Актуальность темы
.
Современная прогнозная оценка минерально-сырьевой базы Российской Федерации по никелю, кобальту и марганцу свидетельствует о том, что в перспективе освоение месторождений суши не покроет возникающий дефицит в рудах этих металлах.
Как известно, основной объем кобальта в России добывается попутно из никелевых руд. Сырьевая база производства кобальта, потребность в котором возрастает с каждым годом, на отечественных месторождениях суши ограничена.
Для обеспечения требуемых объемов глубокозалегающих бедных вкрапленных сульфидных медно-никелевых и силикатно-никелевых руд для поддержания деятельности действующих предприятий на существующем уровне требуются значительные капиталовложения.
Марганец в России является ещё более дефицитным 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%. Освоение такого месторождения, по предварительным оценкам, потребует также крупных инвестиций. Освоение же малых месторождений в Горной Шории и на Салаире с запасами от 2 до 5 млн. т отодвигает на несколько лет остроту проблемы, но не её решение.
Общая потребность России в товарной руде или концентратах, составлявшая в 1993 г. 1,5 млн. т, возросла до 2,2−2,5 млн.т. Обеспечение возрастающей потребности в руде за счет месторождений суши не имеет пока перспектив.
Решение сырьевой проблемы практически возможно за счет новых нетрадиционных источников минерального сырья, тем более что минеральносырьевая 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 решение минерально-сырьевой проблемы возможно за счет освоения полезных ископаемых Мирового океана. По современной оценке потенциала нетрадиционных твердых полезных ископаемых основной вес принадлежит океаническим железо-марганцевым 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. Работами в северной части приэкваториальной зоны Тихого океана российских (ранее советских) геологов выявлены с 1980 г. значительные ресурсы ЖМК и КМК. 17 декабря 1987 года Генеральный комитет Подготовительной комиссии для Международного органа по морскому дну и Международного трибунала по морскому праву при ООН выделил бывшему СССР участок морского дна площадью 75 тыс. кв. км в зоне Кларион — Клиппертон (приэкваториальная часть северо-восточной котловины Тихого океана). (Рис 1.1).
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, цинку 540 млн. т, серебру 1350 тыс. т, золоту 25 тыс. т, что уже сопоставимо с ресурсами, суши, подсчитанными американскими исследователями (1,6 млрд. т меди- 1,8 млрд. т цинка- 743 тыс. т серебра- 70 тыс. т золота) [25]. О запасах кобальта дает представление оценка поля кобальтоносных корок только на поверхности одной подводной горы 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 экономичность освоения этих руд определяется технологическими решениями, которые при работе в океане должны быть максимально безопасными для окружающей среды.
Подводные месторождения океана представляют сложную экосистему с тесным взаимодействием их с водами, в связи с этим любое изменение, вызванное влиянием антропогенного фактора, может вызвать за собой различные негативные последствия и привести к экологической катастрофе.
Одним из этих факторов является укладка вмещающих пород на дно океана, так как подъем и сброс их на поверхность создаст ещё больше трудности.
Поэтому до начала промышленной добычи необходимо было детально исследовать процесс движения пульповых потоков при разработке глубинных месторождений, чтобы определить места подводного намыва для снижения негативного влияния на окружающую среду. Эти исследования были проведены в комплексе эксперимента «В1Е», которые показали, что сложность определения мест намыва повышается из-за того, что частицы пульповых потоков двигаются по более сложной траектории, чем по представлениям известных принятых методик. Создание новых методик необходимо, в первую очередь, для переоценки сырьевой базы тихоокеанского полигона. Это и сделало тему диссертации актуальной.
Обработка результатов по программе «В1Е» привела к изменению общего подхода к технологии добычи в океане. Выемочные работы производятся снарядом отрицательной плавучести, который перемещается по дну и перекачивает гидросмесь по придонному трубопроводу на устройство отделения конкреций крупностью от 5 до 60 мм от илов, которые в теплых водах поверхности океана перекачиваются на судно. Гидросмесь илов перекачивается в определенные зоны.
Цель исследования.
Целью настоящего исследования является установление параметров глубоководного намыва вмещающих пород месторождений металлоносных конкреций российского тихоокеанского полигона.
Основная идея.
Основная идея диссертации состоит в том, что, начиная с определенных глубин необходимо рассматривать траекторию пульпового потока как результирующую перемещения не только движения по горизонтали и свободного падения (гидравлической крупности), как было принято, но и взвешивания частиц в потоке сформировавшемся перед выпуском гидросмеси в океан из трубопровода.
