычно судно при вертикальном положении системы транспортирования, Вт-ч/т Ев 10717

Рисунок А.3 - Результаты расчета, оптимальные параметры гидротранспорта и

системы гидроподъема

Компьютерная модель позволяет выбрать режим расчета (рисунок А.4) либо для построения положения системы гидроподьма в рабочем пространстве модели, либо для формирования зависимости энергоемкости и относительной дополнительной энергоемкости, обусловленной воздействием течений, натяжений в трубопроводах и на якорных устройствах от коэффициента положительной плавучести секции трубопровода.

60 Определение энергетических характиристик системы гидроподъема под воздействием течений

61 Режим расчета:

62 Кп =

Работа с рабочим пространством модели

1,5

Эксплутационная концентрация =

6В

Рассчитать положение системы гидроподъема

Коэффициент плавучести секции Диаметр оболочек секций трубопроводов, м Эксплутационная концентрация, % Энергоемкость при воздействие течений, кВт-ч/т Коэффициент воздейевия течений Максимальные нятяжения в трубопроводах, кН Максимальные нятяжения на якорных устройствах, кН

Кп Ооб1 Роб 2 РобЗ Роб4 Сз Ет Кт Тт Тяу

1 0,778 0,798 0,798 0,854 100 15,56 1,45 55,75 111,32

Сформировать зависимости Ет и Т от Кп

64

65

66 67

Рабочее пространство модели

109 М <- нажать + лЬ!

110

21

111 Формирование зависимости Кт и натяжений в элементах системы от Кп

0 134 <-нажать +

Рисунок А.4 - Определение энергетических характеристик системы гидроподъема под воздействием течений

Рисунок А.5 - Рабочее пространство модели

Рабочее пространство модели (рисунок А.5) позволяет наглядно оценить профиль системы гидроподъема под воздействием течений, оценить натяжения, воспринимаемые каждым из элементов системы и якорными устройствами и установить взаимосвязь между этими параметрами и характеристиками течений.

Кп 0о61 0об2 ОобЗ Эоб4 Сэ Ет Кт Тт Тяу

-0,5 0,708 0,72 0,72 0,802 100 11,84 1,11 450,32 66,29

-0,4 0,714 0,726 0,726 0,806 100 11,9 1,11 422,01 67,34

-0,3 0,718 0,73 0,73 0,81 100 11,97 1,12 393,37 68,04

-0,2 0,722 0,736 0,736 0,814 100 12 1,12 365,06 69,22

-0,1 0,728 0,742 0,742 0,816 100 12,09 1,13 336,42 70,02

0 0,732 0,746 0,746 0,82 100 12,2 1,14 308,57 71,68

0,1 0,736 0,752 0,752 0,824 100 12,26 1,15 280,17 72,89

0,2 0,742 0,758 0,758 0,828 100 12,4 1,16 252,09 74,38

0,3 0,746 0,762 0,762 0,83 100 12,55 1,17 224,26 76,17

0,4 0,75 0,768 0,768 0,834 100 12,76 1,19 196,76 78,47

0,5 0,756 0,772 0,772 0,838 100 12,95 1,21 169,6 81,32

0,6 0,76 0,778 0,778 0,842 100 13,16 1,23 142,23 83,96

0,7 0,764 0,784 0,784 0,844 100 13,59 1,27 115,98 88,01

0,8 0,768 0,788 0,788 0,848 100 13,92 1,3 90,59 92,97

0,9 0,774 0,794 0,794 0,852 100 14,61 1,37 67,15 100,13

1 0,778 0,798 0,798 0,854 100 15,56 1,45 55,75 111,32

1,1 0,782 0,804 0,804 0,858 100 14,19 1,33 83 143,58

1,2 0,786 0,808 0,808 0,862 100 13,27 1,24 115,25 180,41

1,3 0,792 0,812 0,812 0,864 100 12,7 1,19 148,53 217,97

1,4 0,796 0,818 0,818 0,868 100 12,34 1,15 183,08 256,72

1,5 0,8 0,822 0,822 0,872 100 12,1 1,13 218,68 296,65

Рисунок А.6 - Данные для формирования зависимости Ет, К

Тт и Тяу от Кп

тт

Методы определения удельных потерь напора при движении

гидросмеси по трубам

Главным параметром, характеризующим затраты энергии при гидравлическом транспортировании твердого материала по трубам являются удельные потери напора «¡», отражающие величину затрачиваемого напора для транспортирования гидросмеси по длине трубопровода.

