Способ добычи железомарганцевых конкреций со дна океана с глубин до 5 км и более и устройство для его осуществления
METHOD FOR EXTRACTION OF FERROMANGANESE NODULES FROM OCEAN BOTTOM FROM DEPTHS OF UP TO 5 km AND MORE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к подводной добыче полезных ископаемых и касается вопроса добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) со дна океана.
Известен способ добычи железомарганцевых конкреций со дна океана и устройство для его осуществления, (Патент на изобретение  РФ № 2053366, МПК  Е21С50/00).
Способ подразумевает наличие:
- надводного судна обеспечения;
- автономного самоходного спускаемого на дно добывающего агрегата, оснащенного всем необходимым для перемещения по дну и подбора со дна ЖМК, их отделения от посторонних примесей (сепарирования), накопления в контейнере до нормы и подъема на поверхность;
- оборудования для перегрузки ЖМК из поднятых на поверхность контейнеров в трюм транспортного корабля (баржи, балкера).
Способ и устройство предусматривают:
- гидравлический размыв поверхностного слоя дна, содержащего ЖМК, при одновременном всасывании образованной взвеси (пульпы) насосом;
- обогащение непосредственно на дне всасываемой пульпы в отдельном агрегате – сепараторе;
- наличие каталитического реактора, с использованием химических реагентов, в качестве генератора технологического газа;
- регулировку давления шасси на грунт и самостоятельное всплытие контейнера-сборника на поверхность океана путем придания контейнеру положительной плавучести наполнением балластной емкости газом, вырабатываемым каталитическим реактором.
- продувку сжатым газом, с целью обогащения ЖМК, загруженного контейнера-сборника в процессе его наполнения и  подъема на поверхность;
- использование емкостей нулевой плавучести, заполняемых перед спуском балластным грузом и предназначенных для обеспечения погружения сборника донных отложений на  дно водоема с заданной скоростью.
Недостатками вышеуказанного технического решения являются:
- низкая эффективность способа сбора ЖМК, обусловленная встречными потоками размывающих струй и всасываемой пульпы, причем еще не отсепарированной, со средним содержанием ЖМК в слое грунта до 5%;
- необходимость применения отдельного сепаратора, причем, после процесса размыва и всасывания;
- применение емкостей нулевой плавучести, предназначенных для обеспечения погружения сборника донных отложений на  дно водоема с заданной скоростью, которые, кроме увеличения технической сложности конструкции, как при погружении, так и при всплытии сборника лишь препятствуют его движению, увеличивая и без того нежелательно большое время погружения и всплытия, отрицательно влияющее на производительность добычи. Гораздо эффективнее обеспечить возможно большую скорость погружения и притормозить  сборник на малом расстоянии от дна. Даже многотонный судовой якорь, испытывающий значительно меньшее динамическое сопротивление, при свободном погружении достигает дна на глубине 5000 м. примерно за 1 час.
- использование каталитического реактора для выработки технологического газа, предопределяющее применение в большом количестве недешевых химических реагентов, которые необходимо доставлять, периодически загружать в реактор, извлекать из реактора остатки реакции, их вывозить и утилизировать, не говоря уж об отрицательном воздействии на окружающую среду;
- техническая невозможность подъема груза на поверхность с глубины более 700 м. способом придания положительной плавучести поднимаемого контейнера путем наддува балластной емкости газом, в т.ч. от каталитического реактора, поскольку, даже в случае создания давления газа более 500 атмосфер (на глубинах более 5000 м), газ в значительной степени приобретает свойства жидкости и перестает быть эффективным источником подъемной силы;
3
- высокие финансовые и энергетические затраты способа, обусловленные тем, что, судя по описанию, на поверхность поднимается весь агрегат вместе с собранными ЖМК, что, помимо дополнительного веса и гидродинамического сопротивления воды движению тела, приостанавливает процесс сбора ЖМК на время подъема, разгрузки, профилактических работ, например замена реагентов, и спуска, что занимает не менее 3-4 часов, способ так же предполагает перегрузку поднятых ЖМК в трюм надводного плавсредства (баржи, балкера), естественно, большой вместимости, не менее 5000 тонн (3000 м, соответствующих 50 ж/д вагонам), что, помимо затрат на перегрузку ЖМК, влечет длительный простой большого судна под погрузкой, поскольку единовременно поднять такое количество ЖМК на сегодняшний день технически невозможно.
