Обоснование рациональных параметров системы с грунтозаборным устройством и гидродвигателем для добычи железомарганцевых конкреций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Сержан, Сергей Леонидович

• Сержан, Сергей Леонидович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Сержан, Сергей Леонидович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРИ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКЕ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1 Общие сведения о твердых полезных ископаемых, залегающих на глубине

1.2 Анализ существующих технических средств для подводной добычи

1.2.1 Механические машины для подводной добычи

1.2.2 Механогидравлические и гидравлические машины

1.3 Комплексы для подводной добычи с промежуточной капсулой

1.4 Капсула с пульпоперекачным оборудованием

1.5 Выводы, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОБЫЧИ КОНКРЕЦИЙ С ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

2.1 Физическая модель морского добычного комплекса

2.2 Математическая модель системы гидравлического подъема

2.3 Энергоёмкость гидроподъёма конкреций от погруженной капсулы до рудосборника с учётом энергозатрат на приготовление гидросмеси

2.4 Обоснование рациональных параметров грунтозаборного устройства

2.4.1 Обоснование повышения производительности грунтозаборного устройства

2.4.2 Обоснование типа рабочего органа грунтозаборного устройства

2.4.3 Особенности расчета двигателя рабочего органа грунтозаборного устройства в условиях подводной добычи

2.5 Основные выводы по теоретическому исследованию

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ОБЪЕМНОГО ГИДРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Обоснование типа приводных двигателей придонного оборудования и

способа их энергопитания

3.1.1 Приводные двигатели

3.1.2 Энергообеспечение придонного оборудования

3.2 Конструкция объемного гидродвигателя

3.3 Определение влияния коэффициента сброса на параметры

струеформирующего устройства

3.3.1 Особенности определения необходимого напора насоса

3.3.2 Методика эксперимента

3.3.3 Обработка экспериментальных данных

3.3.4 Анализ экспериментальных данных

3.4 Выводы по экспериментальному исследованию

ГЛАВА 4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ

ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА И ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

4.1 Совершенствование конструкции гидродвигателя

4.2 Результаты испытаний объёмного водяного гидродвигателя

4.3 Технико-экономические показатели комплекса

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных параметров системы с грунтозаборным устройством и гидродвигателем для добычи железомарганцевых конкреций»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Существующие темпы развития промышленности влекут за собой увеличение потребления минерально-сырьевых ресурсов. В настоящее время остро возник вопрос об обеспечении российской металлургической промышленности марганцевым сырьем, поскольку, с одной стороны, основные источники марганцевой руды отошли к Украине, Грузии и Казахстану (более 90% запасов окисленных марганцевых руд СССР) а с другой, - потребителями марганца являются все предприятия черной металлургии и машиностроения. Скорейшее освоение залежей железомарганцевых конкреций (ЖМК) морских и океанических месторождений позволит в значительной степени устранить импортную зависимость по марганцевому стратегическому сырыо.

Для эффективной разработки морских месторождений ЖМК, особенно на больших глубинах, необходимы надежные средства механизации гидроподъема горной массы, обладающие достаточной производительностью. Известные в настоящее время устройства для добычи твердых полезных ископаемых из морских месторождений не достаточно эффективны и не отвечают современным требованиям по безопасности, производительности, энергоемкости и экологичности. Не достаточно изученными остаются вопросы о влиянии гидростатического давления, определяемого глубиной расположения капсулы, на эксплуатационные и энергетические характеристики добычного оборудования и зависимости производительности системы от вида грунтозаборного устройства и его параметров.

Проведение исследований по изучению закономерностей влияния гидростатического давления, определяемого глубиной погружения промежуточной капсулы, на энергоемкость процесса добычи, а так же разработка эффективного грунтозаборного устройства для обеспечения

необходимой производительности подводного добычного комплекса является актуальной задачей для горной отрасли и требует дополнительных теоретических и экспериментальных работ.

Степень разработки

Большой вклад в изучение вопросов, связанных с подводной добычей твердых полезных ископаемых внесли отечественные ученые: Г.А. Нурок, И.М. Ялтанец, В.Б. Добрецов, И.П. Тимофеев, Б.С. Маховиков, А.П. Юфитт, и др., в работах которых заложены основные принципы формирования теоретических основ проектирования и эксплуатации технических средств подъема горной массы с морского дна.

Цель работы - повышение производительности грунтозаборного устройства и снижение энергоемкости процесса добычи конкреций с морского дна за счёт использования в качестве источника энергии гидростатического давления, определяемого глубиной расположения промежуточной капсулы, и совершенствования конструкции грунтозаборного устройства с гидроприводом.

Идея работы - повышение производительности и снижение энергоемкости процесса добычи ЖМК подводным добычным комплексом осуществляется выбором и обоснованием параметров грунтозаборного устройства при отделении конкреций от дна и определением ординаты заглубления промежуточной капсулы, обеспечивающей устойчивый процесс гидроподъема горной массы.

Основные задачи исследования

1. Анализ существующих средств добычи твердых полезных ископаемых (конкреций) с морского дна.

2. Обоснование схемы подводного добычного комплекса, включающего насосное оборудование в полости промежуточной подводной капсулы с атмосферным давлением и объёмный гидропривод исполнительных механизмов подводной горной машины.

3. Определение области эффективной работы добычного комплекса при изменении положения промежуточной капсулы и глубины разработки месторождения полезного ископаемого.

4. Разработка математической модели процесса гидроподъема и обоснование конструктивных параметров грунтозаборного устройства с гидроприводом исполнительного органа и станции рабочей жидкости в составе придонного оборудования.

