Выбор технологии глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций в субтропической зоне Тихого океана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.18, кандидат технических наук Нарышкина, Ольга Анатольевна

• Нарышкина, Ольга Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нарышкина, Ольга Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Состояние вопроса.

1.2 Задачи и методы исследования.

Выводы по главе 1.

2 Анализ результатов эксперимента «В1Е» по изучению термодинамических характеристик водной толщи.

2.1 Анализ результатов российско-американского эксперимента «В1Е» и его разновидности: «JET» (Япония), «BIE-ЮМ» (СО Интерокеанметалл), «INDEX» (Индия) по установлению закономерностей изменения термодинамических характеристик океанических полигонов.

2.2 Установление закономерностей изменения температур в трубопроводе при глубоководном гидроподъеме в донных водах океана.

Выводы по главе 2.

3 Методика расчета изменения температуры конкреционной гидросмеси при ее вертикальном гидроподъеме в океане.

3.1 Методика расчета изменения температуры движущейся вверх гидросмеси в океаническом вертикальном трубопроводе.

3.2 Технология гидроподъема конкреций по U-образной схеме с использованием поверхностных теплых вод.

Выводы по главе 3.

4 Рекомендуемая технологическая схема и устройство для загрузки конкреций в донный участок трубопровода. Методика расчета гидроподъема.

4.1 Рекомендуемая технологическая схема добычного комплекса и устройства для загрузки конкреций.

4.2 Методика глубоководного гидроподъема конкреций в трубопроводе.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор технологии глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций в субтропической зоне Тихого океана»

Актуальность работы. Оценка перспектив развития и эффективности освоения минерально-сырьевой базы никелевых, кобальтовых и марганцевых месторождений Российской Федерации свидетельствует о том, что освоение месторождений суши не покроет возникающий дефицит в таких металлах, как кобальт и марганец.

Основное количество кобальта в России добывается попутно из никелевых руд. Сырьевая база производства кобальта, потребность в котором возрастает с каждым годом, на отечественных сухопутных месторождениях ограничена.

В связи с ростом объемов подземной разработки при переходе на освоение глубокозалегающих бедных вкрапленных сульфидных медно-никелевых и силикатных никелевых руд, потребуется вложить огромные капиталовложения в строительство новых и поддержание деятельности действующих предприятий.

Марганец в России является также остродефицитным сырьем. Запасы представлены в основном труднообогатимыми бедными карбонатными рудами, переработка которых может вызвать негативные последствия для окружающей среды. Так на территории Кемеровской области расположено крупнейшее в России Усийское месторождение, имеющее запасы карбонатных руд 92,8 млн.т с содержанием марганца менее 20% и только 5,7 млн.т окисленных руд с содержанием 26,9%. Разработка такого месторождения, по проведенным предварительным оценкам, потребует крупных инвестиций. Освоение небольших месторождений в Горной Шории и на Салаи-ре с запасами от 2 до 5 млн.т отодвигает на несколько лет остроту проблемы, но не её решение.

Потребность России в марганце покрывалась за счет поставок с Украины и Грузии и для высококачественного производства из Габона. За 12 лет среднемировые цены с 1979 до 1991 гг. возросли почти втрое. Общая потребность России в товарной руде или концентратах, составлявшая в 1993 г. 1,5 млн.т, возросла до 2,2-2,5 млн.т. В настоящее время российская компания осваивает месторождение марганца в пустыне на территории Южной Африканской Республики. Обеспечение во все больше увеличивающейся потребности в руде за счет месторождений суши России не имеет пока перспектив. Решение данной сырьевой проблемы, по мнению многих специалистов, возможно за счет новых нетрадиционных источников минерального сырья, тем более что минерально-сырьевая база всех развитых стран, в том числе и России, приращивается в условиях снижения качества и повышения трудности обогащения добываемого сырья при снижении вероятности открытия новых крупных рудных месторождений. По мнению зарубежных и отечественных специалистов, работавших в данном направлении, установлено, что одно из решений минерально-сырьевой проблемы возможно за счет освоения полезных ископаемых Мирового океана. По современной оценке потенциала нетрадиционных твердых полезных ископаемых, основной вес принадлежит океаническим железомарганцевым конкрециям (ЖМК) и кобальтомарганцевым коркам (КМК). Эти рудные образования (ЖМО) являются комплексным сырьем на марганец, кобальт, никель и медь, в котором в качестве попутных компонентов присутствуют молибден, платина и элементы редкоземельной группы с высоким содержанием.

