Способ добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК E21C50/00 E21C45/06 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при добыче россыпных месторождений твердых полезных ископаемых со дна континентального шельфа.

Известен способ добычи твердых полезных ископаемых со дна арктического шельфа [RU 2615192 С1, МПК E21C 50/00 от 12.08.2015, опубл. 04.04.2017], включающий отработку камерных выработок, формирование грунтоледовых тел с удельным весом меньше удельного веса воды. Место выработки делят на участки и ведут отработку месторождения полезного ископаемого в шахматном порядке, 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, далее цикл повторяют до полной отработки месторождения.

Недостатками способа являются низкая эффективность добычи, связанная с продолжительными процессами позиционирования оборудования, длительности вспомогательных операций, по создания искусственных майн, А также существует трудности определения уровня галоклина в постоянно меняющимся и смешивающейся толще воды.

Известен способ добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений и устройство для его осуществления [RU 2562304 С1, МПК E21C 50/00 от 28.11.2014, опубл. 10.09.2015], включающий отделение конкреций вместе с вмещающей породой от дна при помощи буксируемого судном добычного устройства в виде ковша, имеющего форму призмы без задней стенки, снабженного отвалом для внедрения в толщу донных отложений, содержащих конкреции, сбор конкреций в сетчатую приемную емкость, перекрывающую заднюю часть ковша, и подъем ее на поверхность при помощи гибких надувных баллонов, заполняемых воздухом. Данный способ добычи выбран в качестве прототипа.

Недостатками способа и реализующего его устройства являются большая металлоемкость, при применении трала на больших глубинах, за счет увеличения длинны тягового троса, а также не полная автономность, ввиду постоянной механической связи рабочего органа с плавучим судном на поверхности акватории.

Известно автономное устройство для подъема полезных ископаемых со дна акватории [RU 2539508 C1 от 21.11.2013, опубл. 20.01.2015], включающее грейферный ковш с армированными челюстями и гибкие звенья, при помощи которых ковш связан с газогенератором и с датчиком запуска гибкой полости, расположенными в контейнере.

Недостатком устройства является не аэродинамическая форма его узлов при постоянно открытой емкости в виде грейферного ковша, которая создает дополнительное сопротивление движению и тем самым увеличивает время спуска на дно, что негативно сказывается на производительности добычи полезного ископаемого.

Известно автономное устройство для подъема полезных ископаемых со дна акватории [RU 2545233 C1 от 13.02.2014, опубл. 27.03.2015], включающее транспортирующую емкость в виде грейферного ковша, снабженного рычагами с упорами и гибкими звеньями, датчик запуска, расположенный в контейнере, и гибкую полость. При этом гибкая полость заполнена жидкостью с расположенной в ней капсулой, содержащей реагенты. На вершине гибкой полости расположен клапан для заброса капсулы. Внутри контейнера, на боковых его стенках закреплены радиомаяки, а снаружи сцепные кольца. В качестве реагентов используют 3% хлористого натрия и 0,3% гипохлорида натрия.

Недостатком устройства является не стабильная подъемная сила при всплытии, причем уменьшающаяся со временем подъёма, за счет остывания раствора в гибкой полости.

Известно устройство автономной добычи твердых полезных ископаемых со дна континентального шельфа [RU 2651660 C1 от 30.05.2017, опубл. 23.04.2018], включающее грейферный ковш, состоящий из емкости и зубьев, гибких звеньев, взаимосвязанных с ковшом и механизм закрытия ковша. Несущая конструкция емкости ковша выполнена сферической формы, из эластичного материала, а снизу взаимосвязана с пружинным механизмом, при этом зубья ковша выполнены полыми, внутри которых расположены электродетонаторы и взрывчатое вещество. Недостатком устройства является низкая эффективность добычи, обусловленная тем, что черпание полезного ископаемого происходит совместно с пустой вмещающей породой, а подъем извлеченной горной массы на поверхность ведется в полном объеме.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа [RU 2526444 C1 от 09.07.2013, опубл. 20.08.2014], включающее транспортировочную трубу для подачи полезных ископаемых, соосно расположенную в полой трубе, в нижней части, выполненной с раструбом, трубопровод для подачи хладагента. Устройство дополнительно снабжено трубопроводами для подачи хладагента, равномерно распределенными по периметру в полой трубе. Это изобретение принято за прототип. Недостатком устройства является низкая эффективность добычи, так как добыча и подъем полезного ископаемого ведется без отделения пустой вмещающей породы.

