УДК 622.526
Алиев Н.А., д.т.н., проф., Шулико В.П., президент Peacebulding and humanitarian assistance international foundation, Акопов С.Г., генеральный директор НПК «Инноватор-НС»
Приведены оценки запасов твердых полезных ископаемых на дне морей и океанов. Проведен анализ способов разработки месторождений полезных ископаемых и их подъёма. Показана возможность гидроподъёма многозвенной комбинированной системой компаунд-насосов, работающих по бустерной схеме.
Estimations of reserves of solid mineral deposits are provided. Analysis of methods of development of mineral deposits and of their lifting is conducted. Possibility of hydraulically lifting by multicell combined system of compound pumps, working on boost scheme is showed.
Разведанные запасы минерально-сырьевых ресурсов определяют экономическую, социально-политическую и оборонную мощь государств на текущий момент, а также составляют фундамент, определяющий пути развития и будущее человеческого социума.
На основе анализа, прогнозам аналитических центров и крупнейших в мире производителей минеральных энергоносителей - ГП «ЦДУ ТЭК», ЗАО «Инвестиционная компания «Тройка Диалог», World Coal Institute, Energy Information Administration (EIA), China Business News, BHP Billiton, Xstrata, Abglo Amtrikan мировые запасы топлива и минерального сырья ненадолго обеспечат растущие потребности человечества. При нынешнем уровне потребления подтвержденных запасов газа должно хватить на 67 лет, нефти - на 41 год, меди, никеля и олова – на 30-35, свинца и цинка – на 20-25, золота и серебра – на 15-20 лет, марганца, хрома, молибдена - на 25…30 лет. Только запасы каменного угля могут обеспечить потребности мировой экономики более чем на 200 лет, так как прогнозные ресурсы угля на Земле в настоящее время составляют более 14,8 трлн. тонн, а мировые промышленные запасы - свыше 1 трлн. тонн [1].
Вследствие этого единственным источником основных полезных ископаемых, являющихся неотъемлемой и необходимой составляющей развивающейся мировой экономики, безусловно, станут минерально-сырьевые ресурсы, залегающие на дне Мирового Океана.
Исследованиями, проведенными в конце прошлого столетия, в глубоководных месторождениях океана были обнаружены большие запасы так называемых железомарганцевых конкреций (ЖМК), содержащих, помимо железа и марганца, медь, цинк, кобальт, никель и другие металлы. При этом в ЖМК содержание и концентрация некоторых металлов в несколько раз превышает запасы месторождений суши. Только в ЖМК донных отложений Тихого океана запасы марганца прогнозируются в 2,41011 т, кобальта - 2,8109 т, никеля - 9,4109 т, меди - 5,3109 т. Обычно ЖМК распространенны на подводных поднятиях и встречаются во всех климатических зонах, в прибрежных, гемипелагических и пелагических обстановках на глубинах от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. В наибольшей степени они распространены в Тихом океане - на подводных горах Мид Пацифик и Магеллановых, в северной части экваториальной зоны, на склонах Гавайского хребта, на подводных горах в районе Маршалловых островов и архипелага Туамоту и в других районах.
В химическом составе рудных корок Тихого океана, изученных наиболее детально, доминируют марганец и железо, при средних содержаниях соответственно 22,5 и 15%. Наиболее ценный компонент - кобальт - концентрируется местами до 2,5%, при среднем содержании 0,68%. В некоторых районах, например на подводных склонах Гавайского хребта и островов Туамоту, в корках отмечалось повышенное содержание платины (до 4 г/т), серебра (до 3,7 г/т) и золота (до 0,169 г/т).
Согласно вышеизложенному, в ближайшей перспективе, как необходимость, требуется разработка рентабельных, высокопроизводительных технологических методов, а также оборудования для промышленной добычи и подъему в Мировом Океане металлов стратегического значения, большая часть которого сосредоточенна в международном районе морского дна.
В соответствии с нормами правового регулирования деятельности международного сообщества в Мировом океане, определенными положениями Конвенции ООН по Морскому Праву, принятой в апреле 1982 г. и вступившей в действие в ноябре 1994 г. всем государствам гарантирован равноправный доступ к их промышленному освоению.
