Способ добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2562304:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Группа изобретений относится к способу и устройству для подводной добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений. Технический результат заключается в повышении эффективности использования трала за счет уменьшения количества холостых ходов, повышении полноты выемки полезного компонента и снижении зависимости времени проведения работ от погодных условий. Технический результат достигается за счет того, что полезные ископаемые (конкреции), отделяемые от дна при движении добычного устройства, буксируемого судном-буксировщиком, попадают в приемную емкость в виде сетки из особо прочного пластика, оборудованную подъемными емкостями и баллонами со сжатым воздухом, при заполнении приемной емкости она под действием силы тяжести сдвигается со дна добычного устройства на грунт, а на ее место становиться другая приемная емкость, до этого момента находящаяся в кассете, смонтированной в верхней части добычного устройства и соединенной с предыдущей приемной емкостью гибкими тягами, после чего при дальнейшем движении добычного устройства срабатывают клапаны баллонов со сжатым воздухом, которым заполняются подъемные емкости, трал отделяется от добычного устройства и, достигнув положительной плавучести, всплывают на поверхность, где подбирается судном-транспортировщиком. При этом для облегчения поиска всплывающая емкость оборудуется сигнальным устройством, которое автоматически срабатывает после достижения ею поверхности воды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к горной промышленности, а именно к подводной добыче железомарганцевых конкреций со дна мирового океана. В связи с истощением запасов в месторождениях, расположенных на суше, - это становиться очень перспективным направлением развития горнодобывающей отрасли экономики.
Для добычи данного вида сырья в настоящее время используют подводные экскаваторы, драги, грейферы и устройства с гидроподъемом добытой горной массы, а также самоходные управляемые с поверхности добычные комплексы. Черпаковые снаряды относятся к агрегатам прерывного действия, в качестве рабочих органов у них используются грейферы, ковши, тралы. Отличительной особенностью этих механизмов является наличие тросовой оснастки, благодаря чему они могут работать при значительной глубине моря. Размеры ковша или трала конструктивно связываются только с прочностью удерживающих их троса и лебедки. Опыт применения океанографических тралов для взятия проб осадков со дна глубоких частей океана показал, что тралы могут быть применены примерно на 98% площади дна океана. В случае расположения данных месторождений на глубинах более 1500 метров использование драг может стать не целесообразным в связи с большим весом тяговых и управляющих канатов, длительным циклом спуска-подъема ковша и точностью установки трала по отношению к уже отработанным участкам. Их использование также затруднительно в случае неблагоприятных погодных условий. Однако тралы имеют преимущество с точки зрения экологии, при небольшой мощности отложений и ровной поверхности дна. Поэтому использование данного способа добычи и устройств для его осуществления постоянно расширяется и их совершенствование является актуальной задачей.
Использование тралов и драг известно с древних времен. Одним из определений драги является «ковшеподобное приспособление для сбора донных отложений, затонувших предметов и т.п. со дна водоемов при его протягивании вдоль дна. Драга состоит из широкой четыреугольной железной рамы с верхними краями, отточенными в виде лезвия, и мелкоячеистой сети (мотвы), прикрепленной по нижнему краю рамы. (Боч Г.Н. Экскурсия на Север, 1926 г. (цитата из Национального корпуса русского языка). Тралл в свою очередь определяется как «сетчатый мешок, буксируемый за судном при помощи канатов» (Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969-1978).
Известен способ добычи конкреций со дна мирового океана, включающий доставку перфорированного сосуда с плавсредства на дно акватории, заполнение сосуда конкрециями вместе с вмещающими илистыми породами при движении плавсредства, подъем сосуда на плавсредство и его разгрузку в приемное приспособление. Этот способ реализован в виде устройства, включающего плавсредство, размещенные на нем приемное приспособление, лебедку, отклоняющие блоки, головной тяговый канат, перфорированный сосуд прямоугольного поперечного сечения с режущими кромками (Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна. Л 1987, с. 6-7, рис. 1). Данный способ добычи конкреций выбран авторами в качестве прототипа. Исходя из вышесказанного данное устройство можно характеризовать, как одно ковшевую драгу или трал, а способ, как траление.
Недостатками данного способа и реализующего его устройства являются ограниченная производительность, малое извлечение конкреций с придонного месторождения из-за трудности контроля зоны прохода сосуда по дну, большое разубоживание конкреций донными породами, извлекаемыми из придонного слоя вместе с конкрециями, замутнение воды при подъеме сосуда.