Задачей изобретения является повышение эффективности и автономности добычных работ, при разработке россыпных месторождений твердых полезных ископаемых со дна континентального шельфа.

Достигается это способом добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа, включающим спуск добычного устройства, отделение полезного компонента совместно с вмещающей породой от продуктивного участка дна континентального шельфа, заполнение добычного устройства и его всплытие на поверхность, при этом отделение полезного компонента от продуктивного участка осуществляют потоком газа с образованием пульпы, заполнение добычного устройства производят посредством уноса пульпы из забоя восходящим потоком газа с одновременным осаждением ценного компонента в добычном устройстве и удалением пустой породы за его пределы, перед всплытием устройства выполняют его отделение от дна продуктивного участка с применением энергии взрыва, а всплытие устройства осуществляют посредством заполнения гибкого купола рабочим газом и газом от взрыва, при этом отделение полезного компонента ведут в автономном режиме, а спуск добычных устройств на продуктивный участок дна осуществляют с периодичностью и шагом спуска, равным диаметру выработанного пространства, образованного в результате работы одного добычного устройства.

Данный способ реализуется при помощи устройства для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа, включающее подъемную трубу для подачи полезных ископаемых с расположенным в ней трубопроводом, один из концов которой выполнены конусным, в нижней части подъемной трубы установлены ограничительная насадка и лепестковый клапан, при этом в конусной части подъемной трубы в трубопроводе для подачи газа установлен смеситель и струйный распылитель, соединенные через задвижку-редуктор с баллоном высокого давления, закрепленным в торце подъёмной трубы, связанным с куполом, выполненным из гибкого материала, и соединенным с газонаправляющими трубами, расположенными снаружи подъёмной трубы в верхней ее части, при этом свободные торцы газонаправляющих труб снабжены пластинчатыми заслонками, зафиксированными на наружной стенке подъёмной трубы выше выпускных окон, выполненных ниже задвижки-редуктора, причем вдоль внешних противоположных сторон подъёмной трубы через фрикционные замедлители закреплены штанги-направляющие, выполненные с возможностью открытия пластинчатых заслонок и задвижки-редуктора, а на уровне ограничительной насадки установлены кумулятивные заряды, при этом внутренней стенке подъёмной трубы установлены рифли. Купол устройства имеет вытянутую форму, при которой его длина значительно превышает ширину и определяется по формуле:

где: m - масса добычной установки с полезным компонентом и куполом, кг;

ρ - плотность воды; кг/м³;

R - радиус окружности купола, м;

h_ин - длина купола, равная пути погашения инерции подъема, м.

При этом рифли выполнены с равномерным увеличением диаметра проходного сечения подъемной трубы от лепесткового клапан до выпускных окон, при этом диаметр последнего проходного сечения подъемной трубы определяется по формуле:

где - скорость частицы полезного ископаемого, проходящей через первую рифлю, м/с;

d ₁ - диаметр проходного сечения первой рифли, м;

L - длина участка, на котором располагаются рифли, м;

t - время, за которое частица проходит путь до, после рифли, с.

Способ добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа реализуется с помощью устройства, показанного на Фиг. 1 - Фиг. 5.

На фиг. 1 представлено устройство для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа;

на фиг. 2 показан вид А, поясняющий нижнюю призабойную часть устройства;

на фиг. 3 изображен вид Б, поясняющий центральную часть устройства с подвижными узлами, обеспечивающими запуск установки;

на фиг. 4 представлен вид, В поясняющий верхнюю часть устройства, обеспечивающую подъем устройства на поверхность воды;

на фиг. 5 представлена схема добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа.

