Эксплуатация обводненных месторождений

                  РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ                    
Председатель       президент Ml 1 У,                   
Л.А. ПУЧКОВ        чл.-корр. РАН                       
Зам. председателя  директор                            
Л.Х. ГИТИС         Издательства Ml 1 У                 
   Члены редсовета академик РАЕН                       
     А.П. ДМИТРИЕВ академик РАЕН                       
     Б.А. КАРТОЗИЯ академик МАН ВШ                     
       А.В. КОРЧАК академик РАН                        
      М.В. КУРЛЕНЯ чл.-корр. РАН,                      
       В.Н. ОПАРИН директор ИГД СО РАН                 
В.И. ОСИПОВ        академик РАН                        
       В.Л. ПЕТРОВ академик МАН ВШ                     
        А.Д. РУБАН чл.-корр. РАН,                      
      Э.М. СОКОЛОВ зам. директора ИПКОН РАН            
    К.Н. ТРУБЕЦКОЙ академик МАЛ ВШ                     
     В.А. ЧАНТУРИЯ академик РАН                        
                   академик РАН                        
                РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ                   
            ПО ПРОБЛЕМАМ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ               
Председатель       д-р техн, наук, профессор           
И.М. ЯЛТАНЕЦ       Московского государственного        
Зам. председателя  горного университета,               
С.М. ШТИН          действительный член                 
Члены редколлегии: Международной академии              
Л.Х. ГИТИС         информатизации                      
В.П. ДОКУКИН       технический директор                
В.П. ДРОБАДЕНКО    ООО «НПО Гольфстрим»,               
Н.И. ЛЕВАНОВ       канд. техн, наук, действительный    
М.И. ЩАДОВ         член Академии транспорта            
                   директор Издательства               
                   Московского государственного        
                   горного университета                
                   д-р техн, наук, профессор           
                   Санкт-Петербургского                
                   государственного горного института  
                   (Технического университета)         
                   д-р техн, наук, профессор           
                   Российского государственного        
                   геологоразведочного университета,   
                   действительный член Академии        
                   горных наук                         
                   генеральный директор                
                   ЗАО «Уренгойгидромеханизация»,      
                   действительный член Академии        
                   транспорта                          
                   президент Международного горного    
                   конгресса, д-р техн, наук, профессор
                   Московского государственного        
                   горного университета,               
                   действительный член Академии        
                   горных наук                         

               В.А. ДЕМЕНТЬЕВ



            ЭКСПЛУАТАЦИЯ


           ОБВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

           Под редакцией д-ра техн, наук, профессора И.М. Ялтанца








          МОСКВА
                   ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
                   2010

УДК 622.271
ББК 33.22
     Д 30

      Книга соот вет ствует «Гиги ени ческим требо ваниям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным сани -тарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпи деми оло ги ческое заключение Федераль ной службы по надзору в сфере защи ты прав потреби телей и бла гополучия человека № 77.99.60.953. Д.014367.12.09
     Дементьев В.А.
Д 30 Эксплуатация обводненных месторождений/Под. ред. И.М. Ялтанца. — М.: издательство «Горная книга», 2010. — 204 с.: ил.
        ISBN 978-5-98672-237-5 (в пер.)
        Рассмотрены вопросы, связанные с эффективным использованием плавучих землесосных снарядов, которые оснащены пневматическими камерными насосами (ПКН) при разработке несвязных горных пород. Приведены конструктивные особенности земснарядов с ПКН, а также принципы работы ПКН. Описаны основные технологические процессы производства горных работ при выемке иловых и других отложений на больших глубинах. Даны сведения о последних разработках грунтозаборных устройств, направленных на значительное уменьшение замутнения в зоне забоя для предотвращения распространения взвешенных частиц породы в водной среде. Изложен опыт использования земснарядов с ПКН во многих странах мира, в том числе в Латвии.
        Рассмотрена взаимосвязь между плотностью разрабатываемой породы, глубиной разработки и глубиной погружения камер ПКН.
        Дана сравнительная оценка экономической эффективности эксплуатации обводненного месторождения с использованием земснарядов с грунтовыми насосами и с пневматическим камерным насосом.
        Для инженерно-технического персонала, работающего в области гидромеханизации горных и строительных работ. Может быть полезна аспирантам и студентам горных и строительных высших учебных заведений.




