Способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых и комплекс для его реализации Российский патент 2025 года по МПК E21C50/00 B03C1/14 

Изобретение относится к добывающей промышленности, и может быть использовано для разработки подводных месторождений твердых полезных ископаемых с одновременным обогащением.

Известен способ по придонной разработке и обогащению магнитной фракции подводных россыпей, включающий врезание скреперного ковша в толщу россыпи, горная масса которой пересыпаясь через плужки, попадает в зону действия включенных электромагнитов и полезное ископаемое обладающее определенными магнитными свойствами, притягивается к поверхности плужков, а пустая порода беспрепятственно просыпается сквозь ковш, и при прохождении ковша над опорами установленными на берегу, электромагниты отключаются и полезный компонент высыпается в бункер [Добрецов И.Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа. – Л.: Недра, 1980, с. 219-221].

Недостатком данного способа является ограниченная область применения – реализация возможна только на береговых и только для россыпных месторождений полезных ископаемых, обладающих определёнными магнитными свойствами.

Известен способ добычи железосодержащих песков в условиях моря с беспрерывным сепарированием песков, включающий работу земснаряда с сепаратором у всасывающего патрубка, при этом барабан сепаратора вращается вокруг магнитной системы, набранной из постоянных магнитов, а подаваемая насосом вода поступает к насадке рыхлителя и размывает поверхность россыпи. В следствии этого, песок и магнитные частички оказываются во взвешенном состоянии и магнитами притягиваются к поверхности барабана, который вращаясь переносит налипшие частички полезного ископаемого в немагнитную зону, где притяжение исчезает и происходит их засасывание через всасывающий патрубок с дальнейшим транспортированием до уровня водоема с перегрузкой в приемный бункер [Кронгауз М.Л. Опыт попутного обогащения железосодержащих песков при их подводной добыче. В кн.: Вопросы подводной добычи полезных ископаемых. – М.: Недра, 1971, с. 49-52].

Недостатком данного способа является ограничение по глубине разработки, которое характеризуется моделью земснаряда, а также возможность применения только на россыпных месторождениях поддающимся гидравлическому рыхлению.

Прототипом и наиболее близким к предлагаемому способу добычи с одновременным обогащением является способ добычи твердых полезных ископаемых со дна арктического шельфа [Патент RU 2615192 C1, МПК E21C 50/00, опубликовано 04.04.2017], включающий отработку камерных выработок, формирование грунтоледовых тел с удельным весом меньше удельного веса воды, отличающийся тем, что место выработки делят на участки и ведут отработку месторождения полезного ископаемого в шахматном порядке, создавая на каждом участке исскуственную 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, далее цикл повторяют до полной отработки месторождения.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что формирование грунтоледяных тел из всего массива пород, попадающего в камерную выработку подкупольного пространства, ведет к повышенному расходу энергозатрат для всплытия полезного компонента, так как вместе с ним будет происходить и всплытие вмещающих пород. Также, данный способ применим исключительно при отработке несвязных породах.

Известно устройство для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа [Патент RU 2549648 C1, МПК Е21С 50/00, опубликовано 27.04.2015], включающее транспортировочную трубу для подачи полезных ископаемых, выполненная книзу с раструбом, и трубопровод для подачи хладагента, отличающееся тем, что транспортировочная труба выполнена переменного сечения с образованием чередующихся цилиндрических отсеков, имеющих входные и выходные отверстия, причем верхние части одних отсеков расположены под наклоном как накрестлежащие по отношению к другим отсекам, а нижние части отсеков выполнены конусными, взаимосвязаны с трубопроводами для подачи хладагента, причем выходные отверстия отсеков расположены от входных отверстий на расстоянии, необходимом для .прохождения и поддержания грунтоледяных тел во взвеси.

Недостатком данного устройства является ограниченность применения по глубине разработки в связи с необходимостью организации нескольких трубопроводов, что также влечет увеличении массы данной конструкции. Кроме этого, подводные течения способы также негативно влиять на эффективность и безопасность работы с помощью данного устройства.

Известна установка для добычи полезных ископаемых со дна акватории [Патент RU 2797884 C1, МПК Е21С 50/00, опубликовано 09.06.2023], включающая плавучее средство с установленным на нем хладоагрегатом, для подачи хладагента, напорный трубопровод, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена устройством для подъема, взаимосвязанным с напорным трубопроводом, при этом устройство для подъема снабжено буровыми полыми штангами, взаимосвязанными с гидроцилиндрами, и процессором, выполненным с возможностью управления двигателями забуриваемых полых штанг и регулировки высоты штанг при помощи гидроцилиндров и масляного насоса, при этом штанги выполнены с возможностью вращения и снабжены в нижней части перфорацией и шнеками.