Научные положения, выносимые автором на защиту, и их новизна:
• при глубоководном выпуске гидросмеси из горизонтального трубопровода траектория движения частиц, перемещающихся в струе, продолжает формироваться с учетом инерции турбулентного взвешивания частиц в трубопроводеэто объясняет, почему частицы потока оказываются на первоначальном участке намыва выше горизонта выпуска;
• при выпуске на глубинах менее 150−200 м, т. е. в границах континентального шельфа траектория потока изменяется за счет воздействия поверхностных преград и её необходимо корректировать по отражению потока от линии воздух-вода и воздействия донных течений. Это позволяет определить три типа намыва в океане: поверхностный, шельфовый и глубоководный;
• анализ результатов экспериментальных намывов, выполненных исследователями «Южморгеология» показали возможность укладки вмещающих ЖМО пород на дне океана.
Научное значение работы.
Научное значение состоит в установлении закономерностей намыва в трех зонах океана (поверхностного, шельфового и глубоководного).
Практическое значение работы.
Практическое значение состоит в разработке принципов технологии намыва вмещающих пород, что позволит оценить эффективность освоения месторождений океанических конкреций.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается анализом большого объема экспериментальных исследований на международных полигонах по программе «В1Е» (свыше 300 серий), применением опробированных теоретических критериев и совместным анализом данных экспериментов и теоретических построений. Автор приносит глубокую признательность докт. геол-мин. наук Пилипчуку М. Ф и других за возможность анализа опубликованных ими данных.
• Апробация диссертации.
Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном горном университете в пределах про.
•• граммы"Неделя горняка" в 2004 г. и 2005 г., на конференции в Московском геологоразведочном университете, на Научно-техническом совете по горным наукам НЦ «МГТУ-ИПКОН».
Реализация результатов.
Результаты были использованы рабочей группой Минприроды РФ при оценке эффективности схем добычи ЖМО.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 2 работы.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 38 рисунков, 9 таблиц. Список использованной литературы включает 48 наименований.
Основные выводы и рекомендации:
1. При расчетах пути осаждения глубоководных пульповых потоков, создаваемых из частиц вмещающих конкреции пород необходимо учитывать влияние вертикальной составляющей скорости движения частиц в трубе. При этом границы потока в зоне осаждения должны определяться для максимальной и минимальной гидравлической крупности. При намыве на глубине океана свыше 150 м. от поверхности необходимо определять дальность удаления места намыва частиц от выпуска с учетом не только осаждения ниже оси выпуска, но и подъема за счет имеющейся скорости взвешивания. При горизонтальном положении выпуска на глубине от 0.5 м до 300 м от дна место намыва илов удалено на расстояние от 0.6 км до 11 км. Расстояние может регулироваться наклоном патрубка выпуска. Так при глубине выпуска 100 м от дна при наклоне от 20° до 80° расстояние меняется от 4 км до 3.5 км.
2. В процессе отделения конкреций от вмещающих пород должно произойти разрушение агрегированных осадков, гидравлическая крупность которых колеблется между 100−500 м/сутки, гидравлическая крупность неагрегированных пород должна быть в расчетах порядка 5 м/сутки, что и должно учитываться в расчетах.
3. При расчетах траекторий из-за малого значения модулей скорости глубоководных течений ими можно пренебречь, но при определении направления выброса их необходимо учитывать.
Для того чтобы снизить экологически негативные последствия рекомендуется вмещающие породы (илы) намывать в зонах выемки железомар-ганцевых конкреций.
1. Нурок Г. А Технология и проектирование гидромеханизации горных пород/ 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., Яблоков К. В. 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;58с.
9. Казмин Ю. Б., Волков А. Н., И.Ф., Корсаков О. Д., Кулындышев В. А Международно-правовые и экономические проблемы поиска, разведки и освоения минеральных ресурсов глубоководных районов Мирового океана/ Мингео СССР, Геленджик- 1989;142 с.
Ю.Пилипчук М. Ф., Ткаченко Г. Г. Прогноз экологических последствий промышленной добычи железомарганцевых конкреций/ Советская геология.-1990;№ 12.-С. 121 -127.
11 .Криль С. И. Напорные взвесенесущие потоки / Киев: Наук думка -1 990 160 с.