В северной части приэкваториальной зоны Тихого океана с 1980 г. геологи выявили значительные ресурсы ЖМК и КМК. 17 декабря 1987 года Генеральный комитет Подготовительной комиссии для Международного органа по морскому дну и Международного органа по морскому праву при ООН выделил бывшему СССР участок морского дна площадью 75 тыс. км2 в зоне Кларион-Клиппертон (приэкваториальная часть северо-восточной котловины Тихого океана).

Таким образом, создалась правовая основа для нового источника добычи минерального сырья. Прогнозная оценка только трех выявленных океанических образований (по данным института «ВНИИокеангеология») превышает по меди 340 млн.т, по цинку 540 млн.т, по серебру 1350 тыс.т и золоту 25 тыс.т, что практически сопоставимо с ресурсами суши, оцененными американскими исследователями (в 1,6 млрд.т по меди, 1,8 млрд.т по цинку, 743 тыс.т по серебру, 70 тыс.т по золоту). О запасах кобальта дает представление известная оценка поля кобальтонос-ных корок, только на поверхности одной подводной горы гайота Хуан-де-Фука (Тихий океан), составляющая 581 тыс.т этого металла на глубинах от 1369 до 2400 м при бортовом содержании 0,8% и среднем содержании 2,6%. Но привлекательность и экономическая эффективность освоения этих руд определяются технологическими решениями, которые при работе в океане должны быть максимально безопасными и направлены на минимизацию возможного экологического ущерба окружающей среде.

Подводные месторождения океана представляют собой очень сложную экосистему, существующую в тесном взаимодействии их с океаническими водами, в связи с этим любое изменение, вызванное влиянием антропогенного фактора, может повлечь за собой различные негативные последствия и привести к возникновению экологических катастроф.

Основным фактором, определяющим эффективность ресурсосбережения и охраны окружающей среды при ведении горных работ, является высокая адекватность состояния окружающей среды используемой или формируемой технологии добычи железомарганцевых конкреций.

Адекватности требует и структура гидроподъема конкрециесодержащей массы со дна океана, где температура вод колеблется около +2°С, на судно, вокруг которого на поверхности океана температура вод от 20°С и выше. Перелив за борт таких донных вод, температуру которых при поступлении на судно необходимо было спрогнозировать, может привести к негативным экологическим последствиям в зоне существования океанической теплолюбивой фауны, что в данной ситуации неприемлемо. В связи с этим необходимо было разработать, обосновать и привести технологию гидроподъема в соответствие с характеристиками экологической обстановки в Мировом океане. Все необходимые для оценки характеристики были получены на основе анализа экспериментов международных экспедиций по программе «В1Е» (Benthic Impact Experiment) под руководством докт. геол.-мин. наук Пилипчука М.Ф. Они показали, что при гидроподъме гидросмесь конкреций, отделенных отмывом от вмещающих пород в придонном трубопроводе, будет пересекать зоны океана с температурами, возрастающими от +2°С до 20°С и более, что не учитывалось при формировании известных предложений по технологии гидроподъема.

Для выполнения указанных требований необходимо выбрать такую технологию поднятия конкреций наверх, использование которой не приведет к экологической катастрофе.

Для этого требовалось решить актуальную научную задачу по обоснованию принципов формирования технологии глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций со дна субтропической зоны Тихого океана.

Целью настоящего исследования является обоснование структуры гидроподъема, наиболее соответствующей экологической обстановке океана, на примере зоны Кларион-Клиппертон на базе установленных зависимостей по определению параметров изменения температур гидросмеси конкреций при движении ее через различные термодинамические зоны океана.