5. Разработка методики расчёта высокомоментного объемного гидродвигателя для заданных условий гидроподъема ЖМК с морского дна.

Методы исследований включают теоретические и экспериментальные исследования на лабораторном стенде с обработкой результатов методами математической статистики и проверкой адекватности теоретических положений

Научная новизна диссертационной работы заключается:

в теоретическом обосновании влияния гидростатического давления, определяемого глубиной погружения капсулы с атмосферным давлением, на производительность и энергетическую эффективность системы гидроподъема при использовании в качестве исполнительного механизма грунтозаборного устройства с объемным гидроприводом;

в экспериментальном определении потерь энергии при отводе рабочей жидкости из приводного двигателя, влияющих на эффективную мощность силового оборудования системы добычи ЖМК;

в разработке методике расчета объемных гидродвигателей исполнительного органа грунтозаборного устройства и насоса рабочей жидкости в условиях подводной добычи железомарганцевых конкреций.

Защищаемые положения

1. Энергоемкость процесса добычи железомарганцевых конкреций с шельфа системой с грунтозаборным устройством, имеющей режим эффективной работы, описывается параболической функцией относительной

глубины погружения промежуточной капсулы и зависит от особенности вытеснения энергоносителя из приводного двигателя придонного оборудования, характеризуемого коэффициентом сброса, равным 1,06.

2. Рациональные параметры грунтозаборного устройства, характеризуемые производительностью системы по горной массе и мощностью, обеспечиваются вертикальной и концентричной установкой гидродвигателя исполнительного органа во всасывающем трубопроводе и ловителя, накрывающего зону добычи с образованием кольцевого канала, формирующего направленный поток гидросмеси железомарганцевых конкреций заданной крупности.

Практическая значимость работы

- Разработана методика определения глубины погружения промежуточной капсулы с пульпоперекачным оборудованием, входящим в состав добычного комплекса.

- Рекомендована конструкция грунтозаборного устройства, позволяющего повысить производительность и снизить уровень загрязнения акватории.

- Разработана методика расчета гидродвигателя рабочего органа, учитывающая пропускную способность по твердому головного участка ГЗУ, и приводного гидродвигателя придонного оборудования в условиях подводной добычи.

- Разработана методика расчета мощности насосной установки, питающей придонное оборудование, учитывающая потери энергии при истечении рабочей жидкости в среду той же плотности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, удовлетворительной сходимостью (погрешность в пределах 5%) результатов аналитических и экспериментальных исследований на стенде с применением современных

средств измерений и методов исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры горных транспортных машин. До-кладывались на Международных конференциях молодых ученых «Проблемы недропользования», Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2012, 2013, 2014 гг.; на 10-ой межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2012 г.; на 53-й международной конференции молодых ученых, Краковская горно-металлургическая академия, 2012 г.; на 65-м Международном форуме горняков и металлургов, Фрайбергская горная академия, 2014 г.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из них 2 патента, 3 работы опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 157 страницах, содержит 49 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 94 наименований и 2 приложения.

Личный вклад соискателя:

Проанализированы существующие средства добычи конкреций с морского дна. Сформулированы цель и задачи исследования. Проведены теоретические исследования процесса добычи конкреций, обоснована и выведена математическая модель определения глубины погружения капсулы с насосным оборудованием. Выполнены экспериментальные исследования по истечению рабочей жидкости в жидкость той же плотности, обоснованы параметры и конструкция ГЗУ. Сделаны выводы по результатам теоретических и экспериментальных исследований.

Основное содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, определена цель, идея, задачи, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведены общие положения о морских твердых полезных ископаемых, в том числе о ЖМК. Проанализированы конструкции различных средств добычи, в том числе, включающие промежуточную капсулу. Рассмотрены конструкции ГЗУ с горизонтальной осыо вращения и приводом от гидротурбины.

Во второй главе представлена физическая модель комплекса, включающего промежуточную капсулу. Разработана математическая модель, определения глубины погружения капсулы, позволяющая снизить энергоемкость процесса добычи конкреций. Представлена физическая модель ГЗУ и проведены теоретические исследования его основных параметров: мощности и производительности. Показана методика расчета гидро двигателя.

В третьей главе представлена схема энергообеспечения придонного оборудования, включающего ГЗУ. Проведены экспериментальные исследования объемного гидродвигателя на истечения жидкого энергоносителя в среду той же плотности. Представлена методика расчета мощности насосного оборудования, питающего придонное оборудование.

В четвертой главе представлены модернизация конструкции двигателя, позволяющая повысить его КПД и результаты испытаний гидродвгиателя объемного, а так же его механические характеристики. Показаны технико-экономические параметры системы с капсулой.

В заключении приведены общие выводы и рекомендации.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРИ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКЕ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1 Общие сведения о твердых полезных ископаемых, залегающих на

глубине

Мировой океан представляет собой огромную «кладовую» различных ресурсов, необходимых для человеческого существования. До определенного периода времени океан рассматривался исключительно как источник биологических ресурсов. Однако позднее в мировом океане были обнаружены химические, минеральные и энергетические запасы полезных ископаемых.

По расположению полезные ископаемые Мирового океана принято делить на три группы [27]: 1) растворенные в морской воде; 2) морского дна (залегающие на поверхности); 3) недр океана (залегающие в коренных породах дна). Так, впервые полезные ископаемые глубоководного дна были обнаружены в 1873г первой комплексной океанологической экспедицией на судне Челленджер [25,11]. Интерес к твердым полезным ископаемым океана возник в результате геологических исследований, которые показали, что на дне сосредоточены огромные запасы минеральных ресурсов, причем содержание в них полезной породы не уступало континентальным запасам.

