Устройство для глубоководной добычи илистых отложений и очистки водоемов Российский патент 2024 года по МПК E21C50/00 E02F5/28 E02F3/88 

Изобретение относится к области гидромеханизированной добычи илистых отложений на больших глубинах, в том числе известковых грязей и сапропеля, которые широко используются в металлургии, химии, производстве бумаги.

В настоящее время описаны различные типы грунтозаборных устройств (ГЗУ) для добычи илистых отложений из пресных континентальных водоемов, содержащих 15% (по массе) органических веществ, относящихся к сапропелю. При меньшем содержании органических веществ отложения относятся к минеральным илам.

Известно устройство для добычи сапропеля из закрытых водоемов по патенту №2209273, включающее плавсредство с грунтовым насосом, лебедку с тяговым органом, гибкий рукав и приемное приспособление для захвата сапропеля в виде короба П-образного поперечного сечения, имеющее всасывающий патрубок и закрепленные на коробе понтоны переменной плавучести. Приемное приспособление снабжено мерной рейкой для контроля максимальной его заглубленности при обработке продуктивной толщи сапропеля.

Недостатком этого устройства является большая водонасыщенность добываемого сапропеля и, большая энергоемкость добычи илистых отложений и небольшая глубина разработки сапропеля.

Известно грунтозаборное устройство для добычи илистых отложений, например, сапропеля, по патенту №2418914, включающее погружную или полупогружную камеру с насосом и заборным элементом. Отводящий элемент выполнен в виде соединенного с насосом напорного трубопровода с обратным клапаном. Заборный элемент в форме патрубка снабжен ковшом, размещенным в передней части заборного патрубка по направлению движения устройства.

Описанное устройство может работать только с сапропелем низкой вязкости. расположенным на небольшой глубине до 1 м. Вертикальное расположение камеры и трубопроводов способствует поступлению воды сверху вдоль стенок камеры и вертикальных рукавов к входу в ГЗУ, приводящее к размыву сапропеля и невозможности вести устойчивую выемку сапропеля естественной влажности.

Известно грунтозаборное устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля по патенту 2745146, включающее плавсредство с размещенными на нем папильонажными и подъемными лебедками, напорным трубопроводом, соединенным с грунтозаборным блоком. Грунтозаборный блок, включает скреперный ковш с возможностью горизонтального перемещения, погружную камеру с грунтовым насосом, соединенным с отводящим элементом, выполненным в виде напорного трубопровода. Ковш прикреплен крышкой к днищу камеры, при этом ковш и камера соединены между собой через соосные отверстия для прохода сапропеля.

Совмещение ковша с камерой с размещенным в ней грунтовым насосом позволяет до минимума снизить сопротивление сапропеля на входе и увеличить втягивающую (всасывающую) способность камерного устройства за счет внешнего гидростатического давления, что позволяет вести выемку илов, находящихся не только в текучем, но и в пластичном состоянии.

Грунтозаборный блок оснащен системой из трех тросов, натяжение которых контролируется с плавсредства, в частности, натяжного для продвижения блока, подвесного для поднимания и опускания блока на заданную глубину и страховочного троса для предотвращения потери грунтозаборного блока в случае обрыва натяжного или подвесного тросов.

Недостатком технического решения по названному патенту является невозможность использования устройства на глубинах более 40 м, и низкая производительность устройства, ограниченная производительностью одного насоса до 300 м³/ч.

Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков.

Технический результат - повышение производительности и глубины разработки устройства, его надежности, снижение энергозатрат, снижение негативного воздействия на экологическую систему морей и океана (отсутствие возвратной воды и облака взвеси), повышение качества добываемого сырья естественной влажности без всасывания воды.

