Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии породозабора океанических конкреций на основе эксперимента в Тихом океане

ВАК РФ 25.00.18, Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ширяев, Борис Константинович

Введение (Общая характеристика работы).

1. Состояние вопроса, задачи и методы исследования.

1.1. Особенности месторождения на плато Кларион-Клиппертон.

1.2. Результаты работ первоначальных вкладчиков и потенциальных заявителей по созданию технологии добычи конкреций.

1.3. Экологические исследования возможного воздействия глубоководной добычи на окружающую среду. Программа "BIE".

1.4. Задачи и методы исследования.

2. Анализ данных рейсов "ВIE" по технологическим аспектам.

2.1. Особенности эксперимента в глубоководной зоне океана.

2.2. Результаты работы дисторбера.

Выводы.

3. Сравнительный анализ работы гидравлического снаряда «Дисторбер» с результатами лабораторных исследований и параметрами пбродозабора самоотвозных снарядов с волочащимися гру нтозаборниками.

3.1. Сопоставление результатов работы на полигоне

В1Е» и сомоотвозного снаряда.

3.2. Сопоставление данных лабораторных экспериментов с результатами работы «Дисторбера» на полигоне

В1Е».

Выводы.

4. Рекомендуемые технологии глубоководной добычи железомарганцевых образований и их параметры.

4.1. Характеристики процесса глубоководного породозабора.

4.2. Технологические схемы добычных работ на глубоководных месторождениях ЖМК.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование технологии породозабора океанических конкреций на основе эксперимента в Тихом океане"

Актуальность работы. Оценка перспектив развития и эффективности освоения минерально-сырьевой базы никель-кобальтовой и марганцевистой подотрасли металлургической промышленности России свидетельствует о том, что освоение месторождений суши не покроет возникающий дефицит в кобальте и марганце.

Основное количество кобальта в России добывается попутно из никелевых руд.

Производство никеля в России обеспечивается собственно сырьевой базой на Норильском и Печенгском комбинатах и в объединении «Уфалейникель», а Рижский завод на Урале, комбинаты «Североникель» и «Южуралникель» работают на привозной руде из других регионов.

Производство кобальта, потребность в котором возрастает с каждым годом, за счет отечественных сухопутных месторождений обеспечено быть не может.

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 остродефицитным сырьем при отсутствии подготовленных к промышленному освоению месторождений его руд. Отметим, что разведанные запасы руд марганца составляли на территории России лишь 5% от запасов СССР при производстве ферросплавов около 10%. При этом эти запасы представлены в основном труднообогатимыми бедными карбонатными рудами, негативные последствия металлургической переработки которых ещё надо оценить. 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 так же крупных капиталовложений. Освоение же в Горной Шории и на Салаире малых месторождений с запасами в 2-5 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. Отметим, что при этом за 12 лет среднемировые цены с 1979 до 1991 гг возросли почти втрое.

Общая потребность России в товарной руде или концентратах, составляющая в 1993 г 1,5 млн.т, возрасла до 2,2-2,5 млн.т. Обеспечить возрастающую потребность в руде за счет месторождений суши не имеет пока никаких перспектив. Решение сырьевой проблемы возможно за счет новых, нетрадиционных источников минерального сырья, тем более что минерально-сырьевая база всех развитых стран, в том числе и в России, приращивается в условиях снижения качества и повышения трудности обогащения добываемого сырья при уменьшении вероятности открытия новых крупных рудных месторождений. По мнению зарубежных и отечественных специалистов, решение минерально-сырьевой проблемы связано с освоением полезных ископаемых Мирового океана. 143] >

При современной оценке потенциала твердых полезных ископаемых основной вес принадлежит железомарганцевым конкрециям (ЖМК) и кобальтомарганцевым коркам (КМК). Эти рудные образования являются комплексным сырьем на марганец, кобальт, никель и медь, в котором в качестве попутных компонентов присутствуют высокие содержания молибдена, платины и элементов редкоземельной группы. Работами в северной части приэкваториальной зоны Тихого океана силами российских (ранее советских) геологов выявлены с 1980 г значительные ресурсы ЖМК и КМК. С 6 J

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). Таким образом, создалась правовая основа для нового источника получения минерального сырья. Прогнозная оценка только трех выявленных 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). О запасах кобальта дает представление оценка поля кобальтоносных корок только на одной поверхности подводной горы Хуан-де-Фука (Тихий океан), составляющая 581 тыс.т этого металла на глубинах от 1369 м до 2400 м при бортовом содержании 0,8% (максимальное содержание 2,6%).

