автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование характеристик движения донного агрегата комплекса для разработки конкреций Балтийского моря

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор и анализ минеральных ресурсов морского дна и технических средств для их освоения

1.1. Полезные ископаемые морского дна

1.1.1. Морфология конкреций

1.1.2. Физические свойства конкреций

1.1.3. Химический состав конкреций

1.1.4. Скорость роста

1.1.5. Распространение конкреций

1.2. Технические средства для добычи полезных ископаемых морского дна

1.2.1. Технически средства освс^йия Мирового океана

1.3. Принципиальная схема добычного комплекса и технология добычи железомарганцевых конкреций Балтийского моря Заключение

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Теория движения донного агрегата при взаимодействии его с гибким тяговым элементом

2.1. Постановка задачи

2.2. Модель взаимодействия гибкого тягового элемента и донного агрегата

2.3. Компьютерное моделирование процесса движения донного агрегата при взаимодействии с гибким тяговым элементом

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования горизонтальной составляющей силы натяжения гибкого тягового элемента

3.1. Актуальность эксперимента

3.2. Задачи экспериментальных исследований

3.3. Описание экспериментального стенда

3.4. Порядок проведения эксперимента

3.5. Обработка результатов эксперимента

3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований горизонтальной составляющей тягового усилия

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования характера движения донного агрегата при взаимодействии его с гибким тяговым элементом

4.1. Актуальность и задачи эксперимента

4.2. Экспериментальный стенд

4.3. Работа экспериментального стенда

4.4. Методика проведения экспериментальных исследований

4.5. Результаты анализа экспериментальных исследований

4.6. Компьютерная обработка результатов Выводы по четвертой главе

В 60-е годы началось широкое изучение полезных ископаемых морского дна, и в частности, железомарганцевых конкреций (ЖМК), как геологических образований, а также технических средств для их добычи и технологий извлечения полезного продукта.

В наши дни проблема комплексного освоения Мирового океана вызывает огромный интерес, как в нашей стране, так и за рубежом. Основной причиной поиска новых минеральных ресурсов являются возрастающие потребности человечества и частично высокие темпы роста народонаселения земного шара, а также тем, что промышленность расходует все больше и больше сырья в расчете на душу населения. Подсчитано, что мировой расход сырья ежегодно возрастает в среднем на 4,8 %, причём в большей степени цветных и, в особенности, редких металлов. Рост ожидаемого потребления некоторых металлов представлен в таблице 1 [71].

Таблица 1

Динамика потребления металлов промышленностью стран мира (млн. т)

Металл 1970 1985 2000

Страны мира Страны мира Страны мира

Железо 300,00 600,0 800,0

Медь 4,00 8,0 12,0

Алюминий 5,00 10,0 20,0

Никель 0,30 0,6 0,8

Хром 1,00 1,9 2,4

Кобальт 0,15 0,2 0,3

Добыча твёрдых полезных ископаемых морского дна пока незначительна, она оценивается во всём мире в 500 млн. долл. в год и составляет 2 % от 6 стоимости руд, добываемых на суше. Между тем добыча имеет ряд преимуществ перед существующими способами добычи на суше:

Во-первых, она не требует вскрышных работ, строительства отвалов, подъездных путей, а также исключает буровзрывные работы и нередко обеспечивает экономию на разведочных работах.

Во-вторых, для полезных ископаемых морского дна характерно продолжающееся накопление и воспроизводство при добыче.

В-третьих, более высокая концентрация полезного ископаемого в морских месторождениях по сравнению с континентальными снижает его себестоимость.

В-четвертых, практически полное отсутствие или недостаточное количество полезных ископаемых на материковой части некоторых стран имеют значительные запасы на шельфовой зоне, примыкающей к границе этих стран.

