Brevet FR2603332A1 — publié le 19880304

La présente invention a trait au domaine de l'exploitation des ressources situées au fond de la mer, telles que des nodules polymétalliques, et elle concerne plus partieulièrement un procédé et un dispositif pour transporter ces ressources du fond de la mer jusqu'à la surface de l'eau. Dans l'exploitation des nodules polymétalliques situés au fond des océans, généralement à plusieurs milliers de mètres de profondeur, une étape importante réside dans la remontée de ces nodules jusqu'à un navire situé à la surface de l'eau, pour les transporter ensuite à terre. La seule méthode connue qui soit relativement pratique et rentable consiste à remonter ces nodules, se présentant en blocs de taille relativement importante à la suite de leur extraction, dans un courant d'eau entrainé par des moyens de pompage pour circuler dans un tuyau vertical suspendu au navire. Cependant, la collecte de ces nodules, qui se présentent sous une forme dispersée au fond de l'eau, typiquement en une monocouche posée sur le fond et comportant environ 7 à 10 kg de nodules par mètre carré, nécessite d'utiliser un enqin mobile aPte à couvrir des surfaces importantes, avec de Dréférence un ramassage en continu pendant les déplacements de l'engin. Ceci contribue à impartir au tuyau vertical des contraintes importantes, qui viennent se superposer à celles qui ont pour origine le propre poids du tuyau et les excitations dues à la houle de surface. Par ailleurs, sur le plan hydraulique, la remontée des nodules dans le tuyau vertical nécessite une dilution importante de ceux-ci dans l'eau, de manière à ce que le mélange puisse hêtre pompé. En effet, lorsque le pompage est effectué à l'aide de pompes rotatives, les nodules ont à traverser des canaux dans lesquels s'étendent les aubages fixes et les aubages mobiles des éléments moteurs, qui sont autant de passages étroits et sinueux où plusieurs nodules trop rapprochés les uns des autres risquent de se coincer. Lorsque le pompage est effectué selon le principe dit de "l'air-lift", l'allégement de l'eau par l'air dans la partie supérieure du tuyau peut ne pas être suffisant pour hisser une colonne dont la densité est excessive à cause d'une trop grande concentration en nodules. Dans les deux cas, la concentration de l'écoulement qui transportera les nodules devra rester très faible. Par exemple, pour une vitesse d'écoulement vertical de 2 à 3 m/s, la concentration devra être inférieure à 15E, ce qui signifie que 85% du volume du tuyau ne sert qu'à transporter de l'eau qui sera rejetée en surface. A titre d'exemple, une production de 360 tonnes/heure de nodules nécessitera, pour que les pertes de charge ne deviennent pas démesurées, un tuyau de remontée d'un diamètre intérieur de l'ordre de 60 cm. Enfin, dans le cas d'une défaillance des moyens de pompage, entrainant un arrêt du débit d'eau, les solides vont rapidement retomber au fond du tuyau, pour conduire à une obturation de la canalisation qui peut etre irréversible, en particulier si les matières s'accumulent dans un corps de pompe. La présente invention vise à pallier les inconvénients de la technique antérieure et à proposer un procédé et un dispositif pour la remontée de ressources sous-marines solides telles que des nodules polymétalliques qui soient efficaces et de fonctionnement souple. A cet effet, la présente invention concerne un procédé pour remonter à la surface des matières solides situées au fond de la mer, telles que des nodules polymétalliques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - traiter les matières solides en milieu aqueux, au fond de l'eau, pour former un mélange constitué d'eau et de particules de matières solides d'une granulométrie inférieure à une taille limite déterminée et en une concentration déterminée, - introduire dans le mé:ange des sédiments marins constitués de très fines particules, pour ajuster la répartition granulométrique des matières solides de manière à obtenir une suspension stable, et - acheminer la suspension par pompage jusqu'à une installation de surface, ces opérations étant commandées à partir de ladite installation de surface. L'invention concerne également un dispositif immergé pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend - un concasseur comportant une entrée pour les matières solides à remonter, - une enceinte de concentration disposée en aval du concasseur, - des moyens pour injecter des sédiments marins dans la région du fond de l'enceinte, - une canalisation de remontée s'étendant entre la région du fond de l'enceinte et l'installation de surface, - des moyens de pompage reliés fonctionnellement à la canalisation, et - des moyens de commande, depuis l'installation de surface, du concasseur, des moyens d'injection et des moyens de pompage. De façon préférée, l'enceinte de concentration possède un fond de forme tronconique. Les moyens de pompage comprennent préférentiellement une pompe à pistons multi-étages disposée au fond. D'autres aspects et avantages de la présente invention appraitront