Подводные месторождения полезных ископаемых можно разделить на следующие группы [30,27,29]:

1. Рыхлые отложения россыпей (месторождения тяжелых металлов, золото и платина, алмазы и полудрагоценные камни, строительные материалы).

2. Ископаемые недр шельфа (углеводороды, сера, уголь, железная руда, олово, барит).

3. Месторождения континентального склона и глубоководного дна (фосфоритовые конкреции, глауконит, железомарганцевые конкреции

и

(ЖМК), кремнистые илы, известковые илы, металлоносные илы, красные глубоководные глины, кобальтмарганцевые корки).

Разработка шельфовых месторождений углеводородов на данный момент является достаточно распространенным способом получения энергоносителей, а разработка твердых полезных ископаемых (ТПИ) не так развита. Причем, запасы ТПИ на дне морей и океанов очень велики. Первоначально, Дж. Меро оценил объемы только ЖМК Мирового океана в диапазоне от 350 до 1700 млрд. т. [25]. На сегодняшний день запасы ЖМК оцениваются в 300-350 млрд. т. [29,8]. Результаты исследований ВНИИОкеанологии [34] показывают, что конкреционная масса составляет 85,1 млрд. т. сухой рудной массы, а по другим источникам и вовсе превышает 100 млрд. т. [6].

Так, твердые полезные ископаемые Мирового океана по глубине залегания можно разделить на шельфовые и глубоководные. Глубина континентального шельфа варьируется в диапазоне от 20 до 550м [27,29]. Наибольший промышленный интерес среди твердых полезных ископаемых дна представляют железомарганцевые конкреции (ЖМК), кобальтмарганцевые корки (КМК) и глубинные полиметаллические сульфиды (ГПС) [6,23].

ЖМК являются наиболее распространенными и перспективными твердыми полезными ископаемыми дна. Наиболее крупные по площади распространения и весовым концентрациям поля ЖМК находятся в Тихом океане [39,34]. Перспективной зоной разработки ЖМК является рудное поле Кларион-Клиппертон, его запасы оцениваются в 18 млрд.т. руд, богатых никелем (N1), медью (Си), кобальтом (Со) и марганцем (Мп) [5,6,23]. Плотность залегания конкреций на дне достигает значения в 25 тыс. т. на км2. Глубина залегания ЖМК в океане достигает 4000-7000м [29]. По форме встречаются овальные, лепешковидные, шаровидные, почкообразные и коркообразные конкреции. Средняя плотность 2,4г/см'', однако, встречаются

л

океанические конкреции плотностью 4,4-5,Зг/см . Размеры конкреций по различным данным составляют от 4-10см [30,29,73,8], так по данным [34] преобладают размеры ЖМК в диапазоне 5-10см, но встречаются и до 20см.

Еще одним важным твердым полезным ископаемым дна являются КМК, которые впервые были найдены советскими учеными в приэкваториальной зоне Тихого океана [30]. Так же как и ЖМК, корки являются комплексным сырьем и обладают большим количеством полезных элементов. Корки покрывают сплошным слоем скальные выходы пород, различные вершины подводных гор и другие поднятия. Наибольшее распространение залежей КМК находится в Тихом океане [12]. Глубина акватории, где встречаются КМК, составляет 800-2500м [29], наиболее продуктивная глубина 1000-2000м [34]. Плотность корок составляет 1800-2110кг/м3. По своим прочностным характеристикам КМК близки к углю [29]. Толщина образуемого слоя может достигать 10-15см и более [39]. Прогнозируемые запасы КМК в Мировом океане 300-400 млн.т. рудной массы [6].

Сравнивая между собой КМК и ЖМК, можно прийти к выводу, что ЖМК залегает на большей глубине и имеет в своем составе большее количество полезных элементов, однако КМК имеет большую весовую плотность залегания. Общий вид (фото) конкреций и корок представлен на рисунке 1.1 [23].

Рисунок 1.1 - ЖМК диаметром 5см, Тихий океан (а), скопление конкреций (б), КМК на

дне (в,г), разрез корок (д,е).

Третьим видом ПИ, рассматриваемым, как перспективный ресурсный объект океана, являются ГПС [5,6,23]. Основными компонентами являются Си, Ъп, РЬ, попутными - Аи и [23]. Основной территорией их скопления является Тихий океан [6]. Потенциальные объемы ГПС достаточно велики и представлены в таблице 1.3

Минералогический и химический состав, а также размеры, форма, плотность залегания ЖМК варьируются в больших пределах, в зависимости от места залегания. Поэтому разделяют ЖМК шельфовых зон и глубоководного дна [29].

ЖМК присутствуют в зоне Арктических морей России (рисунок 1.2) [34,35]. Они представлены шельфовыми разновидностями. Наиболее широко залежи конкреций распространены в пределах шельфа западно-арктических морей (Белого, Баренцева, Карского). Шельфовые конкреции делят на мелководные (глубина залегания 6-25м) и глубоководные (35-50м и более). Прогнозируемые запасы ЖМК на шельфовых территориях РФ могут достигать 125млн.т. [34,35].

