Среднее содержание наиболее важных элементов в горных породах

(в граммах на 1 т породы) (по А.П. Виноградову)

(min содержание в разрабаты-ваемой руде)	Магматические породы (66% граниты+33% базальт)	Железо-марган-цевые конкренции	Океанические осадки глубоко- известко- водные вые илы красные глины	Наземные осадочные породы   глины пески карбонат- ные
Железо (Fe) (160.000 г)
Алюминий (Al)
Кальций (Ca)
Барий (Ba)
Фтор (F)
Бор (B)
Фосфор (P)
Титан
Ванадий (V) (1000 г)
Хром (Cr) (210000 г) (300000 г)
Марганец (Mn)						»1
Кобальт (Co) (200 г)						0,3	0,1
Никель (Ni) (3200 г)
Медь (Cu) (5100 г)						»1
Цинк (Zn) (20000 г)
Свинец (Pb) (1000 г)
Ниобий (Nb) (200 г)				4,6		»0,1	0,3
Молибден (Mo) (150 г)	1,1			0,03	2,6	0,2	0,4
Вольфрам (W) (300 г)	1,3			0,1	1,8	1,6	0,6
Серебро (Ag) (8 г)	0,07	0,09	0,11	0,01	0,007	0,01	0,01
Олово (Sn) (3000 г)	2,5		1,5	0,1		0,1	0,1
Продолжение табл...
Сурьма (Sb)					1,4	0,01
Золото (Au) (0,009 г)	0,0043	0,002	»0,001	»0,001	»0,001	»0,001	0,001
Ртуть (Hg) (10 г )	0,083	0,02	»0,1	»0,01	0,4	0,03	0,04
Кадмий (Cd)	0,13		0,3
Магний (Mg)					3,7
Уран (U) (170 г)	2,5		1,3			0,45
Сера (S)
Хлор (Cl)
Углерод (C)
Занимаемая площадь на поверхности (млн. км²)
Общие запасы в земной коре (трил. т)

Источник: Справочник по геохимии. М., Недра, 1990 г., с. 87-88; с. 92-94.

В условиях САС такой экскаватор должен представлять собой роботизированное самоходное устройство, оснащенное системой технического зрения, бортовой ЭВМ и системой кабельного (или радио) связи с САС. Доставка добытого грунта на борт САС может быть осуществлена либо с помощью транспортной системы, либо челночными рейсами самого добывающего устройства. Транспортировать грунт могут: 1) транспортеры (ленточные и т.д), 2) передвижная подвесная канатная дорога, 3) трубопровод для доставки грунта в виде пульпы (при гидравлическом способе добычи), транспортные машины. При небольшом (в несколько десятков метров) плече доставки грунта до САС (при глубокой выемке грунта в небольших по площади карьерах) удобна система из ленточных транспортеров - высокопроизводительная, надежная, легко автоматизируемая. Но с ростом расстояния значительно возрастают габариты, масса транспортеров, усложняются задачи по автоматизированному их перемещению, ремонту (например, заменен транспортной ленты и т.д.), обслуживанию (очистке и т.д.). Так, например, транспортер КЛС-400 с шириной ленты 400 мм, длиной 23 м и производительностью до 15-80 м³/час имеет массу 506 кг или 22 кг/м длины, стоимость - 309 руб. или 13,4 руб./м длины. 8 Поэтому при расстоянии в несколько сот метров и более километра при поверхностной добыче грунта на больших площадях (например, разработка торфяников в качестве энергосырьевой базы и т.д.) бóльшие преимущества у канатной системы транспорта, как менее материалоемкой, более простой в обслуживании и гибкой. Канатные транспортные системы значительно уступают ленточным транспортерам по производительности, но при небольших объемах добычи грунта (наиболее вероятных для САС) этот недостаток не имеет решающего значения.

Для снятия грунта удобно процесс добычи совместить с транспортировкой грунта в одной операции при помощи подвижной канатной скреперной установки, подобной тем, которые широко применялись в начале XX в. на строительстве различных объектов.

