Эксплуатация обводненных месторождений

УДК 622.271
ББК 33.22
Д 30

Книга соот вет ству ет «Гиги ени че ским тре бо ва ниям  к изда ниям кни жным  для
взро слых» Сан ПиН 1.2.1253–03, утвер жден ным Глав ным госу дар ствен ным сани тар ным вра чом Рос сии 30  марта 2003  г. ( ОСТ 29.124–94). Сани тар ноэ пи де ми о ло ги че ское заклю че ние Феде раль ной служ бы  по над зо ру  в  сфере защи ты
прав потре би те лей  и бла го по лу чия чело ве ка № 77.99.60.953. Д.014367.12.09

Дементьев В.А.
Эксплуатация обводненных месторождений/Под. ред. И.М.
Ялтанца. – М.: изда тель ство «Гор ная  книга», 2010. – 204  с.:  ил. 
ISBN 9785986722375 (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.

Д 30

ISBN 9785986722375
УДК 622.271
ББК 33.22

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

Земле со сные сна ря ды  с при ме не ни ем пнев ма ти че ских
камер ных насо сов ( ПКН) явля ют ся высо ко эф фек тив ны ми сред ства ми гидро ме ха ни зи ро ван ной добы чи несвяз ных полез ных
иско па е мых  и очист ки водо е мов  от тех но ген ных отло же ний.
В  таких стра нах,  как Ита лия, Япо ния,  США,  Корея,  Китай
эти зем сна ря ды широ ко исполь зу ют ся  при добы че неруд ных
стро и тель ных мате ри а лов ( песок  и песча ногра вий ные  смеси)  и
очист ке водо е мов  от или стых отло же ний.
Дан ная  книга явля ет ся пер вой попыт кой неко то ро го обоб ще ния  и ана ли за  опыта гидро ме ха ни за ции   с при ме не ни ем  ПКН.
В  ней содер жат ся цен ные све де ния по исто рии вопроса, рас сма три ва ют ся про бле мы осво ения обвод нен ных сапро пе ле вых
место рож де ний  и место рож де ний стро и тель ных гор ных  пород,
уде ля ет ся вни ма ние  необхо ди мости изы ска ния  и вне дре ния  новых
тех но ло ги че ских  и тех ни че ских реше ний, спо соб ствую щих эко но ми че ски выгод но му про из вод ству гидро ме ха ни зи ро ван ных  работ.
Осо бое  место  в настоя щем изда нии зани ма ют раз ра бот ки,
посвя щен ные про бле ме охра ны окру жа ю щей  среды,  что  в зна чи тель ной сте пе ни опре де ля ет перс пек ти ву разви тия пред при я тия,
исполь зу ющего ука зан ные  типы зем сна ря дов.
Приведены также резуль та ты науч ных иссле до ва ний авто ра.
Дан ная  книга доступ на  для пони ма ния  не толь ко спе циа ли стам,  но  и широ ко му  кругу чита те лей.  Она явля ет ся необхо ди мой  и сво е вре мен ной  для инже нер нотех ни че ско го пер со на ла
пред при я тия, может  быть  также  реко мен до ва на  в каче стве
допол ни тель ной лите ра ту ры  для сту ден тов гор ных  и стро и тель ных  вузов.
Пред ста вляя настоя щую  книгу, наде юсь  на про дол же ние
твор че ской дея тель но сти авто ра – иссле до ва те ля,  извест но го
среди специалистов, связанных с гидро ме ха ни зи ро ван ными
работами.
Пред се да тель редак ци он ной кол ле гии  по про бле мам 
гидро ме ха ни за ции Изда тель ства  МГГУ, пред се да тель
орг ко ми те та Съез дов гидро ме ха ни за то ров Рос сии,
д-р техн. наук, про фес сор  МГГУ
И.М. Ял та нец