Это достигается тем, что предлагается устройство для глубоководной добычи илистых отложений и очистки водоемов, включающем плавсредство с размещенными на нем подъемными лебедками, отводящим трубопроводом, соединенным с грунтозаборным блоком, в котором, согласно изобретению,

грунтозаборный блок включает несущую плиту с верхними и нижними продольными ребрами, снабженную подвесным тросом, закрепленным на одной из подъемных лебедок плавсредства;

между верхними ребрами несущей плиты смонтировано по меньшей мере две погружные камеры, в каждой из которых установлено по меньше мере по одному грунтовому насосу с всасывающим патрубком;

между нижними ребрами несущей плиты смонтированы по меньшей мере два скреперных ковша, каждый из которых совмещен с соответствующей погружной камерой через соответствующий всасывающий патрубок грунтового насоса для прохода илистых отложений;

несущая плита со стороны дна водоема снабжена компенсирующими элементами и снабжена тросом рабочего хода для передвижения в горизонтальном направлении,

а также устройство дополнительно содержит погружной блок, включающий погружную платформу, которая подвешивается на подвесном тросе, закрепленном на лебедке плавсредства, и крепится анкерными устройствами ко дну водоема;

на погружной платформе размещена тяговая лебедка, соединенная тросом рабочего хода с несущей плитой грунтозаборного блока.

Предпочтительно для усиления жесткости грунтозаборного блока в поперечном направлении ребра плиты оснащать поперечными стержневыми фиксаторами, а по ходу рабочего движения блока каждую пару ребер усиливать лобовой наклонной пластиной жестко прикрепленной к несущей плите.

Целесообразно компенсирующие опорные элементы выполнять в виде полостей с возможностью изменения их высоты за счет изменения внутреннего давления, или выполненных, например, в виде лыж на гидравлических цилиндрах.

Предпочтительно, компенсирующие элементы соединить с системой подачи воздуха, воды или гидравлического масла, установленной на плавсредстве, посредством питающих трубопроводов высокого давления.

Целесообразно для увеличения длины участка добычи илистых отложений, чтобы устройство включало два плавсредства для раздельного закрепления на них погружного блока и грунтозаборного блока.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показано схематично устройство для добычи илистых отложений с выносным элементом I грунтозаборного блока;

на фиг.2 - показано схематично устройство с выносным элементом перекачивающего блока для глубоководной добычи илистых отложений;

на фиг.3 - показан грунтозаборный блок с тремя камерами, вид сверху:

на фиг.4 - грунтозаборный блок по сечению А-А на фиг.3;

на фиг.5 - грунтозаборный блок по сечению В-В на фиг.3;

на фиг.6 - грунтозаборный блок по сечению С-С на фиг.3;

на фиг.7 - схемы расположения скреперных ковшей с выступом.

Устройство, согласно изобретению, представленное схематично на фиг.1, включает плавсредство 1 с размещенными на нем трюмным бункером и подъемными лебедками, с которым соединены грунтозаборный блок 2 и погружной блок 3 с выносным элементом грунтозаборного блока 2. Грунтозаборный блока 2, включает несущую плиту 4, выполненную с верхними и нижними продольными ребрами, между которыми сверху установлены по меньшей мере две погружные камеры 5, каждая из которых снабжена по меньшей мере одним грунтовым насосом 6, подсоединенным к отводящим трубопроводам 7 высокого давления для подачи добываемых илистых отложений на плавсредство 1. На несущей плите 4 со стороны, обращенной ко дну водоема, между нижними продольными ребрами смонтированы по меньшей мере два скреперных ковша 8, каждый из которых совмещен с соответствующей погружной камерой 5 и сообщающиеся через соосные отверстия, в которых расположен соответствующий всасывающий патрубок 9 грунтового насоса 6 для прохода илистых отложений.

Скреперные ковши 8 снабжены на входе сеткой ножом 10, что обеспечивает предохранение насосов 6 от попадания крупных включений. При закреплении более двух скреперных ковшей 8 на плите 4, один из них устанавливается с выступом, что облегчает внедрение ковшей 8 в грунт.

Несущая плита 4 подвешивается на подвесном тросе 11 и закреплена на лебедке плавсредства 1.

Погружной блок 3, представленный на фиг.1, состоит из погружной платформы 12, которая подвешивается на подвесном тросе 13 и закреплена на лебедке плавсредства 1, и крепится анкерными устройствами 14 ко дну водоема. На названной платформе 12 размещена тяговая лебедка 15, соединенная тросом 16 рабочего хода с несущей плитой 4 грунтозаборного блока 2.

