Разработка полезных ископаемых, залегающих в поверхностном слое донных осадков океана

Среди известных, но еще не разрабатываемых полезных ископаемых океанского дна, наиболее важными с экономической точки зрения являются фосфоритовые и марганцевые конкреции. Для их добычи предлагалось много различных методов. Среди них наибольший практический интерес представляют еще никак не названные устройства на гусеничном ходу, которые, по замыслу их создателей, должны опускаться на дно океана, загружаться там конкрециями и затем всплывать на поверхность; управляемые экипажем батискафы гусеничного типа, мощность которых вполне достаточна, чтобы они работали на дне как скреперы, и, наконец, управляемые подводные лодки большого тоннажа, снабженные сферическими контрольными камерами и обладающие плавучими емкостями для хранения добытых полезных ископаемых, в частности конкреций, которые помещаются в эти резервуары, вытесняя при этом заключенную в них балластную воду.

Однако с точки зрения рентабельности добычи в ближайшем будущем заслуживают внимания лишь два метода извлечения конкреций со дна океана: глубоководное механическое драгирование и глубоководное гидравлическое извлечение грунта. Для разработки конкреций, лежащих на глубинах не более 2000 футов, целесообразно, по-видимому, использовать драги с грейферными саморазгружающимися ковшами. При этом уместно напомнить, что большинство исследователей считает, что конкреции располагаются на поверхности донных осадков океана в виде отдельного, единичного монослоя, мощность которого не превышает диаметр конкреций. При таком допущении в процессе очищения океанского дна от конкреций с экономической точки зрения важна полная загрузка черпательного ковша конкрециями, так как на спускоподъемные операции ковша расходуется значительное время. Это обстоятельство в свою очередь требует значительных габаритов подъемного устройства. Например, для подъема 5 т конкреций при 90%-ной очистке разрабатываемого участка, где концентрация конкреций составляет 2 фунт/кв. фут морского дна, грейферный черпатель должен очистить около 5500 кв. футов морского дна. В этом случае площадь черпателя в раскрытом виде должна быть около 7,5 кв. футов. Можно представить, какие значительные трудности возникают в связи с креплением и перемещением подобного устройства при его разгрузке на поверхности. Однако имеются основания считать, что в случае разработки фосфоритов морского дна при их концентрациях порядка 30-50 фунт/кв. фут и глубинах воды не более 500 футов применение грейферных черпателей окажется экономически оправданным.

Глубоководное драгирование

Некоторые модификации глубоководного механического драгирования, по-видимому, являются наименее сложными из обсуждавшихся методов разработки океанских конкреций. Применяемое оборудование отличается простотой, низкой стоимостью и используется океанографами в течение уже почти 100 лет для извлечения осадков морского дна с глубин порядка 30000 футов. Поскольку существующие модели черпака драги используются лишь для снятия тонкого поверхностного слоя осадков, характеристика которых известна до начала разработки, то их следует несколько переконструировать, с тем, чтобы они соответствовали намеченным задачам. На рис. 71 показана общая схема разработки конкреций океанского дна методом драгирования. А один из типов драговых черпаков, применяемых в глубоководных условиях для извлечения многотонных проб конкреций с морского дна, изображен на рис. 67.

Рис. 71. Глубоководное драгирование является довольно несложным, но в условиях мелкого моря эффективным методом разработки поверхностных осадков (Mero, 1960b).

В современных условиях существует возможность создания весьма большого числа разнообразных систем драгирования. Мы ограничимся лишь тем, что рассмотрим в качестве иллюстрации систему, которая дает самое общее представление о методе. В этом случае операция драгирования производится при помощи двух движущихся в море судов. В качестве добывающего судна может быть использован буксир океанского типа водоизмещением 2000 т, на котором установлен двигатель мощностью 2000 л. с. Такое судно способно производить драгировку на глубинах до 5000 футов, обладая при этом прекрасной маневренностью. Проект предусматривает размещение на добывающем корабле жилых помещений для всей команды, ведущей разработку конкреций, а также возможность использования главных генераторов в качестве источников электроэнергии для лебедок. Во время работ на перемещение самого судна будет расходоваться лишь небольшая доля общей мощности. Как лучший вариант для ведения разработки конкреций на океанском дне желательно создание специального корабля, оборудованного многочисленными новейшими устройствами и усовершенствованиями, однако и сегодня для этих целей можно переделать существующие суда, затратив около 1 млн. долл. на каждую модификацию.