Основная идея диссертации заключается в создании 11-образного гидроподъема гидросмеси добытых океанических конкреций, термодинамический режим изменения которой в трубопроводе определяется взаимосвязью диссипации энергии потока и теплопередачей тепла из окружающих вод океана по мере движения в различных направлениях, что исключит появление на судне вод с температурой ниже вод поверхности океана.

Научные положения, выносимые автором на защиту, и их новизна:

1) установленные низкие температурные характеристики донных вод делают экологически необходимым исключение их подъема на поверхность океана;

2) при определении изменчивости температур гидросмеси конкреций при движении в различных направлениях необходимо учитывать изменчивость градиента между водами внутри и вне трубопровода, а также тепло, возникающее за счет перемещения гидросмеси внутри трубопроводного потока;

3) наиболее адекватной условиям гидротермального режима океана является структура гидроподъема по и- образной схеме, установленная на основании методики расчета изменения температуры конкреционной гидросмеси в трубопроводе.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения температур потоков гидросмесей при восходящем подъеме со дна океана.

Практическое значение работы состоит в разработке принципов технологии гидроподъема ЖМК, что позволит оценить эффективность освоения месторождений океанических конкреций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается анализом большого объема экспериментальных исследований на международных полигонах по программе «В1Е», применением апробированных теоретических критериев и совместным анализом данных экспериментов и теоретических построений.

Апробация диссертации. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном горном университете в пределах программы «Неделя горняка» в 2004 и 2005 гг., на научно-техническом совете по горным наукам НЦ «МГГУ-ИПКОН».

Реализация результатов. Результаты были использованы рабочей группой Минприроды РФ при оценке эффективности схем добычи ЖМО.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи, в т.ч. 1 в «Горном журнале».

Заключение диссертации по теме «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых», Нарышкина, Ольга Анатольевна

Выводы по главе 4

1. Предложена наиболее соответствующая условиям гидротермального режима океана структура гидроподъема по и-образной схеме, установленная на основании методики расчета изменения температуры конкреционной гидросмеси в трубопроводе.

2. Показаны конструктивные решения загрузочных устройств, целесообразность применения которых предлагается произвести при проектировании судна при опытной добыче.

Заключение

В диссертационной работе на основании проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи выбора технологии глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций в субтропической зоне Тихого океана, позволяющего снизить экологический риск при эксплуатации глубоководного земснаряда.

При этом сделаны следующие выводы и даны рекомендации.

1. Проведенный анализ термодинамического режима глубоководного подъема гидросмеси конкреционной массы по схеме вертикального подъема с поступлением тепла в трубопровод по мере роста температуры вод вокруг трубы по сравнению со схемой 11-образного подъема, при котором в качестве гидросмесеобразую-щей жидкости используется теплая вода поверхности океана, показал экологические преимущества и-образной схемы.

2. Для обеспечения по и-образной схеме гидроподъема поступления на судно гидросмеси с температурой, равной или близкой к температуре вод поверхности океана, целесообразно покрыть трубы нисходящего водовода теплоизолятором который может быть и элементом, снижающим отрицательную плавучесть трубопровода.

3. Для компенсации разницы в расчетных режимах потерь тепла в вертикальной восходящей трубе при и-образной схеме необходимо, чтобы температура вод, поступающих в узел образования гидросмеси была на 4 - 5°С выше температуры донных слоев. Предложенная нами зависимость изменения температур вод океана на основании обработки данных экспедиций «Южморгеология» по программе «В1Е» позволяет уточнить это значение по глубине расположения узла загрузки.

4. В работе показаны различные варианты решения по узлу поступления конкреций для гидроподъема и результаты исследований по установлению их параметров.

Рекомендации диссертации используются при уточнении технологических решений по созданию технологии добычи в океане.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нарышкина, Ольга Анатольевна, 2007 год

1. Нурок Г.А Технология и проектирование гидромеханизации горных по род/ Недра. -М.-1965.