Роботизированные варианты канатно-скреперной установки для САС мог бы иметь следующее оформление. Лебедка и разгрузочно-приемное устройство размещается неподвижно на борту САС, а хвостовая часть в виде стойки (высотой несколько метров) с направляющим роликом и перекинутыми через него канатами размещается на малогабаритном самоходном роботизированном устройстве на колесном или гусеничном ходу (в зависимости от условий проходимости), оснащенном средствами ориентации или проводным управлением с борта САС. Для увеличения опрокидывающего момента самоходное хвостовое устройство должно быть оснащено выдвижными опорами или другими устройствами крепления на грунте (балласт, анкеры и т.д.). Привод наиболее удобен электрический с питанием по проводу, натянутому между САС и хвостовым устройством (натяжное устройство размещается на борту САС). С началом функционирования хвостовое устройство отъезжает от САС, одновременно тянет за собой перекинутый через ролик стойки канат скрепера и провод электропитания. Отъехав на необходимое расстояние, хвостовое устройство закрепляется с помощью выдвижных опор или другим способом. Затем с борта САС натягивается энергопровод и скреперный канат, после чего начинается разработка грунта. Скрепер заполняется грунтом и подтягивается на борт САС; освободившись, возвращается назад. После отработки данного участка грунта, по команде с борта САС хвостовое устройство поднимает опоры и перемещается на соседний участок и т.д., последовательно проходя по краю все поле разработки. Закончив его, хвостовое устройство отодвигается еще дальше от САС, образуя новое поле разработки; цикл начинается снова. Замена изношенной части канатов может осуществляться автоматически, путем подсоединения секции нового каната к старому и протаскивания с помощью последнего через направляющие ролики.

При значительных расстояниях разработки грунта (от километра и более) предпочтительнее использовать самоходное транспортирующее средство. Чтобы не усложнять технологию необходимостью автоматизированного поиска и взаимодействия транспортного и добывающего средства, они должны быть размещены на одном самоходном шассии (как современный скрепер и т.д.). Для САС наиболее приемлемым вариантом будет размещение сменного добывающего и транспортирующего (самосвального) оборудования на универсальном средстве, которое может выполнять и другие операции. Например, разведку окружающей местности, транспортировку отдельных блоков и узлов сооружаемой дочерней САС и т.д.

Технология разработки скальных грунтов в основном построена на буровзрывном методе и включает в себя следующие основные операции: 1) бурение шпуров или скважин (бурильными станками или переносными перфораторами) , 2) закладка в шпуры и скважины взрывчатки с детонаторами, 3) взрывание, 4) дробление особо крупных кусков (негабаритов) тем же буровзрывным методом, 5) погрузка и транспортировка раздробленной породы. Для бурения шпуров небольшого диаметра (до 50 мм) и глубиной (до 5 м) применяют переносные пневматические перфораторы ударно-вращательного действия с твердосплавными долотами и производительностью 25-70 м шпуров/ в смену (например, перфоратор ПП-63В для шпуров диаметром 40-46 мм и длиной 5м, мощностью 2,2 кВт, энергией удара 63 Дж, частотой ударов - 30 в секунду, с поршнем диаметром 75 мм и ходом 71 мм, расходом воздуха - 3,8 м³/мин, массой 33 кг).9 На 1 т добытой породы требуется сделать 0,04-0,02 м шпуров. Для механизации вспомогательных операций перфораторы устанавливаются на буровые каретки или специальные манипуляторы на передвижных тележках. В качестве взрывчатки наиболее широко (85% от общего объема) применяется смесь аммиачной селитры с дизельным топливом (игданит, гранулит и т.д.), для детонаторов - смесь азида свинца с тетрилом, тэном и т.д. Удельный расход взрывчатки для дробления 1 м³ гранита, базальта, габбро составляет 0,5-0,85 кг.10 Закладка гранулированной взрывчатки механизирована с помощью зарядных машин, подающих пневматически через шланг в шпур гранулы взрывчатки. Подрыв зарядов - с помощью огнепроводного шнура, детонирующего шнура или электропроводное (воспламенение нагревом нихромовой проволочки, искрой и т.д.). Погрузка раздробленной породы ведется: 1) экскаваторами, 2) ковшовыми погрузчиками, 3) погрузчиками непрерывного действия, 4) скреперными установками, 5) погрузочно-транспортными машинами. Иногда применяют буропогрузочные машины, выполняющие бурение шпуров и погрузку взорванной горной породы. Примером последних является серийно выпускавшаяся машина 1ПНБ2Б (производительностью 2,2 м³/мин., скоростью бурения шпуров - 110 см; скоростью перемещения - 10 м/мин., мощностью 31 кВт, массой 10 т, стоимостью - 17,4 тыс. руб. в ценах начала 80-х годов).11