Рисунок 1.2 - Схема распространения железомарганцевых конкреций в Арктических

морях России

По форме найденные конкреции, в основном, представлены сфероидальными микроконкрециями, однако, были найдены и

лепешковидные и трубчатые стяжения конкреций. Плотность залегания

2 2 сильно варьируется от 0,1 кг/м и менее до 3 кг/м . ЖМК встречаются па

глубинах от 30-50м до 200-300м, залегают на поверхности дна в один слой,

или 1-3 см. [34]. Представим обобщенную таблицу твердых полезных

ископаемых (ТПИ) Арктических морей России.

Таблица 1.1- Сводные данные о ЖМК Арктических морей России

Арктические моря России Глубина залегания конкреций Форма и размеры конкреций Плотность залегания

Баренцево 50-100м (163-285м) Уплощенные 2-5см, толщина 0,3-1,5см 0,1-3 кг/м2

Карское 50-100м Уплощенные 2-5см, толщина 0,3-1,5см 0,1-3 кг/м2

Белое 10-20м Уплощенные (дисковидные, сфероидальные) 1-8см в диаметре

Лаптевых 6-15м (до 50м) 1-Зсм 0,1-3 кг/м2

ВосточноСибирское 9-30м Лепешковидные, мелкие сфероидальные стяжения, микроконкреции 0,1-3 кг/м"

Чукотское 10-15м, до 80м Лепешковидные 1-Зсм, до 5см -> / 2 до л кг/м

Балтийское От 13-30м до 100-140м Монетовидные, лепешковидные, сфероидальные 0,1-3 кг/м2 До 45 кг/м2

По данным таблицы 1.1 можно сделать вывод, что глубина залегания конкреций в Арктических морях России находится в шельфовой зоне и колеблется в пределах от нескольких метров до нескольких сот метров (от 6м до 285м). Преобладают микроконкреции диаметром до 8см; в более широком плане - до 10см.

ЖМК Арктических морей России имеют очень большие отличия по составу. В конкрециях Белого, Баренцево и Карского морей содержание железа составляет: 2,5-16%, марганца: 0,5-12%, фосфора: 0,14-4,9%. Содержание цветных металлов (N1, Си, Со, Мо) очень мало - 0,005-0,009%. В ЖМК моря Лаптевых содержание железа: 3,9-13,4%, а марганца: 0,03-12%. В восточно-арктических морях (Восточно-Сибирском, Чукотском) содержание полезных компонентов распределяется следующим образом: железа 4,529,4%, марганца 0,6-6,7%. Остальных компонентов незначительно мало. В Балтийском море ЖМК по содержанию в них полезных компонентов можно разделить на марганцевые (до 45-50% МпО), железистые (до 45-50% Рс203) и промежуточные. [34] В Финском заливе есть залежи конкреций двух типов: мелководные (железистые, содержание железа 17,6%, марганца - 5,6%, фосфора - до 7%) и глубоководные (марганца - 21,3% при содержании железа 7,3% и фосфора - 2-2,7%).

Таким образом, можно выделить следующие особенности ЖМК Арктических морей России:

- Сильно изменчивый состав конкреций от марганцевых до железистых, при содержании Бе+Мп в пределах 20-60% и низком содержании цветных металлов.

- Большинство полей ЖМК сосредоточено на шельфе при глубине 5-25м. Глубоководные участки - от 50-60м до 180-200м.

- Преобладающая плотность залегания конкреций 1,0-3,0 кг/м~,

редко достигает 13 кг/м . Максимальная плотность залегания (Финский 2

залив) - 45 кг/м .

Океанические ЖМК имеют существенные отличия от шельфовых. Отметим, что конкреции встречаются во всех частях Мирового океана. На рисунке 1.3 показаны основные районы залегания ЖМК и корок [34].

а б

Рисунок 1.3 - Карта залегания ЖМК и корок в Мировом океане (1 - скопление Бе-Мп

образований: а - корок, б - конкреций)

Процесс формирования и особенности размещения железомарганцевых образований Мирового океана достаточно полно описан [64,73,39,8]. Скопления океанических конкреций локализованы на глубине 4000-6000м [34]. Конкреции расположены непосредственно на поверхности дна, нередко погружены в осадок, также встречаются конкреции, расположенные под слоем ила. Распределение ЖМК по дну крайне неравномерно. По форме встречаются следующие типы конкреций: сфероидальные, эллипсоидные, дискоидальные, сростковые, плитчатые[27]. Имеющиеся данные по химическому составу ЖМК достаточно разнообразны и достаточно подробно описаны [12,11,64,73,34]. В таблице 1.2 представлено процентное содержание химических элементов в глубоководных конкрециях Мирового океана. [11].

Таблица 1.2- Содержание полезных компонентов в ЖМК

Элемент Диапазон содержаний, % Среднее содержание, %

Океаны Моря Глубоководные осадки

Тихий Индийский Атлантический

Мп 0.04-50.3 21.6 15.25 13.25 5.3 0.3

Ре 0.3-50 10.4 14.2 17.0 19.1 3.8

№ 0.08-2.48 0.9 0.43 0.32 0.015 0.01

Си 0.003-1.9 0.6 0.25 0.13 0.003 0.024

Со 0.001-2.53 0.26 0.21 0.27 0.01 0.006

гп 0.01-9.0 0.11 0.149 0.123 0.01 0.013

РЬ 0.01-7.5 0.074 0.1 0.14 0.003 0.004

Мо 0.0007-0.22 0.04 0.03 0.037 0.01 0.001

V 0.001-0.5 0.05 0.049 0.06 0.035 0.01

Т1 0.01-8.9 0.73 0.62 0.42 0.23 0.26

Из таблицы 1.2 видно, что содержание полезных компонентов в глубоководных районах океана больше, чем в шельфовых зонах. В первую очередь, это заметно по значительному содержанию (по сравнению с морями) прочих элементов, таких как N1, Си, Со и.т.д. ЖМК, залегающие на небольшой глубине, содержат эти элементы в крайне низком процен тном выражении (сотые доли и менее).