Недостатками данной установки являются высокие удельные затраты на транспортировку полезного компонента, так как образуемое и поднимаемое на плавучее средство грунтоледяное тело содержит в себе, как вмещающие породы, так и полезный компонент в нем, а также необходимость в постоянной замене буровых полых штанг по мере из износа.

Прототипом и близким техническим решением с заявляемым является комплекс для добычи полезных ископаемых со дна водоема [Патент RU 2810662 C1, МПК E21C 50/00; E21C 45/00, опубликовано 28.12.2023], включающий добычное судно, соединенное с агрегатом подводной добычи с помощью гибкой трос-трубы для подачи хладагента, отличающийся тем, что агрегат подводной добычи представляет собой трубопровод для подачи хладагента и выполнен Е-образной формы с перпендикулярно расположенными полыми фрезерными рыхлителями относительно его горизонтальной плоскости, закрепленными посредством герметичным подшипников качения и жесткой оси, установленной на герметичных упорных подшипниках, при этом фрезерные рыхлители снабжены перфорированными острыми наконечниками, в полости рыхлителей расположены турбины, закрепленные на осях с возможностью передачи вращения на рыхлители, добычное судно выполнено с возможностью подачи хладагента под давлением и управления добычей и перемещением подводного агрегата, транспортирующее судно выполнено с возможностью сбора всплывающих грунтоледяных тел гидравлическим экскаватором с грейферным ковшом.

Недостатком данного комплекса является повышенный удельный расход подаваемого в подводный забой хладагента, так как предусматривается образование грунтоледяных тел и c полезным компонентом, входящим в состав полезного ископаемого, так и с породами, вмещающие полезный компонент. Кроме этого, можно выделить, что присутствует необходимость либо транспортировки вмещающих пород, что повышает затраты на транспортировку самого полезного компонента, либо установки обогатительного оборудования непосредственно на транспортном судне, что повысит его металлоемкость и необходимые энергетические затраты.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых и комплекса для его реализации, позволяющие снизить объем транспортируемой горной массы с подводного забоя к поверхности воды за счет исключения из данного процесса вмещающих пород.

Достигается это следующим способом добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых и комплексом для его реализации.

Способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых, включающий отработку участка полезного ископаемого с формированием грунтоледяных тел с отрицательной гидравлической крупностью, всплытия грунтоледяного тела, отработку участка ведут механическим рыхлением с последующей классификацией магнитной индукцией грунтоледяных тел, на грунтоледяные тела, включающие только частицы вмещающих пород, удаляющиеся из зоны добычи и на грунтоледяные тела, содержащие частицы полезного компонента, которые после потери части ледяной корки из-за нагрева полезного компонента в поле магнитной индукции объединяют в транспортное грунтоледяное тело, всплывающее на поверхность воды. Комплекс для реализации способа добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых, включающий подводный комбайн и добычное судно, выполненное с возможностью подачи хладагента по гибкой трос-трубе, управления добычей и перемещением подводного комбайна и возможностью сбора всплывающих грунтоледяных тел, отличающееся чем, что подводный комбайн выполнен в виде самоходной машины на гусеничном ходу с режущим барабанным органом, на которой установлен конвейер, перед набегающим концом которого установлен погрузочный орган с устройством подачи хладагента, а за сбегающим концом конвейера размещен барабанный механизм с замораживающими ёмкостями, соединенный трос-трубой с добычным судном, при этом погрузочный орган и конвейер размещены под кожухом, ограничивающим зону распространения хладагента и грунтоледяных тел, а между ветвями ленты конвейера установлена плита магнитной индукции.

Способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых и комплекс для его реализации поясняются графически:

на фиг. 1 представлен вид сбоку подводного комбайна на гусеничном ходу;

на фиг. 2 показан вид сверху подводного комбайна на гусеничном ходу;

на фиг. 3 изображен подводный комбайн на гусеничном ходу в разрезе А-А;

на фиг. 4 представлен способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых с комплексом для его реализации в продольном разрезе;

на фиг. 5 представлен способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых с комплексом для его реализации в разрезе Б-Б;

где: 1 – подводный комбайн на гусеничном ходу; 2 – режущий барабан; 3 – погрузочный орган; 4 – устройство подачи хладагента; 5 – кожух; 6 – конвейер; 7 – индукционная плита; 8 – замораживающая емкость; 9 – барабанный механизм; 10 – направление вращения барабанного механизма; 11 – трос-труба; 12 – полезное ископаемое; 13 – частица полезного компонента; 14 – частица вмещающей породы; 15 – поток выходящего хладагента; 16 – грунтоледяное тело с частицей полезного компонента; 17 – грунтоледяное тело с частицей вмещающей породы; 18 – транспортное грунтоледяное тело; 19 – добычное судно; I – первое положение замораживающей емкости; II – второе положение замораживающей емкости; III – третье положение замораживающей емкости; IV – четвертое положение замораживающей емкости.