Сопоставление известных российских месторождений суши и оценки подсчитанных ресурсов при высокой степени геологической изученности железомарганцевых конкреций и кобальтомарганцевых корок представлено в таблице 1В.

Но привлекательность и экономичность разработки этих руд определяется технологическими решениями. Горные работы в океане должны быть максимально безопасными для окружающей среды.

Таблица IB

Сопоставление характеристик месторождений

Наименование металла Содержание в %

КМК ЖМК Средние данные по геолфонду

Кобальт 0,64 0,22 0,05

Никель 0,44 1,43 1,21

Марганец 22,3 29,94 21,0*

Медь 0,21 1,07 1,07 Месторождение находится на территории СНГ.

Основным фактором, определяющим эффективность ресурсосбережения и охраны окружающей среды при ведении горных работ является высокая адекватность состоянию окружающей среды используемой или формируемой технологии добычи полезных ископаемых, материализуемой, в первую очередь, в виде комплекса машин.

Формируемый комплекс должен в своей работе максимально исключать возможность появления негативного воздействия на состояние окружающей среды, то есть в основе постулатов горной науки должен быть принцип: на стадии выбора направления исследований должны из альтернативных решений выбираться те, которые на всех этапах горного производства дадут минимальное воздействие на окружающую среду.

Для выполнения указанных требований необходимо создать такое выемочное устройство, которое обеспечивало бы формирование пульпы нужных концентраций при глубине выемки, равной заглублению в породу ЖМК. Для этого требовалось решить актуальную научную задачу установления параметров глубоководного породозабора ЖМК по данным эксперимента на глубине океана свыше 4,5 километров.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Мировой океан».

Целью настоящего исследования являлось установление параметров гидравлического породозабора океанических конкреций, обеспечивающего минимальное экологическое воздействие на воды океана в зоне выемки.

Основная идея диссертации состоит в том, что при выемке в глубоководных зонах океана при определенных соотношениях гидравлических параметров размыва (всасывания) и технологических параметров перемещения (папильонирования) породозабора достигается максимальное извлечение породы и не появление мути водных масс в забое.

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

1. При выемке пород на месторождении ЖМК консистенция пульпы возрастает до определенной скорости перемещения снаряда, при дальнейшем увеличении скорости происходит убывание консистенции.

2. Мощность снимаемого слоя радио ляриевых и лов океанического дна увеличивается в зависимости от скорости перемещения не линейно до определенного значения, а затем практически не изменяется. Максимальное значение может быть достигнуто при меньших значениях скорости перемещения при насыщении породы водой.

3. Установленные низкие температурные характеристики донных вод делают экологически необходимым исключение их подъема на поверхность океана.

Научное значение работы состоит в установлении параметров гидравлической выемки конкрециесодержащих донных пород, исключающих создание негативного мутепоявления в зоне выемки.

Практическое значение работы состоит в разработке технологии работы глубоководных земснарядов отрицательной плавучести.

Достоверность научных положений и результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы основана на данных экспериментальных исследований на тихоокеанском полигоне "BIE" с использованием земснаряда отрицательной плавучести, исследований опытной установки гидравлического рыхления грунта на самоотвозном земснаряде «Выборгский», лабораторного эксперимента, а также теоретическом анализе сопоставления данных по породозабору на шельфе и в океане.