ВВЕДЕНИЕ

Важ ность совер шен ство ва ния гидро ме ха ни зи ро ван ных
работ дик ту ет ся  тремя основ ны ми фак то ра ми: постоян но расту щим объе мом добы чи полез ных иско па е мых  со  дна  морей  и зак ры тых водо е мов  и эксплу а та ции гидро тех ни че ских соору же ний,
эко но ми че ской эффек тив но стью про цес са добы чи  и вос ста но ви тель ных  работ,  и тре бо ва ния ми эко ло гии.
Пер во му фак то ру спо соб ству ют:
– расту щие потреб но сти метал лур ги че ской про мы шлен но сти  в  сырье, тре бую щей осво ения,  как  новых мор ских место рож де ний,  так  и  хво сто хра ни лищ дей ствую щих обо га ти тель ных
пред прия тий;
– исто ще ние бере го вых место рож де ний мине раль но го
сырья  для про мы шлен но сти стро и тель ных мате ри а лов  и расту щие  темпы стро и тель ства, тре бую ще го  все боль ших объе мов
добы чи гра вия,  песка,  глины;
– стро и тель ство  новых  и эксплу а та ция ста рых мор ских  и
реч ных пор тов, тре бую щих регу ляр но го про из вод ства дноу глу би тель ных  работ  по очист ке аква то рии, под ход ных кана лов  и
фар ва те ров  рек  от или стых мор ских  и реч ных отло же ний;
– безо пас ная эксплу а та ция пло тин гидро элек тро стан ций,
тре бую щая регу ляр ных  мер  по очист ке  пло тин ных водо хра ни лищ ( как пра ви ло,  с питье вой  водой)  от или стых отло же ний  рек;
– исто ще ние сель ско хо зяй ствен ных  земель  и расту щая
потреб ность  в вос ста но вле нии уго дий   с исполь зо ва ни ем орган номи не раль ных  илов.
Все боль ший инте рес пред ста вля ет добы ча полез ных иско па е мых  с боль ших глу бин  со  дна  морей миро во го оке а на, посколь ку
извест но [1]  что  в срав не нии  с недра ми мате ри ков  там хра нит ся  в
5000  раз боль ше кобаль та,  в 1500  раз боль ше нике ля  и  в 150  раз
боль ше мед ной  руды.  При  этом наи боль ший инте рес пред ста вля ют  рос сы пи  или рос сы пные  руды,  и рудо нос ные  илы [1]. 
В аква то риях  устьев  рек  зале га ют рос сы пные  руды  с высо ким содер жа ни ем тяже лых метал лов.  В Афри ке мине ра лы выно сят  в  море  такие кру пные  реки,  как  Нил, Оран же вая,  Нигер  и

Зам бе зи.  Уже сей час эко но ми че ски выгод но  вести раз ра бот ку
этих место рож де ний,  так  как уче ные обнару жи ли  на пло ща ди
800 км2 пески  с содер жа ни ем тяже лых мине ра лов  выше 3 %.
Этого доста точ но  для рен та бель ной выплав ки метал ла  из  руды.
Пески юговос точ ной  части Берин го ва  моря содер жат места ми
до 67 % мине ра лов, отно ся щих ся  к груп пе тяже лых метал лов [1].
Тяже лые метал лы кон цен три ру ют ся  не толь ко  в  при бреж ных  водах,  но  и  там,  где про явля ют актив ность под вод ные вул ка ны. Напри мер,  в  зоне раз ло ма Крас но го  моря обна ру же ны боль шие запа сы желе за, мар ган ца,  цинка  и  меди  в  форме рудо нос ных
илов.  В отли чие  от руд ных рос сы пей при бреж ных  вод метал ло со дер жа щие осад ки Крас но го  моря   лежат  на глу би нах   от 1000 м  до
почти 3000 м,  что тре бу ет реше ния вопро сов эффек тив ной тех но ло гии  их добы чи.
Все  выше пере чи слен ные  факты при ве ли   к бур но му   росту  и
исполь зо ва нию  средств гидро ме ха ни за ции  как  на  малых,  так  и
на боль ших глу би нах. Одна ко,  не смо тря  на боль шие раз ли чия
как  по физи коме ха ни че ским свой ствам   пород ( от гра вия  до
глины),  так  и  по гор ногео ло ги че ским фак то рам, добы ваю щие
зем сна ря ды  в основ ном исполь зу ют  для обес пе че ния грун то за бо ра меха ни че ские  или гидра вли че ские рых ли те ли, уме нь шая
при  этом есте ствен ную кон си стен цию раз ра ба ты вае мой поро ды,
что  не позво ля ет реа ли зо вать  идею эко но мич но сти гидро транс пор та – воз мож но сти мощ ной кон цен тра ции гру зо по то ков  при
зна чи тель ных объе мах транс пор ти ру е мых  пород. Каче ствен ный
пока за тель гидро транс пор ти ро ва ния, объе мное соот но ше ние
между твер дой  и жид кой фаза ми ( Т:Ж), коле блет ся  в боль ших
пре де лах (1:5 – 1:18) [5],  что при во дит  к высо ко му удель но му
рас хо ду  воды  и высо кой энер го ем ко сти про цес са,  и сни жа ет  тем
самым про из во ди тель ность  всего добы ваю ще го ком плек са.
В  этой  связи,  в дан ной рабо те рас сма три ва ют ся вопро сы,
свя зан ные  с эффек тив ным исполь зо ва ни ем зем сна ря дов, осна щен ных пнев ма ти че ски ми камер ны ми насо са ми ( ПКН)  при
раз ра бот ке несвяз ных гор ных  пород.  ПКН позво ля ют  без пред ва ри тель но го рых ле ния извле кать  из под вод ной зал ежи  и пода 

