Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Определение производительности подводного добычного забоя при разработке залежей железо-марганцевых конкреций

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Определение производительности подводного добычного забоя при разработке залежей железо-марганцевых конкреций"

На правах рукописи

ФЕДОТОВ Андрей Борисович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПОДВОДНОГО ДОБЫЧНОГО ЗАБОЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗО-МАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ

Специальность 25.00.22 — Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ОАО «Институт Гипро-никель».

Защита диссертации состоится 28 июня 2006 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Автореферат разослан 26 мая 2006 г.

Арсентьев Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Капутин Юрий Евгеньевич,

кандидат технических наук

Каренин Андрей Станиславович

диссертационного совета д.т.н., профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. После распада Советского Союза достаточно остро встал 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. Практически ни одна плавка стали не может обойтись без добавления марганцево-содержащих ферросплавов, которые необходимы для раскисления, обессеривания и легирования стали, что придает ей вязкость и стойкость. Непрерывный характер работы сталеплавильной промышленности определяет стабильный непрерывный спрос на марганцевое сырье, так что импортная зависимость является для России достаточно обременительной. Скорейшее освоение залежей железо-марганцевых конкреций Финского залива позволит в значительной степени устранить импортную зависимость по этому стратегическому сырью при несравненно меньших капитальных вложениях по сравнению с добычей и обогащением марганцевых руд при разработке материковых залежей.

Однако, при всем разнообразии предложений модельного ряда добычной техники до сих пор не существует научного обоснования технологии по разработке подводных месторождений, что в значительной степени затрудняет разработку шельфовых месторождений ЖМК. В данной работе основное внимание уделено анализу предложенной ранее техники и технологии отработки подводных месторождений и обоснованию перспективной технологии горных работ а также разработке инженерного способа определения производительности подводного забоя.

Общей теоретической базой работы послужили труды ведущих ученых в области гидромеханизации, гидротранспортирования, а также открытых и подводных горных работ: А.И. Арсентьева, В.Б. Добрецова, А.П. Юфина, Д.М. Шкундина, А.И. Харина, В.А. Раздольного, Б.С. Маховикова, A.A. Кулешова, Ю.В. Бубиса, Г.А. Нурока, В.И. Богоявленского, Л.Н.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 20С^а кт

Молочникова, Ю.В. Бруякина, Дж. Меро и других ученых, а также коллектива института ВСЕГЕИ.

Цель диссертационной работы. Создание методики определения производительности подводного забоя при использовании современных добычных агрегатов.

Идея работы. Предприятие по подводной разработке полезных ископаемых является "подводным карьером", параметры и показатели которого должны определяться на базе закона динамичности рабочих забоев, сформулированного для горных работ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработать метод инженерного расчета производительности подводного добычного забоя,

• определить степень влияния различных факторов на производительность подводного добычного забоя,

• рассмотреть возможные варианты систем разработки для современной техники, удовлетворяющей условиям выбранного месторождения,

• установить факторы, влияющие на выбор системы разработки и особенности систем разработки подводного месторождения.

Защищаемые научные положения:

1. Производительность подводного добычного забоя должна определяться на основе закона динамичности рабочих забоев, из которого следует, что забои перемещаются в пространстве со скоростью прямо пропорциональной производительности землесоса по пульпе и обратно пропорциональной площади обрабатываемой поверхности.

2. Производительность подводного забоя в наибольшей степени зависит от следующих факторов (в порядке убывания коэффициента эластичности): продолжительности смены, коэффициента использования добычного агрегата во времени, объёмной консистенции пульпы и производительности землесоса.

3. Выбор системы разработки в "подводном карьере" отличается от выбора при наземном способе добычи

необходимостью учёта дополнительных факторов: возможность маневрирования и движения добычного агрегата; конструктивные особенности пульповодов и способы транспортировки пульпы; наличие якорных канатов, ограничивающих сектор разработки; морские течения; наличие облака мелких фракций; необходимость обслуживания механизмов, их наладки и ремонта водолазами.

Научная новизна работы:

• установлены аналитические зависимости взаимодействия факторов работы подводного забоя, на базе которых создана методика определения показателей и параметров "подводного карьера";

• определена степень влияния геологических, технических, технологических и организационных факторов на производительность подводного забоя.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы научного анализа и обобщения теоретических исследований, производственной и проектной практики. Использованы теории развития горных работ в пространстве.

Достоверность научных положений обосновывается представительным объёмом проанализированной и обобщённой исходной информации. Приведенные в работе аналитические результаты хорошо согласуются с новейшими данными, опубликованными другими авторами.

Практическая значимость работы. Предложена аналитическая методика инженерного расчета производительности подводного забоя для проектирования и планирования подводных горных работ с целью принятия обоснованных решений.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научной конференции молодых учёных "Полезные ископаемые России и их освоение" г. Санкт-Петербург (2004 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы и 8 патентов на изобретение РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и библиографического списка.

Содержит 93 страницы машинописного текста, 28 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 94 наименований. Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю профессору А.И. Арсентьеву, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы, а также сотрудникам кафедры РМПИ за практические советы при написании и обсуждении диссертации и лично профессору В.Б. Добрецову за руководство при разработке новых технических средств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе диссертации представлено современное состояние проблемы разработки железо-марганцевых конкреций в мелководных участках морей и океанов. Определены объекты и задачи исследования.

Во второй главе приведены горно-технические данные залежей железо-марганцевых конкреций, а также распределение полей ЖМК и условия их залегания в границах месторождения, на примере которого выполнялась данная работа.