à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une élévation schématique d'une installation d'exploitation d'un gisement de nodules polymétalliques sous-marins, et - la figure 2 est une vue en coupe verticale schématique d'un dispositif conforme à l'invention. En référence au dessin, et tout d'abord à la figure 1, une installation pour éxploiter les nodules polymétalliques reposant au fond de la mer comprend un engin d'extraction mobile 10, par exemple à chenilles, apte à se déplacer au fond de l'eau 12 pour collecter au cours de ce déplacement les nodules polymétalliques 14 qui reposent en couche mince sur le fond 12. Dans le présent exemple, les moyens de collecte comprennent un mécanisme du genre pelle racleuse 16. Pour acheminer les nodules jusqu'à la surface, l'engin extracteur 10 est relié à l'extrémité inférieure d'une canalisation souple 18, dont l'extrémité supérieure est reliée à l'extrémité inférieure d'un tuyau de remontée rigide 20. Une installation de surface, telle qu'un navire 22, à laquelle est suspendu ce tuyau rigide, se charge de récupérer les nodules polymétalliques et de rejeter l'eau de transport. Conformément au procédé de l'invention, on réalise tout d'abord un mélange d'eau et de nodules dans lequel les particules de nodules ont une répartition granulométrique et une concentration volumique déterminées. Ce mélange est obtenu de façon préférée par concassage puis concentration par gravité ou autre. En ce qui concerne le concassage, on a constaté qu'un concasseur du type à cylindres contre-rotatifs était particulièrement approprié pour un fonctionnement en milieu immergé, et fournissait en sortie une répartition granulométrique favorable des particules de nodules, sans risque d'embourbage des canalisations. En pratique, les nodules seront réduits à une taille de particule maximale de l'ordre de 10 à 20mm, soit un facteur de réduction de l'ordre de 5 compte-tenu de la taille moyenne des particules de nodules collectées. De cette manière, on pourra utiliser un concasseur à un seul étage. Un tel type de concasseur fournit une répartition granulométrique suffisamment étendue pour que le foisonnement naturel du mélange eau/solides soit égal ou inférieur à 40%. En d'autres termes, la concentration volumique du mélange en solides atteint 60% ou plus. Les cylindres du concasseur seront avantageusement pourvus de picots, dents ou barrettes, de manière à augmenter la capacité de concassage et/ou à réduire le diamètre des cylindres, pour diminuer l'encombrement global du dispositif. Les essais ont par ailleurs démontré qu'à la sortie d'un tel concasseur, la répartition granulométrique cumulée des nodules broyés suivait approximativement une loi qui est tres proche de la répartition dite "Vallée de l'Aich" qui est conventionnellement utilisée dans les pompes à béton. Cette constatation déterminera le choix du type de pompe de remontée, comme on le verra par la suite. Comme indiqué plus haut, on effectue à la sortie du concasseur une concentration des particules de nodules dispersées dans l'eau de manière à ce qu'elles occupent le volume le plus petit possible, ce qui nécessite d'évacuer une certaine quantité d'eau. Différents moyens peuvent être utilisés pour cette concentration, mais un moyen particulièrement approprié consiste à laisser stratifier les particules par gravite (décantation) dans une enceinte à fond tronconique , formant épaississeur. La surface de décantation sera déterminée de manière à ce que l'eau en excès débordant de l'enceinte par surverse n'entrain avec elle qu'un minimum de fines particules, qui sont les plus lentes à s'accumuler dans le fond de l'enceinte par gravité. Des essais conduits par la Demanderesse ont démontré à ce sujet que des résultats tout-à-fait satisfaisants sont obtenus lorsque la surface de décantation est approximativement égale à la surfasse projetée verticalement occupée par le concasseur. On peut noter ici que la dimension de cette surface détermine une coupure, c'est-à-dire la taille limite des particules en deçà de laquelle les particules sont en majorité évacuées avec l'eau et au-delà de laquelle les particules restent en majorité dans l'enceinte. Pour une surface de décantation telle que définie ci-dessus, la coupure est de l'ordre de 50 à 100 pm. La proportion en poids des particules évacuées à la surverse est alors de l'ordre de 5 à 10% et la concentration volumique à la sous-verse de l'ordre de 50 à 60%en poids.La sous-verse conserve néanmoins environ 20% des fines particules présentes à la sortie du concasseur. Cependant, le mélange concentré présente maintenant une proportion de tres petites particules (par exemple d'une taille inférieure ou égale à 20 Fm) qui est insuffisante pour que le mélange puisse être pompé dans des conditions satisfaisantes. L'étape suivante du procédé de l'invention consiste donc à transformer la matiere concentrée dans l'enceinte en une boue ou pulpe de caractéristiques physiques appropriées pour qu'elle puisse être remontée par pompage. Plus précisément, on met à profit le fait que le fond de l'océan qui constitue le site