Вопрос экономической эффективности процесса добычи и переработки морских конкреций актуален [7, 9, 48, 49, 56, 80]. Установлено, что при достаточно большом объёме переработки (5 тыс. т/сут) добыча будет экономически оправданной, причём первоначальные затраты могут окупиться за пять лет. Только за счёт переработки 30 % разведанных залежей конкреций, предполагая, что для промышленного освоения будет пригоден только 1% от общих запасов конкреций, можно будет получить порядка 150 млн. т никеля, 150 млн. т меди и 30 млн. т кобальта, что при современном потреблении обеспечит мировую потребность в никеле на 230, меди на 17 и кобальта на 1200 лет.

До последнего времени океан рассматривался как глобальная транспортная сеть и как поставщик продуктов питания. Хотя эти аспекты использования океана отнюдь не потеряли своего значения и сегодня, возник ещё один - использование богатств, скрытых как в самой воде, так и под водяной толщей, и, возможно этот аспект станет в перспективе самым важным. 7

Как следует из зарубежных литературных источников [14, 17, 29, 30, 45, 58, 63], опытно - промышленная добыча конкреций началась в восьмидесятые годы. Изучение и промышленное освоение ресурсов морского дна невозможно без технических средств и в первую очередь подводного горного оборудования. Важная роль среди подводных горных машин отводится донным агрегатам, несущим на себе добычные и геологоразведочные рабочие органы в виде всасывающих наконечников, рыхлителей, ковшей, скреперов, драгирующих устройств, подборщиков, отвалов, грунтовых насосов, эрлифтных головок, зондов, крыльчаток, штампов и т. д.

После 1970 г. проблема добычи конкреций заинтересовала многие фирмы США, Японии, ФРГ, Франции, Великобритании, Канады, Австралии и др. Уже сейчас крупнейшие компании этих стран вкладывают огромные средства в разработку совершенно новых технологий и добычных машин для освоения месторождений твердых полезных ископаемых морского дна. Первые удачные эксперименты дали обнадеживающие результаты. Но, несмотря на все это, возникли новые вопросы, относящиеся к технологии добычи нового вида руды, её способам транспортировки, обогащению, металлургическому переделу, так как горнодобывающая и металлургическая промышленность впервые в многовековой практике встретилась с многометальной рудой.

Цель работы. Установление закономерностей изменения скорости движения донного агрегата под действием гибкого тягового элемента при неустановившемся режиме для обоснованного выбора параметров комплекса, что повышает эффективность процесса добычи за счет обеспечения равномерного движения донного агрегата.

Задачи исследований. Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать принципиальную схему комплекса оборудования для добычи конкреций на месторождениях Балтийского моря. 8

2. Разработать математическую модель движения донного агрегата под действием гибкого тягового элемента с целью получения зависимостей между параметрами, влияющими на равномерность его движения.

3. Провести компьютерное моделирование с целью установления закономерности движения донного агрегата в зависимости от силовых и кинематических параметров для заданных условий с использованием стандартных тяговых цепей.

4. Провести экспериментальные исследования на стенде, моделирующем в статике взаимодействие донного агрегата и гибкого тягового элемента, для определения зависимости горизонтальной составляющей тягового усилия гибкого элемента от его линейной массы и удаления донного агрегата от плавсредства.

5. Провести экспериментальные исследования по установлению закономерностей движения донного агрегата при не установившемся режиме. 9

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Для добычи железомарганцевых конкреций в Балтийском море предложена и обоснована принципиальная схема комплекса и технология ведения работ на основе взаимодействия донного агрегата и гибкого тягового элемента.

2. Разработана математическая модель и предложена методика обработки данных с использованием пакета компьютерных программ «МАТНСАО», позволяющие проводить детальный анализ влияния тягового усилия гибкого элемента и суммарных сил сопротивления на характер изменения скорости движения донного агрегата, который описывается дифференциальным уравнением с неразделяемыми переменными.