В третьей главе предложена методика инженерного расчета производительности подводного добычного забоя, определена степень влияния различных факторов на этот показатель. Также предложена методика принятия решения и определения уровня риска принятых решений по выбранному показателю (производительности подводного добычного забоя). Предложена система разработки для перспективной, конструкции добычной установки, применимая также для многих современных агрегатов.

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых научных положениях:

1. Производительность подводного добычного забоя определяется на основе закона динамичности рабочих забоев, из которого следует, что забои перемещаются в пространстве со скоростью прямо пропорциональной производительности землесоса по пульпе и обратно пропорциональной площади обрабатываемой поверхности.

С учётом имеющейся информации смоделируем процессы происходящие в подводном добычном забое, во многом они аналогичны наземным.

Технология добычного забоя:

1. Подготовительные работы по обследованию разрабатываемого участка дна и устранению помех.

2. Рыхление горной массы.

3. Всас (приготовление пульпы).

4. Транспортирование пульпы (либо на поверхность, либо в промежуточный бункер накопитель).

Обобщенная схема подводного забоя добычного агрегата представлена на рис. 1. а) план

—ы 1111 Г1111 Ч 111111111

С ~г

1'Ч"1"Ч1

и

15

б) разрез В-В

7777

м

Рис. 1. Схема подводного добычного забоя.

Примем, что: А - ширина заходки, м; из - скорость движения забоя (агрегата), м/час; Р3 - производительность землесоса по пульпе, м3/час; (), - производительность забоя по руде, м3/час: 8П - объемная консистенция пульпы; М - мощность разрабатываемого слоя, м; кг - коэффициент, учитывающий потери при добыче конкреций.

По закону динамичности добычного забоя в процессе горных работ рабочие забои, в которых производится выемка горных пород, перемещаются в пространстве со скоростью о3, прямо

пропорциональной производительности выемочного оборудования и обратно пропорционально обрабатываемой площади забоя Б-,:

V.

з

ИЛИ о

(1)

Для инженерных расчетов удобнее использовать определение объёмной консистенции пульпы т. е. отношение объема транспортируемого добытого материала (грунта) к общему объему пульпы. Тогда производительность подводного забоя <33 будет прямо пропорциональна производительности землесоса по пульпе Р3 и объемной консистенции пульпы дп : р = Р: ■ дп , м3/час (2)

Р

Отсюда скорость подвигания забоя: = 8П---, м/час (3)

А-М -кт

Зависимость объемной консистенции пульпы от скорости движения агрегата (забоя) является линейной функцией. По данным А. Н. Харина по условиям гидротранспорта консистенция пульпы 0,4-0,5 является предельной, следовательно для получения необходимой консистенции пульпы нужно строгое соблюдение скоростных режимов агрегата в определенных пределах.

Другим немаловажным показателем ведения подводных работ является фактическое время рабочего цикла, т. е. время между началом отработки двух соседних заходок, тогда:

Где: Тц - время на отработку заходки длиной Ьб, час; ^ - фактическое время отработки одной заходки, час; ^ - время необходимое для перехода к следующей заходке (время маневра), час. Для отработки одной заходки необходимо время: и,, час (5) Где: Ьб - длина отрабатываемого блока, м.

А ■ М ■ кт • Ьб

С учетом уравнения (4): 1^=-, час (6)

Р3 ■дп

Количество заходок, отработанных в течение одной смены будет:

Где: Тсм - продолжительность смены, ки - коэффициент использования добычного агрегата во времени.

ТЦ=Ъ+1М час

(4)

Количество полезного, ископаемого добытого при отработке одной заходки: У,= Ьл ■ А- М -к

т'

м3 (8)

Тогда, с учетом формул (7) и (8) объем полезного ископаемого, добытого за смену: Усм= У3 ■ N, м3 (9)

После подстановок и некоторых преобразований получим окончательно:

К, = V Л

Ки ' ТСм

Ь6 ■ кт • М ■ А

м в смену

(10)

Если, например, Зп = 0,3; Тсм=8 час/смену; А=1,5 м; М=0,15 м; Ь6=100 м; гм=0,05 час; кх=0,8; ки=0,9 и Р3=600 м3/час то Усм=864м3.

Определим товарную часть конкреций в общем объёме добываемой горной массы. Для этого представим крупность кусков разрабатываемой мощности в виде Гамма-распределения (рис. 2).

Кх)

0,017

0,25 0.33 0,42

17* <*■ <*>■

Т х

Рис. 2. Распределение крупности кусков разрабатываемой мощности.

ос-1 „~Ьх

(11)

Разброс кусковатости в первом приближении принимаем 012 см. Тогда: х =4 см. или х0 =0,33; сг=0,2 (±8 мм)

Ъ=х/(т2 =0,33/0,04=8,25 » 8 (12)

9

а = Ь- х = 8,25 -0,33 = 2,7« 3 (13)

Мода Мо=(я-1У^=(3-1)/8=0,25 (3 см.) следовательно:

фО=А1Х2е-8х (14)

Выделим товарную часть добываемого грунта, т. е. объем представленный товарным (по условиям обогащения) размером конкреций. Предположим, что это х,=0,2 и х2=5 см. Тогда доля товарных конкреций, которые идут на обогащение составит:

<У=5/50, (15)

где Бо - общая площадь под кривой; 82 - площадь товарных конкреций.

В данном примере (рис. 2) со = 77/118 « 0,65. Примем, что товарная часть конкреций в общем объеме добытом за смену равна со, влажность конкреций ув, удельный вес

в сухом виде ук. Тогда сменная производительность подводного забоя после обогащения и сушки конкреций может составить:

<2к= Уем • - Г. )ГК > т в сменУ (16)

Если Усм=864 м3; со = 0,65 ; ув = 0,3 ; ук = 1,6 т/м3 то Ок=629 т/смену.