Апробация диссертации. Результаты диссертации докладывались на заседании кафедры «Технологии, механизации и организации открытых горных работ» Московского Государственного горного университета, на научно-технических конференциях, в пределах программы «Неделя горняка», на конференции Московской геологоразведочной академии, на заседаниях МПР России, НИПИокеангеофизика и ЦКБ «Океангеотехника» ГНЦ НПО «Южморгеология», совместной организации Интерокеанметалл.

Реализация результатов. Результаты диссертации использовались при определении требований к конструкции океанических земснарядов с отрицательной плавучестью.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 8 работ.

Автор диссертации приносит благодарность за помощь при выполнении указанного исследования докт. техн. наук проф.Бубису Ю.В., докт. техн. наук проф. Глумову И.Ф., канд.геол.мин. наук Задорнову М.М., канд.геол.мин. наук Мирчинку И.М.

Заключение Диссертация по теме "Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых", Ширяев, Борис Константинович

Выводы

1. Обобщая результаты исследований, можно констатировать, что гидравлический породозабор является в настоящее время наиболее экологичным для выемки конкреций и корок.

2. Гидравлический подъем технически имеет большую возможность осуществления, но может вызвать в океане экологические трудности без изменения взвесенесущей среды из за температурных характеристик поднимаемой воды.

3. Расчеты показали эффективность принятого направления создания технологии добычи в Мировом океане на железомарганцевые образования.

123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований дано решение актуальной научной задачи выбора параметров глубоководного породозабора железомарганцевых образований, что позволяет определить конструктивные параметры земснаряда для их разработки на российском тихоокеанском полигоне.

При этом сделаны следующие выводы.

1. При глубоководном гидравлическом породозаборе его эффективность определяется как выбором скоростей всасывания и размыва, так и скоростью перемещения этих гидравлических потоков.

2. При гидравлическом породозаборе не наблюдается негативного мутеобразования в пределах зоны породозабора, а его эффективность возрастает при дополнительном водонасыщении донных пород.

3. Экспериментально установлено, что при глубоководном породозаборе ЖМО расход воды на водонасыщение составляет у л около 1 м /м водопроизводительности грунтового насоса. При проектировании технологии глубоководной выемки необходимо учитывать, что температура придонных слоев воды на рабочих о глубинах океана составляет около 2 С и поднятие ее больших объемов на поверхность может привести к негативным изменениям в продуктивном поверхностном слое океана.

Вышеизложенные рекомендации приняты к использованию НИПИокеангеоцизикой и ЦКБ «Океангеотехника» ГНЦ НПО «Южморгеология» при проектировании конструкций агрегатов для разведочных и опытно-добычных работ на ЖМО.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ширяев, Борис Константинович, Москва

1. 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 стр.

2. Морское право. Соглашение об осуществлении Части XI Конвенции Организации Объединенных Наций по морскому праву от 10 декабря 1982 года. // Генеральная Ассамблея ООН, сорок восьмая сессия, A/48/L.60, 22.06.94 23 стр.

3. Морское право. Правила поиска и разведки полиметаллических конкреций (Горный устав), Международный орган по морскому дну -2000 ISBA/6/C/8.

4. Доклад группы технических экспертов Генеральному комитету Подготовительной комиссии для Международного органа по морскому дну и Международного трибунала по морскому праву, LJS/PSN/BUR/R/32 от 1 февраля 1994 года.

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

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

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

8. G.Ganapahtv, S.Panda. Nonlinear analysis of pipe string for deep sea mining 21 th OTC, Houston - 1989, 633-640.

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

10. J.-P. Lenoble. New Scenarios of the World Metal Markets and the Eventual Contribution from Deep Sea Mining 25th OTC, Houston - 1993 - 197202.11 .H.Amann, H.Beiersdorf. The Environmental Impact of Deep Sea Mining -25th OTC, Houston 1993-213-231/

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

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

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

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

15. Deutsh chinesishe Meeresprojekte - Hansa - 1987 - 124, n.12.

16. National Institute of Oceanography, Annual report 1989-1990.

17. S.Berge, J.M.Markusen. Environmental Consequences of Deep Seabed

18. Mining The Fridtjof Nansen Institute - 1991.

19. Ocean Resources Shigen - 1990 - v.2, n.8 - 34-43.

20. T.Saito, F.Kiyono. Fundamental Study in measuring method for particle behavior of solid-fluid two phase flow in pipe Sigen - 1990 - v.2, n.8 -13-29.

