Методы добычи глубоководных отложений

Предполагаемая разработка глубоководных отложений, таких, как железо-марганцевые конкреции и металлоносные осадки Красного моря, в промышленных масштабах привела к развитию совершенно новых методов добычи. Это было обусловлено двумя главными особенностями, которые следует принимать во внимание при глубоководной добыче, — большой глубиной залегания рассматриваемых отложений и их местоположением, главным образом в случае конкреций, так как их отложения представляют собой один слой на поверхности осадков (с промышленной точки зрения, хотя в действительности это не так). Из-за большой глубины залегания этих полезных ископаемых возникают проблемы, связанные с системой их подъема, такие, как вес, возможность контроля движения по поверхности дна, сопротивление воды, маневренность и т. д. Система добычи должна охватывать широкую площадь для того, чтобы достигнуть производительности примерно 10 000—15 000 т в день, в то же время головка драги должна проникать в осадки только на несколько сантиметров для того, чтобы избежать захвата несоразмерно большого количества вмещающих осадков.

В настоящее время разрабатываются две системы для добычи железо-марганцевых конкреций: механическая, названная системой CLB, и гидравлическая. Система CLB состоит из непрерывной замкнутой тросовой петли, на которой закреплены сгребающие конкреции ковши (рис, 92) и которая движется до дна и обратно подобно ленте конвейера. Основой гидравлических систем является опускаемая с судна на дно труба, к нижнему концу которой прикреплено собирающее конкреции устройство (рис. 93).

Система CLB. Система CLB производит драгирование с помощью ковшей, расположенных через определенные интервалы на тросовой петле, причем трос непрерывно движется от судна или судов на поверхности океана к морскому дну. Эта система выполняет функции и сбора конкреций, и их подъема. Первоначально предполагалось, что система CLB должна работать с одного судна, однако трудности этого метода, связанные с возможным запутыванием обеих сторон драгирующего троса, привели к разработке системы, работающей с двух судов.

Для добычи экономически выгодного количества конкреций, т. е. для поддержания определенной суточной производительности, следует тщательно выбрать различные рабочие параметры в системе CLB. Важными факторами являются емкость драгирующих ковшей и, следовательно, количество конкреций, которое они могут взять, скорость движения ковшей по морскому дну и, следовательно, скорость вращения троса, вес ковшей и расположение их вдоль троса. Эти факторы были определены количественно Готье и Марвальди.

Эффективность добычи конкреций драгирующими ковшами и их способность освобождаться от вмещающих осадков являются решающими факторами в конструкции системы CLB. Когда черпак идет по морскому дну, он отбирает только часть имеющихся там конкреций. Поэтому конструкция ковша должна быть такой, чтобы захват конкреций был максимальным, а захват вмещающих осадков минимальным. Не менее важным фактором в конструкции системы CLB является прочность троса. Высокая проектная производительность добывающей системы, которая может достигать в среднем 10 000—15 000 т конкреций в день, требует тросов прочностью на разрыв примерно более 1000 т. Прочность блоков на судне также имеет решающее значение при определении веса конкреций, которые могут быть подняты па тросе, и, следовательно, для размещения ковшей. Различные параметры системы CLB, как было предусмотрено Готье и Марвальди при производительности 5000 т конкреций в день, приведены в табл. 34.

Гидравлические системы. Важными компонентами гидравлической системы для добычи конкреций являются, во-первых, устройство, собирающее конкреции, а во-вторых, система транспортировки для подъема конкреций на судно.

Для сбора конкреций было запатентовано несколько устройств, при этом их конструкции основывались на ряде критериев, которым они должны были соответствовать. Вероятно, наиболее важным из них является их способность собирать достаточные количества конкреций для поддержания высокой суточной производительности. Это значит, что устройство для сбора конкреций должно быть достаточно широким, около 10—15 м, чтобы получить необходимое количество конкреций, но не настолько большим, чтобы потерять контакт с дном в результате неровности последнего. Оно должно легко перемещаться по океанскому дну без погружения в осадки и соскребать находящийся на поверхности слой конкреций, отделяя в то же время насколько возможно вмещающие глины, прежде чем конкреции будут подняты на поверхность. Естественно, устройство для сбора конкреций должно быть достаточно прочным, чтобы противостоять ударам о коренные породы и влиянию высокого давления на больших глубинах, а также достаточно маневренным, чтобы обойти крупные препятствия и драгировать морское дно наиболее подходящим способом для максимальной добычи конкреций.

Смейл-Адамс и Джексон описали один из вариантов коллектора железо-марганцевых конкреций. Последние собираются посредством гидравлического всасывания, возможно с вспомогательными устройствами для очистки конкреций, такими, как водометы или скребки, Количество конкреций, получаемых таким коллектором, зависит от их средней продуктивности, скорости движения коллектора по морскому дну, его ширины и эффективности, с которой он работает. Смейл-Адамс и Джексон установили, что может возникнуть необходимость разработки метода концентрирования конкреций из осадочно-водной смеси на основе различий в скорости осаждения конкреций и другого захваченного материала. Было бы полезным также отделять более тяжелые частицы, такие, как обломки базальтов и т. п., на ранней стадии драгирования. Смейл-Адамс и Джексон описали успешное испытание гидравлического всасывающего устройства для сбора конкреций, проведенное в 1975 г.

Раз уж конкреции собираются, они должны быть подняты на поверхность. Это может быть осуществлено двумя методами: гидравлическим всасыванием при помощи помп или сжатого воздуха (эрлифт). Оба метода используют трубы большого диаметра, по которым конкреции выталкиваются вверх водой.

