ГРУНТОЗАБОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ РОССЫПЕЙ Российский патент 2006 года по МПК E21C50/00 E02F3/88 

Устройство относится к области разработки подводных и обводненных россыпных месторождений железомарганцевых конкреций (ЖМК), фосфоритовых конкреций (ФК) шельфа, а также подобных континентальных обводненных месторождений и морских месторождений, которые представлены в основном горизонтальными и слабонаклонными донными залежами малой мощности (мощность залежей в большинстве случаев составляет 0,3-1,5 м), располагающимися на поверхности дна (непогребенные россыпи). Преимущественной областью использования устройства являются месторождения ЖМК и ФК озер, шельфа и глубоководного дна Океана.

Известно устройство для добычи конкреций с морского дна (россыпей конкреций) в виде самоходной тележки для их сбора, включающее раму, гусеничный ход, исполнительный орган в виде барабана-рыхлителя с резцами на его поверхности, защитный кожух, встроенный в него привод в виде работающей на воде многоступенчатой прямоточной гидротурбины, питание которой осуществляется по гибкому трубопроводу от насоса, расположенного вне тележки, наконечник-сопло напорного трубопровода, установленный для улавливания разрыхленной массы с водой, выходящей из-под барабана-рыхлителя (патент РФ №2112139, МКИ 7 Е 21 С 50/00, 1998).

Недостатком устройства является сложная конструкция, значительные гидравлические потери в гибком трубопроводе при изменении его длины, определенная сомнительность успешного использования гусеничного хода ввиду низкой несущей способности донных отложений, вмещающих россыпи конкреций, необходимости выдачи в добычное или транспортное судно всего объема горной массы - и основного компонента (ЖМК или ФК), и вмещающих пород, определенные нарушения экологии за счет взмучивания донных отложений при разработке с образованием облака взвеси значительных размеров и, основное, практическая невозможность селективной отработки залежи с выемкой ее только наиболее богатой части основного полезного компонента подводной залежи.

Известно также грунтозаборное устройство для послойной (горизонтальными или наклонными слоями) разработки донных рыхлых или слабоуплотненных отложений, крепящееся на рабочей раме земснаряда, включающее две основные части - жестко соединенную со всасывающим пульповодом переднюю часть, которая в процессе грунтоизвлечения опирается на грунт специальной плитой, и заднюю грунтоизвлекаюшую волочащуюся часть, поворачивающуюся на поперечной горизонтальной оси, причем всасывание грунта осуществляется снизу поворачивающейся части через решетку всасывающего отверстия, на которой установлены вертикально вниз ножи-рыхлители, а в корпусе волочащейся части имеются окна с регулирующими закрывающими клапанами для впуска воды с целью разжижения пульпы и предотвращения срыва вакуума грунтового насоса (В.Б.Добрецов, В.А.Рогалев. Основные вопросы освоения минеральных ресурсов Мирового океана. СПб.: МАНЭБ, 2003, стр.249-252).

Недостатком устройства является невозможность селективной выемки части залежи по ее мощности и регулирования толщины извлекаемого слоя. Кроме этого, прямоугольная в плане форма грунтозаборного устройства и его размеры не согласованы с параметрами зоны активного всасывания (сферической формы), образующейся при работе грунтового насоса, на уровне нижнего среза всасывающего пульповода, что утяжеляет конструкцию грунтозаборного устройства и не позволяет осуществлять грунтозабор и транспортирование пульпы в оптимальных для конкретных случаев режимах.

Известно техническое решение по а.с. №1739704, представляющее устройство для глубоководной добычи железомарганцевых конкреций. Устройство содержит плавсредство, подвешенную на нем систему подъема и буксируемый добычной агрегат. Промежуточный бункер-питатель связан с добычным агрегатом гибким пульповодом. Добычной агрегат выполнен в виде отдельных выемочных модулей, соединенных пульповодами с общим горизонтальным пульповодом. Выемочный модуль представляет собой салазки, на которых установлен с возможностью ограниченного вертикального и горизонтального перемещения относительно них рабочий орган. Рабочий орган расположен между полозьями салазок с обеспечением в рабочем режиме устойчивого его контакта с грунтом. Это достигается установкой его на регулируемые по высоте передние и задние пары стоек. Рабочий орган содержит набор ножей, защищенных решеткой (а.с. №1739704, МКИ 7 Е 21 С 50/00, 1994).