Поэтому страны–заявители на разработку морского дна и международные консорциумы, с помощью Международного органа по морскому дну (МОМД) – ISA( International Seabed Authority) ООН (штаб-квартира в Джорджтауне, Ямайка) разделили участки в наиболее разведанной зоне Тихого океана — между Гавайскими островами (США) и Северо-Американским континентом — зоне разломов Кларион–Клиппертона, площадью 2 млн. км2. Единственная страна - Индия, в лице Государственного департамента развития морских ресурсов, получила участок в центральной части Индийского океана.
В число семи инвесторов, представляющих как отдельные страны, так и промышленные группы вошло государственное предприятие "Южморгеология" бывшего СССР, в настоящее время представленное Россией.
Украина, после обретения независимости, может претендовать на свою часть от данной площади, в рамках союзного наследства. Однако предпочтительнее, по экономическим соображениям, участие Украины в международном консорциуме, когда начнется проектирование общего для стран-участниц морского добычного комплекса.
Еще в 1983 году, в Украине (в составе СССР), с организацией специализированного института ВНИПИ Океанмаш (г. Днепропетровск), была начата разработка проекта по созданию такого комплекса с возможной реализацией его на производственной базе концерна «Ждановтяжмаш» (ныне ОАО «Азовмаш»). Основными разработчиками и изготовителями роботизированных систем управления подводными горнодобывающими комплексами были определены КБ «Южное» и «Южмаш» (Днепропетровск). Изготовителями плавсредств (по проекту ЦКБ «Восток» (Ленинград) должны были стать Черноморский и Херсонский судостроительные заводы. Первый полиметаллический сплав из руды со дна Тихого океана был получен в середине 80-х на Никопольском заводе ферросплавов. Важно отметить, что именно в Украине были сосредоточенны и располагались более половины предприятий, привлеченных к разработке первого в СССР морского горно-металлургического комплекса и освоению подводных ископаемых.
Организация добычи и переработки твердых полезных ископаемых (далее ТПИ) с морского дна связана с четырьмя этапами операций, осуществляемых комплексом машин и механизмов, размешенных на плавсредстве или основании, в водной среде. Первый этап представляет собою принятый способ воздействия, приводящий к отрыву или отделению ТПИ от массива месторождения. Второй этап – подъем и транспортировка ТПИ от грунтозаборного механизма до плавающего или стационарного средства (спецсудна, понтона, платформы) для подготовки его к первичному циклу переработки. Третий этап - первичная обработка ТПИ, заключающаяся в грохочение, сепарирование, промывке, флотации и т.д., поднятого с морского дна сырья. Четвертый этап-складирование, хранение, рефулирование или транспортировка специальными судами полученной массы до перерабатывающего наземного предприятия [2].
Первый технологический этап-цикл принято осуществлять гидравлическим, пневматическим или механическим, а в некоторых случаях их комплексным воздействием на массив месторождения.
При гидравлическом и пневматическом способе воздействия (в технологическом смысле) применяют грунтовые насосы или землесосы, гидромониторы, компрессорную технику в сочетании с породоразрущающими насадками, соплами, сифонами. При механическом способе применяют бульдозерные лопаты, шнеки, грейферы, ковши и т. п.
Работы второго этапа ведут с помощью грейферов, многоковшовых тросовых или цепных драг, шнековых и ленточных конвейеров, многосекционных высоконапорных насосов, эрлифтов, гидроэлеваторов на основе эжекторного принципа.
Третий этап осуществляется грохотами, гидроциклонами, виброситами или сепараторами.
На четвертом этапе необходимы хранилища, а также средства транспорта для переброски навалочных грузов - баржи, рудовозы, а в некоторых случаях трубопроводы - рефулеры.
Выбор тех или иных средств и способов добычи является многофакторной задачей, решение которой зависит от вариации многих компонентов, основным, доминирующим из которых является глубина моря.
Третья зона перспективная для добычи ЖМК и кобальт-марганцевых корок, нефти и газа, охватывает от 200 м до абиссальной области океанов, а это, как минимум (1000 – 2000) метров океанской толщи, с возможностью разработок до предельных глубин океана.