Задачей  изобретения являются обеспечение технической возможности добычи полезных ископаемых на морском или океаническом дне на глубинах до 5000-6000 м. длительное время и в значимых количествах, при экономически, либо стратегически, оправданных материальных, в т. ч.  энергетических затратах на добычу ЖМК, повышение надежности работы оборудования, а также снижение отрицательного влияния процесса добычи ЖМК  на окружающую среду.
Поставленная задача  достигается тем, что способ добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) со  дна океана с глубин до 5 км., заключается в отделении ЖМК от донных отложений, содержащих железомарганцевые конкреции, непосредственно  на дне океана, подъеме собранных и отсепарированных  ЖМК на поверхность  автономным подъемником, причем сбор железомарганцевых конкреций осуществляется путем рыхления и перемещения слоя грунта шнековым устройстовм, последующего всасывания обогащенного конкрециями перемещенного слоя элеваторами и загрузки собранного материала в контейнеры, поднимаемые на тросах отдельно от добывающего агрегата при помощи кран-балок, установленных на зафиксированной на некоторой глубине грузоподъемной платформе, и размещаемые в соответствующих ячейках секций  накопительных платформ, поочередно подводимых под грузоподъемную платформу. Поднятые со дна в поверхностный слой контейнеры с содержащимися в них ЖМК, и размещенные в ячейках секций накопительных платформ, сцепленных друг с другом группами, транспортируются в таком виде либо надводным, либо подводным судном-буксиром, минуя процесс перегрузки ЖМК из контейнеров в трюм баржи или балкера и, соответственно, выгрузки из трюма, позволяя осуществить разгрузку контейнеров открытием люков над транспортерами в мелководном доке.
Устройство для добычи ЖМК со дна океана, включает судно-носитель, добывающий агрегат в виде самоходного управляемого шасси со сборником конкреций, снабженным рыхлителем донных отложений, всасывающим насосом, сепаратором системой навигации и подъемным устройством, в котором   имеется добывающий агрегата, подъемник в виде грузоподъемной платформы,  накопительная платформа и контейнеры;  на добывающем агрегате, выполненном в виде самоходного шасси типа ромбокар с управляемыми мотор-колесами, снизу по диагонали, перпендикулярно направлению движения агрегата, смонтировано шнековое утройство, по концам которого установлены элеваторы, в полости шасси размещены лебедки с поводковыми тросами и манипуляторами, а так же гидродинамический тормоз и система навигации с функцией обнаружения непреодолимых препятствий, сверху установлен стыковочный узел для приема спускаемых контейнеров с системой их горизонтальной ориентации.
Шнековое устройство имеет две полуоси   с разным направлением винтовой линии,  каждая полуось  состоит из  нескольких секций  с винтовыми лопастями,  имеющими перфорацию,  причем секции  соединены между собой эластичными муфтами, кроме того шнековое устройство смонтировано на добывающем агрегате с помощью рычажной системы  и опор, между полуосями  расположен  привод    (например, гидромотор) а   по концам шнекового устройства смонтированы элеваторы.
Контейнер представляет собой  клеть   в форме параллелепипеда, снизу которого установлена ответная часть стыковочного узла  добывающего агрегата,  со сцепным устройством, сверху в клеть вставлена с возможностью отделения,  емкость в виде  перевернутой усеченной пирамиды, имеющая  каркас, перфорированную обшивку и откидное днище, а внутри клети, в  полости между емкостью размещен эластичный надувной баллонпо форме, близкой к тороидальной.
Ггрузоподъемная платформа выполнена  с  регулируемой плавучестью, имеет две кран-балки с манипуляторами, подводный робот, якоря и якорные тросы, причем грузоподъемная платформа соединена с надводным судном обеспечения необходимыми коммуникациями (кабели, шланги и т. п.)