Погружная платформа 12 обеспечивает устойчивое рабочее перемещение блоку (2) при грунтозаборе при установленной экологически безопасной скорости до 5 см/с, поскольку натяжение троса 16 рабочего хода при любых глубинах остается горизонтальным, а скорость перемещения грунтозаборного блока (2) можно точно регулировать скоростью вращения тяговой лебедки 15, поскольку они находятся на глубине в не зоны волновых и ветровых нагрузок. При требуемой высокой производительности комплекса, увеличивается площадь и количество скреперных ковшей 8, увеличивается количество встроенных в блок 2 насосов 6, увеличивается вес блока 2, что приводит к возрастанию натяжения троса рабочего хода 16, которое передается от лебедки 15 на погружную платформу 12. Для предотвращения скольжения платформы 12 по дну ее положение фиксируется за счет внедрения анкерных свай 14 в донный грунт, или за счет увеличения собственного веса и большей площади опоры платформы 12, или за счет того и другого одновременно в зависимости от несущей способности донного грунта.

Используемая гидравлическая лебедка 15 имеет корпус, на котором закреплен барабан и гидравлический мотор 27. Корпус лебедки 15 крепится к платформе 12 с помощью анкерных болтов.

Гидравлический мотор 27 управляется с помощью гидравлической жидкости, которая подается к мотору лебедки по высоконапорным гидравлическим шлангам 28, соединяющими гидромотор с гидравлической станцией, размещенной на плавсредстве 1.

С помощью гидравлического мотора 27 можно очень точно регулировать частоту вращения барабана и скорость продвижения грунтозаборного блока 2, добиваясь скорости его продвижения в пределах 4-5 см в секунду.

На фиг.2 схематично представлено устройство для добычи илистых отложений с выносным элементом перекачивающего блока для глубоководной добычи илистых соединений.

Увеличение глубины разработки осуществляется с помощью перекачивающего блока 20, имеющего камеру 21 со встроенными перекачивающими насосами 22, закрепленными параллельно на вертикальной стенке камеры, и бункерами 23 для илистых отложений, закрепленными на противоположной вертикальной стенке камеры 21. Блок 20 подвешивается на погружном тросе 24 к подъемному устройству плавсредства 1. При этом отводящие трубопроводы 7 высокого давления соединяются с блоком 20 для подачи илистых отложений в бункера 23 через загрузочные патрубки 25, из которых ил всасывается насосом 22 и подается по отводящему трубопроводу 26 в приемный бункер плавсредства или плав баржу.

Каждый грунтовой насос 6, установленный в камере 5, и соответствующий ему перекачивающий насос 22, установленный в камере 21, образуют одну рабочую линию подъема ила на поверхность с одной парой насосов 6 и 22, и если в камере 5 установлено три грунтовых насоса 6, то столько же перекачивающих насосов 22 установлено в камере 21, и в этом случае будет три рабочих линии подъема ила и три пары насосов.

Насос 6 и насос 22 обладают одинаковой производительность, и различие их состоит только в противоположной ориентации насосов в линии, а именно: высоконапорный выход насоса 6 соединен со всасывающим патрубком 9 и ориентирован таким образом на прием илистой смеси под высоким внешним гидростатическим давлением, а насос 22 в перекачивающей камере 21 ориентирован высоконапорным выходом насоса в противоположную сторону, то есть на подачу илистой смеси из камеры 21 на поверхность и соединен с отводящим трубопроводом 26 для подачи гидросмеси в трюм судна или в плав баржу.

Такая противоположная ориентация насоса 6 необходима для его защиты от повышенного гидростатического давление на входе, и при такой ориентации насос может выдержать внешнее давление до 24 бар, что обеспечит глубину разработки до 240 м. При этом противоположная сторона насоса со стороны привода может выдерживать давление лишь до 4 бар. Таким образом грунтозаборный насос 6 находясь на глубине в 240 метров сможет поднять илистый грунт по отводящему трубопроводу 7 лишь на высоту 30-35 метров и осуществить его подачу в приемный бункер 23, из которого насос 22 всосет его и подаст через отводящий трубопровод 26 под максимальным давлением 24 бара на высоту в 200-220 м.

