Особенности методического подхода к обоснованию технодогии эрдифтного грунтозабора твердых подезных ископаемых на шедьфе

© М.Ю. Козлов, 2015

УДК 622.3.05 М.Ю. Козлов

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ОБОСНОВАНИЮ ТЕХНОДОГИИ ЭРДИФТНОГО ГРУНТОЗАБОРА ТВЕРДЫХ ПОДЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА ШЕДЬФЕ

Проанализированы процессы морского геотехнологического опробования и его отличие от работ на континентальных месторождениях. Выдвигается специфика технологических работ, которая включает ряд взаимосвязанных геотехнологических операций, в частности, гидроразмыв, пульпоприготовление, всасывание и гидроподъем. Отмечено, что работа всасывающего устройства должна обеспечить наиболее полное использование транспортирующей способности процесса гидроподъема для выдачи горной массы на поверхность, которая в морских условиях наиболее эффективно реализуется эр-лифтными установками.

Ключевые слова: добычное устройство, грунтозаборное устройство, эрлифт, гидровзвешивание, морские испытания, гидротранспорт, гидравлическое разрыхление горных пород.

В минерально-сырьевой базе шельфовых областей России выделяются две основные группы полезных ископаемых: углеводороды (нефть, газ, конденсат) - главная в ресурсно-экономическом отношении, и твердые полезные ископаемые (ТПИ), включая группу твердых горючих полезных ископаемых [6].

В комплексе ТПИ шельфовых областей важнейшую ресурсную роль играют россыпи, представленные двумя принципиально различающимися генетическими группами. По происхождению выделяются петрогенные россыпи - продукты разрушения горных пород и руд (золото, олово, платина, хромит, минералы титана, железа, циркония и редких земель, алмазы, гранат, самоцветы) и биогенные россыпи, формирующиеся за счет природных источников первично органического происхождения (янтарь, ископаемая мамонтовая кость) [4, 6].

В настоящее время в шельфовых областях страны известны 13 подводных месторождений с оцененными запасами сырья и более 50 объектов с прогнозными ресурсами [4].

В последние годы в мировой практике выявилась промышленная ценность нового вида сырья - шельфовых железомар-ганцевых конкреций и корок (ШЖМК), которые могут быть вовлечены в процессы добычи и переработки для получения ферромарганца. На шельфе морей Российской Арктики отмечены скопления конкреций на дне при глубинах моря от 5—10 до 120-150 м (иногда до 200-300 м), площади полей - несколько сотен и тысяч квадратных километров, плотность залегания изменяется от 0,1 до 50,0 кг/м2 [5]. Высокая плотность залегания особенно характерна для Балтийского моря, что предопределяет целесообразность первоочередного освоения залегания ЖМК в этой акватории.

Решение вопроса рационального освоения шельфовых месторождений тесно связано с геотехнологическими методами и техническими средствами извлечения крупнообъемых проб в донных продуктивных отложениях для получения достоверной информации о горно-технологических характеристиках извлекаемого на поверхность минерального сырья[7].

Развитие и внедрение техники и технологии этого способа опробования значительно расширит минерально-сырьевую базу, уменьшит величину капитальных вложений на разведку и приблизит сроки ввода месторождений в эксплуатации.

Геотехнологическая схема изучения и оценки континентальных и прибрежно-морских россыпных месторождений на шельфе включает ряд взаимосвязанных технологических процессов. Принципиальным отличием континентального геотехнологического опробования от шельфового является бурение и оборудование специальной эксплуатационной скважины, которая выполняет одновременно функции разведочной, вспомогательной, эксплуатационной, наблюдательной, контрольной, подготовительной, вскрывающей выработки. В связи с этим используемые гидродобычные агрегаты ограничены размерами эксплуатационной скважины. При этом отработка продуктивной залежи локальна и концентрируется вокруг скважины по определенной схеме отработки очистных камер. Вместе с тем схема отработки морского полигона в условиях шельфа характеризуется папильонажными перемещениями добычного комплекса. Но технологическая цепь методов изучения континентальных и шельфовых месторождений состоит из общих технологических звеньев: гидроразмыва, самотечного или при-

нудительного транспортирования разрушенного твердого материала к зумпфу: пульпоприготовления и всасывания; процесса гидроподъема и поверхностного гидротранспортирования гидросмеси к обогатительному комплексу. Если для сква-жинного геотехнологического опробования процесс гидроразмыва представляет собой отдельное самостоятельное технологическое звено, то для изучения шельфа при извлечении крупномасштабных проб процесс гидроразмыва непосредственно связан с пульпоприготовлением и всасыванием.

В зависимости от горно-геологических условий, гидроподъем может осуществляться гидроэлеватором (эжектором) или эрлифтом. Гидроэлеваторный подъем ограничивается глубинами до 100 м, эрлифтный - используют, как правило, в затопленных очистных камерах на глубине - более 200 м [2].