3. Установлено, что при буксировании донного агрегата с массой Мд = 1200 кг и его удалении от плавсредства до 80 м рациональнее применять цепь с линейной массой q = 0,75 кг/м. При этом в начальный момент времени наблюдается резкое возрастание скорости (до 3 м/с) движения донного агрегата, а затем происходит ее снижение и стабилизация до 0,9 м/с.

4. Определены области рационального выбора массы донных агрегатов для геологоразведочных (500 кг) и добычных работ (1200 кг), для которых линейная масса гибкого тягового элемента составляет соответственно 1,8 кг/м и 0,75 кг/м при удалении донного агрегата от плавсредства до 80 м .

5. Экспериментально установлено, что закон изменения горизонтальной составляющей Т силы натяжения при удалении донного агрегата от плавсредства описывается квадратичной параболой с постоянными коэффициентами в зависимости от линейной массы гибкого тягового элемента.

6. Найденная эмпирическая зависимость Т - /(ц, Ь0) пригодна для практического применения в диапазоне стандартных цепей с диаметром прутка звена от 6 до 19 мм.

103

7. Результаты моделирования имеют хорошую сходимость с данными экспериментальных исследований движения донного агрегата при его взаимодействии с гибким тяговым элементом, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.

104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В глубоководной добыче твердых полезных ископаемых наметился переход от разработки перспективных идей, испытаний конструкций и технологий к опытно - промышленным испытаниям добычных комплексов, включающих плавсредства технологического обеспечения, установки для подъема добытых полезных ископаемых на поверхность и сбора их на морском дне. В настоящее время около 30 стран мира осуществляют пробную или промышленную добычу полезных ископаемых в различных частях Мирового океана. Получены положительные результаты по крупномасштабной металлургической переработке проб конкреций с извлечением из них ценных металлов-примесей: никеля, кобальта, меди и др. Доказана экономическая целесообразность применения всего комплекса технических средств для этих целей - от сбора, подъема, транспорта и переработки до получения товарных продуктов [15, 41, 68, 73, 80].

Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье путем разработки подводных месторождений.

Так, США почти полностью удовлетворяют потребность промышленности в цирконе за счет подводной разработки россыпей пляжа и шельфа Северной Америки. Из этих же россыпей добывается до 50% ильменита, используемых промышленностью страны. С 1935 г. в США производится подводная разработка платины, причем со дна моря добывают более 90% ее общего количества. Содержание платины в россыпях достигает

3 Я

10 г/м . За год добывается 765 тыс. м3 платиноносных песков. Глубина разработки около 30 м.

На береговых россыпях Аляски более 100 лет добывалось золото, при этом его было добыто на сотни миллионов долларов. К настоящему времени эти береговые россыпи истощены. Однако были открыты более богатые морские россыпи и некоторые из них давно разрабатываются. Так, с 1964 г.

44 разрабатывается россыпь «Ном Чолд Кост» (содержание золота в россыпи 15 г/м1). Разрабатываются также россыпи золота в проливе Лени и в районе полуострова Сьюард.

Компании США добывают алмазы из подводных россыпей у берегов Африки. Алмазоносные россыпи тянутся вдоль побережья от устья реки Оранжевой до горы Людериц. Кроме того, россыпи обнаружены в бухте Чамай и у острова Плюм-Пуд-динг. Разработка ведется на глубинах от 12 до 300 м. Содержание алмазов в россыпи достигает 5-14 карат на 1 т гравия, что в среднем более чем в пять раз превышает их содержание в береговых россыпях. За 1963—1964 гг. было добыто около 1,5 млн. карат ювелирных алмазов стоимостью более 45 млн. долл.

В США готовятся к разработке подводных россыпей титано-магнетитов в районе Никок-Спит и Грей-Харбор вдоль южного побережья штата Вашингтон и в устье реки Бич - Крик штата Орегон.