Накопительная платформа  состоит из нескольких секций, каждая секция выполнена с  регулируемой  плавучестью, имеет ячейки,  соответствующие форме и размеру контейнеров и фиксирующие элементы для их крепления, причем   секции накопительных платформ имеют, как минимум с двух сторон,  сцепные устройства.
Предложенное техническое решение иллюстрируется следующими графическими материалами:  на фиг. 1.  изображено шнековое устройство; на  фиг. 2 изображен добывающий агрегат с контейнером; на  фиг. 3 – конструкция контейнера для собранных ЖМК; на фиг. 4 – схема работы добывающего агрегата с двумя контейнерами; на фиг. 5 – секция накопительной платформы; на фиг. 6 – грузоподъемная платформа; на фиг. 7- общая технологическая схема добычи ЖМК.
Добывающий агрегат представляет собой самоходное шасси типа ромбокар 9  с управляемыми мотор-колесами 10, по диагонали которого перпендикулярно направлению движения, снизу прикреплено шнековое устройство. Шнековое устройство состоит  из двух полуосей  7 с разным направлением винтовой линии,  каждая полуось 7 состоит из  нескольких секций  1 с винтовыми лопастями  2,  имеющими перфорацию 3. Секции 1 соединены между собой эластичными муфтами  4.   Шнековое устройство смонтировано на добывающем агрегате с помощью рычажной системы 5 и опор 6. Между полуосями 7 расположен  привод   8 (например, гидромотор).  По концам шнекового устройства смонтированы элеваторы 12 (например, эжекторного типа).  На добывающем агрегате сверху смонтированы стыковочный узел 18 с системой горизонтальной  ориентации (позиция не показана) для приема контейнеров 11, система навигации с функцией обнаружения непреодолимых препятствий (позиция не показана), манипуляторы 22, лебедки 23 (установленные в полости шасси)  и гидродинамический тормоз 24.
Контейнер 11 представляет собой  клеть 15  в форме параллелепипеда, снизу которого установлена ответная часть стыковочного узла 18,  со сцепным устройством 19,   в клеть 15  сверху установлена с возможностью отделения,  емкость в виде  перевернутой усеченной пирамиды, последняя имеет  каркас 13, перфорированную обшивку 14, откидное днище 17. В полости между клетью 15 и емкостью размещен эластичный надувной баллон 16 по форме близкой к тороидальной.
Подъем загруженных контейнеров 11 и спуск порожних контейнеров 11 осуществляется с помощью грузоподъемной платформы 29. Грузоподъемная платформа 29 с изменяемой плавучестью притоплена  на  некоторой глубине, порядка 100 м. и удерживается с помощью якорей 36  и якорных тросов 30.
Грузоподъемная платформа 29 имеет две кран-балки 31, с манипуляторами 32. Подъем (спуск) контейнеров 11 осуществляется  с использованием грузовых тросов 20, а подводка спускаемого контейнера 11 к добывающему агрегату  осуществляется с помощью поводковых тросов 21. Грузоподъемная платформа 29 связана с судном обеспечения 35 необходимыми коммуникациями 33 и 34 ( электрическими, пневматическими и т.п.). В составе грузоподъемной платформы 29 имеется управляемый подводный робот 28 для переноса поводковых тросов 21 от контейнера к контейнеру.
Изначально порожние, а впоследствии загруженные  контейнеры 11  размещаются в секциях накопительных платформ  25 с регулируемой плавучестью. Секции накопительных платформ 25 имеют ячейки,  соответствующие форме контейнера (позиция не указана),  с фиксирующими элементами 26. Секции накопительных платформ  25 имеют   с двух сторон сцепные устройства 27.
Загруженные  секции накопительной платформы 25  транспортируются к месту разгрузки буксирующим надводным судном 37 или   подводным судном 38.
