автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Формирование трасс шарнирного трубопровода положительной плавучести для гидроподъема полезных ископаемых при подводной добыче

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обоснование актуальности разработки комплексов для добычи полезных ископаемых морского дна

1.1. Состояние геологических исследований шельфовой зоны

1.2. Полезные ископаемые морского дна

1.3. Железомарганцевые конкреции

1.4. Современные технические средства для разработки подводных месторождений 22 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Принципиальная схема комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна

2.1. Условия работы подводных добычных комплексов

2.2. Схема предлагаемого комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна

2.3. Шарнирный трубопровод, используемый в рассматриваемом комплексе 46 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Разработка математической модели шарнирного трубопровода положительной плавучести

3.1. Ограничения математической модели

3.2. Математическая модель на основе уравнения цепной линии

3.3. Математическая модель трассы трубопровода, верхний конец которого близок к поверхности

3.4 Математическая модель с учетом ограничения взаимной подвижности звеньев трубопровода

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и обработка их результатов

4.1. Гидравлические сопротивления в гибком шарнирном трубопроводе

4.2. Аналитические исследования потерь напора в шарнире при изменении угла его поворота

4.3. Задачи экспериментальных исследований

4.4. Описание экспериментального стенда

4.5. Планирование эксперимента

4.6. Обработка экспериментальных данных

4.7. Анализ экспериментальных данных 92 Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. Методика расчета энергообеспечения добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна

5.1. Описание варианта энергоснабжения комплекса

5.2. Энергозатраты при добыче донных отложений

5.3. Определение потерь напора в гибком шарнирном трубопроводе

Сегодня все труднее становится удовлетворить возрастающий спрос на минеральное сырье только за счет разработки континентальных месторождений полезных ископаемых из-за их истощения, высоких затрат на разработку месторождений, залегающих в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах. Основная масса крупных материковых месторождений цветных металлов и радиоактивных элементов уже открыта, разведаны их запасы и многие из них разрабатываются [64]. Однако, мировой океан, который на протяжении тысячелетий рассматривался лишь как источник продуктов питания и среда для транспортных перевозок, на данном этапе развития науки и техники способен за счет своих ресурсов удовлетворить потребности промышленности в сырье на много лет вперед. Ведь уже в настоящее время более 30 стран мира ведут пробную или промышленную добычу полезных ископаемых с поверхности морского дна. В ряде стран эти работы ведутся не один десяток лет. Разработка подводных россыпей за рубежом дает до 100% циркония и рутила, около 70% ильменита и более 40% касситерита. По данным американских экономистов морские россыпи уже в 1968 г. дали сырья на 50 млн. долл. Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье за счет разработки подводных месторождений. Так, США почти полностью удовлетворяют потребность промышленности в цирконии за счет подводноР разработки пляжевых и шельфовых россыпей Северной Америки. Из этих ж< россыпей добывается до 50% ильменита.

С 1935 г. в США производится подводная разработка платины, причем с< дна моря добывают более 90% от общего количества. Содержание платины ! россыпях достигает Юг/м'. За год добывается 765 тыс. м"' платиноносны: песков. Глубина разработки около 30 м. На береговых россыпях Аляски боле 100 лет добывалось золото, при этом его было добыто на сотни миллионо долларов. К настоящему времени эти береговые россыпи истощены. Однак были открыты более богатые морские россыпи и некоторые из них давно разрабатываются. Так, с 1964 г. разрабатывается россыпь «Ном Чолд Кост» (содержание золота в россыпи 15 г/м3). Разрабатываются, также, россыпи золота в проливе Лени и в районе п-ова Сьюард [17].

Компании США добывают на шельфе огромное количество нерудных строительных материалов. Около 500 млн. т песка и гравия добыто в районе оз. Эри на глубине 15 м (себестоимость добычи 1 м"' не превысила 12 центов). У побережья штатов Луизиана, Вашингтон, в заливе Сан-Франциско в больших объемах добывается ракушечный песок в качестве сырья для цементной промышленности. Ведутся обширные работы по разработке морских россыпей в Австралии. Россыпи в большом количестве содержат циркон, рутил, ильменит, монацит. В некоторых россыпях содержание полезных компонентов достигает 70—90%, из них циркона 25—55, рутила 20—45, ильменита 18— 40%. Россыпи расположены на восточном побережье Австралии от Северного Квинсленда до о. Тасмания, на юго-западном побережье западной Австралии, вдоль прибрежной линии в Новом Южном Уэльсе и Южном Квинсленде. В 1965 г. в Австралии было добыто 930 тыс. т тяжелых минералов, при этом рутила — 90%, циркона — 75% мировой добычи [18].

