автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Совершенствование технологии крупнообъемного опробования глубоководных месторождений ЖМК с использованием загрузочных аппаратов

"Ту г—

е--''

Министерство общего и профессионального образования РФ Московская государственная геологоразведочная академия имени Серго Орджоникидзе

¿? С? _

На правах рукописи

МАРКОВСКИЙ Кирилл Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРУПНООБЪЕМНОГО ОПРОБОВАНИЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖМК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАГРУЗОЧНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.15.14-«Технология и техника геологоразведочных

работ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Дробаденко Валерий Павлович

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................3

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ГОРНО-РАЗВЕДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖМК В ОКЕАНЕ........................................9

1.1. Горно-геологические условия крупнообъемного опробования месторождения Кларион-Клиппертон....................................9

1.2. Анализ геокомплексов для технологического опробования месторождений ЖМК в океане...........................................17

1.2.1. Структура глубоководного горно-разведочного комплекса.......17

1.2.2. Анализ существующих способов глубоководного гидроподъема конкреций.....................................................................22

1.3. Цель и задачи исследований................................................43

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИЯ В ЗАГРУЗОЧНЫХ АППАРАТАХ................................................45

2.1. Гравитационный способ формирования гидросмеси..................45

2.2. Струйный способ формирования гидросмеси...........................50

2.3. Способы формирования гидросмеси закрученным потоком

жидкости.....................................................................52

Выводы........................................................................62

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОСМЕСИ В КАМЕРНОМ ПИТАТЕЛЕ ВИХРЕВОГО ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИЯ.................................63

3.1.Методика проведения экспериментов и описание лабораторной установки.....................................................................63

3.2. Влияние конструктивных параметров узла разгрузки аппарата на

процесс пульпоприготовления в загрузочно-обменной емкости.73

3.3. Влияние гидродинамических режимов работы камерного питателя

на плотность формируемой гидросмеси...............................76

Выводы........................................................................81

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ КРУПНООБЪЕМНОГО ОПРОБОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖМК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЗАГРУЗОЧНЫХ АППАРАТОВ................................................83

4.1 .Технологическая схема крупнообъемного опробования с использованием загрузочных аппаратов...............................83

4.2. Методика расчета глубоководного гидроподъема ЖМК с использованием загрузочного аппарата вихревого пульпоприготов ления......................................................94

4.3. Технологические преимущества горно-разведочного комплекса с

загрузочными аппаратами................................................99

4.4. Анализ экологической безопасности глубоководных геокомплексов

с эрлифтной, насосной и предлагаемой системами гидроподъема

конкреций...................................................................102

Выводы......................................................................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Россия оказалась в принципиально новом положении в части формирования основ морской политики, а также реализации и защиты своих интересов в Мировом океане. Кризис в экономике серьезно ослабил возможности по сохранению присутствия России в Мировом океане на прежнем уровне. Вынужденное свертывание работ в Мировом океане идет неорганизованно, что усиливает негативные последствия этого процесса и снижает эффективность использования выделяемых ресурсов. Восстановление позиций России в Мировом океане является сегодня одной из приоритетных общенациональных задач. В связи с этим, указом Президента Российской Федерации от 17 января 1997 г. была одобрена концепция Федеральной целевой программы "Мировой океан", целью которой является комплексное решение проблемы изучения, освоения и эффективного использования Мирового океана в интересах экономического развития и обеспечения безопасности страны.

В соответствии с концепцией, реализация программы должна, в частности, предусматривать "создание техники и технологий проведения глубоководных, шельфовых и придонных работ" и на "дальнейшем этапе должна быть нацелена на получение минерального сырья в промышленных масштабах".

Наиболее значительными глубоководными месторождениями по своим огромным запасам и потенциальным возможностям являются залежи железомарганцевых конкреций (ЖМК), представляющие собой высококачественное минеральное сырье для получения меди, никеля, кобальта, марганца и других металлов. Крупнейшим и наиболее хорошо изученным месторождением ЖМК является поле Кларион - Клиппертон, расположенное в Тихом океане. В соответствии с Конвенцией ООН по морскому праву 1982 года, вступившей в силу 16 ноября 1994 года и

подписанной Российской Федерацией, за нашей страной закреплен участок этого месторождения.