Огромным преимуществом названных выше ТПИ (ЖМК, КМК и ГПС) является их комплексность: в составе конкреций - это преимущественно 1\П, Си, Со, Мл; в в составе корок - Со, Мп, N1; в составе ГПС - Си, Zn, Аи, Ag

[6,23]. В таблице 1.3 представлены данные по содержанию и ресурсам

стратегических металлов в рудах Мирового океана [6].

Таблица 1.3 - Содержание полезных компонентов в ЖМК, КМК и ГГ1С

Основные виды океанического минерального сырья Металлы Мировой океан

Содержание % 11о1снциальныс ресурсы, млн. г.

Оксидные железомарганцевые образования (ЖМК и КМК) N1 0,6-1,4 569,5

Си 0,4-1,2 348,5

Со 0,2-0,8 339,2

Мп 20,0-42,0 18,2

п 0,3-0,8 0,011

Мо 0,04-0,06 30,2

Глубоководные Полиметаллические сульфиды Си 3,7-37,7 154.1

Ъъ 2,9-9,2 88,4

РЬ 0,8-4,14 19,1

Аё 60-186 г/т 0,32

Аи 2,38-10.7 г/т 0.04

Стоит отметить, что некоторые металлы (N1, Со, Мп, Мо) содержащиеся в океаническом минеральном сырье по своему потенциальному запасу превышают запасы указанных металлов па суше [6].

Таким образом, наиболее перспективным для промышленного освоения твердым полезным ископаемым являются ЖМК.

1.2 Анализ существующих технических средств для подводной добычи

Освоение минеральных ресурсов Океана практически находится в начальной стадии и, в основном, производится разработка полезных ископаемых шельфа, а горные работы осуществляются на сравнительно небольших глубинах. Для эффективной разработки ПИ, как на небольших глубинах, так и для глубоководных месторождений, необходимы надежные и эффективные средства механизации, обладающие достаточной производительностью и надежностью.

К современным механизмам для производства подводных горных работ следует отнести землесосные снаряды, эрлифтные и эжекторные снаряды, механические драги, канатно-скреперные установки и комбинации перечисленных механизмов. В настоящее время разработка твердых полезных ископаемых на больших глубинах не ведется. Это связано в первую очередь с тем, что нет проверенной технологии добычи полезных ископаемых дна. Однако, существующий опыт проектирования и конструирования различных подводных судов и сооружений [10,24,22,16,19,26,31] позволил за короткий срок совершить значительный шаг в разработке технологий для глубоководной добычи ТПИ.

Так, важным является классификация механизмов для подводной добычи по различным параметрам. Это может быть вид энергии, используемый для добычных и транспортных целей [27,29]. Такая классификация представлена в таблице 1.4

Таблица 1.4 - Классификация механизмов для разработки подводных месторождений

Тип механизма Группа механизмов для добычи донных ПИ

Выемки Транспорта

Многочерпаковые снаряды и драги Грейферные снаряды и драги Скреперные драги Экскаваторы-драглайны Скреперно-канатные установки Штанговые снаряды Самоходные и прицепные скреперы Подводные самоходные аппараты Механические Механические

Землесосные снаряды Эжекторные снаряды и драги с механическими рыхлителями Механогидравлические Гидравлические

Эжекторные снаряды и драги с гидравлическими рыхлителями Гидравлические драги Эрлифтные снаряды Гидравлические Воздушные

Однако существуют и другие критерии, по которым возможна классификация. Дж. Меро классифицировал различные методы добычи, указывая глубину, которая является максимальной для каждого метода, исходя из экономической эффективности [25]. Профессором Тимофеевым И.П. применена классификация донных технических средств по типу передвижения по морскому дну [82].

Рассмотрим некоторые средства для подводной механизации добычных работ, с учетом классификации, указанной в таблице 1.4.

1.2.1 Механические машины для подводной добычи К средствам механизации подводных горных работ, использующих механическую энергию [27,29,82,65,40,93,17] для отделения и транспортирования ТПИ на водную поверхность, относятся следующие машины и комплексы: многочерпаковые и грейферные драги, экскаваторы

драглайны, скреперные драги, различные подводные самоходные аппараты [27,29]. Рассмотрим работу некоторых из этих машин. Наиболее простой по конструкции является скреперная драга (канатно-скреперная установка) [38,25,82]. Конструктивно она состоит из рабочего органа (который может быть представлен, например, ковшом), который посредствам гибкого тягового органа и лебедки перемещается по дну. Один из вариантов конструкции канатно-скреперной установки представлен на рисунок 1.4 [38].

5

Рисунок 1.4 - Канатно-скреперная установка на базе самоходного экскаватора.

1 - экскаватор; 2 - лебедка; 3 - подпорная стойка; 4- система блоков; 5 - скрепер; 6 -

лебедка скрепера.

Работа канатно-скреперной установки заключается в следующем: скрепер 5, соединенный гибким тяговым органом с лебедкой 2 экскаватора 1 протаскивается по дну, зачерпывая полезные ископаемые. Перемещение производится в сторону берега, где расположен экскаватор 3. Таким образом, можно сказать, что у установки такого типа рабочий орган (скрепер) выполняет как функцию добычи, так и транспорта. Существуют также конструкции установок, у которых лебедка выполнена в виде стационарной установки [27,29]. Отметим, что производительность таких канатно-скреперных установок невелика, ввиду периодичности ведения работ и необходимости перемещения порожнего скрепера обратно к месту добычи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сержан, Сергей Леонидович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Абрамович Т.Н. Теория турбулентных струй. Репринтное воспроизведение издания 1960г. - М.: ЭКОЛИТ, 2011. - 720с.