Второй корабль, участвующий в разработке конкреций, представляет собой океанскую самоходную баржу, емкость которой достаточна для хранения около 5000 т добытых и очищенных конкреций. На барже имеется оборудование для очистки конкреций от различных обломочных компонентов, извлекаемых с океанского дна, а также небольшой двигатель, позволяющий ей следовать во время работ за добывающим судном. Если подобная баржа не используется как транспортное судно, то на ней должны быть предусмотрены устройства для быстрой перегрузки добытого материала на ожидающий погрузки транспорт.

Габариты драгового ковша не должны по возможности превышать размеры, гарантирующие безопасность работы в море. Так, для судна водоизмещением 2000 т наибольшим из практически оправданных габаритов драгового ковша являются размеры 20X12Х3 фута. Вес такого ковша около 3 т, а его емкость, полагая, что он заполняется на 65% всего объема, при плотности извлекаемого материала 56 фунт/куб. фут составляет около 13 т при каждом подъеме.

Погружение ковша драги на дно моря происходит со скоростью свободного падения, которая на основании соответствующих гидродинамических расчетов должна достигать 600 фут/мин. Драговый ковш следует снабдить источником звуковых сигналов для определения момента достижения им морского дна. После заполнения ковша конкрециями его извлекают на поверхность. Телевизионные камеры, вмонтированные в драговый ковш, позволяют просматривать океанское дно и следить за ходом наполнения драги конкрециями. Телевизионный кабель целесообразно при этом поместить внутрь драгового троса, для того чтобы избежать осложнений, связанных с двухкабельной драговой линией. Стоимость подобных устройств оценивается в 25 тыс. долл. Однако эти дополнительные расходы невелики по сравнению со стоимостью обычного оборудования драги, включая буксирный трос, и они, несомненно, будут оправданы возросшей эффективностью операций по разработке.

Когда драговый ковш поднят на поверхность, его при помощи особых подъемных механизмов проводят над кормой добывающего судна и разгружают в специальный приемный бункер. Из бункера конкреции транспортируются при помощи насоса и трубопровода на баржу, где они временно хранятся. Поскольку конкреции обычно сложены веществом сравнительно малой плотности, отличающимся неабразивным характером, то их без каких-либо осложнений можно перекачивать по резиновым трубам. На барже конкреции отделяются от безрудных осадков, измельчаются и складируются в особые помещения, спроектированные таким образом, чтобы можно было производить быструю перегрузку материала с баржи на транспортное судно.

Произведем оценку стоимости текущих операций по глубоководному драгированию океанских конкреций, полагая, что продолжительность работ в океане составит 300 дней в году, и при условии фрахта добывающего судна и склада-баржи (в долл.).

• А. Твердые эксплуатационные расходы за год:

  1	Годовой фрахт добывающего судна при стоимости одного дня фрахта 2500 долл.	912500
  2	Годовой фрахт баржи для хранения при стоимости одного дня фрахта 500 долл.	185000
  3	Расходы по амортизации оборудования, включая стоимость затрат на его текущий ремонт, эксплуатацию и т. п. (источник звуковых сигналов на драговом ковше, драговые ковши, камеры, регистраторы глубины, дробилки, различные передающие системы и т. д.)	320000
  4	Зарплата рабочих, сотрудников по наблюдению и контролю за ведением разработки и руководящего состава	667500
  *	Общая сумма в год	2085000

• Б. Переменные эксплуатационные расходы за год (зависят главным образом от глубины драгирования):

  5	Лебедка - 5200 долл. на каждую тонну подъемной мощности; расходы на амортизацию и поддержание лебедки в рабочем состоянии составляют 40% общей суммы годовых расходов.
  6	Тросы, меняемые 4 раза в год; каждый раз полная стоимость.
  7	Энергия, считая 0,02 долл. /л. с./час при 300 рабочих днях в году и 20-часовой работе в сутки.

Принято считать, что время операций по разработке будет сокращено на 18% в связи с плохой погодой, задержками, связанными с транспортировкой руды, и т. п. При продолжительности рабочего дня 24 часа ежедневно выделяется в среднем 4 часа на текущий ремонт. Принимая во внимание приведенные выше данные и допуская, что общая электрическая и, механическая эффективность подъемной системы составляет 65% при запасе прочности троса 2,5 и что скорость протаскивания драгового ковша по океанскому дну равна 3 фут/сек., можно подсчитать, каковы будут затраты по добыче конкреций со дна океана при различных глубинах драгирования (табл. 37). Общий вес поднимаемой системы слагается из погруженного в воду веса самого груза конкреций, веса драгового ковша, а также усилий, затрачиваемых на волочение драгового ковша и троса. Более подробное обсуждение вопросов, касающихся этих усилий и прилагаемых для их преодоления мощностей, можно найти в одной из предыдущих работ Меро (Mero, 1959).