Разведочные работы на дне океана с валовым, крупнообъемным опробованием, являются важнейшим этапом, предшествующим промышленному освоению месторождения. Одной из их целей является получение крупнообъемных проб конкреций (100-500т), позволяющих уточнить контуры технологических типов и сортов руд на месторождении, а также оценить в полупромышленных условиях эффективность технологических схем переработки ЖМК и обосновать постоянные кондиции на оконтуривание данного месторождения[66]. Кроме того, на данном этапе работ представляется возможным оценить эффективность применяемых технологий извлечения конкреций из глубин океана, надежность оборудования и экологический ущерб от его использования. Однако до настоящего времени, в отличие от иностранных государств, в нашей стране нет прошедшей морские испытания техники и технологии глубоководных горно - разведочных работ, хотя проделан большой объем исследовательских и проектных работ в этом направлении институтами МГИ, ДЛИ, МГТУ, СГИ, ЛГИ, ВНИПИОкеанмаш, ЦНИИГРИ, ЦКБ "Восток", ЦКБ "Океаногеотехника", ВИМС, институтом Океанологии АН РФ им. Ширшова, проблем морских технологий ДВО АН РФ, ВНИПИ Океанология, НПО "Севморгео", НПО "Южморгеология", НПО "Дальморгеология" и др. Среди ученых специалистов известны работы Адамова Б.И., Бубиса Ю.В., Бруякина H.A., Васильева Л.А., Глумова И.Ф., Грамберга И.С., Дробаденко В.П., Истошина С.Ю, Контаря Е.А., Лезгинцева Г.М., Лукошкова A.B., Матвеева A.A., Мирчинка И.М., Молочникова Л.Н., Нурока Г.А., Смолдырева А.Е., Спорынина Н.И. и др. В результате этих многочисленных исследований разработаны различные технические решения по созданию опытно-промышленных геокомплексов или отдельных систем, преимущественно с эрлифтным и грунтонасосным гидроподъемом

ЖМК и самоходными или буксируемыми агрегатами сбора конкреций. Однако предложенные гидроподъемные установки не превосходят аналогичные зарубежные аналоги и имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются: низкая производительность, высокая удельная энергоемкость, повышенный износ оборудования, а также значительное переизмельчение конкреций в процессе гидроподъема. Кроме того, сброс отработанной воды, предполагаемый в технологических схемах названных систем существенно нарушает экологический баланс водной среды. Все это сказывается на возможности нашему государству, в соответствии с Конвенцией ООН, иметь право на освоение выделенного участка глубоководного месторождения Кларион - Клиппертон в Тихом океане.

В связи с этим в работе рассматриваются вопросы, связанные с использованием для крупнообъемного опробования глубоководных месторождений ЖМК загрузочно-обменных аппаратов, разработанных в МГГА под руководством В.П. Дробаденко, новизна которых подтверждена патентами России, США, Германии и других стран. Они успешно апробированы для наземного гидротранспорта на горно - обогатительных комбинатах России, СНГ и прошли опытные испытания в ЮАР и Шотландии. В целях гидроподъема аппараты исследовались O.A. Лукониной в акватории г. Новороссийска на Черном море.

Таким образом, диссертация посвящена актуальной научно -технической проблеме: - разработке высокоэффективной трубопроводной системы глубоководного гидроподъема ЖМК , являющейся основной частью морского горно - разведочного комплекса.

Целью работы является повышение эффективности технологии трубопроводного гидроподъема ЖМК с использованием загрузочных аппаратов для крупнообъемного опробования глубоководных месторождений с высокой степенью экологической чистоты.

Основная идея работы - повышение эффективности крупнообъемного опробования достигается использованием в системе гидроподъема конкреций морского горно - разведочного комплекса загрузочно - обменных аппаратов вихревого пульпоприготовления, работающих в оптимальном гидродинамическом режиме.

Методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный метод исследований, включающий анализы зарубежной и отечественной научно - технической информации по теории и практике глубоководного гидроподъема ЖМК, гидродинамическое моделирование с применением ЭВМ, аналитические и экспериментальные исследования, которые проводились с использованием теории планирования экспериментов и методов статистической обработки их результатов.

Научные положения, разработанные автором:

1. Гидродинамический режим работы загрузочного аппарата вихревого пульпоприготовления зависит от величины относительного смещения торцов соосных патрубков его разгрузочного узла.

2. Процесс разгрузки камерного питателя вихревого пульпоприготовления характеризуется снижением плотности гидросмеси, когда глубина локальной области насыщения жидкости твердым материалом превышает величину относительного смещения разгрузочного узла и нижней точки дна емкости аппарата.

3. В камерном питателе вихревого пульпоприготовления величина консистенции формируемой гидросмеси изменяется в зависимости от расхода воды, нагнетаемой в камеру аппарата, и скорости потока жидкости в кольцевом зазоре его разгрузочного узла.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, достаточной сходимостью их результатов. Разработанные положения подтверждены при проектировании

и работе опытно - промышленных гидротранспортных установок при разработке редкометальных месторождений, а также результатами морских испытаний системы гидроподъема ЖМК с использованием загрузочного аппарата, проведенных в акватории г. Новороссийска в 1987 и 1990 гг.

Научная новизна результатов работы:

1. Экспериментально выявлена и обоснована оптимальная величина относительного смещения соосных патрубков узла пульпоприготовления загрузочного аппарата, конструкция которого позволяет формировать высоконасыщенную гидросмесь за счет использования кинетической энергии закрученного потока жидкости.

2. На основании анализа процесса пульпоготовления в загрузочном аппарате, получена аналитическая зависимость, позволяющая оценить величину параметра h, характеризующего расположение в камере аппарата разгрузочного узла.