2 Алиев H.A., Акопов С.Г., Джангиров В.А., Шулико В.П. Гидроподъем полезных ископаемых со дна морей и океанов посредствам корпусно-секционных турбомашин. - Мариуполь: НТБ ПГТУ, Теория и практика металлургии №5-6, 2009г.

3 Алиев H.A., Акопов С.Г., Джангиров В.А., Шулико В.П. Гидроподъем полезных ископаемых со дна морей и океанов посредством корпусно-секционных турбомашин/Теория и практика металлургии, №5, 2009, с. 111-119.

4 Альтшуль А.Д., Калицун В.И. и др. Примеры расчетов по гидравлике. М.: Стройиздат, 1976. - 255с.

5 Андреев С.И. Металлогения железомарганцевых образований Тихого океана. СПб.: Недра, 1994. 191сГ

6 Андреев С.И., Голева Р.В. Юбко В.М. Экономические и геополитические проблемы освоения минеральных ресурсов Мирового океана [Электронный ресурс]. Журнал Минеральные ресурсы России. №3, 2006г. URL: http://www.vipstd.ru/gim/content/view/70/197/

7 Антонов Я.К., Козыряцкий Л.Н., Малашкина В.А. Гидроподъем полезных ископаемых. -М.: Недра, 1995, 173с.

8 Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С. Космическая пыль в океане/Природа. 2000г. №3. с. 21-28.

9 Асатур К.Г., Маховиков Б.С. Гидромеханика. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2008. 326с.

10 Баладинский В.Л., Лобанов В.А., Галанов Б.А. Машины и механизмы для подводных работ. - Л.: Судостроение, 1979. - 192с.

11 Батурин Г.Н. Рудный потенциал океана. [Электронный ресурс] Природа.: 2002. №5. URL: http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATUilE/O5_O2/OCEAN.HTM

12 Батурин Г.Н. Руды океана. М., Наука, 1993. 303с.

13 Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов, М., "Машиностроение", 1974, 606с.

14 Беляев В.И. Подводный добывающий аппарат и способ его работы. Пат. РФ №2371580 МПК Е21С50/00 2008. - опубл. 27.10.2009.

15 Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1972. - 648с.

16 Боженов Ю.А., Борков А.П., Гаврилов В.М. Самоходные необитаемые подводные аппараты. - Л.: Судостроение, 1986. - 264 с.

17 Бондаренко A.A. Современное оборудование и технологии для подводной добычи полезных ископаемых. [Электронный ресурс]/Стройка, №27, 2006. URL: http://library.stroit.ru/articles/podvod/

18 Братчиков Н.В. Особенности гидротранспортирования полезного ископаемого в шарнирном трубопроводе положительной плавучести : дис. ... канд. тех. наук :защита 28.06.2001/ Братчиков Николай Викторович; - Санкт - Петербург, 2001. - 110с.

19 Бреслав Л.Б. Технико-экономические обоснования средств освоения Мирового океана. - Л.: Судостроение, 1982. - 240с.

20 Брускин Д.Э. Электрические машины и микромашины - М.: Высш. Шк., 1990. - 528 с.

21 Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: «Недра», 1991.-331с.

22 Герхард Хаукс. Подводная техника. Пер. с нем. - Л.: Судостроение,

1979, с. 288с.

23 Голева Р.В. К проблеме изучения и освоения минерально-сырьевых ресурсов Мирового океана. Рациональное освоение недр. №1. 2010г. с.53-42.

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

25 Дж. Меро. Минеральные богатства океана. М.: Прогресс, 1969. - 440с.

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

27 Добрецов В.Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа. - Л.: Недра,

1980.-272 с.

28 Добрецов В.Б., Кулешов A.A., Евдокименко B.C. Технология добычи железомарганцевых конкреций Балтийского моря с помощью вертикального эрлифтного подъема/Горный журнал, №8, 2001, с. 1721.

29 Добрецов В.Б., Рогалев В.А. Основные вопросы минеральных ресурсов Мирового океана. СПб.: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы. 2003. 524 с.

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

31 Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. Пер. с англ. - JL: Судостроение, 1986, 288с.

32 Екимов H.A. Анализ потерь энергии в гидравлической ступени // ЗГИ, 2008г, т. 173. с. 83-86.

33 Ефимова А.И., Зотеев A.B., Склянкин A.A. Общий физический практикум физического факультета МГУ. Погрешности эксперимента: Учебно-методическое пособие. - М.: МГУ, физический факультет, 2012.- 39 с.

34 Иванова A.M. Кайнозойский рудогенез в шельфовых областях России / А.М.Иванова, А.Н.Смирнов, В.И.Ушаков. - СПб.: ВНИИОкеангеология, 2005. - 168 с.

35 Иванова A.M., Смирнова А.Н., Рогов B.C. и др. Шельфовые железомарганцевые конкреции - новый вид минерального сырья. [Электронный ресурс] Журнал Минеральные ресурсы России. №6, 2006г. URL: http://www.vipstd.ru/gim/content/view/104/197/

36 Кириченко Е.А., Гоман О.Г., Кириченко В.Е., Романюков A.B. Моделирование динамических процессов в глубоководных пневмогидротранспортных системах. Монография. - Днепропетровск.: изд. НГУ, 2012.-266с.