На фиг.3 представлен грунтозаборный блок 2 вид сверху, на котором показано размещение трех погружных камер 5 с выступом через одну, совмещенных с соответствующими скреперными ковшами 8 (на фиг не показано), что позволяет не только снизить сопротивление резания грунта, но и снижает тем самым нагрузку на тяговую лебедку 15 и на трос 16 рабочего хода, и соответственно снижает энергозатраты на разработку, по сравнению с вариантом, когда имеется один широкий скреперный ковш или когда 3 или 5 скреперных ковшей расположены на одной линии.

На фиг.4 изображен вид грунтозаборного блока 2 по сечению А-А на фиг.3. На несущей плите 4 блока 2 со стороны дна закреплены компенсирующие опорные элементы 17, выполненные в виде лыж 18 на гидравлических цилиндрах 19 и соединены с гидрораспределителем 29 подачи гидравлического масла (или воздуха, или воды), закрепленным на несущей плите 4 посредством питающих трубопроводов высокого давления 30. Несущая плита 4 оснащена поперечными стержневыми фиксаторами 31, а по ходу рабочего движения блока каждая пара верхних ребер 32 усилена лобовой наклонной пластиной 33, жестко прикрепленной к несущей плите 4.

На фиг.5 изображен грунтозаборный блок 2 по сечению В-В на фиг.3, где представлено размещение погружных камер с 5 с грунтовыми насосами 6 на несущей плите 4 и расположение опорных элементов 17, стержневых фиксаторов 31 и ребер 32.

На фиг.6 грунтозаборный блок 2 изображен по сечению С-С на фиг.3, где несущая плита 4 усилена лобовой пластиной 33 и ребра оснащены поперечными стержневыми фиксаторами 31, а скреперные ковши 8 снабжены сетками ножами 10.

На фиг.7 схематично показаны варианты размещение скреперных ковшей 8 на несущей плите 4 при их различном количестве.

Если количество скреперных ковшей 8 увеличивается, то они устанавливаются с выступом через один, например, по формуле 2/1+3 при наличие трех камер и трех ковшей соответственно, или по формулу 2+4/1+3+5 при наличие пяти камер и пяти ковшей соответственно, или по формуле 2+3/1+4 при наличие четырех ковшей и четырех камер соответственно.

Устройство, согласно изобретению, работает следующим образом. С помощью подвесных тросов 11 и 13 плавсредство 1 опускает на дно погружную платформу 12 и грунтозаборный блок (2), соединенные между собой тросом рабочего хода 16, затем ослабляются подвесные троса 11 и 13 и включается тяговая лебедка 15, передавая тяговое усилие на ребристую несущую плиту 4. За счет натяжения троса 16 грунтозаборный блок 2 начинает двигаться в сторону погружной платформы 12 со скоростью не более 5 см в секунду (максимально допустимая скорость перемещения под водой без образования взвеси).

По мере продвижения грунтозаборного блока 2 вперед происходит внедрение скреперных ковшей 8 в грунт под собственным весом блока 2 и регулировкой высоты компенсаторов 17, позволяющих менять угол наклона опорной плиты 4 к поверхности дна.

Поступающий в ковши грунт всасывается грунтовыми насосами 6, установленными в камерах 5 на несущей плите 4 через всасывающие патрубки 9, и подает на поверхность по отводящим трубопроводам 7 высокого давления в трюм земснаряда или загружается в пришвартованные к земснаряду шаланды (баржи) для дальнейшей транспортировки в порт на выгрузку.

Длина одной заходки грунтозаборного блока 2 определяется длиной корпуса плавсредства 1 и длиной троса рабочего хода 16.

Производительность каждого из установленных на блоке 2 насосов 6 Q^Hac при этом определяется объемом срезанного ковшом 8 грунта по формуле:

где S^ков - фронтальная площадь ковша, м²;

^{Lтроса - длина троса 16 рабочего хода, равная расстоянию проходимому грунтозаборным блоком (2) за 1 час при максимально допустимой скорости движения (скорость сматывания троса) не более 0,05 м/с или 180 м/ч.}

После отработки одной заходки блоки 2 и 3 поднимаются с грунта тросами 11 и 13 соответственно, лебедка 15 при этом отключает тормоза и работает в реверсивном режиме для разматывания троса 16, и блок 2 отходит на исходную позицию, когда трос 11 займет вертикальное положение под действием силы тяжести блока 2.