21. K.Tsurusaki. State of Art of researches for Deep Ocean Mining Technology J.of Mining and Mater. Proc. Inst, of Japan - 1990 - v.106, n.10 - 555562.

22. T.Saito. Dimensionless flow characteristics on air- lift pump Shigen -1991 -v.3,nl2- 15-25.

23. T.Saito. Flow characteristics air- lift pump Shigen - 1991 - v.3, nl2 - 114.

24. H.Nobuo, M.Tadashi. Цифровое моделирование характеристик подъема воды Сигэн то содзфй - 1989 - т. 105, раздел 44 - 25-31.

25. Параметры потока при эрлифтном подъеме Shigen - 1992 - v.4, n.l 1 -22-33.

26. M.Gruickshank. Ocean Mining: for a future, a good.- Sea Technology1991 -v.32, n.l.

27. M.Gruickshank. Ocean Mining: Research need strengthening Sea Technology- 1992-v.33, n.l.

28. M.Gruickshank. Licensed Companies lead few exploration activities- Sea Technology- 1992-v.33, n.2.

29. Bagger unter Duck. Bild der Wissenschaft - 1992 - n. 12 - 8.

30. H.Amman, H.Oebius. Soft Ocean Mining - 23th OTC, Houston - 1991469-480.31 .International Advisory Conference on Deep Seabed Mining Policy Seoul -1994.

31. C.Morgan, N.Odunton, A.Jones. Deep Seabed Mining Marine Georesources and Geotechnology - 1999 - 307-356.

32. R.Sharma, B.Nath. Selection of Test and Reference Areas for the Indian Deepsea Environment Experiment (INDEX) Marine Georesources and Geotechnology - 2000 - 177-187.

33. Г.Н.Абрамович. Теория турбулентных струй Физматгиз - 1960.

34. Г.Н.Сизов. Струйные установки и их применение на речном транспорте Транспорт, М. - 1967.

35. П.П.Пухов. Расчет основных размеров щелевидных сосуновых наконечников речных траншейных землесосов. Труды ГИИВТа «Проектирование и эксплуатация речных землесосов» вып.66 - 1965.

36. И.И.Краковский. Исследование оптимальных характеристик гидравлических траншейных землесосов журнал «Речной транспорт»- 1967 -№ 1.

37. А.П.Уваров. Исследование работы самоотвозного землесоса труды Союзморниипроекта М. - 1962 - №2.

38. К.А.Пятницкий. Направления повышения производительности морских землесосных снарядов Вопросы совершенствования гидромеханизации горных и строительных работ. М - 1967.

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

40. Г.А.Нурок. Технология и проектирование гидромеханизации горных пород Недра М. - 1965.

41. В.Б.Добрецов. Освоение минеральных ресурсов шельфа Недра JI. -1980.

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

43. Б.М.Шкундин. Землесосные снаряды Энергия М. - 1973.

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

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

46. Определение оптимальных технико-технологических показателей комплекса технических средств добычи ЖМО по результатам проектных проработок /Б.К.Ширяев, П.В. Елшанский, А.Н. Костюк, М.М. Задорнов// ТАОЗТ «Океангеоресурсы» 1996 - 170 стр.

47. Новые направления океанической добычи полезных ископаемых /Ю.В. Бубис, Л.Н. Молочников, Д.В. Семенюк, А.В. Гришин, Б.К.Ширяев// Горный информационно-аналитический бюллетень 1997- № 4, с.22-26.

48. Перспективы создания добычного океанического комплекса. /Ю.В. Бубис, М.М. Задорнов, Б.К. Ширяев, А.В. Гришин, Д.В. Семенюк// Юбилейный межвузовский научный сборник 1998 - с. 176-184.127

49. Эскизный проект судна проекта 10901.// ЦКБ «Восток» 1984 - 4 тома.