37 Ковалевский В.Ф., Желязнеков Н.Т., Бейлин Ю.Е. Справочник по гидроприводам горных машин. - М.: Недра, 1973. - 502 с.

38 Коробков В.А., Левин B.C., Лукашков A.B., Серебреницкий П.П. Подводная технология. - Л.: Судостроение, 1981. 240с.

39 Корсаков О.Д. Условия образования и закономерности размещения железомарганцевых конкреций Мирового океана. - Л.: Недра, 1987. -259с.

40 Лобанов В.А. Справочник по технике освоения шельфа. - Л.: Судостроение, 1983. 288с.

41 Малевич H.A. Горнопроходческие машины и комплексы. Учебник для вузов. М., Недра, 1980, 384с.

42 Маховиков Б.С. Анализ работы исполнительного органа машины для добычи конкреций на шельфе. Технология и механизация горных работ., сб. научных трудов. - М.: изд. АГИ, 1998г

43 Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: «Машиностроение», 1992. - 672с.

44 Маховиков Б.С. Комплексы оборудования для подводной разработки россыпей на шельфе // Горный журнал. №11, 1997г.

45 Маховиков Б.С. Расчет энергозатрат при работе морского горнотехнологического комплекса. Горный журнал 2001г., №8, М.

46 Маховиков Б.С., Александров В.И. Средства подводной разработки россыпей на шельфе и в глубоководных районах морей и океанов. Обогащение руд №2, 2004г.

47 Маховиков Б.С., Братчиков Н.В. Средства гидроподъема полезных ископаемых с донной поверхности морского шельфа. Наука в СПГГИ, сб. научных трудов, - М.: изд. АГИ, 1998г.

. 48 Маховиков Б.С., Екимов H.A. Обоснование параметров гидротурбины для привода механизмов при глубоководной добычи твердых полезных ископаемых. ЗГИ (СПГГИ), СПб., 2008, т. 178, с. 59-64.

49 Маховиков Б.С., Золотухин А.П., Уделько А.Н. Гидротурбинный привод подводной добычной машины. ЗГИ., Семинар №16, 2005г, 298-301с,

50 Маховиков Б.С., Кабанов M.J1. Горнодобывающий комплекс для морской разработки твердых ПИ. Горные машины и автоматика. 2003г., №5., с. 30-32.

51 Маховиков Б.С., Кабанов M.JI. Исследование гидравлических сопротивлений гибкого шарнирного трубопровода для подводной добычи твердых полезных ископаемых // Известия ВУЗов. Горный журнал. №5, 2005г.

52 Маховиков Б.С., Кабанов О.В., Шорников В.В., Шмидт В.Э. Самоходная тележка для сбора конкреций в условиях дна Мирового океана. Пат. РФ.№2150004 МПК Е21С50/00 09.03.1999. - опубл. 27.05.2000.

53 Маховиков Б.С., Незаметдинов А.Б., Шорников В.В., Екимов H.A. Прямоточная многоступенчатая турбина. Пат. РФ№23 52783 МПК Е21С050/00.

54 Маховиков Б.С., Шорников В.В., Незаметдинов А.Б., Шалыгин A.B. Установка для добычи полезных ископаемых со дна акватории. Пат. РФ №2203421 МПК Е21С50/00 10.10.2001. - опубл. 27.04.2003.

55 Медведков В.И. Основные направления развития водяного привода забойного оборудования гидрошахт: Обзор / ЦНИЭИуголь. - М., 1989. - 74с.

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

Медведков В.И. Повышение энерговооруженности исполнительных органов механогидравлических машин и их производительности на основе водяных двигателей / Научно-Технические разработки ВНИИгидроугля и МГИ. - М.: изд. МГИ, 1989.- 211с. - С.92-160.

Медведков В.И., Дранов С.С. Гидродвигатель. Пат. РФ №2295062 МПК F04C 2/44, F03C 2/30/ - опубл. 10.03.2007, Бюл. из. №7.

Медведков В.И., Александров В.И., Сержан С.Л. Грунтозаборное устройство. Пат. РФ №2517288 МПК Е21С 50/00, E02F 3/88 27.11.2012. - опубл. 27.05.2014 бюл. №15.

Медведков В.И., Клемешева Т.М. Гидродвигатель. Пат. СССР № SU 1190075А МПК F03 В1/00 17.02.84 - опубл. 07.11.85 бюл. №41.

Медведков В.И., Краюшкин В.Г. Гидравлический двигатель. Пат. СССР № SU 1523705А МПК F03 В1/00 09.09.87 - опубл. 23.11.89 бюл. №43.

Медведков В.И., Краюшкин В.Г. Новые водяные двигатели для забойного оборудования гидрошахт. Техника и технология гидравлической добычи: Сб.научн.тр. ВНИИгидроугля. -Новокузнецк, 1991. - С.76-85.

Медведков В.И., Незаметдинов А.Б., Кондаков Д.Ю., Сержан С.Л. Грунтозаборное устройство. Пат. РФ №2459083 МПК Е21С 50/00, 2010,- опубл. 20.08.2012.