3. На основании экспериментальных исследований выявлена и обоснована оптимальная величина параметра h, загрузочного аппарата при формировании гидросмеси ЖМК.

4. Установлены зависимости изменения величины консистенции гидросмеси ЖМК от различных гидродинамических режимов работы загрузочного аппарата.

5. На основании экспериментальных и теоретических исследований установлены зависимости изменения величины потерь напора в предлагаемой системе подъема и ее удельной энергоемкости от различных режимов работы камерного питателя; выявлен и обоснован оптимальный гидродинамический режим работы загрузочного аппарата при гидроподъеме ЖМК.

6. Аналитически обосновано преимущество предлагаемой системы гидроподъема конкреций по сравнению с грунтонасосной, как системы с меньшим удельным энергопотреблением.

I

Практическая ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили:

- подтвердить эффективность использования загрузочных аппаратов вихревого пульпоприготовления для гидроподъема ЖМК при проведении крупнообъемного опробования глубоководных месторождений;

установить оптимальные конструктивные параметры узла пульпоприготовления загрузочного аппарата и оптимальный гидродинамический режим его работы при глубоководном гидроподъеме конкреций;

- определить величину энергозатрат на гидротранспорт ЖМК предлагаемой системой подъема с глубины океана 5000 м.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных конференциях "Новые достижения в науках о земле" в 1996 - 1998 гг..

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы институтом Океанологии АН РФ им.П.П.Ширшова в "Технико-экономическом обосновании технологических параметров работы гидроподъемных устройств в составе опытно-разведочного комплекса добычи полиметаллических конкреций при освоении месторождения Кларион-Клиппертон в Тихом океане", а также при составлении рабочей документации по объекту работ "Предпроектные проработки технических средств для промышленной добычи ЖМК в Мировом океане".

Публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных статей, в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ В ОКЕАНЕ

1.1. Горно-геологические условия крупнообъемного опробования месторождения Кларион-Клиппертон

Месторождения железомарганцевых конкреций встречаются во всех океанах, кроме Северного Ледовитого и покрывают 25-60% площади дна.

Наибольшие по площади залежи находятся в Тихом океане, следующим по содержанию является Индийский океан, тогда как дно Атлантического океана на современном этапе не представляет интереса для промышленной добычи.

Конкреции - отложения аутогенных минеральных компонентов, образующиеся путем разностороннего роста за счёт концентрации рассеяных металлических йонов и гидроокислов металлов вокруг ядра вулканических, биогенных или конкрециевых частиц.

Наиболее важными характеристиками условий залеганий конкрециеносных скоплений являются рельеф, геоморфология и глубина дна, метологический состав и физико-механические свойства осадков, внутренняя структура собственно скоплений ЖМК.

Основанием для будущих конкреций являются отложения, в которых обычно преобладают радиоляриевый ил и глина. Скорость образования отложений очень низкая, колеблется в среднем от 1мм до Змм в тысячелетие. Определяющим фактором в образовании конкреций является такая

доступность материала для их ядра. Так, частицы вулканических скальных пород будут особенно многочисленны на склонах и вблизи вулканов или

горных гряд. Конкреции, встречающиеся вдалеке от подводных горных хребтов, обычно имеют ядро из осколка более старой конкреции, что определяет как бы эффект сеяния. Встречаются также конкреции с ядром органического происхождения, например зуб акулы, косточки китов и так далее.

Размеры конкреций колеблются от 5 - 10мм до 30 - 50мм (в среднем 3,8мм) в диаметре. Цвет их изменяется от красно-коричневого до черного [50]. Плотность ЖМК на месте залегания в районе Кларион-Клиппертон составляет 1,8-2,1 г/см , твердость 1-4 по шкале Мооса; пористость до 60 % [52].

Основными полезными компонентами конкреций являются: никель, медь, кобальт, марганец, железо. Глубоководные железомарганцевые конкреции залегают в основном на поверхности морского дна в один слой при глубине океана от 4000-6000м. Конкреции обычно погружены в осадок до половины или на 2/3 своего объема. Нередко встречаются припорошенные осадками ( в частности жидкими илами ) образования [7].

Крупнейшим и наиболее изученным месторождением ЖМК в Тихом океане является плато Кларион-Клиппертон, расположенное в северовосточной приэкваториальной части Тихого океана. Название связано с ограничевающими его с севера и юга глубинными разломами Кларион и Клиппертон (рис. 1.1). По площади дна, на котором обнаружены конкреции, поле Кларион-Клиппертон превышает 3 миллиона км2, однако не на всей этой площади конкреции распределены равномерно.

Рельеф дна рудной провинции (рис. 1.2) характеризуется развитием абиссальных холмов и отдельных вулканических гор, наряду с которыми имеются равнинные участки. Донные осадки представлены в основном

20°

Рис. 1.1. Обзорная схем