ISBN 978-5-98672-237-5

УДК 622.271
ББК 33.22

                              © В. А. Дементьев, 2010
                              © Издательство «Горная книга», 2010
                              © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2010

9    983

72237

ПРЕДИСЛОВИЕ
    Землесосные снаряды с применением пневматических камерных насосов (ПКН) являются высокоэффективными средствами гидромеханизированной добычи несвязных полезных ископаемых и очистки водоемов от техногенных отложений.
    В таких странах, как Италия, Япония, США, Корея, Китай эти земснаряды широко используются при добыче нерудных строительных материалов (песок и песчано-гравийные смеси) и очистке водоемов от илистых отложений.
    Данная книга является первой попыткой некоторого обобщения и анализа опыта гидромеханизации с применением ПКН.
    В ней содержатся ценные сведения по истории вопроса, рассматриваются проблемы освоения обводненных сапропелевых месторождений и месторождений строительных горных пород, уделяется внимание необходимости изыскания и внедрения новых технологических и технических решений, способствующих экономически выгодному производству гидромеханизированных работ.
    Особое место в настоящем издании занимают разработки, посвященные проблеме охраны окружающей среды, что в значительной степени определяет перспективу развития предприятия, использующего указанные типы земснарядов.
    Приведены также результаты научных исследований автора.
    Данная книга доступна для понимания не только специалистам, но и широкому кругу читателей. Она является необходимой и своевременной для инженерно-технического персонала предприятия, может быть также рекомендована в качестве дополнительной литературы для студентов горных и строительных вузов.
    Представляя настоящую книгу, надеюсь на продолжение творческой деятельности автора — исследователя, известного среди специалистов, связанных с гидромеханизированными работами.
          Пред се да тель редак ци онной коллегии по про блемам гидромеха низа ции Изда тель ства МГГУ, предсе да тель оргкомитета Съез дов гидромеха низа торов России, д-р техн. наук, про фес сор МГГУ И.М. Ял та нец

ВВЕДЕНИЕ
    Важность совершенствования гидромеханизированных работ диктуется тремя основными факторами: постоянно растущим объемом добычи полезных ископаемых со дна морей и закрытых водоемов и эксплуатации гидротехнических сооружений, экономической эффективностью процесса добычи и восстановительных работ, и требованиями экологии.
    Первому фактору способствуют:
    —     растущие потребности металлургической промышленно-стив сырье, требующей освоения, как новых морских месторождений, так и хвостохранилищ действующих обогатительных предприятий;
    —     истощение береговых месторождений минерального сырья для промышленности строительных материалов и растущие темпы строительства, требующего все больших объемов добычи гравия, песка, глины;
    —     строительство новых и эксплуатация старых морских и речных портов, требующих регулярного производства дноуглубительных работ по очистке акватории, подходных каналов и фарватеров рек от илистых морских и речных отложений;
    —     безопасная эксплуатация плотин гидроэлектростанций, требующая регулярных мер по очистке плотинных водохранилищ (как правило, с питьевой водой) от илистых отложений рек;
    —     истощение сельскохозяйственных земель и растущая потребность в восстановлении угодий с использованием органно-минеральных илов.
    Все больший интерес представляет добыча полезных ископаемых с больших глубин со дна морей мирового океана, поскольку известно [1] что в сравнении с недрами материков там хранится в 5000 раз больше кобальта, в 1500 раз больше никеля и в 150 раз больше медной руды. При этом наибольший интерес представляют россыпи или россыпные руды, и рудоносные илы [1].
    В акваториях устьев рек залегают россыпные руды с высоким содержанием тяжелых металлов. В Африке минералы выносят в море такие крупные реки, как Нил, Оранжевая, Нигер и