Комплекс для реализации способа добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых, включает подводный комбайн на гусеничном ходу 1 и добычное судно 19, выполненное с возможностью подачи хладагента и электроэнергии подводному комбайну 1 посредством трос-трубы 11, а также с возможностью подъема и размещения на борту добытого и обогащенного полезного ископаемого.

Подводный комбайн на гусеничном ходу 1 выполнен в виде самоходной машины с режущим барабанным органом 2, на которой установлен конвейер 6, между ветвями ленты которого установлена плита магнитной индукции 7. Перед набегающим концом конвейера 6 установлен погрузочный орган 3 с устройством подачи хладагента 4, после сбегающего конца размещен барабанный механизм 9 с замораживающими ёмкостями 8, соединенный с трос-трубой 11. Погрузочный орган 3 и конвейер 6 размещены под кожухом 5, ограничивающим зону распространения хладагента и грунтоледяных тел.

Способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых с помощью комплекса для его реализации осуществляется следующим образом.

Подводный комбайн на гусеничном ходу 1 опускается на дно акватории в предполагаемом месте добычи полезного ископаемого 12, которое содержит частицы полезного компонента 13 и частицы вмещающих пород 14. Частицы полезного компонента 13 могут быть представлены редкоземельными металлами, железосодержащими минералами или другими материалами, обладающими магнитными свойствами.

Управление подводным комбайном на гусеничном ходу 1 в процессе добычи производится с добычного судна 19, как и электропитание и подача хладагента через трос-трубу 11. Режущим барабанным органом 2 производят послойное разрушение добываемого полезного ископаемого 12 на частицы, которые направляют, за счет сил инерции, в сторону погрузочного органа 3. Подают хладагент от добычного судна 19 к подводному комбайну 1. Частицы полезного компонента 13 и частиц вмещающих пород 14, проходя через поток выходящего хладагента 15 из устройства подачи хладагента 4 погрузочного органа 3, выступают в качестве центров кристаллизации подводного льда. Происходит процесс образования и роста ледяной корки на их поверхности, тем самым формируются грунтоледяные тела, обладающие отрицательной гидравлической крупностью, всплывая размещаются в пространстве под ограничивающим кожухом 5. Работой погрузочного органа 3 осуществляют продвижение грунтоледяных тел в направлении конвейера 6. В индукционном поле, распространяемым индукционной плитой 7, в зоне конвейера 6 происходит перераспределение грунтоледяных тел. Грунтоледяные тела 16 с частицами полезного компонента 13 осаждаются на конвейер 6, а грунтоледяные тела 17, содержащие только частицы вмещающих пород 14 перемещаются в пространстве под ограничивающим кожухом 5 вверх и в конечном итоге уплывают из зоны добычных работ до тех пор, пока их ледяная корка полностью не растает от воздействия естественной температуры воды и частицы вмещающих пород 14 не осядут на дно.

В индукционном поле происходит процесс нагрев грунтоледяных тел 16 с частицами полезного компонента 13, обладающими магнитными свойствами, это ускоряет процесс таяния ледяной корки данных грунтоледяных тел и на конвейер 6 оседают, только частицы полезного компонента 13.

Грунтоледяные тела 17 содержащие только частицы вмещающих пород 14 не поддаются воздействию индукционного поля из-за физических свойств частиц вмещающих пород, в связи с чем интенсивность таяния их ледяной корки становится ниже по сравнению с грунтоледяными телами с частицами полезного компонента 16, и происходит их всплытие и удаление из-под кожуха 5 подводного комбайна 1. Все это приводит к отделению большей массы вмещающих пород 14 от частиц полезного компонента и тем самым обогащению полезного ископаемого в процессе добычи.

Частицы полезного компонента 13 осевшие на конвейер 6, транспортируются до замораживающих емкостей 8. Замораживающие емкости 8, по мере наполнения частицами полезного компонента 13 меняются с помощью барабанного механизма 9 по направлению движения 10. В замораживающих емкостях 8 производят формирование формирования транспортного грунтоледяного тела 18.

Барабанный механизм 9 переводит замораживающие емкости 8 в следующие положения:

- положение I замораживающей емкости – заполнение, обогащенными в индукционном поле, частицами полезного компонента 13 с конвейера 6;

- положение II замораживающей емкости – закрытие крышки и образование закрытого контура для частиц полезного компонента 13 и воды, которые находились в данной замораживающей емкости 8. После чего, производят подачу хладагента по контуру замораживающей емкости 8 с закрытой крышкой и созданию условий ледодообразования и формирования транспортного грунтоледяного тела 18;

- положение III замораживающей емкости – прекращают подачу хладагента по контуру замораживающей емкости 8 и производят открытие крышки замораживающей емкости 8, и образованное транспортное грунтоледяное тело 18 с отрицательной гидравлической крупностью – всплывает;

- положение IV замораживающей емкости – опорожненная замораживающая емкость 8 возвращается к сбегающему концу конвейера 6.

