Журнал «Колыма», № 8, 1975 (УДК 622.271.5)
В данной статье из архива описана сравнительно простая технология, которая, вероятно, может использоваться, в том числе и небольшими предприятиями.
Известно, что подавляющую часть года арктические моря покрыты льдом. Однако уже сейчас на шельфе этих районов обнаружено значительное количество россыпей ценных минералов, которые могут иметь большое промышленное значение, и разработка которых представляет несомненный интерес. Вместе с тем очевидно, что два с половиной месяца в году, когда водная поверхность полностью или частично свободна от ледяного покрова, не могут быть достаточным сроком для эффективной эксплуатации подводных россыпей и, следовательно, существующая техника и технология подводных горных работ с использованием плавсредств в этих условиях является малоприемлемой.
Становится понятным, что для ведения добычных работ в длительный зимний период на шельфе Арктики, который для нашей страны является преобладающим по своей площади и протяженности, необходимо создание принципиально новой техники и технологии.
В этом отношении первоопределяющим фактором успешного решения этой весьма сложней научной и инженерной задачи является определение технической возможности использования арктического льда в качестве площадок для размещения основного энергетического и горного оборудования в соответствующих утепленных помещениях. Иными словами, возникает необходимость использования льда в качестве основного несущего и строительного материала и, поскольку обширнейшие ледовые районы Арктики стали полем активной деятельности человека, вопросы практического использования морского льда стали приобретать большое значение.
Паковый лед, имеющий толщину 2,5–3 м, покрывает почти 100% Северного Ледовитого океана. Он представляет собой конгломерат из молодого и старого многолетнего льда (средний его возраст 8–9 лет) и является малонадежным для устройства на нем промышленных объектов. Кроме того, в паковых льдах постоянно действуют большие сдавливающие силы, которые приводят лед в состояние, близкое к его разрушению. В связи с этим возникает проблема искусственного изготовления прочных ледяных платформ. Такими вопросами, начиная с 1953 г., занимаются Военно-Морские силы США [1]. В результате большой серии экспериментов выяснено, что наиболее перспективным является метод искусственного увеличения толщины льда, что придает ему дополнительную прочность и несущую способность. С этой целью на поверхности природного льда намораживается новый лед, причем теплоотдача в воздух при этом значительно больше, чем в толщу ледяного щита.
К настоящему времени из нескольких методов искусственного наращивания льда наибольшее распространение получил метод свободной заливки, когда поверхность природного ледяного поля заливается водой. Образовавшийся лед вновь заливается водой и процесс повторяется до придания льду необходимой толщины.
Эксперименты, проводившиеся ряд лет, показали, что наиболее рационально намораживать лед тонкими (7–10 см) слоями, а намораживаемый участок сохранять круглой формы, что обеспечивает наименьшие напряжения в слое природного льда, на котором производится намораживание. Принципиальная схема производства работ методом свободной заливки показана на рис. 1.
Оборудование для изготовления ледяных платформ может состоять из одной или нескольких насосных станций; выбор зависит от характера предстоящих технологических задач. При этом используются погружные электропомпы, располагаемые подо льдом (и извлекаемые после окончания работ). Кабель, питающий насосы, укладывается на поверхность природного льда. По мере намораживания он оказывается в надежном укрытии. Все эксперименты, данные о которых приведены, проводились на Аляске (Пойнт-Барроу) и в Гренландии (Туле).
Как правило, горные работы характеризуются большими объемами добываемой и перерабатываемой горной массы. В связи с этим, учитывая особую специфику производства такого рода горных работ, необходимо выполнять несколько основных, наиболее серьезных технологических требований, а именно: 1) толщина искусственных ледяных платформ должна надежно выдерживать вес основного и вспомогательного оборудования; 2) основное добычное оборудование должно иметь минимальный вес при достаточной производительности; 3) консистенция пульпы должна быть максимально возможной; 4) пульпу необходимо транспортировать под ледяным покровом до берега без выдачи ее на лед в месте добычи.
Вопрос определения необходимой толщины льда при известном весе добычной техники, вспомогательных механизмов, производственных помещений и прочего оборудования не представляет значительных трудностей, поскольку методика таких расчетов отработана достаточно хорошо и проверена при экспериментальных и промышленных работах. Очевидно, что устройство таких площадок будет ложиться на себестоимость добываемого полезного ископаемого и поэтому необходимо стремиться к минимальной, но достаточной по технологическим требованиям толщине льда.
Очевидно также, что в подобных условиях весьма жесткие требования должны быть предъявлены к добычному и вспомогательному оборудованию и к помещениям, в которых его необходимо размещать. Легкие передвижные помещения с учетом наличия новых легких строительных материалов и утеплителей изготавливать сравнительно несложно.
Гораздо сложнее обстоит дело с добычным оборудованием. Возможным вариантом является использование существующих типов грунтовых насосов. Ио при этом неизбежны все трудности, связанные с тем, что грунтовые насосы являются весьма металлоемкими и громоздкими конструкциями Основное технологическое преимущество грунтовых насосов — это возможность вертикального и горизонтального транспортирования пульпы. Однако существенным недостатком является низкая (1520% твердого) консистенция пульпы, что особенно необходимо учитывать, поскольку работы должны производиться в условиях весьма низких температур и при минимально возможном содержании воды в пульпе.