Так как гидросмесь представлена жидкой и твердой фазой, удельные потери напора принято складывать [85, 97] из двух составляющих

/ = /0 + М , (Б.1)

где ¡0 - удельные потери напора на течение чистой воды;

А -дополнительные удельные потери, обусловленные наличием в потоке твердой фракции.

Система гидроподъема представлена вертикальными, наклонными и горизонтально-ориентированными трубопроводами с соответствующими режимами гидросмеси. Для полного описания процесса гидроподъема ТПИ со дна на добычное судно необходимо определять удельные потери напора для каждого режима отдельно.

Удельные потери на течение чистой воды

Удельные потери на течение чистой воды для всех режимов находятся по одним и тем же зависимостям, основой для которых стало уравнение Дарси-Вейсбаха [14]

2

¿0 = , (Б.2)

0 2gD У У

где А - коэффициент гидравлического сопротивления; и0 - средняя скорость чистой воды, м/с; В - внутренний диаметр трубопровода, м.

Для нахождения коэффициента гидравлического сопротивления воспользуемся таблицей Б.1 [5, 12].

Таблица Б.1 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления

от числа Рейнольдса

Число Рейнольдса Определение X

Яе <2000 64 — - формула Стокса Яе

2000 < Яе < 3000 2,7 0 53 - формула Френкеля Яе '

3000 < Яе < 10 -D— э 0,3164 ^ о 25 - формула Блазиуса

10-^ < Яе < 560-^ А А э э г А 6^0'25 0,11 — +-- - формула Альтшуля ^ D Яе )

Яе > 560-^ А э /д Л0,25 0,11 — - формула Шифринсона V D )

где Аэ- шероховатость внутренней поверхности трубопровода.

Яе = ^,

V

где V - кинематический коэффициент вязкости морской воды.

у = —

Ро'

где ¡л - динамический коэффициент вязкости морской воды, Па с.

Дополнительные удельные потери при движении по вертикальным трубам определяются на основе метода расчета вертикального гидротранспорта грубодисперсных материалов, предложенного в [97].

gD

Ч = 145сд.е gD^/о , (Б.3)

см

где Агв - дополнительные удельные потери, обусловленные наличием в потоке твердой фракции;

исм - средняя скорость движения гидросмеси, м/с;

w - скорость свободного падения твердых частиц в воде, м/с.

168

Дополнительные удельные потери напора можно условно разделить на две составляющие, это потери на движение твердых частиц в потоке воды и потери на взвешивание столба гидросмеси.

40

» = О ; (Б.4)

соРте

су 40

„ _ 0 см _ те гг? ГЛ

^0.е - ™ Рте (^0.е - ™ )

где и0.в - средняя скорость течения чистой воды в вертикальном трубопроводе (в выражение (Б.2) подставляются данные значения), м/с;

w' - скорость стесненного падения твердых частиц в воде (гидравлическая крупность), м/с.

Скорость чистой воды определяется по следующей формуле

1(V + V )2

I \ см ;

^.е - ^^ + Х ^ + " ) - VсмV '(1 - Со ) . (Б.6)

Скорость стесненного падения твёрдых частиц

V — V (1- с0 )2

( \

1-

й1

\2

У

(Б.7)

В1

\

Скорость свободного падения частиц в спокойной воде

V — , (Б.8)

где F - коэффициент гидравлической крупности [98]; а - относительная плотность твердого материала в воде.