По достижению транспортным грунтоледяным телом 18 поверхности акватории, производится его сбор и размещение на добычном судне 19 с помощью гидравлического манипулятора.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности добычных работ при разработке подводных месторождений твердых полезных ископаемых, за счет снижения объемов транспортируемых пород, что в свою очередь снижает удельные затраты на транспортировку и повышает общую эффективность подводных горных работ.

Изобретение относится к добывающей промышленности и может быть использовано для разработки подводных месторождений твердых полезных ископаемых с одновременным обогащением. Для осуществления способа добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых выполняют отработку участка полезного ископаемого с формированием грунтоледяных тел с отрицательной гидравлической крупностью и их всплытием. Режущим барабанным органом подводного комбайна выполняют механическое рыхление добываемого полезного ископаемого на частицы и направляют их за счет сил инерции в сторону погрузочного органа. Подают хладагент от добычного судна к подводному комбайну. Магнитные частицы полезного компонента и частицы вмещающих пород, проходя через поток выходящего хладагента из устройства подачи хладагента погрузочного органа, выступают в качестве центров кристаллизации подводного льда, формируя грунтоледяные тела, размещаемые при всплытии в пространстве под ограничивающим кожухом. Погрузочным органом осуществляют продвижение грунтоледяных тел в направлении конвейера. В индукционном поле, распространяемом индукционной плитой в зоне конвейера, грунтоледяные тела с магнитными частицами полезного компонента осаждаются на конвейер. Грунтоледяные тела, содержащие только частицы вмещающих пород, перемещаются в пространстве под ограничивающим кожухом вверх и уплывают из зоны добычных работ. Магнитные частицы полезного компонента, осевшие на конвейер, транспортируют до замораживающих емкостей, которые, по мере наполнения магнитными частицами полезного компонента, меняют с помощью барабанного механизма по направлению движения, и формируют транспортное грунтоледяное тело, всплывающее на поверхность воды. Заявлен комплекс для добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых. Достигается технический результат – повышение эффективности добычных работ за счет снижения объемов транспортируемых пород, что в свою очередь снижает удельные затраты на транспортировку и повышает общую эффективность подводных горных работ. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых, включающий отработку участка полезного ископаемого с формированием грунтоледяных тел с отрицательной гидравлической крупностью, всплытия грунтоледяного тела, отличающийся тем, что режущим барабанным органом подводного комбайна выполняют механическое рыхление добываемого полезного ископаемого на частицы, которые направляют за счет сил инерции в сторону погрузочного органа, подают хладагент от добычного судна к подводному комбайну, магнитные частицы полезного компонента и частицы вмещающих пород, проходя через поток выходящего хладагента из устройства подачи хладагента погрузочного органа, выступают в качестве центров кристаллизации подводного льда, формируя грунтоледяные тела, которые, всплывая, размещаются в пространстве под ограничивающим кожухом, погрузочным органом осуществляют продвижение грунтоледяных тел в направлении конвейера, в индукционном поле, распространяемом индукционной плитой в зоне конвейера, грунтоледяные тела с магнитными частицами полезного компонента осаждаются на конвейер, а грунтоледяные тела, содержащие только частицы вмещающих пород, перемещаются в пространстве под ограничивающим кожухом вверх и уплывают из зоны добычных работ, при этом магнитные частицы полезного компонента, осевшие на конвейер, транспортируют до замораживающих емкостей, которые, по мере наполнения магнитными частицами полезного компонента, меняют с помощью барабанного механизма по направлению движения, и формируют транспортное грунтоледяное тело, всплывающее на поверхность воды.

2. Комплекс для добычи и одновременного обогащения подводных твердых полезных ископаемых, включающий подводный комбайн и добычное судно, выполненное с возможностью подачи хладагента по гибкой трос-трубе, управления добычей и перемещением подводного комбайна и возможностью сбора всплывающих грунтоледяных тел, отличающийся тем, что подводный комбайн выполнен в виде самоходной машины на гусеничном ходу с режущим барабанным органом, на которой установлен конвейер, перед набегающим концом которого установлен погрузочный орган с устройством подачи хладагента, а за сбегающим концом конвейера размещен барабанный механизм с замораживающими емкостями, соединенный трос-трубой с добычным судном, при этом погрузочный орган и конвейер размещены под кожухом, ограничивающим зону распространения хладагента и грунтоледяных тел, а между ветвями ленты конвейера установлена плита магнитной индукции, обеспечивающая осаждение грунтоледяных тел с магнитными частицами полезного компонента на конвейер.