2. Нурок Г.А., Агаева З.И. Вопросы теории гидромониторной струи и гидравлического разрушения пород Москва - 1968.

3. Ржевский В.В., Нурок Г.А., Бруякина Ю.В., Бубис Ю.В., Молочников Л.И. Добыча полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов/ Недра-М.-1980.

4. Добрецов В.Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа/ Недра-Л.-1980.

5. Морское право. Официальный текст Конвенция ООН по морскому праву с приложениями и предметным указателем. Заключительный акт третьей Конференции ООН по морскому дну. Вводная часть, относящаяся к Конвенции и Конференции/Нью-Йорк, ООН-1984-316 с.

6. Казмин Ю.Б., Глумов И.Ф., Корсаков О.Д., Кулындышев В.А., Филипенко Принципы подсчета прогнозных ресурсов и запасов полиметаллических конкреций Мирового океана/ Мингео СССР, Геленджик-1988-104 с.

7. Гюльмисаров В.Р., Ширяев Б.К. Технологические комплексы для разработки глубоководных ресурсов морского дна/ М.-ВНТИ Центр 1988-128 с.

8. Пилипчук М.Ф. Комплексная программа экологического мониторинга в океане при проведении геологоразведочных и добычных работ на твердые полезные ископаемые/ Геленджик-НПО Южморгеология-1988-5 8с.

9. Казмин Ю.Б., Волков А.Н., И.Ф., Корсаков О.Д. Международно-правовые и экономические проблемы поиска, разведки и освоения минеральных ресурсов глубоководных районов Мирового океана/Мингео СССР, Геленджик- 1989-142 с.

10. Бубис Ю.В., Кафидов Н.Г, Оздоева Б.М., Нарышкина O.A., Полякова И.П. Технологические результаты международной геоэкологической добычи металлосо-держащих конкреций на глубоководных полигонах в Тихом и Индийском океанах/ Горный журнал.-2006-№1.

11. П.Нарышкина O.A. Выбор технологии экологически безопасного глубоководного гидроподъема при добыче железомарганцевых конкреций в субтропической зоне Тихого океана/Горный информационно-аналитический бюллетень 2006 - № 12.с. 14

12. Пилипчук М.Ф., Ткаченко Г.Г. Прогноз экологических последствий промышленной добычи железомарганцевых конкреций/ Советская геология.-1990-№ 12.-С. 121-127.

13. Криль СИ. Напорные взвесенесущие потоки / Киев: Наук думка-1990-160 с.

14. Ширяев Б.К. Анализ деятельности потенциальных заявителей и первоначальных вкладчиков по созданию технических средств добычи полиметаллических конкреций / РП Интерокеанметалл.-1992- 42 с.

15. Пилипчук М.Ф Экспериментальное натурное и компьютерное моделирование природоохранных процессов и прогнозов при добыче глубоководных марганцевых конкреций в океане/ Советская геология.-1992-№ 12.-С. 80-85.

16. Бубис Ю.В., Молочников JI.H., Семенюк Д.В., Гришин A.B. Новые направления океанической добычи полезных ископаемых/ Горный информационно-аналитический бюллетень.- 1997-№4.-С. 22-26.

17. Пилипчук М.Ф. Крупномасштабные экологические исследования в рудной зоне Кларион-Клиппертон /Разведка и охрана недр.-1997-№4.-С. 27-28.

18. Бубис Ю.В., Задорнов М.М., Ширяев Б.К., Гришин A.B., Семенюк Д.В. Перспективы создания добычного океанического комплекса/ Юбилейный межвузовский научный сборник.-1998-С. 176-184.

19. Пилипчук М.Ф. Аспер В. Новые методы изучения седиментационных потоков при проведении морских геоэкологических работ/ Инф.сб. «Геоэкологические исследования и охрана недр» Вып.З.-М.-1998-С. 7-11.

20. Пилипчук М.Ф. Научно-методические вопросы геоэкологического мониторинга / Геоэкологические исследования и охрана недр.-М.-1998-Вып.З.-С. 3-7.