Темпы и стоимость разработки методом глубоководного морского драгирования в значительной мере зависят от глубины производимых работ, поскольку глубина определяет время, расходуемое на спускоподъемные операции драгового ковша. В горнорудной промышленности принята стандартная скорость подъема - 2000-3000 фут/мин. Сопротивление, возникающее при подъеме ковша драги сквозь толщу воды, меняется в квадратичной зависимости от скорости, а мощность, требующаяся для подъема драги, - в кубической. В тех случаях, когда скорость движения ковша (допуская его идеальную обтекаемую форму) превосходит 1000 фут/мин., необходимая мощность столь велика, что даже при увеличении темпов добычи стоимость единицы получаемого продукта не снижается, а, наоборот, в свою очередь начинает расти. Данные табл. 37 подтверждают сказанное.

^* (Разработка производится в описанных выше условиях и при помощи указанного выше оборудования. При этом допускается, что концентрация конкреций на дне океана составляет 1 фунт/кв. фут, а эффективность их извлечения равна 80%.)

^** (Сумма усилий драги плюс вес черпака и груза в морской воде.)

^*** (Время, требующееся для полного цикла драгирования, включая спуск, загрузку, подъем и разгрузку.)

Например, при скорости подъема 1500 фут/мин. с глубины 5000 футов стоимость добываемого сырья превышает его стоимость при скорости подъема 1000 фут/мин. Для данного типа драгового ковша существует максимальный экономически рентабельный предел скорости подъема, который рассчитывается при помощи особых методов. Обтекаемая форма драги, очевидно, выгодно отразится на экономических показателях добычи при скоростях подъема в воде более 1000 фут/мин., но не превышающих 2000 фут/мин.

При работе на глубинах менее 5000 футов, вероятно, можно производить разработку залежи с одного судна при помощи двух драговых ковшов одновременно. Каждый из двух драговых ковшей соединяется с одним из концов подъемного троса; при этом устраняется необходимость в дополнительном барабане лебедки и во втором тросе. При опускании одного ковша происходит подъем другого. Такая совмещенность операций позволит примерно вдвое сократить эксплуатационные расходы на единицу добываемого сырья и заметно снизит капиталовложения в систему подъемных механизмов.

Поскольку в каждом цикле драгирования основная часть времени приходится на наполнение ковша драги при волочении его по дну океана (в некоторых случаях занимающего более 70% времени), то при наличии залежей с относительно высокой концентрацией конкреций стоимость получения 1 т конкреций существенно снизится, как это показано в табл. 38. Правда, при таком методе драгирования крайне слабо осуществляется детальный контроль на том участке морского дна, куда опустилась драга. К счастью, залежи марганцевых конкреций характеризуются столь интенсивным латеральным развитием, что их можно разрабатывать путем неупорядоченных бессистемных пересечений, не опасаясь, что в течение многих лет они пересекутся.

^* (Остальные условия добычи остаются теми же, что отмечены в табл. 37.)

Как уже отмечалось, эксплуатационные расходы на производство всех операций по глубоководному драгированию оцениваются в 2 млн. долл., при условии, что корабль и баржа фрахтуются. В эту сумму включены затраты на переоборудование добывающего судна и баржи, на саму систему драгирования, оплата расходов по конструированию и различные расходы начального периода. Отдельно оценивается стоимость исследовательских работ, которые предшествуют созданию горнорудного оборудования. Стоимость добывающего судна водоизмещением 2000 т определяется примерно в 6 млн. долл. При этом полагается, что постройка этого судна будет производиться на американских верфях. Но для тех же целей можно переделать и старое судно, поскольку вносимые изменения в его основную конструкцию сравнительно невелики. В этой главе уже описывались основные требования, предъявляемые к барже, которая должна участвовать в разработке конкреций. На ней следует создать устройства для очистки конкреций и их измельчения, а также емкости для хранения. Общая стоимость оборудованной таким образом баржи оценивается примерно в 1,5 млн. долл. Для этих целей вполне пригодны баржи обычного типа.