de travail comporte conventionnellement, immédiatement au-dessous des nodules, une épaisse couche de sédiments tels que minéraux argileux, organismes carbonatés et siliceux, hydroxydes, zéolithes, etc., dont les dimensions de particules varient dans une gamme allant de 1 à 40 pm. On injecte en continu dans la région inférieure de l'enceinte, dans les granulats de nodules, une quantité de sédiments allant de 10 à 20% en poids pour ré-équilibrer la granulométrie du mélange dans la gamme des fines particules. L'effet de ces très fines particules réside en ce qu'elles vont constituer avec l'eau intersticielle, présente à environ 40% au fond du concentrateur, un liquide sous contrainte dont la viscosité apparente est relativement élevée (typiquement de 3 à 6.10-2 pascal/seconde), tout en présentant un caractère non newtonien prononcé. Plus précisément, on réalise de la sorte un mélange liquide/ solide dans lequel le liquide est constitué par un genre de boue formée de sédiments et d'eau, et dont les solides sont constitués par les particules de nodules en suspension stable dans cette boue. Ce mélange présente les caractéristiques d'une pulpe. Ceci s'explique par le fait qu'il existe dans le mélange eau/sédiments formé une contrainte de cisaillement non nulle au repos qui permet, malgré la gravite, la sustentation des particules de nodules, dans la mesure ou leur taille n'est pas excessive. La stratification par gravité des nodules concassés est ainsi interrompue, ou tout au moins fortement ralentie par l'injection des sédiments, et la pulpe obtenue se comporte comme un fluide quasi-homogène dont la concentration volumique ne dépendra pratiquement plus des conditions d'écoulement (horizontal, vertical, repos ou mouvement). Elle présente donc les caractéristiques physiques essentielles pour pouvoir être pompée jusqu'à la surface. On utilisera de préférence pour ce faire une pompe à pistons à plusieurs étages, par exemple du type utilisé pour le transport du béton liquide. Ce type de pompe présente l'avantage de ne pas comporter de clapets ou soupapes risquant de faire obstacle au mouvement des particules, de taille encore relativement importante, en étant particulièrement bien adapté à la répartition granulométrique de la pulpe, qui suit comme on l'a indiqué plus haut une loi couramment utilise pour le transport du béton dans des canalisations. Une pompe à plusieurs étages sera le plus souvent nécessaire du fait de la viscosité apparente et de la densité (de l'ordre de 1,6) relativement élevées du mélange, de la grande hauteur de colonne dans la canalisation de remontée, des pertes de charge par frottement, etc. I1 est à noter que toutes ces étages du procédé de l'invention seront commandées depuis l'installation de surface, par voie hydraulique et/ou électrique. La pulpe arrivant au navire situé à la surface pourra être facilement débarassée des sédiments par lavage, puis criblée et transformée en un vrac humide qui pourra être stocké et transporté dans des cales de navires. Le procédé décrit en détail ci-dessus pourra avantageusement être mis en oeuvre avec un dispositif, apte à travailler en immersion, tel que représenté schématiquement sur la figure 2 et qui sera prévu dans l'engin 10. Le dispositif comprend tout d'abord une trémie d'alimentation 50, dans laquelle la couche de nodules collectée sera amenée depuis la pelle racleuse, par des conduits non représentés. La goulotte de sortie de la trémie 50 débouche dans un concasseur à cylindres contre-rotatifs, globalement désigné par la référence 52, qui comprend deux cylindres 54a et 54b d'axes essentiellement horizontaux et en tramés dans les sens indiqués par les flèches 56a et 56b. De façon préférée, et comme on l'a indiqué plus haut, les surfaces actives des cylindres seront munies de picots, de dents ou de nervures (non représentés). Le dispositif comprend en outre, à la sortie du concasseur 52, une enceinte désignée dans son ensemble par la référence 60 et formant concentrateur. L'enceinte 60 comporte un fond tronconique 62 et des parois de surverse 64 sensiblement verticales. Un conduit 66 s'étend verticalement au centre de l'enceinte, entre la sortie du concasseur 52 et une hauteur correspondant approximativement à la partie la plus haute du fond tronconique 62. Comme on peut l'observer, la surface de décantation de l'enceinte 60 (représentée sur la figure 2 par la grandeur "s") est approximativement égale à la surface projetée du concasseur 52, comme évoqué plus haut. En outre, un espace annulaire 67 subsiste entre l'extrémité supérieure des parois 64 et le fond du concasseur. Cet espace tient lieu de passage de sortie pour l'eau en surplus, accompagnée de très fines particules, au cours du processus de concentration. Enfin des cloisons de stabilisation du mélange concentré, indiquées en 68, s'étendent verticalement dans l'enceinte, à intervalles réguliers entre le conduit central d'arrivée 66 et les parois latérales 64, sur une hauteur comprise entre le bord supérieur desdites parois et l'extrémité inférieure dudit conduit central. Elles