2. Производительность подводного забоя в наибольшей степени зависит от следующих факторов (в порядке убывания коэффициента эластичности): продолжительности смены, коэффициента использования добычного агрегата во времени, объёмной консистенции пульпы и производительности землесоса.

Для того чтобы намежть рациональные пути повышения сменной производительности необходимо из общего ряда факторов выявить ключевые, т. е. оказывающие наибольшее влияние на окончательный результат. Наиболее целесообразно использовать коэффициент эластичности. Он показывает степень реагирования функции, в данном случае сменной производительности, на степень изменения аргумента (аргументов входящих в формулу сменной

100 {Й Ау.-х, п/

производительности): е =-> -, % (17)

п ~ 1 V Ах, • у,

Где: п - число точек рассматриваемых вариантов аргумента; у1 -значение функции в 1-й точке; Ау1 - приращение функции в 1-й точке; х,- значение аргумента в 1-й точке; Ах1 - приращение аргумента в ьй точке.

Определим коэффициент эластичности для всех аргументов формулы сменной производительности. Средние значения параметров принимаем следующие: бп=0,25; Р3 =600; ки=0,7; Тсм=7; 1М=0,06; Ь6=130; кт=0,7; М=0,25; А=1,6.

0,7-7

Тогда Усм ср =0,25-600-

1 +

0,06 • 0,25 ■ 600

= 589,2 м"

130 0,7 -0,25 1,6 Полученные значения коэффициента эластичности сведём в таблицу 1.

Таблица 1.

Факторы Интервалы факторов £,%

1 2 3 4 5 6 7

к„ 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 100

Тем, час. 4 5 6 7 8 9 10 100

¿я 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 82,2

Усм, м3/смену. 267,5 384 490,8 589,2 680 764,2 842,4

Р3, м '/час Уст М'/смену. 300 327,1 400 420,7 500 507,9 600 589,2 700 665,6 800 737,1 900 804,3 80,4

М, м. Усм м3/смену. 0,1 454,3 0,15 520,5 0,2 561,5 0,25 589,2 0,3 609,5 0,35 624,7 0,4 636,6 23,8

кт 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 22

Усм, м3/смену. 513,1 546 570,5 589,2 604,3 616,5 626,6

А, м. 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 21,3

Уом, м3/смену. 526,7 552,8 573,1 589 602,6 613,6 623

^ час. 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 -21,3

Усм, м3/смену. 654,1 631 609,5 589,2 570,5 552,8 536,2

и,м- 100 110 120 130 140 150 160 20,7

Усм,. м3/смену 556,2 568,8 579,7 589,2 597,8 605,3 612

3. Выбор системы разработки в "подводном карьере" отличается от выбора при наземном способе добычи необходимостью учёта дополнительных факторов: возможность маневрирования и движения добычного агрегата; конструктивные особенности пульповодов и способы транспортировки пульпы; наличие якорных канатов, ограничивающих сектор разработки; морские течения; наличие облака мелких фракций; необходимость обслуживания механизмов, их наладки и ремонта водолазами.

В районе месторождения ЖМК в Финском заливе глубина моря находится в пределах 70 м. Специфика разработки месторождений таких глубин состоит в том, что используемая в настоящее время высокопроизводительная добычная техника предназначена для ведения работ на глубинах до 30-40 м. Глубоководные же системы добычи дорогостоящи и не имеют столь широкого применения.

При выборе направления перемещения выемочного оборудования в подводном карьере немаловажную роль играют такие факторы как скорость и направление подводных течений, а также рельеф дна. Для снижения энергозатрат оптимальным направлением продвижения фронта добычных работ Оф будет

основное направление против течения (рис. 3). При таком положении агрегата течение будет оказывать наименьшее влияние на траекторию его движения. Встречные потоки также будут сносить облако взвеси, поднятое при отделении горной массы от забоя, в выработанное пространство. Это позволит сохранить видимость в подводном забое. Траектория движения добычного агрегата также должна учитывать особенности рельефа дна. Следует заранее выявлять непреодолимые препятствия на пути движения агрегата и по возможности их избегать.

Рис. 3. Система разработки подводного карьера. 03 - скорость движения забоя, и(/, - скорость перемещения фронта работ,

ив - скорость подводных течений.

Из ранее рассмотренных предложений наибольшего внимания заслуживают разработки, осуществляемые группой исследователей под руководством профессора Б.С. Маховикова (рис. 4). На их основе можно вполне представить горное предприятие,

В состав глубоководного комплекса входит промежуточная, заглубленная под уровень поверхности моря капсула 2 с атмосферным давлением внутри, к которой присоединен гибкий шарнирный трубопровод положительной плавучести 3, состоящий из секций со сферическими шарнирами на концах, допускающими

13

взаимный поворот секций до 15°. Капсула обеспечивает создание напора в трубопроводе, достаточного для подъема в танк судна добытой машиной 4 со дна акватории горной массы в смеси с морской водой. Общий вид подводной добычной машины представлен на рис. 5.

Авторы идеи при конструировании системы агрегатов считают, что на морском дне с одной стоянки судна и положении насосного агрегата можно отработать площадь круга диаметром, зависящим от длины гибкого пульповода.

На самом деле все оказывается намного сложнее. Сначала уточним исходные позиции. Гибкий пульповод состоит из отдельных секций длиной до 12 м, соединенных муфтами, позволяющими осуществлять поворот секции до 15°. Всасывающий пульповод насосного агрегата горизонтален и находится на глубине более 10 м. Насос можно поворачивать в горизонтальной плоскости. Патрубок пульпы на добычном агрегате на дне моря вертикален. Агрегат может разворачиваться в горизонтальной плоскости.