Компании США добывают с шельфа огромное количество нерудных строительных материалов. Около 500 млн. т песка и гравия добыто в районе озера Эри на глубине 15 м (себестоимость добычи 1 м' не превышает 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 острова 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.

45

Индонезия в течение многих лет добывает олово из водных россыпей. Содержание касситерита в россыпях составляет от 0,081 до 9,4 кг/т. Только в 1967 г. Индонезия добыла 14340 т олова, причем 40% этого объема было добыто со дна акватории.

Аналогичные россыпи разрабатываются у берегов Таиланда. Разработка ведется на глубине 27—40 м; содержание касситерита 200—400 г/м\ Кроме касситерита, россыпи содержат вольфрамит, ильменит и монацит.

В последние годы начали разрабатываться оловоносные россыпи вдоль берега Индийского океана, между Таиландом и Бирмой. Для разработки богатых оловоносных россыпей в районе островов Самуй и Панган в 1965 г. создана компания «Таиланд Смелтинг энд Реорайнинг».

На еще одно государство этого же района— Малайзию приходится до 30% мировой добычи олова. Но береговые россыпи истощаются, и Малайзия также приступает к разработке морских россыпей. Начаты разработки оловоносных россыпей в районе полуостровов Малакки и Диндинги на месторождении Бетри (штат Перак).

В Индии богатые ильменито-циркониевые россыпи разрабатывают с 1909 г. в юго-западной части полуострова Индостан (россыпи Траванкура). В 1969 г. доля Индии в мировом производстве ильменита (без СССР) составила 25%. Россыпи содержат 49—80% ильменита, 8—20% циркона и до 10% монацита.

Япония, обладающая незначительными железорудными ресурсами, интенсифицировала освоение подводных месторождений железоносных песков. Так, из россыпи Токийского залива у острова Хонсю в течение 1961 - 1965 гг. было добыто 6,1 млн. т железной руды. В больших объемах ведется разработка титано-магнетитовых песков на дне залива Ариаке. В настоящее время ежегодно из этого месторождения добывается 30 тыс. т титано-магнетитовых песков, из которых выплавляется 47000 т чугуна. Хвосты

46 месторождения Ариаке используются для укрепления берегов, что снижает стоимость разработки.

В Великобритании в настоящее время большое количество строительного материала добывается в проливе Ла-Манш. Только в 1968 г. добыча конгломератов со дна моря в Великобритании составила 106 млн. г. В районе полуострова Корнуэлл открыта первая в Европе касситеритовая подводная россыпь, которая расположена на глубине 20—30 м. В настоящее время ведется опытная добыча при производительности 17,5 тыс. м3 касситеритовых песков в год.

Исландия широко использует добываемый со дна моря ракушечный песок для производства портландцемента. Песок добывают в заливе Фокса, в 16 км от берега, на глубине 41 м. Производительность добычи 573 м3/ч при стоимости 1 м3 песка 40 центов.

В бассейне Балтийского моря, у г. Росток, имеются россыпи тяжелых минералов, которые с 1957 г. разрабатывались предприятием «Остзее-Ирорфе» (ГДР).

В СССР с 1945 г. отрабатывалось Урекское месторождение титано-магнетитовых песков на пляже Черного моря между реками Супсе и Натанети (Грузия) (содержание железа в песках 5—7%). Полученный концентрат с содержанием железа 43—47% использовался в качестве утяжелителя буровых растворов. Большое количество золотоносных россыпей разрабатывалось и разрабатывается на дне сибирских рек. Создан, флот землесосных снарядов, производящих углубочные и очистные работы в реках и озерах. Объем грунта, поднимаемого со дна водоемов, превышает 200 млн. м" в год. Разрабатывается месторождение строительных песков «Одесская банка» в 15 км к юго-востоку от Одессы. Производительность добычи около 400 м7ч. В Тихом океане, в районе острова Итруп, организована добыча титано-магнетитовых песков. Институт ВНИИПрозолото разработал проект специального судна для добычи касситерита в море Лаптевых. В 1968 г. было организовано Балтийское

47 разведочно-эксплуатационное предприятие для разработки россыпей Восточной Балтики, и проведены первые работы в этом направлении.