Устройство по добыче ЖМК работает следующим образом:
Оборудованными соответствующим образом плавсредствами на место проведения работ доставляются все необходимые ресурсы и элементы устрйства, в т.ч. добывающий агрегат, грузоподъемная платформа 29  с якорной системой (якорями 36  и якорными тросами 30), достаточное количество секций накопительных платформ 25 с установленными в их ячейках порожними контейнерами 11.
По углам выбранного участка устанавливаются якоря 36, якорные тросы 30  от которых соединены с грузоподъемной платформой  29, которая с помощью регулировки плавучести и якорных лебедок фиксируется на некоторой глубине для устранения влияния волн и поверхностных течений. Грузоподъемная платформа  29 разделена на две зоны, каждая зона обслуживается своей кран-балкой 31. Под  грузоподъемную платформу 29 подводится одна из секций накопительной платформы 25 с размещенными в ее ячейках контейнерами 11.
На избранный участок дна в исходную точку опускают добывающий агрегат, поводковые тросы  21 от которого подводным роботом 28 соединены с готовящимися к спуску двумя порожними контейнерами 11.  При этом кран-балка  31 первой зоны устанавливается над первым контейнером 11 в этой зоне, а кран-балка  31 второй зоны устанавливается над первым контейнером 11 во второй зоне. С помощью манипуляторов 32 грузовые тросы 20 прикрепляются к контейнерам 11. После подготовки достигшего дна добывающего агрегата к работе, осуществляется спуск первого порожнего контейнера 11. Лебедка 23 с поводковым тросом 21 обеспечивает точную стыковку контейнера 11 с добывающим агрегатом, система горизонтальной ориентации обеспечивает необходимое позиционирование контейнера 11, а гидродинамический тормоз 24 обеспечивает плавную стыковку. После установки порожнего контейнера 11 добывающий агрегат начинает движение. При этом заглубленные в грунт вращающиеся полуоси 7 шнека, имеющие противоположное направление винтовой линии, сдвигают слой грунта вместе с ЖМК от центра к периферии, образуя по краям две гряды, над которыми конструктивно смонтированы элеваторы 12 (например, эжекторного типа), транспортирующие ЖМК в контейнер 11. В силу того, что лопасти 2 шнека выполнены перфорированными 3, при перемещении грунта происходит его сепарирование: ил, песок и очень мелкие фракции ЖМК в основном остаются на месте, а к элеваторам 12 поступает уже обогащенная ЖМК масса. Такой способ добычи ЖМК обеспечивает щадящее воздействие на грунт и, что особенно важно, оставляет на месте мелкие фракции ЖМК, имеющие, по мнению ученых, важное значение для придонной  экосистемы. Поскольку полуоси  7 шнека выполнены в виде отдельных винтовых лопастей 2, соединенных друг с другом эластичными муфтами 4, образуя так называемый «гибкий вал», шнек может до некоторой степени изгибаться при прохождении через твердые неровности дна. Рычажная система 5 концов шнека позволяет преодолевать более крупные препятствия. Во время наполнения контейнера 11 конкрециями, осуществляется спуск к добывающему агрегату очередного  порожнего контейнера 11.  К моменту возврата груженого контейнера 11 в свою ячейку в накопительной платформе  25, порожний контейнер 11 состыковывается с добывающим агрегатом и процесс сбора ЖМК продолжится. Применение перфорированной обшивки контейнера, кроме уменьшения его веса и некоторого снижения гидродинамического сопротивления, способствует дополнительной промывки ЖМК в процессе подъема контейнера. Поскольку время подъема с глубин порядка 5000 м. составляет не менее 1 часа, то же относится и к спуску, одновременное движение двух контейнеров существенно повышает производительность процесса. После возврата груженого контейнера 11 в свою ячейку, подводный робот 28 переносит поводковый трос 21 к следующему порожнему контейнеру 11, кран-балка 31, отсоединившись с помощью манипулятора 32 от поднятого контейнера 11, перемещается к очередному порожнему контейнеру 11 и соединяется с ним. Одновременно в надувной баллон 16, размещенный в контейнере 11, подается сжатый воздух, обеспечивая контейнеру 11  нулевую плавучесть, что компенсирует нагрузку на накопительную