Для выполнения буровзрывательных работ на САС требуется разработка роботизированной самоходной тележки, оснащенной бурильной кареткой с перфоратором и обслуживающим манипулятором. Последний необходим для замены затупившегося твердосплавного долота (средняя стойкость 1 крестовой бурильной коронки диметром 56-75 мм в крепких рудах - 3-6 м проходки.12 Удельный расход твердого сплава (карбида вольфрама с кобальтом) на бурение 1 м шпура при коэффициенте крепости пород f=14÷20 и диаметре шпуров 40-50 мм колеблется в пределах 4-20 г)13 . С помощью бортовых средств ориентации установка бурит сетку шпуров с программируемым шагом. Первые подобные установки уже созданы. Например, во Франции фирма «Монтабер» разработала и применила на железорудных шахтах буровую каретку с манипулятором «Бюпек», оснащенную электронной системой управления. До начала бурения шпуров каретку устанавливают вдоль оси выработки. Оператор нажимает кнопку «Пуск» , и каретка начинает автоматически обуривание забоя по заданной сетке скважин. Один шпур диаметров 42 мм и глубиной 3,2 м установка бурит за 30 сек. Глубина бурения контролируется с точностью до 0,5 см.14 Для САС целесообразно совместить в одной установке и по времени процесс бурения и зарядки шпуров. Это облегчит автоматизацию операций и сэкономит оборудование. В этом случае на бурильной тележке размещается запас взрывчатки и детонаторов. После завершения бурения очередного шпура, обслуживающий манипулятор заряжает его через шланг пневмоподачи гранулированной взрывчаткой и присыпает сверху породой. После этого начинается бурение следующего шпура. В практике буровзрывательных работ всегда предусматривается раздельное заряжение всей пробуренной сетки шпуров (из-за техники безопасности и т.д.). Но в порядке исключения инструкция разрешает после взрыва бурение шпуров рядом (отступя 0,3 м и более) с не взорвавшимся шпуром для подрыва содержащейся в нем взрывчатки, что дает в принципе основание для применения этой совместной технологии в автоматизированном производстве. После завершения работ по бурению и заряжению шпуров буровзрывное самоходное устройство отъезжает на безопасное расстояние, одновременно отматывая пучок проводов, соединенных с детонаторами, и производит взрыв. Частота сетки и диаметр шпуров должны быть подобраны таким образом, чтобы исключить выход негабаритов (обычно он составляет 5-6% от массы взорванной породы). Это потребует дополнительного объема бурения и взрывчатки, но зато позволит исключить трудно автоматизируемую операцию.

Для погрузки и транспортировки к САС взорванной породы может быть использовано роботизированное транспортное средство, предназначенное для перевозки блоков дочерней САС. Для этого оно должно быть оснащено сменным одноковшовым или непрерывного типа погрузочным устройством и съемным кузовом. Движение транспортного средства до карьера и обратно маршрутизируется по проложенному кабелю. Движение в карьере осуществляется с помощью системы технического зрения и чувствительных щупов. Порода доставляется транспортным средством к борту САС и сгружается в бункер самосвальным способом.