1. Алборов З.Б. Разработка зарубежных месторождений, расположенных под водоемами и реками. М.: 1961. -25-38 с.

2. Амелин Б.А., Ромаль Э.Е. Зарубежное оборудование для разведочного бурения на море. -М.: 1972. -52 с.

3. Арукюла Х.Х., Рейер А.Х. Основы теории инженерного экспериментирования в горном деле. -Таллинн.: 1973. -147 с. Безруков ПЛ. Распределение ЖМК на дне Индийского океана. -М: Океанология. №6. 1962. Г12-116 с.

4. Бреслав Л.Б. Техникоэкономическое обоснование средств освоения Мирового океана. -JL: 1982. -240 с.

5. Бритарев В.А., Замышляев В.Ф. Горные машины и комплексы. -М.: 1984.-288 с.

6. Бунич П.Г. Экономика Мирового океана. -М.: 1977. -208 с. Буткевич B.C. Образование морских железомарганцевых отложений и участвующие в нем микроорганизмы. Труды Морского научного института. вып.З. 1928. -56-59 с.

7. Васильчиков Н.В. ЖМК дна океана сырье для получения кобальта, никеля, марганца, меди. -М.: №1 1968. -56-59 с,

8. Величко Е.А., Контарь Е.А. ЖМК океана новый тип многометальных руд. -М.: 1976.-51 с.

9. Величко Е.А., Контарь Е.А., Тареева O.K. За рудой в глубины океана. -М.: 1980. 95 с,

10. Воропаев A.A., Лукошков A.B. Техника и технология геологоразведочных работ. -М.: 1987. -67 с.

11. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: 1963. -870 с. Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. -М.: 1991. -jjj с.

12. Глумов И.Ф. Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана. -М.: 1986. -343 с,

13. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: 1972. -365 с.

14. Гутер P.C., Овчинский Б. В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. -М.: 1970. -432 с. Гюльмисаров В.Р. Освоение твердых полезных ископаемых Мирового океана (проблемы, перспективы). -М.: 1986. -137 с.

15. Дукельский А.И. Подвесные канатные дороги и кабельные канаты. -М.: 1966. -484 с.

16. Зажигаев JI.C., Кишьян A.A., Романиков Ю.Н. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. -М.: 1978. -232 с. Зеленский Н.М. К тяговому расчету скреперных установок. -Днепропетровск.: т.21. 1952. -352 с.

17. Зеленский Н.М. Основные вопросы проектирования рудных скреперов. -Днепропетровск.: 1955. -267 с.

18. Зель Э.Ф. Скреперные установки. -Киев: 1933. -100 с.

19. Зенков P.A. Механика насыпных грузов. М.: 1966г. -154 с.

20. Истошин С.Ю. Морской горный промысел. -М.: 1981. -165 с.

21. Казмин Ю.Д. Железомарганцевые конкреции. Мир океана. -Л.: 1984.171 с.

22. Карасев Е.И., Анастасиади К.Ф. К проблеме освоения ЖМК Мирового океана. БИКИ. № 22 (5911). 1986. -6 с.

23. Контарь Е.А., Кузнецов Е.И. Опробование глубоководных месторождений Мирового океана. -М.: Итоги науки и техники, т.25. 1982. -78 с.

24. Коробков В.А., Левин B.C. Подводная технология. -Л.: 1981. -237 с. Кронен Д. Подводные минеральные месторождения. -М.: 1982. -372 с.

25. Кудрявцев В.А., Демидович Б.П. Краткий курс высшей математики. -М.: 1986. -575 с.

26. Куров A.B., Назаров В.И., Попов Ю.В. Экономическая эффективность освоения ЖМК в Мировом океане. -М.: 1981. -60 с.