F —

12 36/г I эб^

-гт -"Т, (Б.9)

р ёйро (Рте -Ро ) 3Ро (Рте - Ро )'

где й - средневзвешенный диаметр транспортируемых частиц, м.

Рте Ро

а — ^—

Ро

Дополнительные удельные потери при движении по горизонтальным трубам находятся по зависимостям, отраженным в [85].

А/г = ^^ s~~2 , (Б.10)

г V

см

где к - коэффициент для труб при В = 0,1-0,9 м равен 0,45; 3 - относительная крупность твердых частиц.

D

При расчете горизонтальных трубопроводов необходимо учитывать, что

и > 1,^ , (Б.11)

см ? кр ? V у

где икр - критическая скорость гидросмеси при движении по горизонтальным трубам, определяющая зону осаждения твердой фазы на дно трубопровода.

При небольшой разности между скоростью гидросмеси и критической скоростью твердое продолжает перемещаться по дну трубопровода, перекатываясь и волочась, имея большие потери на трение, из-за чего сильно падает скорость движения твердой фазы и возрастает действительная концентрация, увеличение которой может привести к закупорке трубопровода [85].

vKp = 7,2Vd 3

'ас0 W

ТЖ

(Б. 12)

При повышении концентрации твердого до 0,15 и более в стесненном пространстве трубопровода возникают большие лобовые сопротивления, вызванные уменьшением свободного пространства для прохода жидкости, вследствие чего скорости движения твердой и жидкой фазы уравновешиваются [85]. На основе этого, для горизонтальных трубопроводов в выражении принимается

ио.г= исм, а Сд.г = Со.

Дополнительные удельные потери при движении по наклонным трубам. В источнике [96] предложено следующее выражение для нахождения удельных гидравлических потерь при движении по наклонным трубам

/н = ^ cos2 а + ie sina, (Б.13)

где а - угол наклона трубопровода к горизонтальной плоскости.

Как видно из формулы (Б.13), удельные потери в наклонном трубопроводе складываются из двух составляющих: горизонтальной и вертикальной, а тригонометрические выражения определяют их процентное соотношение.

Действительная концентрация твердого и плотность гидросмеси при движении по наклонным трубам также будут изменяться пропорционально углу наклона а

Ром = Сд.» (Рте -Ро ) + Ро > (Б14)

где сд.н - средняя действительная концентрация твердых частиц в наклонном трубопроводе.

= + сд.е sin а2. (Б.15)

При движении по наклонным трубам так же необходимо учитывать критическую скорость гидросмеси в наклонных трубах [96]

"ом * 1,4.» * cos«2 . (Б16)

Секция шарнирного трубопровода

Секции шарнирного трубопровода обладают положительной плавучестью (рисунок В.1). Такое инженерное решение исключает контакт трубопровода с морским дном, тем самым увеличивая надежность транспортной системы и повышая маневренность горной машины. Шарнир, состоящий из чаши и погруженного в неё шара, способен поворачивать секции относительно друг друга на угол ш, достигающий 15° [61, 95]. Герметичность шарнирного соединения достигается за счет применения уплотнений. Положительная плавучесть секции трубопровода обеспечивается погружением её в пустотелую оболочку, представленную металлической трубой закрытой с двух сторон стенками и наполненной газом. Для повышения прочности оболочка имеет промежуточные перегородки, а газ находится под давлением и тем самым частично компенсирует внешние гидростатическое давление столба жидкости [61]. При эксплуатации данного трубопровода необходимо учитывать, что повышенная растягивающая нагрузка может привести к быстрому износу чаши, шара и уплотнений, следствием чего будут потери давления в трубопроводе.

Рисунок В. 1 - Секция шарнирного трубопровода

Одинарная секция с гибкой связью

Секции трубопровода с гибкими соединениями позволяет трубопроводу не только изгибаться, но и растягиваться на величину допустимого растяжения (рисунок Г.1). Гибкий элемент может быть выполнен в виде гофрированного эластичного патрубка [65] или в виде эластомерной вставки, выдерживающей давление до 32 МПа [107]. При растяжении целостность гибких элементов и всего трубопровода сохраняется за счет использования круглозвенной цепи [21], соединяющей секции трубопровода между собой и ограничивающей растяжение гибкого элемента больше заданной длины. Данная секция, так же как секция шарнирного трубопровода, помещена в пустотелую оболочку, обеспечивающую плавучесть секции.