Значительный интерес, по мнению многих исследователей, представляют месторождения железомарганцевых конкреций и рудоносные пески и илы. которые могут служить источником сырья для черной и цветной металлургии [15]. Особенно актуальна добыча ЖМК для нашей страны. В Советском Союзе общие запасы марганцевых руд составляли 2,6 млрд. т., в том числе запась Никопольского марганцевого бассейна (Украина)— 2,16 млрд. т. Эти рудь залегают в благоприятных горно-геологических и климатических условиях, 1 легко доступной и густо населенной местности. При ежегодном извлеченш около 13,2 млн. т марганцевых руд, в том числе 2/3 этого объема Никопольском бассейне, запасы руд обеспечивали высокий уровень добычи СССР на много лет, (даже с учетом экспорта). Возможно, это обстоятельств-объясняет имевшуюся низкую заинтересованность промышленности СССР, п сравнению с крупнейшими промышленными странами, в добыче морских железомарганцевых конкреций. Но если учесть, что после распада СССР большая часть месторождений цветных металлов оказалась за рубежом, на Украине, в Казахстане, Узбекистане, Туркмении, Таджикистане - добыча марганцевого сырья с поверхности морского дна, вероятно, является единственно возможным способом обеспечить страну собственными стратегическими ресурсами. Например, месторождения конкреций, обнаруженные специалистами «Севморгео» в балтийском, море имеют запасы ЖМК приблизительно 25-30 млн. т., что для условий материка соответствует месторождению средней рентабельности [79].

Несмотря на то, что на данный момент разработано большое количество комплексов для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна как отечественными, так и зарубежными специалистами, они не могут считаться приемлемыми, так как не в полной мере отвечают современным требованиям к надежности, не обладают достаточной производительностью, не могут работать при сложном рельефе дна, в неблагоприятных погодных условиях и не обеспечивают необходимые показатели экологичности.

Все вышеизложенное наглядно показывает, что разработка и создание комплексов по добыче полезных ископаемых с поверхности морского дна есть актуальная задача. Актуальность ее подтверждается Федеральной целевой программой «Мировой океан», одной из подпрограмм которой является «создание технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океанах (Указ президента РФ от 17 января 1997г. №11).

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ

1. Сведения, полученные в процессе определения потерь напора в шарнире при изменении угла его поворота, должны быть использованы для определения общих потерь напора в трубопроводе.

2. Полученная зависимость, ^характеризующая потери напора в шарнире в функции от угла его поворота позволяют уточнить результаты расчета потерь напора в шарнирном трубопроводе и энергозатрат при добыче твердых полезных ископаемых морским горнотехнологическим комплексом.

3. Разработана методика расчета потерь напора при гидротранспортировании полезных ископаемых по гибкому, шарнирно сочлененному трубопроводу, в зависимости от расстояния между добычной машиной и базовым судном.

4. Потери напора пульпы в шарнирах гибкого трубопровода составляю более 50% от линейных потерь напора, и изменяются в зависимости от расстояния между добычной машиной и базовым судном.

5. Максимально возможная величина изменения потерь напора пульпы в гибком шарнирном трубопроводе при предельном угле поворота соседних звеньев равном 15° составит более 31%.

6. Величина изменения потерь напора пульпы в гибком шарнирном трубопроводе при отработке подводного месторождения составляет примерно 13,9%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приведены разработанные автором теоретические и практические положения представляющие собой в комплексе решение важной научной задачи определения зависимости изменения трассы гибкого шарнирного трубопровода положительной плавучести в водной среде и потерь напора пульпы при ее транспортировании в процессе отработки подводного месторождения, что имеет существенное значение для развития подводной добычи и конструирования подводных добычных комплексов. Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем.