Гидроэлеваторный подъем используется при извлечении крупномасштабных проб на континентальных участках месторождения в условиях небольших водопритоков. При этом способе подъема очистные камеры, как правило, свободны от гидросмеси (незатопленные) и процесс гидроразмыва ведется свободными незатопленными струями с достаточно высокой производительностью. При изучении шельфа геотехнологическими методами подъем пульпы осуществляется наиболее эффективно с использованием эрлифтного подъема. Такая схема подъема предполагает ведение размыва в затопленных очистных камерах или по дну водоема, т.е. затопленными струями.

Следует заметить, что процесс пульпоприготовления и всасывания для рассматриваемых способов гидроподъема идентичен. Таким образом, повышение производительности гидротранспортной подъемной установки в значительной степени зависит от условий всасывания. Работа всасывающего устройства и вертикального гидроподъема должна рассматриваться в совокупности. Раздельное рассмотрение каждого элемента без обоснования взаимосвязи не позволяет правильно решить задачу эффективного использования предлагаемых технических устройств для ведения разведоч-но-эксплуатационных и горных работ геотехнологическими методами в условиях отсутствия визуального контроля над очистными работами.

Например, исследования по гидротранспорту, а также отечественная и зарубежная практика гидромеханизации показывают, что по условиям транспортирования можно перемешать гидросмесь с плотностью до 1400 кг/м3, в то время как по условиям всасывания формируется гидросмесь плотностью 1200-1250 кг/м3 [3].

Непременным условием эффективной работы гидроподъема является соответствие производительности по всасыванию (породозабору) и гидроподъему горной массы. При этом работа всасывающего устройства должна обеспечить наиболее полное использование транспортирующей способности гидроэлеватора или эрлифта.

Всасывание гидросмеси происходит под воздействием градиента давления вне и внутри всасывающей трубы. Анализируя физический процесс течения можно сделать вывод, что вблизи всасывающего устройства (наконечника) инициируется вихре-сток (явление воронкообразования) - вращательное движение с тремя компонентами скоростей: радиальной, аксиальной, тангенциальной. Твердые частицы при этом движутся по спиральным траекториям. Вследствие торможения о поверхность породы уменьшается тангенциальная и нарастает радиальная и аксиальные скорости. Перед всасывающим устройством образуется сферическая поверхность всасывания с достаточно интенсивно уменьшающимися скоростями по мере удаления от всаса, причем убывание скоростей происходит гораздо быстрее, если бы из этого же устройства с тем же расходом происходило истечение струи. Обусловливается это тем, что при всасывании жидкость подтекает к отверстию со всех сторон, в то время как при истечении вся масса жидкости, основная и присоединяющаяся по пути, движется в конусе, угол раскрытия которого зависит от турбулентной структуры струи.

Технологически процесс всасывания может осуществляться непосредственно отдельными воронками или траншейным способом (волочащимся всасывающим наконечником). Эффективность всасывания заключается в создании таких неравновесных условий в плоскости всасывания, при которых всасываемый поток воды взаимодействовал с наибольшим объемом разуплотненного твердого.

Практика работы всасывающих устройств позволила сформулировать ряд общих методических принципов при проектировании таких систем:

1. Основными элементами, подлежащими расчету у всасывающего наконечника являются: площадь всасывающих окон, их высота и ширина, а также общая длина корпуса наконечника грунтозаборного устройства.

2. Исходную величину для расчета площади всасывающих окон- скорость всасывания - следует выбирать исходя из гидравлической крупности максимального куска гранулометрического состава (для железомарганцевых конкреций ЖМК не менее 2,02,5 м/с). При принятой средней скорости всасывания и расходу гидросмеси рассчитывается площадь всасывающих окон.

3. Эффективное всасывание горной массы донных отложений в основном определяется наличием разуплотненных (разрыхлением) пород в плоскости всасывания, которое достигается либо гидравлическим, либо механическим рыхлением.

Таким образом, технологические и технические возможности грунтозаборного устройства в значительной степени определяют производительность процесса гидроподъема. Это подтверждается промышленными испытаниями нового патентно-чистого эрлифтного грунтозабора разработанного сотрудниками Российского государственного геологоразведочного университета на шельфе Намибии при добыче алмазосодержащих песчано-галечных пород [1].

На алмазодобывающем судне «Sakawe Miner» (рис. 1) конструкция грунтозабора донных отложений осуществлялась всасывающим устройством щелевого типа шириной 2 м и восемью всасывающими окнами размеров 210x270 мм, общей площадью в 2,31 раза превышающую площадь поперечного сечения подъемного трубопровода эрлифта диаметром 500 мм. Низкая производительность грун-тозабора алмазосодержащих пород объяснялась несоответствием скоростей (расходов) во-

Рис. 1. Miner»

Добыпное судно «Sakawe

ды на размыв крупнокускового материала, на процесс формирования гидросмеси (пульпоприготовление) с их гидравлической крупностью при восходящем потоке в подъемной трубе эрлифта.