Недостатком устройства является сложная и громоздкая конструкция, значительные гидравлические потери в гибком пульповоде при изменении его длины, а также существенные гидравлические потери в местах присоединения пульповодов к магистральному трубопроводу, в шарнирах пульповодов, особенно при сложном рельефе дна.

Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции и сокращение потерь на пульповодах.

Технический результат достигается тем, что грунтозаборное устройство для разработки подводных россыпей, содержащее раму-корпус с верхней, нижней, боковыми и задней стенками, всасывающий патрубок грунтового насоса, ножи, закрепленные на промежуточном дне, установленом с возможностью поворота в вертикальной плоскости, согласно изобретению снабжено узлом гидроразмыва с поперечно расположенной по ширине верхней стенки рамы-корпуса напорной трубой, оснащенной гидронасадками, и шаровым шарниром, расположенным в отверстии верхней стенки рамы-корпуса, при этом скругленная боковая стенка своей верхней горизонтальной кромкой закреплена на внутренней поверхности верхней стенки рамы-корпуса, а высота передней и скругленной ее частей соотносятся как 1:0,5, причем шаровой шарнир и скругленная часть боковой стенки рамы-корпуса в плане имеют радиус кривизны, равный радиусу зоны активного всасывания грунтового насоса, а промежуточное дно установлено внутри скругленной боковой стенки рамы-корпуса с возможностью поворота с помощью двух гидроцилиндров вокруг горизонтальной оси, закрепленной на скругленной части боковой стенки рамы-корпуса.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез фронтальной поверхности общего вида грунтозаборного устройства для разработки подводных россыпей и подобных полезных ископаемых, на фиг.2 - разрез грунтозаборного устройства в плане (по А-А), на фиг.3 показана рама-корпус грунтозаборного устройства в аксонометрии, на фиг.4 - боковой вид грунтозаборного устройства, на фиг.5 - вид грунтозаборного устройства в плане, на фиг.6 - скругленная боковая стенка рамы-корпуса грунтозаборного устройства в аксонометрии (изображения отдельных узлов и деталей грунтозаборного устройства показаны схематично основными линиями), на фиг.7 показан узел регулирования положения подвижного промежуточного дна грунтозаборного устройства для разработки подводных россыпей.

Грунтозаборное устройство содержит раму-корпус 1 (фиг.2, 3), внутри которой подвижно установлено промежуточное дно 2 (фиг.1, 2, 4), а на поверхности рамы-корпуса смонтированы узел шарового шарнирного механизма 3, гидроцилиндры 4 для подъема и опускания подвижного промежуточного дна 2, узел гидроразмыва 5 горной массы, поступающей на подвижное промежуточное дно 2 внутри грунтозаборного устройства, и всасывающий патрубок 6 грунтового насоса (например, центробежного грунтового, эрлифта или гидроэлеватора), расположенного на судне обеспечения или другого типа плавсредств.

Верхняя 7 и нижняя 8 стенки рамы-корпуса 1 (фиг.1, 3, 4) выполнены сплошными, однако верхняя стенка 7 имеет круглое отверстие 9 для размещения шарового шарнира 3 (фиг.3). Стенки верхняя 7 и нижняя 8 рамы-корпуса 1 скреплены между собой четырьмя вертикальными стойками 10 (фиг.3).

Скругленная боковая стенка 11 (фиг.2, 6) рамы-корпуса грунтозаборного устройства в плане открыта с уширенной части (со стороны забоя) и закруглена с противоположной стороны, контактирующей с шаровым шарниром 3 (фиг.2, 5). Такая форма выбрана в связи с тем что каждый грунтозаборник круглого по нижнему срезу сечения (цилиндрической или конической формы), в частности и нашего грунтозаборного устройства (позиция 6 на фиг.1), имеет так называемую зону 12 активного всасывания (замкнутая зона сферической формы) (фиг.1, 5), вне которой грунтозабора не происходит (при использовании прямоугольных коробчатых в плане грунтозаборных устройств порода внутри них "зависает" в углах грунтозаборника, создавая определенное сопротивление процессу грунтозабора и перемещению грунтозаборного органа.

