Способ подводной добычи песков на арктическом шельфе Российский патент 2024 года по МПК E21C50/00 E21C45/00 F42D3/04 

Изобретение относится к горному делу, в частности к разработке месторождений со дна континентального шельфа и прибрежных россыпей в условиях отрицательных температур.

Известен опыт подводной добычи песков на морском россыпном месторождении залива Северного Ледовитого океана (см. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. Под общей редакцией В.В. Ржевского и Г.А. Нурока. М.: Недра, 1979. с. 277-282 [1]). Добыча песков производилась в теплое время года по чистой воде землесосным снарядом. Пески со дна акватории высасывались землесосной установкой ЗГМ-1-350, установленной на понтоне, и по плавучему трубопроводу подавались на обогатительную фабрику.

Недостатком данного способа подводной добычи песков является низкая эффективность использования добычного и обогатительного оборудования вследствие короткой продолжительности навигации и промывочного сезона для плавучих установок на Арктической зоне.

Известно подводное техническое средство для добычи полезных ископаемых (см. RU 2113377 С1, 20.06.1998, кл. B63G 8/00, E21C 50/00), позволяющее производить добычу полезных ископаемых в любое время года, в том числе и в ледовых условиях. Подводное техническое средство содержит полусферическую оболочку с выдвижной шахтой для доступа с поверхности моря. Оболочка выполнена с внутренней и наружной обшивками, между которыми размещены меридиональные и кольцевые ребра жесткости и балластные цистерны, при этом подводное техническое средство дополнительно снабжено энергетическими и движительными системами, причем, добывающее оборудование и энергетические движительные системы и системы жизнеобеспечения размещены на горизонтальных платформах во внутренней полости оболочки.

Недостатком способа добычи песков с использованием известного подводного технического средства со дна моря и из-под полусферической оболочки является ограниченная область применения установки для мелкозалегающих неглубоких россыпей из-за больших ее габаритов по высоте, необходимого для размещения внутри купола добычной драги, атомной энергетической установки, размещения жилья, систем управления, жизнеобеспечения и движительной системы.

Способ добычи твердых полезных ископаемых со дна арктического шельфа по патенту RU 2615192 С1, 04.04.2017, кл. E21С 50/00 включает отработку камерных выработок, формирование грунтоледовых тел с удельным весом меньше удельного веса воды. При этом, создавая на каждом участке искусственную майну, отрабатывают первый участок, на дно которого опускают купол, соединенный с поверхностью гибким патрубком. Затем в подкупольное пространство через гибкий патрубок нагнетают воду со слоя воды выше уровня галоклина и после образования грунтоледовых тел в подкупольном пространстве и всплытия купола на поверхность ведут отработку второго участка по диагонали от первого участка для восстановления его ледовой поверхности.

Недостатком известного технического решения является неэффективность процесса образования грунтоледовых тел в подкупольном пространстве вследствие незначительных перепадов температуры и солености в мелководном шельфе северных морей Арктики.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ведения подводных горных работ при разработке шельфовых россыпей Арктики со льда в течение продолжительного зимнего периода. Решение включает добычу песков низконапорными грунтовыми насосами, установленными на льду, через всасывающий пульповод и транспортировку материала россыпи до обогатительной установки (см. Добрецов В.Б. Гидрофизические методы разработки россыпей шельфа. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976, с. 88-89).

Недостатком известного способа является низкая продуктивность скважины по объему доступных песков вследствие крутого угла откоса воронки слежавшихся донных осадков на дне арктических морей.

Задачей настоящего изобретения является увеличение объема добычи донных песков с одного технологического проема.

Для решения поставленной задачи способ подводной добычи песков на арктическом шельфе, включающий размыв, всасывание и подъем донных песков на поверхность через технологический проем на льду, отличается тем, что по достижении уровня нижнего предела глубины забоя добычное оборудование и пульповод возвращают в исходные позиции; на дне воронки выемки проходят скважину, размещают заряд взрывчатого вещества с конструкцией и параметрами для сотрясательного взрыва, в устье скважины размещают забойку для исключения выброса и производят подрыв заряда с формированием самотечного сползания донных песков в воронку выемки, после заполнения воронки выемки донными песками добычное оборудование возвращают в забой и технологический цикл повторяют в той же последовательности операций процесса добычи, как и первоначальный цикл, при этом технологический цикл выполняют многократно по мере углубления горных работ.

Технический результат, который достигается посредством настоящего изобретения, заключается в увеличении объема добываемых донных песков с одной точки установки технологического оборудования добычи, что значительно уменьшает общее количество перестановок и снижает соответствующие трудозатраты по обустройству добычных площадок при отработке месторождения в экстремальных условиях Арктического Севера. Положительный эффект от совокупности предложенных признаков технического решения достигается в связи с появлением следующих новых полезных свойств в предлагаемом способе в отличие от прототипа:

- увеличение промышленных запасов добычной скважины (технологического проема) за счет прироста доступных к выемке запасов донного песка с одной точки стояния вследствие увеличения радиуса воронки сползания ожиженных песков;

- исключение операции доставки песков к всасу землесоса за счет самотечной подачи их к забою, которое достигается активацией тиксотропных свойств водонасыщенных донных песков ударной волной.

Заявленное техническое решение осуществляется следующим образом.

Добыча песков со дна производится через технологический проем, выбранный на льду. Основные операции по размыву забоя, всасыванию и подъему донных песков на поверхность осуществляются известными типами землесосных установок для гидравлической добычи, расположенными на естественном ледяном покрове или же на специально намороженной ледяной платформе. При добыче донных песков с одной точки стояния выемка представляет собой опрокинутый конус или воронку, объем которых определяется высотой конуса (или глубиной воронки) и радиусом окружности основания. В технологической схеме выемки эти два параметра определяют доступный объем промышленных запасов с одной скважины или технологического проема. По мере выемки донных песков воронка углубляется и становится шире.