При небольших объемах добываемой горной породы будет целесообразно весь комплекс добывающих машин разместить на данном роботизированном транспортном средстве, включая установку бурения шпуров, манипулятор, систему зарядки и подрыва шпуров, погрузочное устройство и кузов.

Разработка морских осадков может осуществляться: 1) многочерпаковыми драгами, 2) драгой с грейферным ковшом, 3) тралением ковшом-волокушей, 4) гидравлическим или эрлифтным драгированием с помощью всасывающей трубы с насосом (или нагнетающим воздух компрессором), 4) с помощью специального подводного робота, передвигающегося по дну. Первый способ осуществим только на небольших глубинах шельфовой зоны (максимальная глубина в 50 м достигнута драгой «Банка-II» на разработке оловянных россыпей в Индонезии)15 , последний способ - требует дорогостоящих технических средств, малооправданных для внедрения на САС (за исключением особых случаев, например, сбора рассеянных железо-марганцевых конкреций для САС с якорной системой удержания и т.д.).

Для сбора глубоководных осадков (в первую очередь, железо-марганцевых конкренций) наиболее перспективными, по мнению специалистов, являются ковшовое траление, гидравлическое и эрлифтное драгирование. Эти способы в опытном порядке опробованы на добыче железо-марганцеввых конкренций (фирмой «Дипси венчурес инкорпорейшен» (США) в 1970-72 г.г. с помощью эрлифтной драги с глубины 800 м добыто 60 тыс. т конкренций); гидравлическая драга была опробована в 1974 г. объединением «Океан Майнинг Прожект».16

Системы глубоководного гидравлического и эрлифтного драгирования - высокопроизводительны, легко автоматизируемы, но крупногабаритны и их применение оправдано только при очень больших объемах добычи. Так, например, по расчетам Дж.Меро, установка гидравлического драгирования с трубой диаметром 0,5 м способна поднять с глубины 3500 м - 2,44 млн. т осадков, в т.ч. 1,22 млн. т конкренций (при скорости движения пульпы по трубопроводу - 5 м/сек, отношении жидкое/твердое в пульпе по весу - 10:1, доли конкренций в твердой части пульпы - 50%, уровне простоев установки - 36% всего времени). Но при этом общая масса драгирующей системы составит 2500 т, в т.ч. трубопровода (длиной 3,5 тыс. м, диаметром 0,5 м, с толщиной стенок - 25 мм) - 1125 т, основного поплавка (длиной ок.90 м, диметром 2,1 м, с толщиной стенок - 76 мм) - 1050 т, насоса (диаметром 0,5м) - 25 т, двигателя (мощностью 8000 л.с.) - 30 т, стабилизирующего поплавка (длиной ок.11м, диаметром 2,1 м, толщиной стенок50 мм) - 10 т, различных устройств и агрегатов - 100 т. Капитальные затраты на оборудование равняются 5,9 млн. дол., в т.ч. стоимость комплекта дражного оборудования (трубопровода, поплавков, насоса, двигателя) - 1,6 млн. дол.17 Для больших глубин масса и стоимость установки соответственно будет еще выше. Например, для 7000 м - стоимость составит 7,5 млн. дол., а мощность насоса 15560 л.с.17 Масса системы зависит также от диаметра трубопровода, минимальные размеры которого лимитируются величиной всасываемых конкренций и других компонентов сырья и поэтому не могут быть произвольно уменьшены. Таким образом, объективно присущая системе высокая материалоемкость делает вероятным ее использование только на очень крупных плавучих САС.