Рассмотрим пример работ при глубине разрабатываемого месторождения 50 м. Предположим, что длина секций пульповода с учётом муфты равна 8 м при общей длине 96 м (12 секций) и положении насосного агрегата под судном на глубине 10 м от поверхности воды.

Высота от дна моря секций пульповода до насосного агрегата под судном ВВ0 (рис. 6) может быть определена по формуле:

8

-Я

м

О

Рис. 5. Общий вид подводной добычной машины.

tf = /,]Tsiim,,M (26)

i

где: l, - длина секций с муфтой, м; п - количество секций в пульповоде; а - угол наклона секций относительно вертикали, градусы.

Уровень моря

- )

В О т Во о

1S 62

S0

Рис. 6. Предельно возможные положения пульповода.

1 - при максимальном развёрнутое АВ0 и 2 - при минимальном СВ0 расстоянии от оси ВВ0.

Длина проекции пульповода по дну моря ABU определяется по формуле:

п

L = Ideosa, , м (18)

i

Все расчёты лучше всего вести в виде таблиц. Сначала определим возможное максимальное расстояние АВ0 по дну моря от добычного агрегата до оси насосной установки ВВ0 при пульповоде длиной 96 м, состоящем из 12 секций по 8 м (табл. 2).

Таблица 2.

Максимально возможное расстояние по дну моря от добычного __агрегата до оси насосной установки._

Высота ВВ0 д ,лина АВ0

№ а бшд Ъ сова 1, 2'.

1 75 0,966 7,73 7,73 0,259 2,07 2,07

2 60 0,866 6,93 14,66 0,5 4,0 6,07

3 45 0,707 5,66 20,32 0,707 5,66 11,73

4 30 0,5 4,0 24,32 0,866 6,93 18,66

5 15 0,259 2,07 26,39 0,970 7,73 26,39

6 14°05' 0,243 1,944 28,334 0,97 7,76 34,15

7 14°05* 0,243 1,944 30,278 0,97 7,76 41,91

8 14°05' 0,243 1,944 32,222 0,97 7,76 49,67

9 14°05' 0,243 1,944 34,166 0,97 7,76 57,43

10 14°05' 0,243 1,944 36,110 0,97 7,76 65,19

11 14°05' 0,243 1,944 38,055 0,97 7,76 72,95

12 14°05' 0,243 1,944 40 0,97 7,76 80,71

Таблица 3.

Минимально возможное расстояние по дну моря от добычного ___агрегата до оси насосной установки._

Высота ВВ0 Длина СВ0

№ а ь, сова, I'.

1 105 0,966 7,73 7,73 -0,259 -2,07 -2,07

2 90 1,0 8,0 15,73 0,0 0 -2,07

3 75 0,966 7,73 23,46 0,259 2,07 0

4 60 0,866 6,93 30,39 0,5 4,0 4,0

5 45 0,707 5,66 36,05 0,707 5,66 9,66

6 30 0,5 4 40,05 0,866 6,93 16,59

7 30 0,5 4 44,05 0,866 6,93 23,52

8 15 0,259 2,07 46,12 0,966 7,73 31,25

9 0 0 0 46,12 1 8 39,25

10 -15 -0,259 -2,07 44,05 0,966 7,73 46,98

11 -15 -0,259 -2,07 41,98 0,966 7,73 54,71

12 -14°20' -0,247 -1,98 40 0,969 7,75 62,46

Аналогично определим минимально возможное расстояние СВ0 от добычного агрегата по дну моря до оси ВВ0 (табл. 3).

Расстояние АС=80,71-62,46=18,25« 18 м.

В рассмотренном варианте максимальное горизонтальное расстояние АВ0 от добычного агрегата до вертикальной оси ВВ0 сосIавит 80 м, а пульповод представит собой линию 1 (рис. 6). Минимально возможное рассшяние о г добычного агрегата до оси ВВ0 62 м и пульповод при этом представит собой линию 2 (рис. 6). При этом верхняя часть пульповода окажется на глубине 4 м от поверхности воды. Возможная ширина полосы АС для маневрирования добычного агрегата составит 18 м.

Использовать всё кольцо окружности будет невозможно из-за якорных канатов судна, стоящего на поверхности воды. Ориентировочно можно будет использовать около 120°-140° окружности (рис. 7). Площадь возможных добычных работ на дне моря с одной стоянки судна:

5 = 2 (19)

360

где: Р - центральный угол кольца, градусы; Ли г -максимальный и минимальный радиусы окружности, м.

Тогда, в рассмотренном варианте: 140•314

360 8°2 ~62' ) = 1'221-(6400~3844) = 3121

При объёмной массе руды во влажном состоянии около 2 т/м3 и средней мощности залежи 0,15 м можно будет с одной

стоянки судна добыть 3121 '0,15-2 =936 т руды, что для добычного агрегата составит объём работ на две-три смены по 5 часов. Если же мощность залежи составит 0,5 м, то может быть добыто 3121т руды, то есть на 5-6 смен работы добычного агрегата.

Если рассмотренное предложение будет осуществляться, то возможная система разработки подводного горного предприятия -продольными заходками вдоль границ кольца (рис. 8). Длина внешней окружности Ь0 определяется по формуле (20).

вдоль границ кольца.

4, =-^Д = 0,0175ДК,м (20)

0 360

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для подводных горных работ задачи - создание методики определения производительности подводного забоя и выбор системы разработки при использовании современной добычной техники.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Установлены основные недостатки и намечены пути совершенствования добычной техники при разработке подводных месторождений.