Известно устройство для сбора твердых полезных ископаемых на дне водных акваторий, включающее связанный с накопительной емкостью коробчатый черпак. Накопительная емкость в данном устройстве выполнена в виде сетчатого мешка (SU 1051290, опубликовано 30.10.1983 г., бюллетень №40). Такая конструкция позволяет осуществлять сбор конкреций, отделение их от ила и других рыхлых донных отложений.
Недостатком данного устройство является то, что оно требует частых подъемов на поверхность для опорожнения накопительной емкости, что снижает эффективность работ и не всегда возможно по погодным условиям (волнение).
Известна также установка для добычи конкреций, которая включает рабочие аппараты, навешенные на бесконечный трос, помещенный между участком добычи конкреций и судном, обслуживающим установку. Рабочий аппарат предназначен для забора конкреций со дна и доставки их на обслуживающее судно и включает основание, в котором размещены средства управления и связи, силовое устройство и источники питания. На основании закреплены подъемный шар и грейферный захват (Патент RU 2208164, опубл. 10.07.2003 г.). Данное решение позволяет уменьшить затраты на подъем добытого сырья.
Недостатком данной установки также является невозможность работы в сложных погодных условиях. Также недостатком данной установки является использование в подъемном устройстве твердой оболочки, что увеличивает размеры опускаемых на дно рабочих аппаратов и следовательно их «парусность», что в случае наличия сильных подводных течений затрудняет фиксацию добычного устройства в заданной точке.
Известно также устройство для подъема затонувшего объекта, включающее газогенератор, скрепленный по фланцу с надувной мягкой оболочкой корпус, подвески для строповки груза и трос, обладающий положительной плавучестью, огибающий верхнюю часть оболочки, причем его нижние концы скреплены с подвесками для строповки груза (АС СССР №1729905, опубл. 30.04.1992 г. ).
Недостатком данного устройства является слабая устойчивость к опрокидыванию, особенно в момент развертывания и начала заполнения оболочки газом, что исключает его использование в случае наличия сильных подводных течений, а значительные размеры оболочки, наличие жесткого корпуса для хранения оболочки и газогенератора затрудняют подъем полезного груза на судно, особенно в неблагоприятных погодных условиях.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для подводной разработки месторождений полезных ископаемых, включающее транспортирующую емкость, шарнирно связанную с тросом посредством штанги, газогенератор, гибкую полость для газа с клапаном предельного давления, торос с балластом и поплавком, причем балластная емкость выполнена в виде грейферного ковша с гибкими звеньями и соединена при помощи грузонесущего каната с гибкой полостью, при этом грейферный ковш выполнен сетчатым с армированными челюстями (Патент Российской Федерации №2426883, опубл. 20.08.2011, бюл. №23). Данное устройство выбрано авторами в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а именно наличие газогенератора, необходимость использования расходных материалов и сложность извлечения транспортирующей емкости на поверхность. Кроме того, использование грейфера при незначительной толщине отложений, содержащих конкреции, не рационально, так как оно не обеспечит полноту извлечения полезного компонента.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности использования трала за счет уменьшения количества холостых ходов, повышение полноты выемки полезного компонента и снижение зависимости времени проведения работ от погодных условий, а также упрощении конструкции устройства и удешевлении подъема добытого полезного ископаемого на поверхность океана.
Технический результат достигается за счет того, полезные ископаемые (конкреции), отделяемые от дна при движении добычного устройства, буксируемого судном-буксировщиком, попадают в приемную емкость в виде сетки из особо прочного пластика, оборудованную подъемными емкостями и баллонами с сжатым воздухом, при заполнении приемной емкости она под действием силы тяжести сдвигается с дна добычного устройства на грунт, а на ее место становиться другая приемная емкость, до этого момента находящаяся в кассете, смонтированной в верхней части добычного устройства и соединенной с предыдущей приемной емкостью гибкими тягами, после чего при дальнейшем движении добычного устройства срабатывают клапаны баллонов со сжатым воздухом, которым заполняются подъемные емкости, трал отделяется от добычного устройства и, достигнув положительной плавучести, всплывает на поверхность, где подбирается судном-транспортировщиком. При этом для облегчения поиска всплывающая емкость оборудуется сигнальным устройством, которое автоматически срабатывает после достижения ею поверхности воды.