В отличии от гидравлического драгирования, ковшовое траление менее производительно (из-за потерь времени на спуск ковша и т.д.) и несколько сложнее для автоматизации, но зато воспроизводимо в меньшем диапазоне мощностей и габаритов. В частности, по расчетам Дж. Меро установка, поднимающая с глубины 3500 м 252 т конкненций /сутки (75,6 тыс. т/год при 300 рабочих днях в году) должна иметь ковш емкостью 13 т (размером 7,1х4,3х1,1 м, вес пустого ковша - 3 т), трос диаметром 1,25 дюйма или 32 мм (весом 6,3 кг/погонный м), лебедку мощностью 1308 л.с., обеспечивающую подъем ковша с грузом со скоростью - 267 м/мин (скорость спуска - 180 м/мин). При этом продолжительность 1 цикла (спуск, сбор конкренций и подъем ковша) составляет 47,6 мин, а скорость протаскивания ковша по дну - 1 м/сек (3,6 км/час).17 Вес такой установки (по нашей оценке) составляет ок. 80 т, или 1 кг/т добычи в год, в т.ч. пустого ковша - 3 т, каната (при удельной массе 6 кг/м и длине 3500 м) - 22 т, лебедки (рассчитанной на статическую нагрузку в 18,7 т) - 55 т (прототип Л-59, тяговое усл. 12.5 т, вес 4,2 т, мощность 75 кВт).18 При добыче сырья с глубины в 7000 м производительность такой установки снизится до 45 тыс. т (за счет удлинения продолжительности одного цикла до 80 мин.), а масса возрастет до 102 т или 2,3 кг/т сырья в год (за счет увеличения массы каната на 22 т).

При использовании установок ковшового траления для сбора не только железо-марганцевых конкренций, но и других донных осадков, в т.ч. мелкодисперсионных (красных глин и др.),конструкция ковша должна быть изменена, чтобы не допустить вымывания мелких частиц при подъеме. Для этого необходим ковш со сплошными стенками и дном, имеющий крышу, закрывающуюся перед началом подъема ковша.

Обязательным условием ковшового траления является перемещение установки (по водной поверхности) с определенной скоростью (Дж. Меро рекомендует скорость 3,6 км/час). Поэтому этот способ может быть реализован только на самоходных и дрейфующих САС (по опыту дрейфующих станций скорость свободного дрейфа САС может быть оценена в 0,2 км/час, что в 18 раз меньше рекомендуемой скорости траления).

На неподвижных САС (с якорной системой удержания) и малоподвижных САС (с динамической системой удержания и т.д.) может быть применена вместо системы ковшового траления драга с грейферным ковшом. Основные узлы и технико-экономические параметры такой драги в основном аналогичны установке ковшового траления. Разница лишь в замене ковша-волокуши грейферным ковшом, осуществляющим при касании дна самозахват грунта. В настоящее время в промышленности грейферные драги работают до глубин моря в 75 м, а на океанологических суднах с помощью дночерпателей грейферного типа берут пробы грунта с глубины 6000 м и более (например, в 1961 г. на «Витязе»). Драга с грейферным ковшом эффективна только при разработке достаточно мощных донных осадков (красных глин, илов и т.д.). Для сбора же рассеянных формирований железо-марганцевых конкренций она малопригодна из-за малой площади захвата ковша и длительного цикла подъема-спуска.

Основные параметры грейферной драги будут, видимо, близки показателям ковшовой драги.

Кроме перечисленных способов добычи донных осадков разрабатываются и опробываются новые перспективные. По предложению японского инженера Масуды создана опытная глубоководная многочерпаковая драга с пропиленовым канатом, образующим петлю, нижний конец которой касается дна океана, а верхний перебирается на движущемся судне. Добычные ковши крепятся с помощью коротких тросов (длиной 25-50 м) к канату и движутся вместе с ним, обеспечивая непрерывный процесс сбора конкренций и т.д. В 1972 г. установка была опробована на глубине 4700 м. Согласно оценкам, такая система производительностью 2-3 млн. т конкренций в год будет стоить 10 млн. руб. (без стоимости судна) или 5-3,3 руб./т в год . Несмотря на высокую эффективность применение этой системы в условиях САС маловероятно, т.к. для ее размещения нужны два отстоящих друг от на некотором расстоянии судна (для исключения перекручивания каната), высокие скорости движения и т.д.

 

Таблица№10