6

Замбези. Уже сейчас экономически выгодно вести разработку этих месторождений, так как ученые обнаружили на площади 800км² пески с содержанием тяжелых минералов выше 3 %. Этого достаточно для рентабельной выплавки металла из руды. Пески юго-восточной части Берингова моря содержат местами до 67 % минералов, относящихся к группе тяжелых металлов [1].
    Тяжелые металлы концентрируются не только в прибрежных водах, но и там, где проявляют активность подводные вулканы. Например, в зоне разлома Красного моря обнаружены большие запасы железа, марганца, цинка и меди в форме рудоносных илов. В отличие от рудных россыпей прибрежных вод металлосодержащие осадки Красного моря лежат на глубинах от 1000 мдо почти 3000 м, что требует решения вопросов эффективной технологии их добычи.
    Все выше перечисленные факты привели к бурному росту и использованию средств гидромеханизации как на малых, так и на больших глубинах. Однако, не смотря на большие различия как по физико-механическим свойствам пород (от гравия до глины), так и по горно-геологическим факторам, добывающие земснаряды в основном используют для обеспечения грунтоза-бора механические или гидравлические рыхлители, уменьшая при этом естественную консистенцию разрабатываемой породы, что не позволяет реализовать идею экономичности гидротранспорта — возможности мощной концентрации грузопотоков при значительных объемах транспортируемых пород. Качественный показатель гидротранспортирования, объемное соотношение между твердой и жидкой фазами (Т:Ж), колеблется в больших пределах (1:5 — 1:18) [5], что приводит к высокому удельному расходу воды и высокой энергоемкости процесса, и снижает тем самым производительность всего добывающего комплекса.
    В этой связи, в данной работе рассматриваются вопросы, связанные с эффективным использованием земснарядов, оснащенных пневматическими камерными насосами (ПКН) при разработке несвязных горных пород. ПКН позволяют без предварительного рыхления извлекать из подводной залежи и пода

7

вать на поверхность высоко насыщенную гидросмесь (соотношение Т:Ж в гидросмеси 1:1 — 1:3), что подтверждено их успешной эксплуатацией в ряде стран, включая Японию, Италию, Америку, Канаду и др.
    При добыче полезных ископаемых, таких как песок, песчано-гравийные смеси, сапропель, диатомиты, алмазы, железомарганцевые конкреции и др. в обводненных месторождениях, возникает вопрос выбора наиболее эффективного варианта технологии, выбора соответствующего оборудования.
    С технологической точки зрения Заказчики, как правило, прибегают к использованию известных стандартных вариантов земснарядов, оснащенных центробежными грунтовыми насосами, предлагаемых каждым заводом гидротехники. При этом упускается из виду или не принимается во внимание ряд особенностей, характерных для условий добычи того или иного полезного ископаемого, что в конечном счете приводит к большим простоям и потерям. Например, при гидромеханизированной добыче строительных материалов (песок, гравий) необходимо учитывать в залежи наличие крупных включений (камней, булыжников и прочего) и возможность грунтового насоса работать в таких условиях. При добыче, например, кварцевого песка, необходимо первостепенное значение уделить износостойкости грунтового насоса.
    Покупая стандартный земснаряд Заказчик, как правило, руководствуется одним принципом: как можно больше сэкономить средств на покупке земснаряда. На первый взгляд такой подход кажется оправданным: при наименьших начальных инвестициях начать добычу и получить дивиденды в первые месяцы работы. Но при более глубоком экономическом анализе, учитывающем временные изменения условий добычи (глубины разработки, дальности рефулирования, превышения точки выгрузки над уровнем воды) и технологические возможности покупаемого земснаряда, становится очевидным приобретение земснаряда, имеющим болеевысокий коэффициент эффективности по глубине разработки, напору и дальности рефулирова8