Для осуществления данного способа предлагается устройство, представляющее собой ковш в виде четырехугольной призмы, имеющий отвал для внедрения в залежь и не имеющий задней стенки, тяговые тросы и тросы управления, а также сетчатые приемные емкости для сбора конкреций и подъемные емкости ввиде гибких надувных баллонов, заполняемых воздухом, отличающееся тем, что оно оборудовано кассетой, расположенной в верхней части ковша, с закрепленными в ней в свернутом виде отдельными тралами (сетчатыми мешками из особо прочного пластика), снабженными баллонами со сжатым воздухом, имеющими клапан и гибкие подъемные емкости из высокопрочной прорезиненной ткани, которые при заполнении их воздухом совокупно принимают форму тора, также сложенные в кассету, соединенные гибкими тягами, которые в свою очередь связаны с разновеликими катками, одна пара которых имеет положительную плавучесть, а другая пара отрицательную, а также гибким упругим каркасом, удерживающим приемное отверстие трала в рабочем положении при его заполнении, качающейся плитой, шарнирно связанной с дном ковша и удерживаемой пружинными тягами в рабочем положении (примерно 7°), имеющей возможность отклоняться в горизонтальное положение под действием силы тяжести, при этом на внутренних стенках ковша имеются направляющие, ширина которых позволяет проходить в них каткам меньшего диаметра и не проходить каткам большего диаметра, при этом выход из направляющих перекрывается качающейся плитой в случае ее нахождения в рабочем (приподнятом) положении. При этом длина тяг, соединяющих клапаны баллонов со сжатым воздухом с соответствующими катками, рассчитывается таким образом, что при сдвижении трала с качающейся плитой сначала срабатывают клапаны баллонов со сжатым воздухом, расположенные в части трала, соприкасающейся с поверхностью дна, что приводит к тому, что трал начинает поворачивается загрузочным отверстием в верх, а после полного заполнения всех баллонов и достижения положительной плавучести он всплывает к водной поверхности, при достижении которой срабатывает сигнальное устройство, закрепленное на нем.
Изобретения поясняются чертежом, где на фиг. 1 представлена технологическая схема предлагаемого способа, на фиг. 2, 3 и 4 - конструкция устройства и принцип его работы.
На фиг. 1 показано осуществление предлагаемого способа, а именно с добычного судна 1 на продуктивный участок дна 2 опускается добычное устройство 3, которое связано с судном 1 тяговым 4 и управляющим 5 тросами. По мере движения добычного устройства 3 конкреции собираются в тралы 6, оборудованные подъемными емкостями 7, которые всплывают по мере заполнения их воздухом к поверхности воды 8. При ее достижении автоматически срабатывают сигнальные устройства, закрепленные на тралах (не показаны), что позволяет облегчить обнаружение всплывших тралов с судна сборщика 9.
Конструкция устройства для осуществления предлагаемого способа показана на фиг. 2.
Устройство работает следующим образом.
На первом этапе (фиг. 2) добычное устройство 3 опускается на дно 2 и внедряется в донные отложения, содержащие железомарганцевые конкреции 10, при этом ковш 11, снабженный отвалом 12, при помощи тягового 4 и управляющего канатов 5 устанавливается в начале участка предназначенного к отработке. При этом первый из имеющихся в кассете 13 тралов 6 заранее (на поверхности) приводится в рабочее положение, а именно верхние катки 14, имеющие больший диаметр и положительную плавучесть, освобождаются из верхних пазов 15, а упругий каркас 16, к которому крепиться горловина трала 6, разворачивается и перекрывает выход из ковша 11, при этом его нижняя часть, связанная с катками меньшего диаметра 17, соприкасается с качающейся плитой 18, а сами катки 17 заперты в боковых пазах 19 этой плитой, которая при этом удерживается в заданном (рабочем) положении при помощи пружинных амортизаторов 20, и фиксируют нижнюю часть трала 6 в заданном положении. При движении добычного устройства 3 отвал 12 внедряется в отложения, содержащие железомарганцевые конкреции 10, и рыхлит их, одновременно направляя поднятую со дна горную массу в ковш 11, где она попадает в трал 6. Конкреции при этом задерживаются сеткой трала 6, а взрыхленный ил осаживается обратно на дно по мере движения добычного устройства 3.
На втором этапе (фиг. 3) наполненный конкрециями трал 6 под действием силы тяжести опускает качающуюся плиту 18, при этом его задняя часть опускается на дно, нижние катки 17 выходят из пазов 19 и освобождают гибкие тяги 21, связанные с клапаном баллона со сжатым воздухом (на фиг. не показан). Верхние катки 14, имеющие положительную плавучесть, удерживают верхнюю часть трала 6, не давая ему опрокинуться. При дальнейшем движении добычного устройства 3 трал 6 полностью сползает с качающейся плиты 18 и она под действием пружинных амортизаторов опять занимает рабочее положение. Тяги 21, связанные с катками 17 следующего трала, вытягивают их, одновременно распрямляя упругий каркас 16, который занимает рабочее положение в ковше 11. Аналогично занимает рабочее положение верхняя часть упругого каркаса, связанная гибкими тягами 22 с катками 14, которые до этого удерживались в кассете 13 при помощи пружинной защелки 23.