ont pour objet d'éviter que l'eau en surplus sortant de l'enceinte 60 n'entraine avec elle de trop grandes quantites de particules de nodules : l'eau sort ainsi verticalement, essentiellement sans creer de courants transversaux susceptibles de perturber la stratification des particules. Le dispositif comprend en outre des moyens (non représentés) pour injecter les sédiments marins, qui existent généralement en une couche épaisse au fond de la mer, au-dessous de la mince couche de nodules, dans la région du fond de l'enceinte 60. On a simplement représenté sur la figure 7 le conduit 70 à travers lequel s'effectue cette injection. Le dispositif comprend par ailleurs une pompe à pistons, représentée schématiquement et désignée dans son ensemble par la référence 80, qui est apte à refouler la pulpe contenue dans le fond de l'enceinte 60 dans la canalisation de remontée 18. Dans la majorité des cas, il sera nécessaire d'utiliser une pompe multi-étages, bien connue de l'homme de métier. Enfin seront prévus des moyens de commande hydraulique et/ou électrique des divers moyens mis en oeuvre dans le dispositif décrit ci-dessus depuis l'installation de surface, via des lignes fixées par exemple sur la canalisation de remontée 18. En pratique, pour obtenir un mime débit de remontée des nodules, le dispositif de l'invention permet d'utiliser un tuyau de remontée dont le diamètre, le poids et le coefficient de trainée seront réduits d'un facteur au moins égal à deux par rapport à celui qui est nécessaire dans un systeme de remontée hydraulique classique. Par ailleurs,la pulpe étant stable, un arrêt intempestif des moyens de pompage ne provoque pratiquement aucune accumulation indésirable susceptible de boucher la canalisation 18. En outre, du fait que la concentration des nodules (50 à 60%) dans le mélange est relativement plus élevée que dans un dispositif de remontée classique (1su), la vitesse de transport dans la canalisation pourra être plus faible qu'avec un dispositif classique, tout en obtenant une capacité de remontée bien supérieure. Ceci, combiné avec la taille plus petite des particules solides transportées, réduira considérablement l'usure de la pompe et de la canalisation. Enfin, la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée, mais l'homme de l'art pourra y apporter toute variante ou modification sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé pour remonter à la surface des matières solides situées au fond de la mer, telles que des nodules polymétalliques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - traiter les matières solides en milieu aqueux, au fond de l'eau, pour former un mélange constitué d'eau et de particules de matières solides d'une granulométrie inférieure à une taille limite déterminée et en une concentration déterminée, - introduire dans le mélange des sédiments marins constitués de très fines particules, pour ajuster la répartition granulométrique des matières solides de manière à obtenir une suspension stable, et - acheminer la suspension par pompage jusqu'à une installation de surface, ces opérations étant commandées à partir de ladite installation de surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à effectuer dans l'installation de surface, par lavage, une séparation des matières solides et des sédiments. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étape de traitement des matières solides comprend leur concassage et leur concentration par gravité. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la taille limite de granulométrie est comprise entre 10 et 20 mm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on injecte des sédiments d'une taille de particule comprise entre 1 et 40 et en une quantité comprise entre 10 et 20% du mélange concentré. 6. Dispositif immergé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend - un concasseur (52) comportant une entrée (50) pour les matières solides à remonter, - une enceinte de concentration (60) disposée en aval du concasseur, - des moyens pour injecter des sédiments marins dans la région du fond (62) de l'enceinte, - une canalisation de remontée (18) s'étendant entre la région du fond (62) de l'enceinte et l'installation de surface (22), - des moyens de pompage (80) reliés fonctionnellement à la canalisation, et - des moyens de commande depuis l'installation de surface du concasseur, des moyens d'injection et des moyens de pompage. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le concasseur (52) est un concasseur à cylindres contre-rotatifs (54a, 54b). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la section d'entrée(s) de l'enceinte (60) est sensiblement égale à la surface projetée verticalement du concasseur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le fond (62) de l'enceinte (60) est de forme tronconique. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'enceinte (60) comporte des cloisons de stabilisation intérieures verticales. (68) 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les moyens de pompage (80) comprennent une pompe à pistons multi-étages.