Радиус зоны 12 активного всасывания (а следовательно, и радиус закругления боковой стенки 11) может быть рассчитан по формуле ниже (В.Б.Добрецов. Освоение минеральных ресурсов шельфа. Л.: Недра, 1980, стр.202):

где Q - производительность грунтового насоса (объемный расход); ε - пористость россыпи; ρ - плотность воды; ρ_n - плотность твердой составляющей в пульпе; g - ускорение силы тяжести; α - расчетный коэффициент.

Радиус зоны активного всасывания в нашем случае будет аналогичным и для радиуса сферы шарового шарнира, что обеспечит минимальные гидравлические потери в этом узле грунтозаборного устройства нашей конструкции.

В обеих прямолинейных плоскостях боковой скругленной стенки 11 предусмотрены вертикальные прорези 13 (фиг.1, 4, 6, 7), служащие для обеспечения свободных перемещений фигурных штоков 14 гидроцилиндров 4 (фиг.7), установленных в поворотном креплении 15 для подъема и опускания подвижного промежуточного дна 2, поворачивающегося вокруг горизонтальной оси 16 (фиг.1, 3, 4, 5).

Высота АВ передней части фигурной боковой стенки 11 (фиг.4) соотносится с высотой CD закругленной ее стороны как 1:0,5. Таким образом обеспечивается свободный проход внутри нижней части грунтозаборного устройства под его промежуточным подвижным дном 2 разрыхленной ножами 18 непродуктивной толщи россыпи ЖМК или ФК.

Подвижное промежуточное дно 2 в передней (забойной) части имеет прорези 17 (фиг.2) для свободного его перемещения при подъеме и опускании между ножами 18, являющимися, кроме того, конструктивными элементами, скрепляющими верхнюю 7 и нижнюю 8 пластины рамы-корпуса 1 грунтозаборного устройства.

Узел гидроразмыва 5 включает центробежный водяной насос 19, установленный в рамной опоре 20. Центробежный водяной насос 19 соединен с напорной трубой 21, расположенной на верхней поверхности стенки 7 рамы-корпуса и снабженной серией гидронасадок 22 по всей длине напорной трубы 21.

Устройство работает следующим образом. Предварительно промежуточное подвижное дно 2 устанавливают в верхнем крайнем положении, показанном пунктиром (фир.1). Далее с добычного судна грунтозаборное устройство опускают вне контура подводного карьера до поверхности дна (при этом само грунтозаборное устройство подсоединено к всасывающему пульповоду грунтового насоса, либо к подъемной трубе эрлифта), и при движении добычного судна оно постепенно внедряется в рыхлые отложения до соприкосновения нижней стенки 8 рамы-корпуса грунтозаборного устройства с подстилающими россыпь ЖМК плотными породами с повышенной, применительно к требованиям успешного ведения подводных горных работ, несущей способностью (плотных глин для условий залежей ЖМК Финского залива Балтийского моря на глубинах 25-30 м), по которым и будет перемещаться грунтозаборное добычное устройство при отработке материала залежи ЖМК, ФК и подобных донных отложений. При этом порода, не содержащая конкреций, проходит внутри корпуса устройства и остается позади него в виде еще более рыхлой массы, чему способствуют ножи 18 (фиг.2). Грунтовый насос при этом не включен.

По достижении контура залежи ЖМК грунтозаборное устройство подается назад на величину, равную длине его корпуса, и промежуточное дно устанавливают дистанционно гидроцилиндрами 4 (штанги управления гидроцилиндрами не показаны), чтобы при перемещении грунтозаборного устройства во время отработки подводной залежи срезался слой именно такой мощности, который представляет ее продуктивную часть. В процессе разработки залежи ее верхняя часть, срезаемая подвижным промежуточным дном 2, перемещается (при необходимости дополнительно разрыхляется гидроструями за счет работы узла гидроразмыва с целью создания гидросмеси заданной консистенции) в виде пульпы и попадает в зону активного всасывания 12 полого шарового шарнира 3, откуда включенным грунтовым насосом (эрлифтом, гидроэлеватором или центробежным грунтовым насосом и пр.) подается по напорному пульповоду 6 на добычное судно. Нижняя, разрыхленная ножами 18 часть залежи благодаря сквозной конструкции рамы-корпуса и скошенной форме фигурной внутренней стенки 11, прикрытой промежуточным подвижным дном 2, свободно проходит сквозь корпус и остается в выработанном пространстве подводного карьера.