Более предпочтительно применение для этих целей эрлифтного оборудования. Выбор такого варианта, вероятно, будет одним из наиболее реальных, поскольку эрлифтная добыча постепенно приобретает все более широкое распространение ввиду ряда серьезных преимуществ, включая высокое содержание твердого в пульпе. Однако эрлифт нельзя использовать для горизонтальною транспорта пульпы. В связи с этим эрлифтное оборудование при разработке подводных россыпей со льда, по всей вероятности. найдет ограниченное применение, г. е. в тех случаях, когда объем добычи позволит осуществлять перегрузку добытой горной массы непосредственно в транспортные сосуды, расположенные па несущих ледяных платформах.
Одним из наиболее реальных направлений добычи рыхлых полезных ископаемых дна акватории со льда нам представляется использование специальных грунтовых насосов, носящих название гидровихревых установок [2]. Гидровихревые установки в настоящее время находятся в стадии промышленных испытаний. Создано и испытано несколько их модификаций. Служат они для разработки и вертикального (или наклонного) транспорта добытой горной массы в виде пульпы с повышенным содержанием твердого компонента.
Следует также отметить, что в лабораторных условиях успешно испытаны два варианта гидро-вихревых установок, работающих в режиме горизонтального транспорта (по всасывающей системе затопленного типа в отличие от напорных систем открытого типа, широко используемых в настоящее время).
Гидровихревая установка представляет собой специальную конструкцию грунтового насоса (рис. 2) со всасом значительной длины (работающего только в затопленном варианте) — от нескольких метров до нескольких десятков метров. Установка имеет цилиндрический корпус с заключенной в нем прямолопастной крыльчаткой крестообразной формы. Соосно с камерой к ее дну подсоединяется всасывающий пульповод, который в зависимости от глубины разработки собирается из отдельных секции, соединяемых между собой быстроразъёмными или фланцевыми соединениями. Поступающая в рабочую камеру пульпа перекачивается в выводной пульповод, присоединяемый к выводному патрубку камеры, и далее транспортируется до уровня водоема с перегрузкой ее в приемные сосуды или специальные емкости.
Крыльчатка, закрепленная на валу, получает вращение от двигателя. Вал и двигатель соединяются между собой посредством переходной муфты. Муфта располагается во фланцевом корпусе, а сам вал проходит через два подшипника. Специальная труба является несущим корпусом вала, жестко соединяющим двигатель и рабочую камеру. В процессе промышленных экспериментов испытывались установки при расположении их на понтоне и уголковых санях (при работе со льда через предварительно пробуренные отверстия), а также при подвеске их на стреле автокрана (рис. 3).
Поскольку гидровихревые установки несравненно легче, чем грунтовые насосы, а также могут обеспечивать высокое содержание твердого компонента в пульпе и работать в вертикальном, наклонном и горизонтальном положениях, представляется целесообразным использовать их в качестве основного добычного оборудования при разработке арктических шельфовых россыпей со льда.
В таблице приводится классификация существующих и разрабатываемых технологических методов подводной разработки рыхлых полезных ископаемых в зависимости от характеристики месторождения и группы полезных ископаемых. Поскольку мы рассматриваем случай работы со льда то наиболее приемлемым методом разработки является метод воронок, тем более что известные в настоящее время россыпи шельфа Арктики относятся к мощным (до 1.5 м — маломощные; от 1,5 до 5 м — средние; более 5 м — мощные).
В качестве примера приведем основные данные при рассмотрении варианта разработки одной из арктических россыпей касситерита с использованием гидровихревых установок. Мощность россыпи составляет 50 м, ширина в глубь моря (россыпь вытянута вдоль берега) 6000 м, максимальная глубина моря —30 м. При указанной мощности россыпи и угле воронки равном 30° объем горной массы, добываемой из одной воронки, т. е. с одной точки стояния гидровихревой установки (что особенно важно), составит 1 100 000 м3, или, приняв удельный вес равный 3 т/м3 —3 300 000 т. Такая производительность равна годовым объемам средней обогатительной фабрики. Иными словами, работа на одной точке стояния на одной воронке будет продолжаться в течение всего года. Передвижка добычного оборудования должна при этом производиться только один раз в год, т. е. в летний период, что является несомненным преимуществом предлагаемой технологии, принципиальная схема которой показана на рис. 4.
Поскольку ширина россыпи составляет 6000 м, а диаметр воронки, вернее, ее основания, при мощности россыпи 50 м равен 300 м, то очевидно, что разработка россыпи вглубь моря при стационарной обогатительной фабрике составит минимум 20 лет, без учета доработки россыпи на участках между отдельными воронками. При таком положении строительство береговых стационарных сооружений будет, безусловно, оправдано по экономическим соображениям.
Исходя из вышеизложенного, представляется целесообразным использовать гидровихревые установки при разведочно-эксплуатационной и промышленной разработке арктических россыпей в зимний период со льда с подледной транспортировкой пульпы на стационарные береговые обогатительные установки.
В качестве ближайшей и вполне реальной перспективы предлагается применить гидровихревые установки для доработки приплотиковой зоны дражных полигонов с размещением соответствующего оборудования в качестве вспомогательного на действующих драгах. Такой эксперимент в производственных условиях намерены совместно осуществить трест «Енисейзолото», Ленинградский горный институт и Сибцветметниипроект.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дж. Е. Дикине. Изготовление платформ из морского льда. В кн. «Лед и снег». «Мир». 1966.
2. Добренов В. Б. Гидрофизические методы разработки рыхлых полезных ископаемых дна акватории. «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых». Новосибирск, 1974, № 1.