вать  на поверх ность высо ко насы щен ную гидрос месь (соот но ше ние  Т:Ж  в гидрос ме си 1:1 – 1:3),  что под твер жде но  их успеш ной эксплу а та ци ей  в  ряде  стран, вклю чая Япо нию, Ита лию,
Аме ри ку, Кана ду  и  др.
При добы че полез ных иско па е мых,  таких  как  песок, песча ногра вий ные  смеси, сапро пель, диа то ми ты, алма зы, желе зо мар ган це вые кон кре ции  и  др.  в обвод нен ных место рож де ниях,
воз ни ка ет  вопрос выбо ра наи бо лее эффек тив но го вари ан та тех но ло гии, выбо ра соот вет ствую ще го обо ру до ва ния.
С тех но ло ги че ской  точки зре ния Заказ чи ки,  как пра ви ло,
при бе га ют  к исполь зо ва нию извест ных стан дарт ных вари ан тов
зем сна ря дов, осна щен ных цен тро беж ны ми грун то вы ми насо са ми, пред ла га емых каж дым заво дом гидро тех ни ки.  При  этом упу ска ет ся  из  виду  или  не при ни ма ет ся  во вни ма ние  ряд осо бен но стей, харак тер ных  для усло вий добы чи  того  или  иного полез но го
иско па е мо го,  что  в конеч ном  счете при во дит  к боль шим про сто ям  и поте рям. Напри мер,  при гидро ме ха ни зи ро ван ной добы че
стро и тель ных мате ри а лов ( песок, гра вий) необхо ди мо учи ты вать
в зал ежи нали чие кру пных вклю че ний (кам ней,  булыж ни ков  и
про че го)  и воз мож ность грун то во го насо са рабо тать  в  таких усло виях.  При добы че, напри мер, квар це во го  песка, необхо ди мо
пер во сте пен ное зна че ние уде лить изно со стой ко сти грун то во го
насо са.
Поку пая стан дарт ный зем сна ряд Заказ чик,  как пра ви ло,
руко вод ству ет ся  одним прин ци пом:  как  можно боль ше сэко но мить  средств  на покуп ке зем сна ря да.  На пер вый  взгляд  такой
под ход кажет ся опра вдан ным:  при наи ме нь ших началь ных
инве сти циях  начать добы чу  и полу чить диви ден ды  в пер вые
меся цы рабо ты.  Но  при  более глу бо ком эко но ми че ском ана ли зе,
учи ты ваю щем вре мен ные изме не ния усло вий добы чи (глу би ны
раз ра бот ки, даль но сти рефу ли ро ва ния, пре вы ше ния  точки
выгруз ки  над уров нем  воды)  и тех но ло ги че ские воз мож но сти
поку па е мо го зем сна ря да, ста но вит ся оче вид ным прио бре те ние
зем сна ря да, имею щим боле е вы со кий коэф фи ци ент эффек тив но сти  по глу би не раз ра бот ки, напо ру  и даль но сти рефу ли ро ва 