2. Разработана методика инженерного расчета производительности подводного забоя.

3. Определена степень влияния различных факторов на производительность подводного забоя (в порядке убывания коэффициента эластичности): продолжительность смены (100%), коэффициент использования добычного агрегата во времени (100%), объемная консистенция пульпы (82,2%), произво-дительность землесоса (по пульпе) (80,4%), мощность залежи (23,8%), ширина заходки (22%), коэффициент учитывающий потери (21,3%), длина блока (21,3%), время маневра (20,7).

4. Установлены специфические факторы, влияющие на выбор системы разработки подводного месторождения.

5. Разработана методика инженерного расчета площади участка дна, отрабатываемого добычным агрегатом с одной точки стоянки судна при использовании гибкого трубопровода конструкции проф. Б.С. Маховикова.

6. Рекомендован приемлемый вариант системы разработки подводного месторождения с использованием современных добычных средств, позволяющий создать стабильное горное предприятие высокой производительности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Патент РФ на изобретение №2166633. Устройство для разработки илистых отложений/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Федотов А.Б., Туманов A.B., Руссков A.A.

2. Патент РФ на изобретение №2175121 Пробоотборник для илистых отложений/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Федотов А.Б., Туманов A.B., Руссков A.A.

3. Патент РФ на изобретение №2182661. Пробоотборник для поверхностных отложений морского дна/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

4. Патент РФ на изобретение №2166632. Устройство для добычи сапропеля/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Иванько Л.В., Федотов А.Б., Туманов A.B., Руссков A.A.

5. Патент РФ на изобретение №2173779. Погружной илозаборный агрегат / СПГГИ; Добрецов В.Б., Федотов А.Б., Туманов A.B., Руссков A.A.

6. Патент РФ на изобретение №2178554. Устройство для отбора проб илистых отложений/ СПТТИ; Добрецов В.Б., Огородников Ю.Н., Федотов А.Б., Туманов A.B., Русское A.A.

7. Патент РФ на изобретение №2170823 Устройство для разработки конкреций/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г, Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В. А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

8. Патент РФ на изобретение №2170824. Устройство для разработки конкреций/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

9. Добрецов В.Б. Железо-марганцевые конкреции Финского залива и их освоение. / Добрецов В.Б., Лигоцкий Д.Н., Федотов А.Б. // Межвузовский научный сборник "Комплексное освоение и экология россыпных и морских месторождений". Москва, 2004, с. 60-62.

10. Добрецов В.Б. Добыча и первичное обогащение россыпей железо-марганцевых конкреций Финского залива Балтики. / Добрецов В.Б., Лигоцкий Д.Н., Докукин В.П., Федотов А.Б. // Межвузовский научный сборник "Комплексное освоение и экология россыпных и морских месторождений". Москва, 2004, с. 56-59.

11. Добрецов В.Б. Снижение экологического ущерба при добыче и первичном обогащении россыпей железо-марганцевых конкреций Финского залива Балтии. / Добрецов В.Б., Федотов А.Б. // Межвузовский научный сборник «Проблемы машиноведения и машиностроения». Санкт-Петербург 2005, с. 243-247.

РИЦСПГГИ 23.05 2006 3.201 Т.ЮОэкз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д 2

¿(W6/Ï-

1 4 6 50

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Определение производительности подводного добычного забоя при разработке залежей железо-марганцевых конкреций"

В настоящее время практически все передовые в промышленном отношениины занимаются освоением минеральных ресурсов Мирового океана. В некоторыхнах вопросы разведки полезных ископаемых морского дна и их разработки подняты до уровня общенациональных проблем.

Некоторые зарубежные ученые объясняют стремление к освоению минеральных ресурсов океана лишь истощением материковых месторождений. Они приводят цифры, показывающие обеспеченность человечества минеральным сырьем (от 20 до 70 лет и более в зависимости от вида полезного ископаемого) и являющиеся по крайней мере малооптимистичными. С таким утверждением вряд ли стоит соглашаться безоговорочно, хотя с фактом истощения материковых месторождений нельзя не считаться. Современная техника и технология горного производства позволяют отрабатывать месторождения со сравнительно малым содержанием полезных компонентов, разрабатывать полезные ископаемые на больших глубинах и в больших объемах.

На наш взгляд, возникновение и развитие проблемы освоения полезных ископаемых Мирового океана обусловили две основные причины. Первая заключается в том, что при современном состоянии техники в ряде случаев может быть более экономична подводная добыча полезных ископаемых (в частности, россыпных) по сравнению с материковой, поскольку исключение из технологического цикла буровзрывных работ, дробления и некоторых других операций снижает себестоимость добываемых полезных ископаемых. Это подтверждается данными пробной и промышленной подводной добычи твердых полезных ископаемых, осуществляемой более чем в 30 странах мира. И вторая причина - практически полное отсутствие или недостаточное количество полезных ископаемых на материковой части некоторых стран при значительных запасах в шельфовой зоне, примыкающей к границам этих государств.

Импортная зависимость Российской Федерации по марганцевому сырью (Украина, Габон), когда после прекращения существования СССР Россия лишилась 90% материковых запасов марганцевых руд, предопределяет несомненную целесообразность освоения шельфовых месторождений железо-марганцевых конкреций (ЖМК).

Месторождения ЖМК на дне шельфовых морей России известны в Белом, Карском, Беринговом и Балтийском морях, при этом по климатическим и другим природным и горно-геологическим факторам наиболее изученными и привлекательными для освоения являются залежи ЖМК восточной части Финского залива Балтийского моря.