Отработку залежи ведут либо паралельными продольными, либо поперечными заходками в зависимости от конкретных параметров подводной залежи конкреций или других россыпей.

Более простое по конструкции устройство имеет существенно сниженные гидравлические потери в пульповодах, а при эксплуатации предлагаемого грунтозаборного устройства из тела подводной залежи селективно извлекаются преимущественно конкреции наиболее богатой по содержанию верхней толщи с оставлением в выработанном пространстве подводного карьера нетоварной части россыпи, что снижает энергозатраты в связи (уменьшением объемов выемки горной массы, исключается повышенное загрязнение береговых площадей при обогащении добытого материала, остаются на дне мелкие фракции ЖМК, являющиеся ядрами для последующего роста конкреций (рациональное использование природных ресурсов), что в конечном итоге снижает отрицательную техногенную нагрузку в местах производства подводных горных работ и обогащения горной массы.

Устройство относится к области разработки подводных и обводненных россыпных месторождений железо-марганцевых конкреций (ЖМК), фосфоритовых конкреций (ФК) шельфа, а также подобных континентальных обводненных месторождений и морских месторождений, которые представлены в основном горизонтальными и слабонаклонными донными залежами малой мощности (мощность залежей в большинстве случаев составляет 0,3-1,5 м), располагающимися на поверхности дна (непогребенные россыпи). Техническая задача - упрощение конструкции и сокращение потерь на пульповодах. Грунтозаборное устройство для разработки подводных россыпей, содержащее раму-корпус с верхней, нижней, боковыми и задней стенками, всасывающий патрубок грунтового насоса, ножи, закрепленные на промежуточном дне, установленном с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Грунтозаборное устройство снабжено узлом гидроразмыва с поперечно расположенной по ширине верхней стенки рамы-корпуса напорной трубой, оснащенной гидронасадками, и шаровым шарниром, расположенным в отверстии верхней стенки рамы-корпуса. При этом скругленная боковая стенка своей верхней горизонтальной кромкой закреплена на внутренней поверхности верхней стенки рамы-корпуса, а высота передней и скругленной ее частей соотносятся как 1:0,5. Причем шаровой шарнир и скругленная часть боковой стенки рамы-корпуса в плане имеют радиус кривизны, равный радиусу кривизны активного всасывания грунтового насоса, а промежуточное дно установлено внутри скругленной боковой стенки рамы-корпуса с возможностью поворота с помощью двух гидроцилиндров вокруг горизонтальной оси, закрепленной на скругленной части боковой стенки рамы-корпуса. 7 ил.

Грунтозаборное устройство для разработки подводных россыпей, содержащее раму-корпус с верхней, нижней, боковыми и задней стенками, всасывающий патрубок грунтового насоса, ножи, закрепленные на промежуточном дне, установленном с возможностью поворота в вертикальной плоскости, отличающееся тем, что грунтозаборное устройство снабжено узлом гидроразмыва с поперечно расположенной по ширине верхней стенки рамы-корпуса напорной трубой, оснащенной гидронасадками, и шаровым шарниром, расположенным в отверстии верхней стенки рамы-корпуса, при этом скругленная боковая стенка своей верхней горизонтальной кромкой закреплена на внутренней поверхности верхней стенки рамы-корпуса, а высота передней и скругленной ее частей соотносятся как 1:0,5, причем шаровой шарнир и скругленная часть боковой стенки рамы-корпуса в плане имеют радиус кривизны, равный радиусу зоны активного всасывания грунтового насоса, а промежуточное дно установлено внутри скругленной боковой стенки рамы-корпуса с возможностью поворота с помощью двух гидроцилиндров вокруг горизонтальной оси, закрепленной на скругленной части боковой стенки рамы-корпуса.