где: 1 - подъёмная труба; 2 - газопровод ; 3 - смеситель; 4 - струйный распылитель; 5 - баллон высокого давления; 6 - задвижка-редуктор; 7 - рифли; 8 - ограничительная насадка; 9 - лепестковый клапан; 10 - штанги-направляющие; 11 - фрикционные замедлители; 12 - кумулятивные заряды; 13 - выпускные окна; 14 - пластинчатые заслонки; 15 - газонаправляющие трубы; 16 - такелажное кольцо; 17 - подвес купола; 18 - пружины фиксации; 19 - купол; 20 - такелажная скоба; 21 - взвешенные частицы грунта; 22 - пузырьки рабочего газа; 23 - добычное судно; 24 - продуктивный участок дна; 25 - поверхность воды; 26 - добычное устройство.

Устройство 26 для реализации способа добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа включает подъёмную трубу 1, в нижней части которой установлены смеситель 3 и струйный распылитель 4, а в верхней части - баллон высокого давления 5, соединенные между собой газопроводом 2. Баллон высокого давления 5 установлен в торце подъёмной трубы 1 и соединен с газопроводом 2 через задвижку-редуктор 6. В верхней части устройство 26 снабжено куполом 19 с такелажной скобой 20, который соединен с такелажным кольцом 16 подъёмной трубы 1 при помощи подвеса купола 17 и пружины фиксации 18. Купол имеет вытянутую форму, при которой его длина значительно превышает ширину и определяется по формуле:

где: m - масса добычной установки с полезным компонентом и куполом, кг;

ρ - плотность воды; кг/м³;

R - радиус окружности купола, м;

h_ин - длина купола, равная пути погашения инерции подъема, м.

Купол 19, выполненный из гибкого материала и сложеный специальным образом, зафиксирован на пружине фиксации18 и соединен с газонаправляющими трубами 15, расположенными снаружи подъёмной трубы 1 в верхней ее части.

Торцы газонаправляющих труб 15 в центральной части подъёмной трубы 1 снабжены пластинчатыми заслонками 14, зафиксированными на наружной стенке подъёмной трубы 1, выше выпускных окон 13, выполненных ниже задвижки-редуктора 6. В нижней части подъёмной трубы 1 с торца установлена ограничительная насадка 8 и лепестковый клапан 9. С внешней стороны вдоль подъёмной трубы 1 располагаются штанги-направляющие 10, закрепленные к ней через фрикционные замедлители 11, а на уровне ограничительной насадки 8 - кумулятивные заряды 12. Штанги-направляющие 10 выполнены с возможностью открытия пластинчатых заслонок 14 и задвижки-редуктора 6 при их достижении. На внутренней стенке подъёмной трубы 1 установлены рифли 7, выполненные с равномерным увеличением диаметра проходного сечения подъемной трубы 1 от лепесткового клапан 9 до выпускных окон 13.

При этом диаметр последнего проходного сечения определяется по формуле:

где - скорость частицы полезного ископаемого, проходящей через первую рифлю, м/с;

d ₁ - диаметр проходного сечения первой рифли, м;

L - длина участка, на котором располагаются рифли, м;

t - время, за которое частица проходит путь до, после рифли, с.

Заявляемый способ с помощью устройства осуществляется следующим образом. Добычное устройство 26, спущенное с добычного судна 23 на продуктивный участок дна 24, внедряется и фиксируется в нем при помощи штанг-направляющих 10, которые одним торцом упираются в грунт, а другим торцом - в пластинчатые заслонки 14.

Под действием силы тяжести подъёмная труба 1 опускается по штангам-направляющим 10 до контакта ограничительной насадки 8 с грунтом. При этом штанги-направляющие 10 открывают пластинчатые заслонки 14, надавливая на них. Винт задвижки-редуктора 6 в процессе движения штанг-направляющих 10 приводится в движение, и из баллона высокого давления 5 высвобождается рабочий газ 22, который проходит через задвижку-редуктор 6 по газопроводу 2 поступает через смеситель 3 в подъемную трубу 1 и, устремляется вверх. Выходя из струйного распылителя 4, рабочий газ 22 производит рыхление грунта продуктивного участка 24.