Новая конструкция грунтозаборного устройства, была разработана нами с учетом рассмотренных выше методических технологических принципов и представляет собой оголовок шириной 2 м с 8 всасывающими окнами 180х220 мм, общей площадью в 1,47 раза превышающей поперечное сечение трубопровода эрлифта диаметром 500 мм. Рабочие перемещения грунтозаборного устройства осуществляются, маятниковым и вертикальным способами.

Принципиальные отличия грунтозаборных устройств заключаются в том, что конструкция второго снабжена контактирующей с забоем качающейся рамой, имеющей в нижней части ряд полуцилиндрических всасывающих каналов, равномерно распределенных по всему периметру рамы, предотвращающие доступ излишней воды в эрлифт. Активизация процессов всасывания и пульпоприготовления осуществлялась за счет двух новых технологических операций: механического и гидравлического разрыхления. В центральной части устройства установлены зубья механического рыхления, которые смещены в горизонтальной плоскости друг относительно друга.

Гидрорыхление крупнокускового материала производилась четырьмя напорными насадками с напором 0,60 МПа. Основные технические данные нового грунтозаборного эр-лифтного устройства представлены в таблице:

Производительность эрлифта, м3/ч 2500±300

Диаметр эрлифтной трубы, мм 500

Глубина разработки, м 80-110

Скорость транспортируемой гидросмеси по эрлифтному трубопроводу, м/с 3,5

Расход воды на гидрорыхление, м3/ч 450

Напор у насадок, МПа 0,6

Количество насадок, шт 4

Среднее расстояние от насадки до забоя, мм 50

Геометрические параметры грунтозаборного устройства

Длина, м 2,1

Ширина, м 0,5

Площадь, м2 1,0

Масса, т 2,7

Размер всасывающего окна 180х220

Количество всасывающих окон 8

В процессе проведения морских испытаний была проведена экспертная оценка подаваемой горной массы на вибрационные грохоты алмазодобывающего судна независимыми экспертами, в том числе учитывался грансостав донных отложений различных геологических разрезов. Кроме того, производительность оценивалась визуально по нагрузке вибрационного грохота в процентах: 0% - пустой грохот, 100% -полностью заполненный грохот в один слой твердого материала (без наложения слоев друг на друга), 200% - грохот заполнен двумя слоями и т.д. Оценка производительности осуществлялась по классу - 12 мм, хотя учет по «просеянной» фракции занижал объем горной массы. Грохот рассчитан на определенную производительность надрешетного и подрешетного материала, поэтому его увеличение приводит к накапливанию на грохоте материала и, как следствие, к сливу (потерям) «рабочей» фракции -12 мм [1].

В целом, промышленные испытания показали, что интенсивность поступления материала (нагрузка) на грохот сильно различалась, а плотность его на сите колебалась от слабой (нагрузка на грохот 15-20%), средней (25-45%), большой (4580%) до максимальной (100% и более) толщиной слоя от 5-6 см до 20-25 см и более. При этом площадь грохота закрыта обломочным материалом полностью, в несколько слоев. Как правило, максимальная нагрузка наблюдалась, когда грунтоза-борное устройство углублялось в песчаный щебнисто-глыбово-дресвяный слой и продолжалось до контакта с плотиком.

Результаты хронометражных наблюдений показали, что степень загрузки виброгрохотов была нестабильной, многослойная загрузка грохота при работе нового грунтозаборного устройства происходила гораздо чаще (49% рабочего времени против 8%), чем у существующего.

В результате промышленных испытаний были установлены часовые производительности нового эрлифтного грунтозабор-ного устройства, разработанного в МГРИ-РГГРУ на глубинах 80-110 м, зафиксированные экспертами университета, «Ин-тергеопроекта» и представителями судовладельца, которые соответственно составили:

~500^525 т/ч (в 2,65 раза выше, чем у прежней конструкции);

~525^595 т/ч (в 3,2 раза выше);

~532 т/ч по классу -12 мм (в 3,2 раза выше).

Таким образом, промышленные испытания нового грунто-заборного эрлифтного устройства конструкции МГРИ-РГГРУ на шельфе Намибии при добыче алмазосодержащих галечно-песчаных пород показали повышения стабильности подачи гидросмеси на технологический передел, а также и увеличение средней часовой производительности по горной массе в ~3 раза по сравнению с существующим на судне грунтозаборным устройством.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дробаденко В.П., Малухин Н.Г., Лев A.M., Луконина O.A., Тимошенко С.В. Разработка и промышленные испытания Новой технологии эрлифтного грунтозабора алмазосодержащих пород на шельфе Намибии // Горный информационно-аналитический бюллетень. № 7/2007 С. 360-365

2. Дробаденко В.П., Калинин И.С., Малухин Н.Г. Методика и техника морских геологоразведочных и горных работ: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010.