На третьем этапе (фигура 4) гибкие тяги 21 и 22 открывают клапаны баллонов со сжатым воздухом (на фиг. не показаны) и наполняют подъемные емкости 7. При этом сначала начинает наполняться емкость, лежащая на грунте, с тем, чтобы не допустить опрокидывания трала 6. При дальнейшем движении добычного устройства 3 тяги 21 и 22 достигают максимальной длины, после чего срабатывают устройства отсечки (не показаны), при этом усилие, необходимое для их срабатывания, больше, чем то, что необходимо для срабатывания пружинных защелок 23 и для извлечения катков 17 из пазов 19. Трал 6 полностью отделяется от добычного устройства 3 и после достижения положительной плавучести начинает самостоятельно подниматься на поверхность.
Таким образом данное изобретение может позволить осуществлять добычу полезного ископаемого (конкреций) со дна акватории с меньшими затратами, потерями полезного ископаемого и ущербом для экологии, а также в не благоприятных погодных условиях. Все признаки, отличающие предлагаемое изобретение, необходимы и достаточны для его осуществления и получения заявляемого технического результата.
1. Способ добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений, 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, отличающийся тем, что приемные емкости, оборудованные гибкими подъемными емкостями и баллонами со сжатым воздухом, в свернутом виде помещают в кассету, расположенную в верхней части добычного устройства, и соединяют между собой гибкими тягами, при этом при движении добычного устройства поднятые со дна конкреции попадают в сетчатую приемную емкость, которая после заполнения сползает на дно позади добычного устройства, а гибкие тяги, которыми приемные емкости связаны между собой, вытягивают следующую приемную емкость на место заполненной, одновременно открывая клапаны баллонов со сжатым воздухом у заполненной приемной емкости, при дальнейшем движении добычного устройства гибкие тяги, связывающие приемные емкости, достигнув максимальной длины, разрываются и заполненная приемная емкость, достигнув положительной плавучести по мере развертывания подъемных емкостей под действием сжатого воздуха из баллонов, поднимается на поверхность, где подбирается судном-транспортировщиком, при этом процесс повторяется столько раз, сколько приемных емкостей помещено в кассету.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подъемные емкости оборудуются сигнальным устройством, которое срабатывает после его всплытия на поверхность.
3. Устройство для добычи железомарганцевых конкреций из илистых донных отложений, включающее ковш в виде призмы, имеющий отвал для внедрения в залежь и не имеющий задней стенки, тяговые тросы и тросы управления, а также сетчатые приемные емкости для сбора конкреций и подъемные емкости виде гибких надувных баллонов, заполняемых воздухом, отличающееся тем, что оно оборудовано кассетой, расположенной в верхней части ковша, с закрепленными в ней в свернутом виде отдельными приемными емкостями, снабженными гибкими подъемными секционными емкостями из высокопрочной водонепроницаемой ткани, оборудованными баллонами со сжатым воздухом, имеющими клапаны, при этом приемные емкости соединены между собой двумя парами гибких тяг, имеющих разную длину, которые в свою очередь связаны с разновеликими катками, одна пара которых большего диаметра имеет положительную плавучесть, а другая пара меньшего диаметра отрицательную, при этом тяги проходят через клапаны баллонов со сжатым воздухом и оборудованы отсечками, срабатывающими при заданном натяжении тяг, а также оборудовано гибким упругим каркасом, удерживающим приемное отверстие подъемной емкости в развернутом виде при его заполнении, качающейся плитой, шарнирно связанной с дном ковша и удерживаемой пружинными тягами в приподнятом рабочем положении и имеющей возможность отклоняться в горизонтальное положение под действием силы тяжести, при этом на внутренних стенках ковша имеются направляющие, ширина которых позволяет проходить в них каткам меньшего диаметра и не проходить каткам большего диаметра, при этом выход из направляющих перекрывается качающейся плитой в случае ее нахождения в рабочем приподнятом положении и открывается в случае ее опускания в горизонтальное положение, а выход из кассеты перекрыт пружиной защелкой, имеющей усилие срабатывания меньше, чем усилие срабатывания отсечки.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что гибкие подъемные емкости после заполнения воздухом совокупно образуют фигуру в виде тора, а длина тяг, соединяющих приемные емкости между собой, рассчитана так, что сначала срабатывают клапаны баллонов со сжатым воздухом нижних лежащих на грунте подъемных емкостей, а клапаны баллонов верхней емкости срабатывают после того, как приемная емкость заняла положение, близкое к вертикальному.