Восходящий поток воды, через ограничительную насадку 8, захватывает частицы грунта 21 продуктивного участка дна 24, и, открывая лепестковый клапан 9, увлекает их в подъемную трубу 1. По мере увеличения размеров полости разработки, труба 1 постепенно опускается под собственным весом, тем самым обеспечивается постоянство и равномерность процесса добычи.

В подъемной трубе 1 в результате хаотичного движения газа, воды и частиц грунта, происходит активное осаждение тяжёлых частиц пульпы, являющихся полезным компонентом, замедляющихся за счет увеличения живого сечения потока, в углублениях образованных рифлями 7. Более легкие частице, являющиеся пустой породой, продолжают свое движение по подъемной трубе 1 выбрасываются за ее пределы через выпускные окна 13, разделяясь на газ, стремящийся вверх и частицы пустой породы, подхватываемые течением. Рабочий газ 22 через открытые пластинчатые заслонки 14 попадает в газонаправляющие трубы 15, по которым поступает в купол 19, начинает его расправлять, для поднятия на поверхность воды 25. По завершении подачи рабочего газа 22 происходит детонация кумулятивных зарядов 12 и под действием энергии взрыва происходит отделение добычного устройства от грунта продуктивного участка 24, а образовавшиеся при этом взрывной газ, улавливается газонапровляющими трубами 15, завершая наполнения купола. В момент прекращения подачи рабочего газа 22 частицы полезного ископаемого и пустой породы находящиеся в подъемной трубе 1 улавливаются закрывающимся лепестковым клапаном 9, обеспечивая минимизация потерь ценного компонента. После всплытия устройства, его поднимают посредством такелажной скобы 20 при помощи манипулятора, из состава собственного оборудования на добычном судне 23.

По завершении прохода добычное судно возвращается к исходной точке спуска, где на поверхности воды 25 в режиме дрейфа находится первое спущенное добычное устройство 26, завершившее процесс добычи. На борту добычного судно 23 проводят процесс опорожнения устройства 26 и подготовки его к новому циклу добычи.

В процессе подъема устройства 26 газ, находящийся в куполе, с уменьшением давления воды расширяется, и его излишки выходят через свободную нижнюю часть купола 19, исключая использования сбросных клапанов. Тем самым обеспечивается повышение надежности и снижение стоимости изготовления устройства.

Форма купола выполнена вытянутой, при которой его длина в несколько раз превышает его ширину, тем самым, поднявшись на поверхность воды 25, будет происходить плавное уменьшение подъемной силы и фиксация добычного устройства в состоянии равновесия в приповерхностной части.

Одной их основных функций газонапровляющих труб 15 и пластинчатых заслонок 14 является стабилизация добычного устройства в процессе опускание на дно.

Процесс добычи и спуск добычных устройств 26 на продуктивный участок дна 24 осуществляют с периодичностью и шагом спуска, позволяющими обеспечить полную отработку месторождения полезного ископаемого. После транспортирования добычных устройств на поверхность воды все операции повторяются, со смещением первой точки спуска добычного устройства для последующих заходок на расстояние равное диаметру выработанного пространства, образованного в результате работы одного добычного устройства, по направлении развития горных работ.

Разделение тяжёлых частиц пульпы от пустой породой в процессе добычи позволит доставлять на поверхность воды, горную породу с большим содержанием ценного компонента, а использование энергии сжатого газа на извлечение и подъем ценного компонента обеспечивает увеличение эффективности процесса.

Техническим результатом является повышение эффективности добычных работ, за счет совмещения процессов отделения от массива и обогащения полезного компонента, что позволит снизить затраты при подъёме на поверхность и дальнейшей переработке, и использования энергии сжатого газа при проведении операций по отделению и обогащению полезного компонента, а также транспортирования добычного устройства на поверхность.

Предлагаемое устройство для осуществления добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа позволяет:

- производить обогащения в процессе отделения частиц, с продуктивной части дна, тем самым расходуется минимальное количество энергии на единицу полезного ископаемого при его подъёме на поверхность и дальнейшей переработки;

- уменьшить показатели металлоёмкости за счет отказа от использования стальных тросов, тем самым увеличить максимальную глубину отработки;

- выполнять технологические процессы на дне шельфа автономно.