3. Жарницкий Е.П. Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами.- М.: Недра, 1988.

4. Иванова A.M., Смирнов А.Н., Ушаков В.И. Минерально-сырьевая база твердых полезных ископаемых шельфовых областей России: ресурсная значимость, перспективы наращивания и освоения // Горный журнал, 2012. № 3. С. 42-49.

5. Иванова A.M., Смирнов А.Н., Рогов B.C., Мотов А.П., Никольская Н.С., Пальшин К.В. Шельфовые железомарганцевые конкреции - новый вид минерального сырья. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление, № 6, 2006. С. 14-19.

6. КаминскийВ.Д., Супруненко И.О., Смирнов А.Н. Минерально-сырьевые ресурсы арктической континентальной окраины России и перспективы их освоения. Артика: экология и экономика № 3(15), 2014. С.52-61

7. Козлов М.Ю. Технологические аспекты освоения шельфовых месторождений. Международная молодежная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». 18-22 ноября 2013г. - М: ИПКОН РАН, 2013. С. 148-150. S2S

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Козлов М.Ю. - аспирант Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ).

UDC 622.3.05

SPECIFICITY OF TECHNICAL APPROACH TO SUBSTANTIATION OF AIRLIFT SUCTION DREDGING FOR OFFSHORE HARD MINERAL MINING

Kozlov M.Yu. - Postgraduate student, Russian State Geological Prospecting University, Russia.

Under analysis is the sea trial of a geotechnology and its distinction from the continental mineral mining. The specificity of the marine geotechnology includes a series of operations, in particular, hydraulic ripping, slurry preparation, suction and hydrohoist. It is emphasized that suction equipment should ensure ultimate utilization of transportation capacity of hydrohoist in delivering slurry from sea floor to the surface, which is best implemented in the marine environment by airlift systems.

Key words: mining equipment, suction dredge, airlift, underwater weighing, sea trials, hydrotransport, hydraulic ripping.

REFERENCES

1. Drobadenko V.P., Maluhin N.G., Lev A.M., Lukonina O.A., Timoshenko S.V. Razrabotka i promyshlennye ispytanija Novoj tehnologii jerliftnogo gruntozabora almazosoderzhashhih porod na shel'fe Namibii (Development and industrial testing of New technology, air-lift of gruntsgabala diamond-bearing rocks offshore Namibia) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. No 7/2007 pp. 360-365

2. Drobadenko V.P., Kalinin I.S., Maluhin N.G. Metodika i tehnika morskih ge-ologorazvedochnyh i gornyh rabot (Methods and techniques of marine exploration and mining): Ucheb. dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Volgograd: Izdatel'skij Dom «InFolio», 2010.

3. Zharnickij E.P. Zemlesosnye snarjady s pogruzhnymi gruntovymi nasosami (Projectiles with Suction submersible groundwater pumps).Moscow: Nedra, 1988.

4. Ivanova A.M., Smirnov A.N., Ushakov V.I. Mineral'no-syrevaja baza tverdyh poleznyh iskopaemyh shel'fovyh oblastej Rossii (Mineral resource base of solid minerals in offshore areas of Russia): resursnaja znachimost', perspektivy narashhivanija i osvoe-nija // Gornyj zhurnal, 2012. No 3. pp. 42-49.

5. Ivanova A.M., Smirnov A.N., Rogov V.S., Motov A.P., Nikol'skaja N.S., Pal'shin K.V. Shel'fovye zhelezomargancevye konkrecii - novyj vid mineralnogo syrja. Mineralnye resursy Rossii (Offshore ferromanganese nodules - a new type of mineral raw materials. Mineral resources of Russia). Jekonomika i upravlenie , No 6, 2006. pp. 14-19.

6. Kaminskij V.D., Suprunenko I.O., Smirnov A.N. Mineral'no-syr'evye resursy arkticheskoj kontinentalnoj okrainy Rossii i perspektivy ih osvoenija (Mineral resources of the Arctic continental margin of Russia and prospects for their development). Artika: jekologija i jekonomika No 3(15), 2014. pp.52-61.

7. Kozlov M.Ju. Tehnologicheskie aspekty osvoenija shel'fovyh mestorozhdenij (Technological aspects of offshore field development). Mezhdunarodnaja molodezhnaja shkola «Problemy osvoenija nedr v XXI veke glazami molodyh». 18-22 nojabrja 2013. Moscow: IPKON RAN, 2013. pp.148-150.