27. Лешков В.Г. Теория и практика разработки россыпей многочерпаковыми драгами. -М.: 1980. -352 с .

28. Лобанов В.А. Справочник по технике освоения шельфа. -Л.: 1983. -288 с,

29. Лузин H.H. Интегральное исчисление. -М.: 1952. -416 с.

30. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирическихформул. -М.: 1982. -224 с.

31. Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити. -М.: 1980. -240 с. Методические рекомендации по оценке экономической эффективности освоения месторождений железомарганцевых конкреций Мирового океана. -М.: 1982. -32 с.

32. Минеральные ресурсы Мирового океана и некоторые закономерности их распределения. -Л.: 1974. -230 с.

33. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. -М.: 1979. -381 с.

34. Отчет по НИР № 38/95. Разработка комплекса электро-механического оборудования для добычи полезных ископаемых со дна морского моря. -С-Пб.: 1995.-51 с.

35. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ.-М.: 1985.-544 с.

36. Поиски, разведка и эксплуатация месторождений полезных ископаемых морского дна. -Л.: 1975. -192 с.

37. Рощункин Д.В. Разработка грунтов землесосными снарядами. -М.: 1969. -248 с.

38. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: 1971. -192 с.

39. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. -М.: 1973. -287 с.

40. Савельев В.И. Состояние и перспективы развития методики и техники морских геологических исследований. -Рига: в кн. Морская геология и геофизика, т. 1. 1970. -7-18 с.

41. Спрингис К.Я. Морская геология и проблемы минерального сырья. -М.: 1971.-48 с,

42. Результаты экспериментальных исследований горизонтальнойсоставляющей силы натяжения гибкого тягового элемента Прилолсеиие 1

43. Полож.1 Полож.2 Полож.3 Полож.4 Полож.5 Полож.6 Полож.7 Полож.8 Полож.9 ПоложЛОа1/а1, град. 2,070 4,128 4,917 6,340 10,305 13,800 15,069 21,297 25,318 34,186

44. Р1, кг 8,480 8,530 8,590 8,600 8,650 8,720 8,800 8,900 9,250 9,600

45. Т1, кг 0,306 0,614 0,736 0,950 1,547 2,080 2,288 3,232 3,955 5,394а1/а2, град. 1,317 3,622 4,004 5,247 9,931 12,529 15,018 21,961 26,147 33,111

46. Р2, кг 8,500 8,550 8,600 8,620 8,650 8,720 8,820 9,200 9,500 9,700

47. Т2, кг 0,195 0,540 0,600 0, 788 1,492 1,891 2,285 3,440 4,186 5,298а//аЗ, град. 1,627 3,576 4,305 7,970 11,004 13,134 15,852 20,298 26,565 35,027

48. РЗ, кг 8,500 8,550 8,580 8,600 8,640 8,700 8,820 8,900 9,400 9,900

49. ТЗ, кг 0,241 0,533 0,644 1,192 1,649 1,977 2,409 3,087 4,204 5,682а!/а4, град. 1,671 3,757 4,408 6,519 10,413 13,154 15,313 21,185 26,009 34,108

50. Р4, кг 8,493 8,543 8,590 8,607 8,647 8,713 8,813 9,000 9,383 9,733

51. Т4, кг 0,248 0,560 0,660 0,977 1,563 1,983 2,327 3,252 4,114 5,457а1/а5, град. 1,373 3,576 4,730 7,220 8,530 13,134 15,519 21,298 26,565 34,740

52. Р5, кг 8,480 8,530 8,600 8,652 8,660 8,720 8,815 9,200 9,400 9,750

53. Т5, кг 0,203 0,532 0,709 1,087 1,284 1,981 2,358 3,341 4,204 5,556

54. Цепь круглозвенная 19x64 Длина цепи Ь=1216 мм Линейная масса цепи я=6,7 кг/м