Рисунок Г.1 - Секция изгибающегося трубопровода с гибким соединением

Для оценки влияния течений на вертикальную транспортную систему необходимо знать внешний диаметр трубопровода, или, в случае с секционными трубопроводами положительной плавучести, внешний диаметр оболочки, выполняющей роль 31111.

Рассмотрим принцип расчета внешнего диаметра оболочки, на примере секции (рисунок Г.1).

Нейтральная плавучесть секции достигается, когда вес секции трубопровода равен выталкивающей силе (силе Архимеда) Рс=^Лс, т.е. масса трубопровода должна быть равна массе вытесняемой жидкости, эту зависимость отражает выражение, полученное на основе расчета трубопровода с шарнирной связью [61]

т + т , + т, + т + т + т + т

тр об ф ц гэ г гс __ /-г-| л \

—р-ф-ц-= р , (Г. 1)

К + V - + У + V + V + V + V

тр об ф ц гэ г гс

которое разложено на вес секции трубопровода

Рс = ё {РмУтр +РУы> + РмУф + РмУЧ +РгэКэ + РУг + РгУгс )' (Г. 2) и выталкивающую силу секции трубопровода (силу Архимеда)

ГАс = ёР0V = ёР0 ^тр + Кб + Vф + V + Угэ + V + ^ ) , (Г. 3)

где т^, тоб, тф, тц, тгэ, тг, тгс - масса трубы, оболочки, фланцев крепления, предохранительной цепи, гибких элементов, сжатого газа, гидросмеси, кг; Утр, Коб, Уф, Уц, Угэ, Уг, Угс, - объем трубопровода, оболочки, фланцев крепления, цепи, гибких элементов, газа, гидросмеси, м3;

рм - плотность металла, из которого изготовлены составные части, кг/м3;

ргэ - плотность материала, из которого изготовлены гибкие элементы, кг/м3,

Ргэ = 1100 кг/м3 [93];

Рг, Ргс - плотность газа, гидросмеси, кг/м3; Ус - объем секции трубопровода, м3.

При эксплуатации комплекса возможен перенос части веса секции, обоснованной наличием в трубопроводе гидросмеси, на поплавок, ПС и УК, величина переносимого веса будет зависеть от введенного коэффициента положительной плавучести секции - Кп. После чего выражение Г.2 примет вид

Рс = ё (РмУпр + РмКб + РмУф + РУЦ + РэУээ + РУг + РсУссКп )• При Кп = 1 секция трубопровода имеет нейтральную плавучесть, при Кп < 1 отрицательную плавучесть, при Кп > 1 положительную плавучесть. Например шарнирные трубопроводы, идущие от горных машин к БП для

соблюдения условий безопасности при любых режимах работы системы транспортирования должны иметь положительную плавучесть, то есть Кп > 1.

Как видно из выражений (Г.1), (Г.2) и (Г.3), для достижения условия нейтральной плавучести необходимо знать объемы составных частей секции трубопровода, которые рассчитываются на основе геометрических параметров. В свою очередь, параметры находятся исходя из прочностных и эксплуатационных требований, предъявляемых к вертикальной транспортной системе. Диаметр оболочки рассчитывается исходя из необходимого объема газа для достижения положительно плавучести секции.

Основываясь на предложенном примере, находим объем каждой составной части трубопровода. Объем транспортирующей трубы

КР = П(45Б + 452)(1С -1), (Г. 4)

где 3 - толщина стенки трубы, м; О - внутренний диаметр трубы, м; 1с - длина секции трубопровода, м; 1г - длина гибкой вставки, м. Объем оболочки

п

у =п у +V г=—

об ст ст тр.об ^