12.Ширяев Б. К. Анализ деятельности потенциальных заявителей и первоначальных вкладчиков по созданию технических средств добычи полиметаллических конкреций / РП Интерокеанметалл.-1992; 42 с.
13.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.
14.Ширяев Б. К., Мызенкова Л. Ф., Вернадская Н. П. Современное состояние разработок технологии добычи полиметаллических конкреций первоначальными вкладчиками и потенциальными заявителями (1991;1994 гг), технические и экологические проблемы глубоководной добычи полиметаллических конкреций/ РП Интерокеанметалл.-1995; 100 с.
15.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.
16.Пилипчук М. Ф. Крупномасштабные экологические исследования в рудной зоне Кларион-Клиппертон /Разведка и охрана недр.-1997;№ 4.-С.27−28.
17.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.
18.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;C. 7−11.
19.Пилипчук М. Ф. Научно-методические вопросы геоэкологического мониторинга / Геоэкологические исследования и охрана недр.-М.-1998;Вып.З.-С 3−7.
20.Костюк А. Н., Ширяев Б. К. О некоторых аспектах работ по подготовке к освоению полиметаллических конкреций/ Международная научно-практическая конференция «Рациональному использованию минеральных ресурсов земли и океана современную технику и технологию"-Днепропетровск-1999;С. 11−14.
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.Пилипчук, М. Ф. Теоретические основы, методика и практика геоэкологического обеспечения разведочных и добычных работ на глубоководных месторождениях полиметаллических конкреций в Мировом океане. Автореферат / Геленджик-ФГУДП «НИПИокеангеофизика"-2003;45с.
29.Бубис Ю. В., Оздоева Б. М. Особенности глубоководного намыва/ Межвузовский сборник -«Комплексное освоение и экология россыпных и морских месторождений"/М. МГГРУ -2004.
30.Неизвестное Я. В., Кондратенко А. В., Козлов С. А. Инженерная геология рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане / С.П.-б: Наука. 2004;281 с.
31.Бубис Ю. В., Кафидов Н. Г, Оздоева Б. М., Нарышкина О. А., Полякова И. П. Технологические результаты международной геоэкологической добычи металлосодержащих конкреций на глубоководных полигонах в Тихом и Индийском океанах/ Горный журнал.-2006;№ 1. '.
32.Н.Amman, H.Oebius.-Soft Ocean Mining — 23th OTC, Houston-1991;469−480.
33.Н.Атапп, H. Beiersdorf. The Environmental Impact of Deep Sea Mining- 25th JTC, Houston-1993;213−231.
34.S. Berge, J.M. Markusen. Environmental Consequences of Deep Seabed Min-ing-The FridtjofNansen Institute-1991.
35.G. Ganapahtv, S. Panda. Nonliner analysis of pipe string for deep sea mining-21thOTC, Houston-1989, 633−640.
36.M.Gruickshank. Ocean Mining: Research nttd strengtheningSea Technology-1992;v 33, n.l.
37.International Advisory Conference on Deep Seabed Mining PoliceSeoul-1994.
38. V. Kesava. Exploring the Seasthe National Institute of Oceanography’s ventureCurrent Science-1990;v.59,n.5−246−252.
39.M. Lauson. Mining 40 000 leagues under the sea, Australian Mining- 1990;v.82−12.
40 .J.-P. Lenoble. New Scenarios of the World Metal Markets and the Eventual Contribution from Deep Sea Mining- 25th OTC, Houston-1993;197−202.
41.Liao Y. Multi-purpose Acoustic System Aids Manganese Nodule Exploration-Sea Technology-1988;V.29, n.3−33−36.
42.Longshui Kie. Deep Sea Mining in China- 25th OTC, Houston-199 233−239.
43.C. Morgan, N. Odunton, A. Jones. Deep Seabed Mining Marine Georesources and Geotechnology- 1999;307−356.
44.G. Mukherji. An Innovation in the Ocean Mining transportation system. 20th ONC, Houston-1988;464−468.
45.National Institute of Oceanographe, Annual report- 1989;1990.
46.M. Sudhakar. Ore Grade Manganese Nodules from the Central Indian Ba-sin:evaluationMarine Mining-1989;v.8,n.2−201−214.
47.R.Sharma, B. Nath. Selection of Test and Referance Areas for the Indian Deepsea Environment Experiment (INDEX) — Marine Georesources and Geo-technology-2000;177−187.
48.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.
