В 60-е годы началось широкое изучение полезных ископаемых морского дна, и в частности, железомарганцевых конкреций (ЖМК), как геологических образований, а также технических средств для их добычи и технологий извлечения полезного продукта.
В наши дни проблема комплексного освоения Мирового океана вызывает огромный интерес, как в нашей стране, так и за рубежом. Основной причиной поиска новых минеральных ресурсов являются возрастающие потребности человечества и частично высокие темпы роста народонаселения земного шара, а также тем, что промышленность расходует все больше и больше сырья в расчете на душу населения. Подсчитано, что мировой расход сырья ежегодно возрастает в среднем на 4,8%, причём в большей степени цветных и, в особенности, редких металлов. Рост ожидаемого потребления некоторых металлов представлен в таблице 1 [71].
Таблица 1.
Динамика потребления металлов промышленностью стран мира (млн. т).
Металл 1970 1985 2000.
Страны мира Страны мира Страны мира.
Железо 300,00 600,0 800,0.
Медь 4,00 8,0 12,0.
Алюминий 5,00 10,0 20,0.
Никель 0,30 0,6 0,8.
Хром 1,00 1,9 2,4.
Кобальт 0,15 0,2 0,3.
Добыча твёрдых полезных ископаемых морского дна пока незначительна, она оценивается во всём мире в 500 млн долл. в год и составляет 2% от 6 стоимости руд, добываемых на суше. Между тем добыча имеет ряд преимуществ перед существующими способами добычи на суше:
Во-первых, она не требует вскрышных работ, строительства отвалов, подъездных путей, а также исключает буровзрывные работы и нередко обеспечивает экономию на разведочных работах.
Во-вторых, для полезных ископаемых морского дна характерно продолжающееся накопление и воспроизводство при добыче.
В-третьих, более высокая концентрация полезного ископаемого в морских месторождениях по сравнению с континентальными снижает его себестоимость.
В-четвертых, практически полное отсутствие или недостаточное количество полезных ископаемых на материковой части некоторых стран имеют значительные запасы на шельфовой зоне, примыкающей к границе этих стран.
Вопрос экономической эффективности процесса добычи и переработки морских конкреций актуален [7, 9, 48, 49, 56, 80]. Установлено, что при достаточно большом объёме переработки (5 тыс. т/сут) добыча будет экономически оправданной, причём первоначальные затраты могут окупиться за пять лет. Только за счёт переработки 30% разведанных залежей конкреций, предполагая, что для промышленного освоения будет пригоден только 1% от общих запасов конкреций, можно будет получить порядка 150 млн. т никеля, 150 млн. т меди и 30 млн. т кобальта, что при современном потреблении обеспечит мировую потребность в никеле на 230, меди на 17 и кобальта на 1200 лет.
До последнего времени океан рассматривался как глобальная транспортная сеть и как поставщик продуктов питания. Хотя эти аспекты использования океана отнюдь не потеряли своего значения и сегодня, возник ещё один — использование богатств, скрытых как в самой воде, так и под водяной толщей, и, возможно этот аспект станет в перспективе самым важным. 7.
Как следует из зарубежных литературных источников [14, 17, 29, 30, 45, 58, 63], опытно — промышленная добыча конкреций началась в восьмидесятые годы. Изучение и промышленное освоение ресурсов морского дна невозможно без технических средств и в первую очередь подводного горного оборудования. Важная роль среди подводных горных машин отводится донным агрегатам, несущим на себе добычные и геологоразведочные рабочие органы в виде всасывающих наконечников, рыхлителей, ковшей, скреперов, драгирующих устройств, подборщиков, отвалов, грунтовых насосов, эрлифтных головок, зондов, крыльчаток, штампов и т. д.
После 1970 г. проблема добычи конкреций заинтересовала многие фирмы США, Японии, ФРГ, Франции, Великобритании, Канады, Австралии и др. Уже сейчас крупнейшие компании этих стран вкладывают огромные средства в разработку совершенно новых технологий и добычных машин для освоения месторождений твердых полезных ископаемых морского дна. Первые удачные эксперименты дали обнадеживающие результаты. Но, несмотря на все это, возникли новые вопросы, относящиеся к технологии добычи нового вида руды, её способам транспортировки, обогащению, металлургическому переделу, так как горнодобывающая и металлургическая промышленность впервые в многовековой практике встретилась с многометальной рудой.
Цель работы. Установление закономерностей изменения скорости движения донного агрегата под действием гибкого тягового элемента при неустановившемся режиме для обоснованного выбора параметров комплекса, что повышает эффективность процесса добычи за счет обеспечения равномерного движения донного агрегата.
Задачи исследований. Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать принципиальную схему комплекса оборудования для добычи конкреций на месторождениях Балтийского моря. 8.
2. Разработать математическую модель движения донного агрегата под действием гибкого тягового элемента с целью получения зависимостей между параметрами, влияющими на равномерность его движения.