ния гидрос ме си,  плот но сти пода вае мой гидрос ме си, пока за те лю
мут но сти  в  зоне  забоя.
Послед не му пока за те лю (мут ность  в  зоне  забоя) Заказ чи ки,
как пра ви ло, вооб ще  не уде ля ют дол жно го вни ма ния.  При  этом
необхо ди мо осо бен но под чер кнуть,  что эко ло ги че ские тре бо ва ния, предъя вляе мые совре мен ны ми нор ма ми, ока зы ва ют  все
боль шее влия ние  и  на тех но ло гию  и рен та бель ность про из вод ства.  Не соблю де ние  норм эко ло гии при во дит  к серьез но му дис ба лан су,  а  порой, ката стро фи че ским послед ствиям  в водо е ме  и
на при ле гаю щих бере го вых тер ри то риях,  и  как след ствие, оста нов ке про из вод ства  и упла те боль ших штра фов.
Суще ству ет боль шое коли че ство тех но ло гий раз ра бот ки
несвяз ных  пород  c  исполь зо ва ни ем земле со сных сна ря дов.
Земле со сные сна ря ды эффек тив но исполь зу ют ся  при раз ра бот ке
как  малых,  так  и боль ших объе мов добы чи. Про из во ди тель ность
зем сна ря дов  в  общем слу чае опре де ля ет ся диа ме тром напор но го
патруб ка насо са,  и  клас си фи ци ру ет ся  как: малень кая (диа метр
10–36  см), сред няя (41–56  см)  и боль шая (61–91  см).  Раз ра ба ты вае мая поро да обыч но транс пор ти ру ет ся  в земля ные  карты
намы ва  по тру бо про во ду  с весо вой кон цен тра ци ей твер до го  в
пре де лах 10–20 %. Кон цен тра ция гидрос ме си зави сит  от ско ро сти вса сы ва ния, физи че ских харак те ри стик раз ра ба ты вае мой
поро ды,  и кон тро ля  за эффек тив но стью раз ра бот ки. Фор ми ро ва ние гидрос ме си  в  забое про ис хо дит  с помо щью поро до за бор но го устрой ства ( ПЗУ), вклю ча юще го рых ли тель ( если тре бу ет ся)  и вса сы ваю щее устрой ство.  Рых ли те ли  как обыч ные,  так  и
спе циаль ные дол жны обес пе чи вать рых ле ние поро ды  и рав но мер ную пода чу  её  к вса сы ваю ще му устрой ству  с мини маль ны ми
гидра вли че ски ми поте ря ми. Рых ле ние поро ды  может про из во дить ся  как  с помо щью меха ни че ских рых ли те лей,  так  и  с помо щью высо ко на пор ных  струй раз мы ва (гидра вли че ское рых ле ние).  ПЗУ  и вса сы ваю щий тру бо про вод дол жны обес пе чи вать
необхо ди мые рас чет ные ско ро сти  для фор ми ро ва ния  и пода чи
гидрос ме си задан ной кон цен тра ции  к насо су  с мини маль ны ми
вход ны ми  и мест ны ми гидра вли че ски ми поте ря ми.

Про из во ди тель ность  ПЗУ дол жна соот вет ство вать про из во ди тель но сти грун то во го насо са  с  тем,  чтобы обес пе чить посту пле ние необхо ди мо го объе ма гидрос ме си   с задан ной кон цен тра ци ей  для  его устой чи вой рабо ты.  Насос дол жен пере да вать доста точ ное коли че ство энер гии гидрос ме си  для под дер жа ния  ее рас чет ной ско ро сти, пре дот вра щаю щей осаж де ние  частиц грун та  в
про цес се транс пор ти ро ва ния гидрос ме си  по тру бо про во ду. Пра виль но раз ра бо тан ные  и упра вляе мые  ПЗУ, вса сы ваю щий тру бо про вод,  насос  и напор ный тру бо про вод  могут мини ми зи ро вать
обра зо ва ние мут но сти  в  забое, зна чи тель но сни зить эксплу а та цион ные зат ра ты  и веро ят ность пов реж де ния насо са.
Тех но ло ги че ская цепоч ка земле со сных сна ря дов состо ит  из
четы рех основ ных ком по нен тов:
–  ПЗУ,  часть сна ря да кото рая непо сред ствен но погру жа ет ся
в раз ра ба ты ва емую поро ду;
– сое ди няю щее  или под дер жи ваю щее  ПЗУ устрой ство 
(рама, стре ла, тро со вая под ве ска, гидра вли че ские  руки  и  т.д.);
– грун то вой  насос, погруж ной  или палуб ный, обес пе чи ваю щий вса сы ва ние гидрос ме си  от  ПЗУ  и транс пор ти ро ва ние  ее  по
напор но му тру бо про во ду;
– напор ный тру бо про вод  для транс пор ти ро ва ния гидрос ме си  от насо са  до  места скла ди ро ва ния  или выгруз ки  в  трюме,
транс порт ном сред стве  или  на бере гу.
При  раз ра бот ке любо го про ек та  в ста дии  ТЭО  все боль шее
вни ма ние уде ля ет ся охра не  окру жа ю щей  среды  и защи те здо ро вья чело ве ка.  Пере чень фак то ров, ока зы ваю щих  влия ние  на
выбор  и разви тие тех но ло гии раз ра бот ки гор ных  пород  можно
пред ста вить  в  виде представленной табли цы.
Эти тре бо ва ния  ока за ли суще ствен ное влия ние  на тех но ло гию поро до из вле че ния,  что при ве ло,  в пер вую оче редь,  к тен ден ции совер шен ство ва ния грун то за бор ных  устройств  зем сна ря дов.  Кроме важ ных изо бре те ний,  типа   систем авто ма ти за ции
зем сна ря да, погруж ных насо сов   и все воз мож ных  устройств  для
уве ли че ния глу би ны грун то за бо ра, раз ра бот чи ки всег да пыта лись улуч шить  как суще ствую щие кон струк ции  добы ваю щих