По достижении уровня нижнего предела глубины забоя добычное оборудование и пульповод возвращают в исходные позиции. На дне воронки размещают заряд взрывчатого вещества с конструкцией и параметрами для сотрясательного взрыва. Производят ударно-волновое воздействие на окружающую воронку толщу донных песков путем подрыва заряда, провоцируя самотечное сползание песков в воронку. После заполнения воронки донными песками технологический цикл выемки песков производят в той же последовательности операций процесса добычи, как и первоначальный цикл. Полный технологический цикл с подрывом заряда повторяют до тех пор, пока количество сползших после подрыва донных песков будет способно заполнять воронку в достаточном объеме.

Для усиления эффекта сейсмического воздействия ударной волны на окружающие воронку отложения донных песков и перевода их во взвешенное состояние заряд взрывчатого вещества размещают на дне воронки в нетронутом массиве. Забойку, массу взрывчатого вещества, конструкцию заряда и схему инициирования подбирают с учетом производства сотрясательного взрыва, минимизацией дробящего эффекта и оказанием минимального воздействия на ледяную платформу на поверхности. Для снижения загрязнения воды продуктами взрыва в качестве взрывчатого вещества можно применять взрывчатые смеси горючих газов с окислителями: бутан, пропан, гремучий газ и пр. Для производства взрыва комбинированного действия на сброс и сотрясение заряды взрывчатого вещества также можно разместить в песках вокруг воронки забоя.

Пример реализации способа

Рассмотрим задачу разработки одной из россыпей касситерита на акватории побережья моря Северного Ледовитого океана. Сезонная мощность ледяного покрова составляет в среднем около 2 м. Отрицательная среднесуточная температура воздуха сохраняется до первой декады июня. Море очищается ото льда лишь на 2-3 месяца полярного лета. Нередки резкие штормовые метеоусловия на море, которые могут вызвать продолжительные простои работ установок по добыче на плаву. Средняя мощность донных песков по месторождению составляет около 30 м.

На поверхности льда оборудуют добычную площадку для размещения необходимого оборудования. При необходимости, например для обеспечения круглогодичного режима работы, площадка может быть специально подготовлена в виде армированной ледяной платформы, выдерживающей весовую нагрузку оборудования и температурные воздействия. Добыча донных песков со дна производится землесосными установками через технологические окна или проемы соответствующего профиля и размеров. Операции по размыву забоя, всасыванию и подъему донных песков на поверхность выполняются по отработанной технологии подводной добычи песков соответствующими землесосными снарядами. Большая мощность донных песков позволяет вести добычные работы методом воронок. По мере выемки донных песков воронка углубляется и становится шире. После достижения проектной выработки пионерной воронки добычное оборудование поднимают на безопасный уровень или на поверхность. На дне воронки проходят скважину, закладывают заряд взрывчатого вещества, в устье скважины размещают усиленную забойку для исключения выброса и производят подрыв заряда. Взрывная волна инициирует сброс и оползни разрыхленных донных песков в воронку. После заполнения воронки песками добычное оборудование возвращают в забой и технологический цикл повторяют в той же последовательности операций процесса добычи, как и первоначальный цикл. Технологический цикл с подрывом заряда может выполняться многократно по мере углубления горных работ.

При рабочем угле откоса воронки 45° объем металлоносных донных песков, добываемых с одной точки стояния, составит 28,27 тыс. м³ согласно расчету по формуле объема конуса: V = (πHR²)/3, где H - высота, R – радиус основания. После проведения взрывного сотрясения донных песков за контуром пионерной воронки устойчивый угол откоса вторичной воронки разжиженных песков составит не более 20° (см. [1]: с. 289). Объем подготовленных к выемке донных песков при таком угле откоса составит не менее 213,43 тыс. м³. Таким образом, продуктивность добычи с одной воронки возрастет в 7,55 раза по сравнению с прототипом.

Предложенный способ подводной добычи донных песков на арктическом шельфе обеспечивает круглогодичный режим работ и значительно меньше подвержен влиянию метеорологических условий Крайнего Севера.

Изобретение относится к горному делу, в частности к разработке месторождений со дна континентального шельфа и прибрежных россыпей в условиях отрицательных температур. Способ подводной добычи песков на арктическом шельфе включает размыв, всасывание и подъем донных песков на поверхность через технологический проем на льду. По достижении уровня нижнего предела глубины забоя добычное оборудование и пульповод возвращают в исходные позиции. На дне воронки выемки проходят скважину, размещают заряд взрывчатого вещества с конструкцией и параметрами для сотрясательного взрыва. В устье скважины размещают забойку для исключения выброса и производят подрыв заряда с формированием самотечного сползания донных песков в воронку выемки. После заполнения воронки выемки донными песками добычное оборудование возвращают в забой и технологический цикл повторяют в той же последовательности операций процесса добычи, как и в первоначальном цикле. Техническим результатом является увеличение объема добычи песков с одного технологического проема.

Способ подводной добычи песков на арктическом шельфе, включающий размыв, всасывание и подъем донных песков на поверхность через технологический проем на льду, отличающийся тем, что по достижению уровня нижнего предела глубины забоя добычное оборудование и пульповод возвращают в исходные позиции, на дне воронки выемки проходят скважину, размещают заряд взрывчатого вещества с конструкцией и параметрами для сотрясательного взрыва, в устье скважины размещают забойку для исключения выброса и производят подрыв заряда с формированием самотечного сползания донных песков в воронку выемки, после заполнения воронки выемки донными песками добычное оборудование возвращают в забой и технологический цикл повторяют в той же последовательности операций процесса добычи, как и первоначальный цикл.