3. Провести компьютерное моделирование с целью установления закономерности движения донного агрегата в зависимости от силовых и кинематических параметров для заданных условий с использованием стандартных тяговых цепей.
4. Провести экспериментальные исследования на стенде, моделирующем в статике взаимодействие донного агрегата и гибкого тягового элемента, для определения зависимости горизонтальной составляющей тягового усилия гибкого элемента от его линейной массы и удаления донного агрегата от плавсредства.
5. Провести экспериментальные исследования по установлению закономерностей движения донного агрегата при не установившемся режиме. 9.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.
1. Для добычи железомарганцевых конкреций в Балтийском море предложена и обоснована принципиальная схема комплекса и технология ведения работ на основе взаимодействия донного агрегата и гибкого тягового элемента.
2. Разработана математическая модель и предложена методика обработки данных с использованием пакета компьютерных программ «МАТНСАО», позволяющие проводить детальный анализ влияния тягового усилия гибкого элемента и суммарных сил сопротивления на характер изменения скорости движения донного агрегата, который описывается дифференциальным уравнением с неразделяемыми переменными.
3. Установлено, что при буксировании донного агрегата с массой Мд = 1200 кг и его удалении от плавсредства до 80 м рациональнее применять цепь с линейной массой q = 0,75 кг/м. При этом в начальный момент времени наблюдается резкое возрастание скорости (до 3 м/с) движения донного агрегата, а затем происходит ее снижение и стабилизация до 0,9 м/с.
4. Определены области рационального выбора массы донных агрегатов для геологоразведочных (500 кг) и добычных работ (1200 кг), для которых линейная масса гибкого тягового элемента составляет соответственно 1,8 кг/м и 0,75 кг/м при удалении донного агрегата от плавсредства до 80 м .
5. Экспериментально установлено, что закон изменения горизонтальной составляющей Т силы натяжения при удалении донного агрегата от плавсредства описывается квадратичной параболой с постоянными коэффициентами в зависимости от линейной массы гибкого тягового элемента.
6. Найденная эмпирическая зависимость Т — /(ц, Ь0) пригодна для практического применения в диапазоне стандартных цепей с диаметром прутка звена от 6 до 19 мм.
7. Результаты моделирования имеют хорошую сходимость с данными экспериментальных исследований движения донного агрегата при его взаимодействии с гибким тяговым элементом, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В глубоководной добыче твердых полезных ископаемых наметился переход от разработки перспективных идей, испытаний конструкций и технологий к опытно — промышленным испытаниям добычных комплексов, включающих плавсредства технологического обеспечения, установки для подъема добытых полезных ископаемых на поверхность и сбора их на морском дне. В настоящее время около 30 стран мира осуществляют пробную или промышленную добычу полезных ископаемых в различных частях Мирового океана. Получены положительные результаты по крупномасштабной металлургической переработке проб конкреций с извлечением из них ценных металлов-примесей: никеля, кобальта, меди и др. Доказана экономическая целесообразность применения всего комплекса технических средств для этих целей — от сбора, подъема, транспорта и переработки до получения товарных продуктов [15, 41, 68, 73, 80].
Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье путем разработки подводных месторождений.
Так, США почти полностью удовлетворяют потребность промышленности в цирконе за счет подводной разработки россыпей пляжа и шельфа Северной Америки. Из этих же россыпей добывается до 50% ильменита, используемых промышленностью страны. С 1935 г. в США производится подводная разработка платины, причем со дна моря добывают более 90% ее общего количества. Содержание платины в россыпях достигает.
3 Я.
10 г/м. За год добывается 765 тыс. м3 платиноносных песков. Глубина разработки около 30 м.
На береговых россыпях Аляски более 100 лет добывалось золото, при этом его было добыто на сотни миллионов долларов. К настоящему времени эти береговые россыпи истощены. Однако были открыты более богатые морские россыпи и некоторые из них давно разрабатываются. Так, с 1964 г.
44 разрабатывается россыпь «Ном Чолд Кост» (содержание золота в россыпи 15 г/м1). Разрабатываются также россыпи золота в проливе Лени и в районе полуострова Сьюард.
Компании США добывают алмазы из подводных россыпей у берегов Африки. Алмазоносные россыпи тянутся вдоль побережья от устья реки Оранжевой до горы Людериц. Кроме того, россыпи обнаружены в бухте Чамай и у острова Плюм-Пуд-динг. Разработка ведется на глубинах от 12 до 300 м. Содержание алмазов в россыпи достигает 5−14 карат на 1 т гравия, что в среднем более чем в пять раз превышает их содержание в береговых россыпях. За 1963—1964 гг. было добыто около 1,5 млн. карат ювелирных алмазов стоимостью более 45 млн долл.
В США готовятся к разработке подводных россыпей титано-магнетитов в районе Никок-Спит и Грей-Харбор вдоль южного побережья штата Вашингтон и в устье реки Бич — Крик штата Орегон.