Гидравлическое драгирование в условиях глубокого моря

Гидравлическое драгирование донных морских осадков является, при современном уровне развития горнодобывающих средств, одним из самых крупномасштабных и эффективных методов разработки. Как правило, гидравлические драги оборудованы двигателем и помпой, находящимися внутри корпуса корабля. Помпа обычно помещается несколько ниже уровня воды бассейна, где движется корабль. Необходимым условием метода является создание на всасывающем патрубке помпы вакуума, позволяющего прокачивать через нее гидромассу (смесь воды и частиц грунта). Таким образом, применение гидравлического драгирования жестко ограничивается глубиной, с которой может производиться откачивание. В атмосферных условиях максимальное всасывание, создаваемое помпой, равно либо атмосферному давлению, либо напору примерно 34 футов водяного столба. Однако при образовании вакуума на всасывающем патрубке помпы возможно кипение воды. В целом гидравлическое драгирование эффективно до 25-футовой глубины погружения всасывающей головки. Если же мы пренебрежем трением жидкости и допустим, что в трубопроводе отношение жидкость/твердое вещество равно 10:1, то максимальная глубина, с которой можно было бы поднимать осадки, считая, что плотность воды постоянна на всех глубинах, составит около 250 футов. Это отношение может быть увеличено и тем самым существенно увеличена глубина драгирования. Однако, учитывая расход энергии на преодоление трения жидкости, а также на подъем твердых веществ по грунтопроводу, следует иметь в виду те предельные значения глубин, выше которых оплата расходуемой энергии резко увеличивает стоимость извлекаемого материала. Поэтому, если глубина воды не меньше нескольких сотен футов, помпа должна быть погружена в воду вне зависимости от типа применяемой гидравлической драги. Однако это вовсе не означает, что помпа должна быть размещена непосредственно близ океанского дна. Положение помпы относительно поверхности океана определяется величиной отношения жидкость/твердое вещество в транспортируемой по трубопроводу пульпе и скоростью подачи жидкости. Согласно некоторым точкам зрения, имеются определенные преимущества, когда помпа приближена к поверхности на максимально возможное расстояние. Такое положение помпы обосновывается следующими приводимыми ниже расчетами.

Рис. 72. Глубоководная гидравлическая драга представляет собой, в сущности, гигантский пылесос, созданный для отбора тонкого поверхностного слоя осадков и относительно слабо нарушающий при этом нижележащие осадки. Показанная на рисунке модификация может вращаться вокруг своей вертикальной оси, причем размеры обработанной землесосными головками площади морского дна определяются скоростью горизонтального перемещения всей драгирующей системы, которая, как правило, движется довольно медленно (Mero, 1960b).

Основными элементами системы, при помощи которой осуществляется глубоководное гидравлическое драгирование, являются линия трубопровода, помпа и двигатель, всасывающие головки и плавательные средства. В одном из вариантов этого метода разработки предусматривается спуск в воду агрегатов системы, которые закреплены в подвешенном состоянии на плавающем судне. Однако такая комбинация имеет ряд недостатков. Вертикальные колебания судна, происходящие под воздействием волн, передаются на агрегаты системы в виде попеременных сжатий линии трубопровода, что приводит к его поломке. Кроме того, вся эта система, включая судно и землесосные агрегаты, оказывается практически непригодной к эксплуатации в штормовых условиях. Появляется необходимость монтажа агрегатов на особых поплавках, которые тем самым становятся составной частью всей системы. Как показано на рис. 72, главный поплавковый резервуар располагается ниже поверхностного, турбулентного, слоя океана, благодаря чему вертикальные волновые движения не передаются на землесосный агрегат. Второй поплавок, стабилизирующий, находящийся на поверхности, позволяет удерживать землесосные агрегаты на плаву. Поскольку 98% веса землесосных агрегатов падает на основной поплавок, вертикальные колебания, возникающие от воздействия волновых движений на стабилизирующий поплавок, в целом не будут передаваться на землесосные агрегаты. Двигатель и помпа рассматриваемой системы размещены внутри основного поплавка. Последний имеет несколько более крупные габариты, чем это можно было бы полагать, исходя из конструктивных особенностей заключенных в нем узлов. В качестве балласта поплавок загружают морской водой, что позволяет драгирующей системе сохранять правильное положение. В случае неисправности двигателя или помпы балласт откачивается из резервуара, и весь агрегат всплывает на поверхность. Через люк, находящийся в верхней части корпуса поплавкового резервуара, команда может легко проникнуть внутрь для ведения ремонтных работ. При внезапной поломке помпы или двигателя должны автоматически открыться клапаны обратного хода, находящиеся по всей длине трубопровода, что приведет к спуску имеющихся в системе конкреций и, таким образом, предотвратит засорение трубопр