Согласно Смейл-Адамсу и Джексону, все гидравлические методы подъема включают два компонента: трубу и насос. Система эрлифта состоит из большого трубопровода, протягивающегося от добывающего судна вниз до коллектора конкреций. Более тонкая труба опускается на некоторую глубину внутри основной трубы и нагнетает в нее воздух под большим давлением. Воздух в большой трубе проходит через воду вверх и образует столб жидкости с более низким давлением, чем давление океанской воды. Эта разница плотностей создаст силу, под действием которой образуется направленный вверх поток воды в главной трубе и которая может поднимать конкреции по трубе па поверхность. Другим методом подъема конкреций является использование углеводородов вместо воздуха для уменьшения плотности жидкости в верхней части трубы. Оба метода имеют то преимущество, что не требуют наличия подвижных частей под водой, однако применение метода углеводородного подъема может вызвать возражения в связи с загрязнением окружающей среды.

Система с применением центробежного насоса для добычи конкреций работает по принципу погружных насосов, расположенных через равные интервалы под водой в нижней части драгирующей трубы. Одна такая система описана Mepo, Насосы обеспечивают необходимую подъемную силу для подачи вверх по трубе жидкости с конкрециями. Эта система может иметь некоторые преимущества по сравнению с системой эрлифта — она требует меньше энергии для подъема кокреций данного веса и создает более медленный поток, уменьшая таким образом абразию драгирующей трубы, — но может иметь и некоторые недостатки, заключающиеся в том, что она состоит из большого количества движущихся деталей.

Сравнение систем CLB и гидравлической. Сравнительная оценка систем CLB и гидравлической для разработки конкреций была проведена Готье и Марвальди. Из табл. 34 видно, что ширину собирающего устройства в гидравлической системе необходимо увеличить вдвое, чтобы получить суточную производительность около 5000 т конкреций в том случае, если их продуктивность на морском дне понижается с 10 до 5 кг/м2. Наоборот, размеры и размещение на тросе ковшей в системе CLB должны изменяться меньше при изменении продуктивности конкреций. Таким образом, согласно Готье и Марвальди, при использовании системы CLB можно производить промышленную разработку конкреций в тех случаях, когда их невозможно добывать при помощи гидравлической системы без значительного увеличения ширины собирающего устройства (нормальной обычно считается ширина примерно 10—15 м). Еще одно преимущество системы CLB заключается в том, что если некоторые ковши будут забиты осадками, то это не повлияет на сбор конкреций другими ковшами. Наоборот, если коллектор конкреций, составляющий часть гидравлической системы, будет забит осадками, то его необходимо поднять на поверхность для очистки, что вызовет значительное снижение производительности. Однако Готье и Марвальди признают, что конструкция драги, применяемой в системе CLB, создает больше проблем, чем конструкция соответствующего собирающего устройства гидравлической системы добычи конкреций, и указывают на то, что могут возникнуть значительные проблемы при изготовлении соответствующих тросов для подъема ковшей. Такие факторы могут привести в конечном счете к отказу от системы CLB для добычи конкреций в пользу гидравлической системы.

Судно для добычи конкреций. В любой дискуссии о системах добычи железо-марганцевых конкреций наиболее важным является вопрос о характере и функциях добывающего судна. Для того чтобы производительность, как отмечалось выше, составляла 5000—15 000 т в день, добывающее судно должно иметь грузоподъемность около 50 000 т и возможность находиться в море в течение значительного периода времени. Согласно Смейл-Адамсу и Джексону, оптимальным периодом для работы такого судна в морс без возвращения его в порт мог бы быть срок в четыре года. Доставка продуктов, топлива и других припасов, а также запасных частей и экипажа могла бы осуществляться подвозом их на вспомогательных судах. Численность экипажа могла бы составлять 100—120 человек со сменой его приблизительно через каждые 30 дней.

В случае разработки месторождений с применением гидравлической системы на судне необходимо установить вышку для управления добывающим оборудованием, которое опускается через колодец в корпусе судна. Необходим также некий механизм для ограничения движений трубы. Кроме того, добывающее судно должно иметь соответствующее место для складирования труб и должно быть оснащено системой для сборки и разборки устройства, собирающего конкреции, воздушным компрессором для системы эрлифта, если она используется, и усовершенствованной системой навигации и определения местоположения коллектора конкреций на дне. Детальная спецификация будет зависеть от конкретных требований заказчика. Согласно Смейл-Адамсу и Джексону, проведенный динамический анализ системы управления трубой показал, что при состоянии моря в 4 балла трубопровод с прикрепленным к нему коллектором можно опускать и поднимать с максимальной скоростью 7 м/мин и двигаться с опущенным трубопроводом и коллектором со скоростью 1,5—2 м/с. Трубопровод следует опускать в таких условиях, чтобы крен от бортовой и килевой качки судна не превышал 1°. Эти авторы считают, что максимальный угол наклона трубопровода при драгировании не должен превышать 25°.

При разработке конкреций с применением системы CLB с двух судов обычно используется оборудование, отличающееся от применяющегося в гидравлической системе. Здесь необходимы блоки для троса, слипы для подъема ковшей на судно, оборудование для разгрузки ковшей и лебедки, а также достаточно просторное складское помещение для хранения ковшей и тросов.

Разработка металлоносных илов в Красном море. Согласно Мустаффе и Аманну, разработка красноморских металлоносных илов будет проводиться землесосным снарядом с применением вибрационно-взрыхляющей головки с размывом и разбавлением их морской водой как вспомогательным способом для более легкого всасывания илов. Последние будут откачиваться на поверхность в разжиженном виде через стальную трубу.