ния гидросмеси, плотности подаваемой гидросмеси, показателю мутности в зоне забоя.
    Последнему показателю (мутность в зоне забоя) Заказчики, как правило, вообще не уделяют должного внимания. При этом необходимо особенно подчеркнуть, что экологические требования, предъявляемые современными нормами, оказывают все большее влияние и на технологию и рентабельность производства. Не соблюдение норм экологии приводит к серьезному дисбалансу, а порой, катастрофическим последствиям в водоеме и на прилегающих береговых территориях, и как следствие, остановке производства и уплате больших штрафов.
    Существует большое количество технологий разработки несвязных пород c использованием землесосных снарядов. Землесосные снаряды эффективно используются при разработке как малых, таки больших объемов добычи. Производительность земснарядов в общем случае определяется диаметром напорного патрубка насоса, и классифицируется как: маленькая (диаметр 10—36 см), средняя (41—56 см) и большая (61—91 см). Разрабатываемая порода обычно транспортируется в земляные карты намыва по трубопроводу с весовой концентрацией твердого в пределах 10—20 %. Концентрация гидросмеси зависит от скорости всасывания, физических характеристик разрабатываемой породы, и контроля за эффективностью разработки. Формирование гидросмеси в забое происходит с помощью породозаборного устройства (ПЗУ), включающего рыхлитель (если требуется) и всасывающее устройство. Рыхлители как обычные, так и специальные должны обеспечивать рыхление породы и равномерную подачу её к всасывающему устройству с минимальными гидравлическими потерями. Рыхление породы может производиться как с помощью механических рыхлителей, так и с помощью высоконапорных струй размыва (гидравлическое рыхление). ПЗУ и всасывающий трубопровод должны обеспечивать необходимые расчетные скорости для формирования и подачи гидросмеси заданной концентрации к насосу с минимальными входными и местными гидравлическими потерями.

9

    Производительность ПЗУ должна соответствовать производительности грунтового насоса с тем, чтобы обеспечить поступление необходимого объема гидросмеси с заданной концентрацией для его устойчивой работы. Насос должен передавать достаточное количество энергии гидросмеси для поддержания ее расчетной скорости, предотвращающей осаждение частиц грунта в процессе транспортирования гидросмеси по трубопроводу. Правильно разработанные и управляемые ПЗУ, всасывающий трубопровод, насос и напорный трубопровод могут минимизировать образование мутности в забое, значительно снизить эксплуатационные затраты и вероятность повреждения насоса.
    Технологическая цепочка землесосных снарядов состоит из четырех основных компонентов:
    —     ПЗУ, часть снаряда которая непосредственно погружается в разрабатываемую породу;
    —     соединяющее или поддерживающее ПЗУ устройство (рама, стрела, тросовая подвеска, гидравлические руки и т.д.);
    —     грунтовой насос, погружной или палубный, обеспечивающий всасывание гидросмеси от ПЗУ и транспортирование ее по напорному трубопроводу;
    —     напорный трубопровод для транспортирования гидросмеси от насоса до места складирования или выгрузки в трюме, транспортном средстве или на берегу.
    При разработке любого проекта в стадии ТЭО все большее внимание уделяется охране окружающей среды и защите здоровья человека. Перечень факторов, оказывающих влияние на выбор и развитие технологии разработки горных пород можно представить в виде представленной таблицы.
    Эти требования оказали существенное влияние на технологию породоизвлечения, что привело, в первую очередь, к тенденции совершенствования грунтозаборных устройств земснарядов. Кроме важных изобретений, типа систем автоматизации земснаряда, погружных насосов и всевозможных устройств для увеличения глубины грунтозабора, разработчики всегда пытались улучшить как существующие конструкции добывающих

10