21. Пилипчук М.Ф. Экологический эксперимент в зоне Кларион-Клиппертон Тихого океана по оценке влияния процесса добычи ЖМК на природную среду /Мировой океан. Вып.1:Сб.Ст.-М.-2000-С 69-75.

22. Морское право. Правила поиска и разведки полиметаллических конкреций (Горный устав). Международный орган по морскому дну-2000.

23. Пилипчук М.Ф. Добычная деятельность в океане с потенциальной экологической опасностью/ Тез.докл. 7 Междунар. конф. по морским технологиям и техническим средствам «Современные методы и методы океанологических исследований». -М. -2001 -С. 124-125.

24. Пилипчук М.Ф. Экологические последствия добычи конкреций в глубоководных районах Мирового океана/ Разведка и охрана недр.-2001-№8.-С. 32-36.

25. Ширяев Б.К.Обоснование технологии породозабора океанических конкреций на основе эксперимента в Тихом океане. Автореферат / М.МГТУ-2002-23 с.

26. И.Ф. Глумов, Ю.Б. Казмин, М.Ф. Пилипчук Геоэкологические проблемы изучения и освоения полиметаллических конкреций в глубоководных зонах Мирового океана / Под редакцией Пилипчука М.Ф. М.- 2002-318 с.

27. Воротынцева А.И. Железомарганцевые конкреции и кобальтоносные корки. Добыча их и перевозка/ Горный информационно-аналитический бюллетень,-2003-№11.-С 9.

28. Бубис Ю.В., Оздоева Б.М. Особенности глубоководного намыва/ Межвузовский сборник -«Комплексное освоение и экология россыпных и морских место-рождений»/М. МГГРУ -2004.

29. Неизвестный Я.В., Кондратенко A.B., Козлов С.А. Инженерная геологиярудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане / С.П.-б: Наука.-2004-281 с.

30. H.Amman, H.Oebius.-Soft Ocean Mining 23th OTC, Houston-1991-469-480.

31. Н.Атапп, H. Beiersdorf. The Environmental Impact of Deep Sea Mining- 25th JTC,Houston-1993-213-231.

32. S. Berge, J.M. Markusen. Environmental Consequences of Deep Seabed Min-ing-The FridtjofNansen Institute-1991.

33. G. Ganapahtv, S. Panda. Nonliner analysis of pipe string for deep sea mining-21thOTC, Houston-1989, 633-640.

34. M.Gruickshank. Ocean Mining: Research nttd strengthening- Sea Technology-1992-v33, n.l.

35. International Advisory Conference on Deep Seabed Mining Police- Seoul-1994.

36. V. Kesava. Exploring the Seas- the National Institute of Oceanography's venture-Current Science- 1990-V.59, n.5-246-252.

37. M. Lauson. Mining 40000 leagues under the sea, Australian Mining 1990 -v. 82-12.

38. J.-P. Lenoble. New Scenarios of the World Metal Markets and the Eventual Contribution from Deep Sea Mining- 251h OTC, Houston-1993 197-202.

39. Liao Y. Multi-purpose Acoustic System Aids Manganese Nodule Exploration-Sea Technology- 1988-V.29, n.3-33-36.

40. Longshui Kie. Deep Sea Mining in China- 25th OTC, Houston-1993-233-239.

41. G. Mukherji. An Innovation in the Ocean Mining transportation system. 20th ONC, Houston-1988-464-468.

42. National Institute of Oceanographe, Annual report- 1989-1990.

43. M. Sudhakar. Ore Grade Manganese Nodules from the Central Indian Basin: evaluation- Marine Mining-1989-v.8, n.2-201-214.

44. R.Sharma, B. Nath. Selection of Test and Referance Areas for the Indian Deep-sea Environment Experiment (INDEX) Marine Georesources and Geo-technology-2000-177-187.

45. K. Tsurasaki. State of Art of researches for Deep Ocean Mining Technology-J. of Mining and Mater.Proc. Inst. If Japan- 1990-v. 106, n.10-555-562.