Медведков В.И., Сержан С.Л. Рекомендации к расчету параметров приводного двигателя грунтозаборного устройства. Горное оборудование и электромеханика №9. 2014 с. 34-39

Менард Г.У. Геология дна Тихого океана. М.: МИР, 1966, 275с. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М., 1979. - 381с

Орешкин В.Л., Слепой Ю.Ш., Колбенева М.Д. Пособие по проектированию гидравлического транспорта (к СНиП 2.05.07-85) [Электронный ресурс] // М., Стройиздат, 1988, п.2.3. URL: http://www.znaytovar.rU/gost/2/Posobie_k_SNiP_2050785_Posobie2.html Охрименко В.А., Куприн А.И., Ищук И.Г. Подземная гидродобыча угля. Изд. 2, перераб. и доп. - М., «Недра», 1974, 312с.

Письменный Д.Т. Конспект лекций по теории вероятностей, математической статистике и случайным процессам - М.: Айрис-пресс, 2007. - 288 с.

Плотников В.П. Вывод формулы для расчета производительности очистных комбайнов со шнековым, барабанным или корончатым исполнительным органом. Уголь №9, 2009, с. 6-8.

70 Плотников В.П. Направление совершенствования выемочных комбайнов для добычи крупного угля. Горный информационно-аналитический бюллетень №1. 2006, с. 100-105.

71 Плотников В.П. Определение основных параметров корончатых исполнительных органов комбайнов с гидроприводом для добычи крупного угля. Горный информационно-аналитический бюллетень №2. 2006, с. 71-75.

72 Попов В.М. Водоотливные установки: Справочное пособие. - М.: Недра, 1990.-254 с.

73 Савенко B.C. Физико-химический анализ процессов формирования железомарганцевых конкреций в океане. М.: ГЕОС, 2004. - 156с.

74 Сержан C.JI. Оснащение грунтозаборного устройства рабочим органом с объемным гидродвигателем. Горное оборудование и электромеханика №10. 2013, с. 39-42.

75 Сержан C.JL, Медведков В.И. Особенности энергообеспечения грунтозаборного устройства добычного комплекса для подводной добычи. Горное оборудование и электромеханика №10. 2014, с. 23-29.

76 Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980, 293с

77 Согин A.B., Согин И.А., Битюрин К.А. Гидромеханизация при намыве строительных площадок, грунтовых сооружений, пляжей. -Н.Новгород: ННГУ, 2013. - 267с.

78 Солод В.И., Зайков В.И., Перов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 1981, 501с.

79 Тарасов Ю.Д. Комплекс для добычи железомарганцевых конкреций с шельфовой зоны Мирового океана. Пат. РФ №2405110 МПК Е21С50/00 2009. - опубл. 27.11.2010.

80 Тарасов Ю.Д. Транспортные машины непрерывного действия. СПГГИ(ТУ), СПб, 2009. 144с.

81 Тарасов Ю.Д., Тимофеев И.П., Болынунов A.B. Комплекс для добычи и обогащения твердых полезных ископаемых. Пат. РФ №2466275 МПК Е21С50/02 2011. - опубл. 10.11.2012.

82 Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна.-Л. ЛГИ. 1987.- 176с.

83 Хорин В.Н. Объемный гидропривод забойного оборудования. - 3-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1980. 415 с

84 Цяпко Н.Ф., Чапка A.M. Гидроотбойка угля на подземных работах. -М., Госгортехиздат, 1960 - 312с.

85 Шалыгин A.B. Обоснование параметров подводной машины для добычи твердых полезных ископаемых с поверхности морского дна : дис. ... канд. тех. наук : защита 20.06.2007/ Шалыгин Алексей Викторович; - Санкт - Петербург, 2007. - 128с.

86 Шорников В.В. Выбор проточной части осевой многоступенчатой гидротурбины для машины подводной добычи : дис. ... канд. тех. наук : защита 29.06.2000/ Шорников Виталий Викторович; - Санкт -Петербург, 2000.- 138с.

87 Шорников В.В., Шмидт В.Э., Маховиков Б.С., Кабанов О.В., Незаметдинов А.Б., Братчиков Н.В. Гибкий погружной пульпопровод. Пат. РФ.№2157438 МПК E02F7/00 E02F3/00 29.03.1999. - опубл. 10.10.2000.

88 Юнгмейстер Д. А., Маховиков Б.С., Смирнов Д.В., Бурак А .Я. Комплекс для разработки полезных ископаемых шельфовой зоны Мирового океана. Пат. РФ № 2301338 МПК Е21С50/00 10.01.2006. -опубл. 20.06.2007

89 Юнгмейстер Д.А., Смирнов Д.В. Комплекс для ведения добычи железомарганцевых конкреций со дна моря/Горное оборудование и электромеханика, №1, 2008. с. 49-50.

90 Юнгмейстер Д.А., Смирнов Д.В., Болынунов A.B. и др. Способ селективного отбора и предварительного обогащения железомарганцевых конкреций и устройство для его реализации. Пат. РФ №2375578 МПК Е21С50/00 26.05.2008. - опубл. 10.12.2009

91 Юнгмейстер Д. А., Смирнов Д.В., Соколова Г.В. Обоснование параметров и компоновок придонных агрегатов для сбора железомарганцевых конкреций [Электронный ресурс]/Горное оборудование и электромеханика, №8, 2010. URL: http://www.giab-online.ru/files/Data/2010/8/Yungmeister_8_2010.pdf

92 Юфин А.П. Гидромеханизация. M.: Стройиздат, 1974, 233с.

93 Ялтанец И.М., Егоров В.К. Гидромеханизация. Справочный материал. - М.: Издательство МГГУ, 1999. - 338с.

94 Phill Jankowski, Erich Heymann, Peter Chwastiak. Offshore Production System Definition and Cost Study. 2010. - 275p.