Достаточно подробные сведения о месторождениях ЖМК восточной части Финского залива явились результатом многолетних исследований М.А. Спиридонова, В.А. Жамойды [65, 66, 67], П.Е. Москаленко и их коллег из ВСЕГЕИ. Месторождения ЖМК Лужской и Копорской губ залива и некоторых других его частей были исследованы специалистами ООО "Петротранс" за последние 3-5 лет. Имеющиеся данные позволяют предложить, в первоначальном варианте, технику разработки ЖМК Финского залива.

Специальные комплексы оборудования для разработки подводных месторождений должны включать в себя: подводную модель, обеспечивающую складирование полезного ископаемого и энергоснабжение комплекса, гибкий трубопровод, горную машину, обеспечивающую отделение полезного ископаемого от массива и транспортное средство для подъема горной массы.

Однако, при всем разнообразии предложений модельного ряда добычной техники до сих пор не существует отлаженной технологии её применения, что в значительной степени затрудняет разработку шельфовых месторождений ЖМК. Целью данной работы является создание методики определения производительности подводного забоя при использовании современных добычных агрегатов. Это позволит ускорить процесс создания технологии использования новейшей техники.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Федотов, Андрей Борисович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для разработки подводных рудных месторождений задачи - создание методики определения производительности подводного забоя при использовании современной добычной техники.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Установлены основные недостатки и намечены пути совершенствования добычной техники и технологии при разработке подводных месторождений.

2. Разработана методика инженерного расчета производительности подводного забоя

3. Определена степень влияния различных факторов на производительность подводного забоя (в порядке убывания коэффициента эластичности): продолжительность смены (100%), коэффициент использования добычного агрегата во времени (100%), объемная консистенция пульпы (82,2%), производительность землесоса (по пульпе) (80,4%), мощность залежи (23,8%), ширина заходки (22%), коэффициент учитывающий потери (21,3%), длина блока (21,3%),. время маневра (20,7).

4. Выявлены специфические особенности систем разработки подводных месторождений в отличие от систем разработки при эксплуатации наземных месторождений.

5. Разработана методика инженерного расчета площади участка дна отрабатываемого добычным агрегатом с одной точки стоянки судна при использовании гибкого трубопровода конструкции проф. Б.С. Маховикова для условий месторождений ЖМК Финского залива (глубины 40 - 60 м). 6. Рекомендован приемлемый вариант системы разработки подводного месторождения с использованием современных добычных средств, позволяющий создать стабильное горное предприятие высокой производительности.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Федотов, Андрей Борисович, Санкт-Петербург

1. Юфин А.П. Гидромеханизация. Москва. Стройиздат. 1974.

2. Замеров В.Н. Разведка и добыча полезных ископаемых мирового океана. Москва 1988.

3. Пирский А.А. Добыча полезных ископаемых из морей и океанов. Киев 1978.

4. Лифшиц Л.Л Техника подводной добычи полезных ископаемых. Издательство "Знание", Москва 1971.

5. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды. Энергия, М. 1968.

6. Жарницкий Е.П. Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами. Москва "Недра" 1988.

7. Александров И.Л. Развитие исследований технологии глубоководной добычи железомарганцевых конкреций во Франции и Японии. Москва 1992.

8. Добрецов В.Б., Рогалев В.А. Основные вопросы освоения минеральных ресурсов мирового океана. Санкт-Петербург, 2003.

9. Хорошилов Н.Н. Определение рациональных параметров фрезерного рыхлителя землесосного снаряда. Автореферат диссертации Л. 1963.

10. Ю.Хорошилов Н.Н. Рациональные параметры фрезерного разрыхлителя. Труды ВНИИГСа, БТИ №1, Л. 1958.

11. Шкундин Б.М. Землесосы и землесосные снаряды. Госэнергоизиздат, М. 1961.

12. Харин А.И. Разработка грунтов плавучими землесосными снарядами. М. 1966.

13. Мороз В.А. Повышение эффективности работы плавучих земснарядов. Сб. "Гидромеханизация земляных и открытых горных работ". Госэнергоиздат. М. 1957.

14. Холин Н.Д. Авторское свидетельство №78991, кл. 84d.

15. Царевский A.M. Гидромеханизация мелиоративных работ. Сельхозиздат. М. 1963.

16. Харин А.И. Удаление из водозаборных ковшей, "Водоснабжение и санитарная техника" №1, 1960.

17. Раздольный В.А. Лабораторные исследования процесса всасывания крупнозернистого сыпучего грунта. Научно-техническое сообщение ВНИИНеруда №1-2, 1960.

18. Пухов П.П. Гидравлические разрыхлители грунта на землесосных снарядах. РечиздатМ. 1957.

19. Стариков А.С. Пути повышения производительности речных землесосов. Изд. "Речной транспорт". М. 1961.

20. Разработка и исследование фрезерно-гидравлического разрыхлителя с принудительным подводом грунта к сосуну. Отчет ВНИИНеруда 1960.

21. Харин А.И., Юдичев В.В. Исследования по применению вибраций для подводной разработки грунта землесосными снарядами. Сб. тр. ВНИИНеруда, вып. 1, Госстройиздат, М. 1962.

22. Патент РФ на изобретение №2170823. Устройство для разработки конкреций/ СПГТИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

23. Патент РФ на изобретение №2170825. Устройство для разработки конкреций/ СПГТИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

24. Патент РФ на изобретение №2170824. Устройство для разработки конкреций/ СПГТИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Лигоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б., Федотов А.Б.