Группа изобретений относится к горной промышленности и может быть использована при добыче россыпных месторождений твердых полезных ископаемых со дна континентального шельфа. Для осуществления способа добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа спускают добычное устройство, отделяют полезный компонент совместно с вмещающей породой от продуктивного участка дна континентального шельфа. Заполняют добычное устройство и обеспечивают его всплытие на поверхность. Отделение полезного компонента от продуктивного участка осуществляют потоком газа с образованием пульпы. Заполнение добычного устройства производят посредством уноса пульпы из забоя восходящим потоком газа с одновременным осаждением ценного компонента в добычном устройстве и удалением пустой породы за его пределы. Перед всплытием устройства выполняют его отделение от дна продуктивного участка с применением энергии взрыва. Всплытие устройства осуществляют посредством заполнения гибкого купола рабочим газом и газом от взрыва. Отделение полезного компонента ведут в автономном режиме. Спуск добычных устройств на продуктивный участок дна осуществляют с периодичностью и шагом спуска, равным диаметру выработанного пространства, образованного в результате работы одного добычного устройства. Заявлено устройство для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа для осуществления заявленного способа. Достигается технический результат - повышение эффективности добычных работ за счет совмещения процессов отделения от массива и обогащения полезного компонента. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа, включающий спуск добычного устройства, отделение полезного компонента совместно с вмещающей породой от продуктивного участка дна континентального шельфа, заполнение добычного устройства и его всплытие на поверхность, отличающийся тем, что отделение полезного компонента от продуктивного участка осуществляют потоком газа с образованием пульпы, заполнение добычного устройства производят посредством уноса пульпы из забоя восходящим потоком газа с одновременным осаждением ценного компонента в добычном устройстве и удалением пустой породы за его пределы, перед всплытием устройства выполняют его отделение от дна продуктивного участка с применением энергии взрыва, а всплытие устройства осуществляют посредством заполнения гибкого купола рабочим газом и газом от взрыва, при этом отделение полезного компонента ведут в автономном режиме, а спуск добычных устройств на продуктивный участок дна осуществляют с периодичностью и шагом спуска, равным диаметру выработанного пространства, образованного в результате работы одного добычного устройства.

2. Устройство для добычи полезных ископаемых со дна континентального шельфа для осуществления способа по п. 1, включающее подъемную трубу для подачи полезных ископаемых с расположенным в ней трубопроводом, один из концов которой выполнен конусным, отличающееся тем, что в нижней части подъемной трубы установлены ограничительная насадка и лепестковый клапан, при этом в конусной части подъемной трубы в трубопроводе для подачи газа установлены смеситель и струйный распылитель, соединенные через задвижку-редуктор с баллоном высокого давления, закрепленным в торце подъёмной трубы, связанным с куполом, выполненным из гибкого материала, и соединенным с газонаправляющими трубами, расположенными снаружи подъёмной трубы в верхней ее части, при этом свободные торцы газонаправляющих труб снабжены пластинчатыми заслонками, зафиксированными на наружной стенке подъёмной трубы выше выпускных окон, выполненных ниже задвижки-редуктора, причем вдоль внешних противоположных сторон подъёмной трубы через фрикционные замедлители закреплены штанги-направляющие, выполненные с возможностью открытия пластинчатых заслонок и задвижки-редуктора, а на уровне ограничительной насадки установлены кумулятивные заряды, при этом на внутренней стенке подъёмной трубы установлены рифли.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что купол устройства имеет вытянутую форму, при этом его длина определяется по формуле:

где: m - масса добычной установки с полезным компонентом и куполом, кг;

ρ - плотность воды, кг/м³;

R - радиус окружности купола, м;

h_ин - длина купола, равная пути погашения инерции подъема, м.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что рифли выполнены с равномерным увеличением диаметра проходного сечения подъемной трубы от лепесткового клапана до выпускных окон, при этом диаметр последнего проходного сечения подъемной трубы определяется по формуле:

где - скорость частицы полезного ископаемого, проходящей через первую рифлю, м/с;

d ₁ - диаметр проходного сечения первой рифли, м;

L - длина участка, на котором располагаются рифли, м;

t - время, за которое частица проходит путь до, после рифли, с.