После испытаний и анализа различных систем доминирующим за рубежом стал трубопроводный способ подъема ТПИ. При этом, на основе технико-экономического исследования различных систем было получено одно из важнейших требований к единичному комплексу промышленной добычи ТПИ: эксплуатационная производительность комплекса должна быть не менее 1-1,5 млн.т. мокрых конкреций в год. Причем, для обеспечения названной производительности, с учетом данных о плотности залегания ТПИ на дне океана, добычной комплекс должен обеспечивать отработку площадей дна со скоростью 10-15 м2/с. при реально достижимых средних скоростях перемещения промышленного донного оборудования около 0,5 м/с и суммарной ширина органа сбора не менее 20-30 м.
Не менее сложным для выполнения, является требование о безаварийном перемещении и работе донного агрегата сбора ПМК при наличии неопознанных (необнаруженных) препятствий на дне океана в полосе сбора, а также условие высокой надежности промышленного комплекса. Коэффициент готовности комплекса для обеспечения названной эксплуатационной производительности должен быть не ниже 0.7, что при сравнительно невысоких реально достижимых показателях надежности сложного погружного оборудования фактически должно обеспечивать возможность относительно быстрого подъема погружного оборудования на плавсредство [3]. Несмотря на преимущество трубопроводной системы транспортирования ПМК на плавсредство, подъем ПМК по трубе традиционными способами (до 10% твердого в пульпе) при промышленной добыче приведет к резкому росту поперечного сечения и веса трубного става. Это, в свою очередь, приведет к повышенным энергозатратам на его буксирование, резко усложнит надводное оборудование, подводя его конструкцию к грани технических возможностей. Отсюда - требование о необходимости гидротранспортирования с повышенной (хотя бы в 4-6 раз) концентрацией твердого в пульпе.
Как показывает опыт, наиболее перспективным и технически осуществимым методом добычи ТПИ с морского дна на данном этапе является комплекс технических средств с использованием двухтрубной гидравлической системы подъёма на основе гибких свеч, с применением в качестве основного агрегата корпусно-секционных погружных насосов или турбогидронасосов.
Главная особенность гидравлического способа добычи - это непрерывность работы, обеспечивающая высокую производительность разработки на дне моря. При эксплуатации россыпей шельфа с использованием установок гидроподъёма может быть оптимально спланирована и организована работа всей производственной цепи: добыча-обогащение-отвалообразование.
В настоящей работе выполнен анализ возможных вариантов компоновки двухтрубной гидравлической системы подъёма с применением погружных корпусно-секционных насосов или турбонасосных агрегатов с их энергетической оценкой.
Одна из возможных схем организации системы подъёма ТПИ с использованием погружных электронасосных агрегатов может быть многозвенной (бустерной), когда нагнетание предыдущего агрегата осуществляется во всасывающий узел последующего. Другим вариантом работы гидравлической системы подъёма при морской добыче является выполнение погружного средства откачки с центробежными колёсами и двигателем с полым валом, несущим осевые лопатки. Прохождение гидросмеси через полый вал приводит к интенсивному охлаждению погружного электродвигателя, возможность создания многозвенной и непрерывной откачки ТПИ посредством одного трубопровода с больших глубин, малый осевой габарит агрегата, минимизацию динамической и термической нагруженности агрегата.
В настоящее время осуществлен метод использование гидравлической энергии посредством второго трубопровода, приводящего во вращение корпусно-секционный центробежный насос турбиной (гидромотором), установленных на общем валу [4]. При этом уплотняющий узел выполняется как пакер, с возможностью изоляции турбинного узла от насосной части агрегата. Недостатком решения является обязательная динамическая балансировка вращающихся деталей на рабочих оборотах, синфазная сборка проточной части насоса [5], большой износ щелевых уплотнений секций. Породозаборная система основана на гибких элементах на всасываюшем тракте, с вариацией динамической неуравновешенности ротора насоса, способствующих с заданной скоростью обрабатывать шахтное поле. Созданы специальные способы воздействия и упрочнения проточной части насоса для обеспечения его работы в пределах 20…25 тыс. часов без подъема. Собственно насосные узлы сформированы в виде звеньев, каждый из которых представляет собой комплекс-спарку насосного узла с турбинным, а подводы и отводы выполнены из гибких трубных свеч. Количество транспортирующих звеньев комплекса формируется от глубины добычи ТПИ, с возможностью подъема звеньев намоткой на барабан.
Полученная схема полностью соответствует вышеуказанным требованиям к добычному комплексу и требованиям ISA ООН по экологически чистой добыче ТПИ.