После чего плавсредство 1 делает переход по ходу вперед, или назад, или в бок, занимает место для 2-ой заходки, и все операции повторяются снова.

Увеличение глубины разработки достигается за счет применения подвесных перекачивающих блоков 20, выполняющих роль бустерных станций по подъему гидросмеси в приемный бункер плавсредства 1 или в транспортное средство типа баржи.

Изобретение относится к области гидромеханизированной добычи илистых отложений на больших глубинах, в том числе известковых грязей и сапропеля, которые широко используются в металлургии, химии, производстве бумаги. Технический результат – повышение производительности и глубины разработки устройства, его надежности, снижение энергозатрат, снижение негативного воздействия на экологическую систему морей и океана, повышение качества добываемого сырья естественной влажности без всасывания воды. Устройство для глубоководной добычи илистых отложений и очистки водоемов включает плавсредство с размещенными на нем подъемными лебедками, отводящим трубопроводом, соединенным с грунтозаборным блоком. Грунтозаборный блок включает несущую плиту, выполненную с продольными нижними и верхними ребрами и снабженную подвесным тросом, закрепленным на одной из подъемных лебедок плавсредства. Между верхними ребрами несущей плиты смонтировано по меньшей мере две погружные камеры, в каждой из которых установлено по меньшей мере по одному грунтовому насосу с всасывающим патрубком. Между нижними ребрами смонтированы по меньшей мере два скреперных ковша, каждый из которых совмещен с соответствующей погружной камерой через соответствующий всасывающий патрубок грунтового насоса для прохода илистых отложений. Несущая плита со стороны дна водоема снабжена компенсирующими опорными элементами и снабжена тросом рабочего хода для передвижения в горизонтальном направлении. Устройство дополнительно содержит погружной блок, включающий погружную платформу, которая подвешена на подвесном тросе, закрепленном на одной из лебедок плавсредства, и закреплена анкерными устройствами к дну водоема. На погружной платформе размещена тяговая лебедка, соединенная тросом рабочего хода с несущей плитой грунтозаборного блока. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для глубоководной добычи илистых отложений и очистки водоемов, включающее плавсредство с размещенными на нем подъемными лебедками, отводящим трубопроводом, соединенным с грунтозаборным блоком, отличающееся тем, что

грунтозаборный блок включает несущую плиту, выполненную с продольными нижними и верхними ребрами и снабженную подвесным тросом, закрепленным на одной из подъемных лебедок плавсредства;

между верхними ребрами несущей плиты смонтировано по меньшей мере две погружные камеры, в каждой из которых установлено по меньшей мере по одному грунтовому насосу с всасывающим патрубком;

между нижними ребрами смонтированы по меньшей мере два скреперных ковша, каждый из которых совмещен с соответствующей погружной камерой через соответствующий всасывающий патрубок грунтового насоса для прохода илистых отложений;

несущая плита со стороны дна водоема снабжена компенсирующими опорными элементами и снабжена тросом рабочего хода для передвижения в горизонтальном направлении,

а также тем, что дополнительно содержит погружной блок, включающий погружную платформу, которая подвешена на подвесном тросе, закрепленном на одной из лебедок плавсредства, и закреплена анкерными устройствами к дну водоема;

на погружной платформе размещена тяговая лебедка, соединенная тросом рабочего хода с несущей плитой грунтозаборного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущая плита оснащена поперечными стержневыми фиксаторами, а по ходу рабочего движения блока каждая пара ребер усилена лобовой наклонной пластиной, жестко прикрепленной к несущей плите.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсирующие опорные элементы выполнены в виде полостей с возможностью изменения высоты за счет изменения внутреннего давления.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсирующие опорные элементы выполнены в виде лыж на гидравлических цилиндрах.

5. Устройство по пп.3, 4, отличающееся тем, что компенсирующие опорные элементы соединены с системой подачи воздуха, воды или гидравлического масла, установленной на плавсредстве, посредством питающих трубопроводов высокого давления.