1. Комплекс для подводной добычи донных отложений имеющий в своем составе гибкий шарнирно сочлененный трубопровод положительной плавучести, отвечает требованиям маневренности и независимости от погодных условий, предъявляемым к средствам подводной добычи твердых полезных ископаемых.

2. Конфигурация гибкого, шарнирно сочлененного трубопровода положительной плавучести может быть описана на основе уравнения цепной линии при различных расстояниях между добычной машиной и базовым судном в пределах которых сохраняется взаимная подвижность звеньев.

3. Методика определения натяжения в точках крепления трубопровода к судну и добычной машине позволяет определить допустимые границы добычного поля в зависимости от глубины в районе добычи, длины трубопровода, и концентрации твердого в трубопроводе.

4. Расстояние между добычной машиной и верхней точкой крепления трубопровода при плавучести трубопровода не равной нулевой не должно превышать 0,9-0,95 от максимально возможного.

5. Получена формула, устанавливающая зависимость гидравлического сопротивления шарнира в функции угла его поворота в пределах от 0 до 30°.

6. Коэффициент сопротивления исследованного шарнира изменяется от 3 до 7,8 в пределах исследованных углов его поворота.

7. Разработана методика расчета потерь напора при гидротранспортировании полезных ископаемых по гибкому, шарнирно сочлененному трубопроводу, в зависимости от расстояния между добычной машиной и базовым судном.

8. Потери напора пульпы в шарнирах гибкого трубопровода составляю более 50% от линейных потерь напора, и изменяются в зависимости от расстояния между добычной машиной и базовым судном.

9. Максимально возможная величина изменения потерь напора пульпы в гибком шарнирном трубопроводе при предельном угле поворота соседних звеньев равном 15° составит более 31%.

10. Величина изменения потерь напора пульпы в гибком шарнирном трубопроводе при отработке подводного месторождения составляет примерно 13,9%.

1. Альтшуль Калицун В.И.

2. Асатур К.Г., Маховиков Б.С.

3. Астахов А.С. Литохимия осадков материковой окраины востока азии. Владивосток: Дальнаука, 2001

4. Безруков П.Л. Распределение ЖМК на дне Индийского океана, М: Океанология, №6, 1962.

5. Безруков П.Л. Исследования глубоководных осадков на геологических полигонах в Тихом и Индийском океанах.// Железомарганцевые конкреции Тихого океана. М: Наука, 1976

6. Богомолов А.И., Михайлов К.А.

8. Братчиков Н.В. Теория ошибок наблюдений. М Недра, 1983 Особенности ископаемого положительной гидротранспортирования в шарнирном Автореф. полезного трубопроводе канд. дисс. Гидравлика. М: СТРОЙИЗДАТ, 1972 Гидравлические сопротивления. М: Стройиздат, 1973 А.Д., Гидравлические сопротивления трубопроводов. М: Издательство литературы по строительству, 1

9. Гидромеханика. СПб: СПБГГИ(ТУ), 2001 плавучести. СПГГИ(ТУ), СПб.,2001. 10 Бреслав Л.Б. Технико-экономическое обоснование средств освоения мирового океана, -Л: Судостроение, 1982 11 Бриджмен П. 12 Бунич П.Г. Анализ размерностей. -.М: РХД, 2001 Экономика Мирового океана: Ресурсы их освоение, экология, право, -М: Недра, 1977 13 Бухарин Н. О точности аппроксимации гибкой нити конечномерно? моделью.// Проблемы гидромеханики в освоеник

11. Установка с самоходной Незаметдинов А.Б. тележкой для сбора конкреций в условиях дна мирового океана. Заявлено 4. 06. 1996, 96111339; Опубл. 27.05.98, Б.И.№ 15. 49 Маховиков Б.С, Шорников В.В. Расчёты механических характеристик прямоточных многоступенчатых гидротурбин// Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз. сб.-СПб., СЗПИ, 1999. Вып. 13.

12. Морская геология и проблемы минерального сырья. 68 Спрингис К.Я. М: Знание, 1971 Шагающие машины для освоения ресурсов морского 69 Тимофеев И.П. дна.-Л: ЛГИ, 1987 Технические средства для освоения мирового океана. 70 Токарев Б.Ф. М: МЭМ, 1978 Введение