Компании США добывают с шельфа огромное количество нерудных строительных материалов. Около 500 млн. т песка и гравия добыто в районе озера Эри на глубине 15 м (себестоимость добычи 1 м' не превышает 12 центов). У побережья штатов Луизиана, Вашингтон, в заливе Сан — Франциско в больших объемах добывается ракушечный песок в качестве сырья для цементной промышленности.
Ведутся обширные работы по разработке морских россыпей в Австралии. Россыпи в большом количестве содержат циркон, рутил, ильменит, монацит. В некоторых россыпях содержание полезных компонентов достигает 70 — 90%, из них циркона 25—55%, рутила 20—45%, ильменита 18—40%. Россыпи расположены на восточном побережье Австралии от Северного Квинсленда до острова Тасмания, на юго-западном побережье западной Австралии, вдоль прибрежной линии в Новом Южном Уэльсе и Южном Квинсленде. В 1965 г. в Австралии было добыто 930 тыс. т тяжелых минералов, при этом рутила — 90%, циркона — 75% мировой добычи.
Индонезия в течение многих лет добывает олово из водных россыпей. Содержание касситерита в россыпях составляет от 0,081 до 9,4 кг/т. Только в 1967 г. Индонезия добыла 14 340 т олова, причем 40% этого объема было добыто со дна акватории.
Аналогичные россыпи разрабатываются у берегов Таиланда. Разработка ведется на глубине 27—40 мсодержание касситерита 200—400 г/м Кроме касситерита, россыпи содержат вольфрамит, ильменит и монацит.
В последние годы начали разрабатываться оловоносные россыпи вдоль берега Индийского океана, между Таиландом и Бирмой. Для разработки богатых оловоносных россыпей в районе островов Самуй и Панган в 1965 г. создана компания «Таиланд Смелтинг энд Реорайнинг».
На еще одно государство этого же района— Малайзию приходится до 30% мировой добычи олова. Но береговые россыпи истощаются, и Малайзия также приступает к разработке морских россыпей. Начаты разработки оловоносных россыпей в районе полуостровов Малакки и Диндинги на месторождении Бетри (штат Перак).
В Индии богатые ильменито-циркониевые россыпи разрабатывают с 1909 г. в юго-западной части полуострова Индостан (россыпи Траванкура). В 1969 г. доля Индии в мировом производстве ильменита (без СССР) составила 25%. Россыпи содержат 49—80% ильменита, 8—20% циркона и до 10% монацита.
Япония, обладающая незначительными железорудными ресурсами, интенсифицировала освоение подводных месторождений железоносных песков. Так, из россыпи Токийского залива у острова Хонсю в течение 1961 — 1965 гг. было добыто 6,1 млн. т железной руды. В больших объемах ведется разработка титано-магнетитовых песков на дне залива Ариаке. В настоящее время ежегодно из этого месторождения добывается 30 тыс. т титано-магнетитовых песков, из которых выплавляется 47 000 т чугуна. Хвосты.
46 месторождения Ариаке используются для укрепления берегов, что снижает стоимость разработки.
В Великобритании в настоящее время большое количество строительного материала добывается в проливе Ла-Манш. Только в 1968 г. добыча конгломератов со дна моря в Великобритании составила 106 млн. г. В районе полуострова Корнуэлл открыта первая в Европе касситеритовая подводная россыпь, которая расположена на глубине 20—30 м. В настоящее время ведется опытная добыча при производительности 17,5 тыс. м3 касситеритовых песков в год.
Исландия широко использует добываемый со дна моря ракушечный песок для производства портландцемента. Песок добывают в заливе Фокса, в 16 км от берега, на глубине 41 м. Производительность добычи 573 м3/ч при стоимости 1 м³ песка 40 центов.
В бассейне Балтийского моря, у г. Росток, имеются россыпи тяжелых минералов, которые с 1957 г. разрабатывались предприятием «Остзее-Ирорфе» (ГДР).
В СССР с 1945 г. отрабатывалось Урекское месторождение титано-магнетитовых песков на пляже Черного моря между реками Супсе и Натанети (Грузия) (содержание железа в песках 5—7%). Полученный концентрат с содержанием железа 43—47% использовался в качестве утяжелителя буровых растворов. Большое количество золотоносных россыпей разрабатывалось и разрабатывается на дне сибирских рек. Создан, флот землесосных снарядов, производящих углубочные и очистные работы в реках и озерах. Объем грунта, поднимаемого со дна водоемов, превышает 200 млн. м" в год. Разрабатывается месторождение строительных песков «Одесская банка» в 15 км к юго-востоку от Одессы. Производительность добычи около 400 м7ч. В Тихом океане, в районе острова Итруп, организована добыча титано-магнетитовых песков. Институт ВНИИПрозолото разработал проект специального судна для добычи касситерита в море Лаптевых. В 1968 г. было организовано Балтийское.
47 разведочно-эксплуатационное предприятие для разработки россыпей Восточной Балтики, и проведены первые работы в этом направлении.