25. Г. М. Лезгинцев, С. Ю. Истомин, Е. А. Контарь "Применение эрлифтного оборудования для разработки морских россыпей"- Москва 1973.

26. И. Л. Александров "Развитие исследований технологии глубоководной добычи железомарганцевых конкреций во Франции и Японии"-Москва 1992.

27. Нейтман Л.Н., Фридман М.М. Модернизация земснаряда 350—50 Л для увеличения глубины разработки. Энергетическое строительство, №7, 1986.

28. Лобанов В. А. Справочник по технике освоения шельфа. Л. Судостроение, 1983.

29. Лукошков А.В. Техника и технология морских геологоразведочных и горнодобывающих работ. Ленинград 1984.

30. Маховиков Б.С., Незаметдинов А.Б., Шорников В.В., Шалыгин А.В. Патент РФ на изобретение №2203421 от 27.04.03 "Установка для добычи полезных ископаемых со дна акватории".

31. Шорников В.В., Шмидт В.Э., Маховиков Б.С. и др. Патент РФ на изобретение №2157438 от 10.10.2000 "Гибкий погружной пульпопровод".

32. Потемкин С.В. Разработка россыпных месторождений. М. Недра 1995.

33. Маховиков Б.С., Кабанов М.Л. Горно-добывающий комплекс для морской разработки твердых полезных ископаемых// Горные машины и' автоматика №5. 2003.

34. Добрецов В.Б., Лигоцкий Д.Н., Федотов А.Б. Железо марганцевые конкреции Финского залива и их освоение. Межвузовский научный сборник "Комплексное освоение и экология Россыпных и морских месторождений" Москва, 2004.

35. Меро Д., Минеральные богатства океана, пер. с англ., М., 1969.

36. Меро Д., Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, М., 1970.

37. ЗБ.Бубис Ю.В., Кинариевский В.А., Махмутова P.M. Земснаряд для подводной добычи и обогащения титаномагнетитовых песков// Опыт гидромеханизации 1 горных, строительных, мелиоративных и транспортных работ. М., МГИ, 1972.

38. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В., Королев В.Г. Технология подводной разработки морских россыпных месторождений// М., МГИ 1974.

39. Рощупкин Д.В. Разработка грунтов землесосными снарядами. М., Стройиздат, 1969.

40. Романенко Б.Е. Эффективные режимы и способы работы землесоса. М., Речиздат, 1954.

41. Молочников JI.H. Подводный земснаряд// Научные основы создания подводной, автоматизированной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов/ М., МГИ, 1975.

42. Фридман Б.Э. Разработка россыпных месторождений гидромеханизацией. Металлургиздат 1957.

43. Арабкина Н.М., Антонова В.М., Архапова С.А., Мельник Р.Г. Глубоководная добыча полезных ископаемых в Мировом океане и охрана окружающей среды. Москва 1985.

44. Сапожников В.В. Формирование основного солевого состава морской воды и ее физико-химические свойства. Москва 1982.

45. Курпаткина Д.К., Кузьменко J1.B. Влияние добавок биогенных элементов на видовой состав фитопланктона в разных типах вод. Экология моря. Киев, 1983 вып. №13.

46. Gripenberg S. Sediments of the Baltic Sea.- Recent Marine Sediments. Oklahoma, 1939, p.75-92.

47. Гидрологический справочник морей СССР. Финский залив / Под ред. Ю.В.Преображенского. JL, Изд-во ЦУЕГМС, 1935, т.1, вып. 1-3.

48. Бутылин В.П., Жамойда В.А. Зональность современного шельфового конкрециеобразования на примере Финского залива.- В кн.: Геология игеохимия железо-марганцевых конкреций Мирового океана. Севморгеология. Д., 1988.

49. Жамойда В.А. Железо-марганцевые конкреции: морфологические особенности и генезис.- В кн.: Геология субаквальной части зоны сочленения Балтийского щита и Русской плиты. ВСЕГЕИ, Д., 1989

50. Шорников В.В., Шмидт В.Э., Маховиков Б.С. и др. Патент РФ на изобретение №2157438 от 10.10.2000 "Гибкий погружной пульпопровод".

51. Арсентьев А.И. Законы формирования рабочей зоны карьера. Л. 1986.

52. Арсентьев А.И. Диалоги о горной науке. СПб 1999.

53. Арсентьев А.И. Развитие горных работ в карьерном пространстве / Ленинградский горный ин-т. Л., 1991.

54. Арсентьев А.И. Производительность карьеров. Санкт-Петербург 2002.

55. Харин А.И., А. Н. Спанцирети, О. В. Федоров / Автоматизация управлением грунтозабора на землесосном снаряде // Гидротехническое строительство. 1992.

56. Л. Н. Нейтман, М. М. Фридман, Н. И. Кожевников, Ф. П. Цурган / Оснащение земснарядов погружными грунтовыми насосами // Гидротехническое строительство. 1994.

57. Маховиков Б.С. Многоступенчатая прямоточная гидротурбина для машин подводной добычи // Записки Санкт-Петербургского государственного горного института. 1995.

58. Маховиков Б.С. Комплексы оборудования для подводной разработки россыпей на шельфе // Горный журнал. 1997. -N11.

59. Маховиков Б.С., Н. В. Братчиков / Средства гидроподъема полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа // Наука в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете). СПб., 1998.

60. Маховиков Б.С., В. В. Шорников/ Определение параметров машины для подводной разработки месторождений полиметаллических песков и илов // . СПб.: СПГГИ, 1998

61. Потемкин С.В. / Состояние и перспективы разработки россыпных месторождений // Горный журнал. 1994. - № 11.