платформу 25. Придание положительной плавучести сжатым воздухом на глубине порядка 100 м. трудностей не представляет. Поскольку и грузоподъемная 29 и накопительная платформы 25 имеют собственные регуляторы плавучести, системы устранения крена, дифферента и влияния нагрузки, неисправность даже нескольких баллонов 16 не окажет существенного влияния на процесс. Таким образом, постепенно, секция накопительной платформы 25 заполнится гружеными контейнерами 11. Секцию 25 отсоединяют от грузоподъемной платформы 29 и состыковывают с буксиром, роль которого может выполнять или надводное судно 37 или подводное  судно 38. Под грузоподъемную платформу 29 подводят очередную секцию накопительной платформы  25 с порожними контейнерами 11 и процесс повторяется. Заполнив некоторое количество секций накопительных платформ гружеными контейнерами, доведя количество собранных ЖМК до транспортной нормы, секции накопительных платформ соединяют друг с другом  с помощью сцепок  27 и транспортируют к месту разгрузки. Поскольку накопительные платформы выполнены с регулируемой плавучестью, их буксировка возможна как в надводном, так и в подводном положении. Такой способ исключает необходимость перегрузки поднятых ЖМК из контейнеров в трюм баржи или балкера и их выгрузки из трюма в пункте разгрузки. Поскольку дедвейт (осадка) накопительной платформы составляет не более 4 м., разгрузка может осуществляться открытием откидных днищ 17  контейнеров  11 над транспортерами в мелководном доке, а при определенных технических решениях – непосредственно в Ж/Д вагоны.Такой способ транспортировки ЖМК позволяет использовать судно-буксир вместо баржи или балкера большой вместимости. К моменту отправки партии ЖМК,  к месту проведения работ прибывает очередной состав накопительных платформ с порожними контейнерами, обеспечивая непрерывность процесса.
Добывающий агрегат движется по обрабатываемому участку зигзагообразно: вдоль участка вперед, разворот на смежную полосу и т.д.
После обработки всего участка, якоря переставляются на смежный участок, соответственно, перемещаются грузоподъемная платформа и обеспечивающееплавсредство.
Использование  вышеуказанного  способа и устройства позволит: осуществлять подбор ЖМК с придонного слоя шнековым механизмом, вместо гидроразмыва, обеспечивая при этом щадящее воздействие подборщика ЖМК на грунт, конструктивно позволяющим огибать твердые неровности дна, обеспечивающим более эффективный сбор ЖМК за счет обогащения методом сепарирования до момента всасывания ЖМК непосредственно шнеком, и оставляющим мелкие фракции ЖМК на месте, что жизненно важно для придонной экосистемы;  поднимать  на поверхность только емкости (контейнеры) с собранными ЖМК, в отличии от подъема всего агрегата, причем подъем на тросе, в отличии от неработоспособного на глубинах более 700 м. способа придания положительной плавучести телу для его свободного всплытия путем наддува балластных емкостей газом, в том числе от каталитического реактора; исключить  применение экологически вредных химических реагентов в качестве источника технологического газа;сократить до минимума время простоя добывающего агрегата за счет того, что добывающий агрегат не поднимается вместе с контейнером, а остается на дне и во время подъема груженого контейнера работает и загружает следующий контейнер, спускаемый во время подъема груженого, также исключить процесс перегрузки поднятых ЖМК в трюм баржи (балкера) и их выгрузки из трюма в пункте назначения, соответственно, исключить  использование крупнотоннажных плавсредств, за счет непосредственного размещения поднятых груженых контейнеров в специальных накопительных платформах, своего рода плотах, с регулируемой плавучестью, которые буксируются к месту назначения сравнительно небольшим судном-буксиром, причем, как в надводном, так и в подводном положении; обеспечить  максимально возможную скорость, соответственно, минимальное  времемя, погружения и подъема контейнеров за счет минимизации динамического сопротивления контейнера и использования гидродинамического торможения перед стыковкой контейнера с добывающим агрегатом.