62. Бубис Ю.В. / Особенности разработки морских россыпей золота на континентальном шельфе Аляски // Горный журнал. 1994. - № 11.

63. Бубис Ю.В. / Современное состояние и перспективы освоения океанических месторождений металлоносных пород //Горный журнал. 1994.

64. Жамойда В.А. / Влияние процессов современного железо-марганцевого конкрециеобразования на состояние природной среды Балтийского моря// Проблемы экологической минералогии и геохимии. 1997.

65. Жамойда В.А. / Влияние процессов современного железо-марганцевого конкрециеобразования на состояние природной среды Балтийского моря// Проблемы экологической минералогии и геохимии. 1997.

66. В. А. Жамойда, П. Е. Москаленко, А. Е. Рыбалко, М. А. Спиридонов/ Минерально-сырьевые ресурсы восточной части Финского залива // Разведка и охрана недр. 1998. - N 7-8.

67. Махлина М.И. / Глубоководная добыча железо-марганцевых конкреций во Франции и Японии // Минеральные ресурсы России. -1992,- №6.

68. Истошин С.Ю. / Расчет параметров секторных схем при разведке и опытной добыче конкреций // Известия ВУЗов. Сер. Геология и разведка. -1991. № 12.

69. Истошин С.Ю. / Структура потерь при промышленном освоении железо-марганцевых конкреций // Известия ВУЗов. Сер. Геология и разведка. 1994. - №1.

70. Истошин С.Ю. / Расчет параметров спиральных схем выемки при разведке и опытной добыче конкреций // Известия ВУЗов. Сер. Геология и разведка. 1993. - №4.

71. Патент РФ на изобретение №2166633. Устройство для разработки илистых отложений/ СГПТИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Федотов А.Б., Туманов А.В., Руссков А.А.

72. Патент РФ на изобретение №2175121. Пробоотборник для илистых отложений/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Федотов А.Б., Туманов А.В., Руссков А.А.

73. Патент РФ на изобретение №2182661. Пробоотборник для поверхностных отложений морского дна/ СПГТИ; Добрецов В.Б., Асатур К.Г., Ликоцкий Д.Н., Кулындышев В.А., Мареев Д.Б.,Федотов А.Б.

74. Патент РФ на изобретение №2166632. Устройство для добычи сапропеля/ СПГГИ; Добрецов В.Б., Иванько Л.В., Федотов А.Б., Туманов А.В., Руссков А.А.

75. Патент РФ на изобретение №2173779. Погружной илозаборный агрегат / СГПТИ; Добрецов В.Б., Федотов А.Б., Туманов А.В., Руссков А.А.

76. Патент РФ на изобретение №2178554. Устройство для отбора проб илистых отложений/ СПГТИ; Добрецов В.Б., Огородников Ю.Н., Федотов А.Б., Туманов А.В., Руссков А.А.

77. В. Б. Добрецов, Д. Э. Чиркст, В. А. Рогалев и др. / Рациональная технология добычи и переработки железо-марганцевых конкреций

78. Финского залива Балтийского моря // Известия вузов. Горный журнал.2003.

79. В. Б. Добрецов, А. А. Кулешов, В. С. Евдокименко / Технология добычи железо-марганцевых конкреций Балтийского моря с помощью вертикального эрлифтного подъема // Горный журнал. 2001. - №8.

80. В. Б. Добрецов, Д. Э. Чиркст, А. А. Кулешов, А. Н. Глазов / Разработка и комплексное использование материалов залежей железо-марганцевых конкреций Финского залива // Горный журнал. 2002. - №8.

81. Б. С. Маховиков, М. Л. Кабанов / Исследование гидравлических сопротивлений гибкого шарнирного трубопровода для подводной добычи полезных ископаемых // Известия вузов. Горный журнал. -2005.-№5.

82. Б. С. Маховиков, М. Л. Кабанов / Математическое моделирование трассы шарнирного трубопровода положительной плавучести // Известия вузов. Горный журнал. 2005. - №3.

83. Б. С. Маховиков, А. В. Шалыгин / Создание гидротурбинных приводов для подводных добычных машин // Горные машины и автоматика.2004. №2.

84. Б. С. Маховиков / Многоступенчатая прямоточная гидротурбина для машин подводной добычи // Записки Санкт-Петербургского государственного горного института. 1995.

85. Б. С. Маховиков / Комплексы оборудования для подводной разработки россыпей на шельфе // Горный журнал. 1997. - № 11.

86. Б. С. Маховиков / Исследования средств механизации подводной разработки россыпей на шельфе // Наука в Санкт-Петербургскомгосударственном горном институте (техническом университете). -СПб., 1997.

87. Бруякин Ю.В. / Результаты и направления работы Проблемной лаборатории подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов // Горные науки и промышленность. М. Недра, 1986.

88. Бубис Ю.В. / Современное состояние и перспективы освоения океанических металлоносных пород // Горный журнал. 1994. №3.

89. Бубис Ю.В., Гришин А.А., Семенюк Д.В. / Перспектива создания добычного океанического комплекса//Горный вестник. 1999.№1.

90. Бубис Ю.В. / Особенности разработки морских россыпей золота на континентальном шельфе Аляски // Горный журнал. 1992. №11.

91. Б. С. Маховиков, Н. В. Братчиков / Средства гидроподъема полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа // Наука в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете). СПб., 1998.

92. Б. С. Маховиков, В. В. Шорников / Определение параметров машины для подводной разработки месторождений полиметаллических песков и илов // СПб.: СПГГИ, 1998; Ученые первого технического ВУЗа России. К 225-летию института: Сб. науч. тр.