книги / Разработка подводных шельфов

Контактный размыв – это переходная стадия при подготовке горной массы к выемке от эрозионного размыва к размыву по методу внедряющегося грунтозаборника. Эрозионный размыв происходит при вертикальном положении грунтозаборника относительно забоя. При контактном размыве грунтозаборник перемещается в горизонтальной плоскости относительно забоя. В процессе разработки волочащийся грунтозаборник вследствие неровностей дна то внедряется в породу, то практически полностью обнажается. Очевидно, что применение этого метода ограничено прочностными характеристиками пород.

Подготовка к выемке уплотненных горных пород гидравлическими струями получила широкое распространение в практике. Струя, распространяющаяся в воде и производящая размыв пород забоя, называется свободной затопленной струей. При приближении насадки к забою и внедрении ее в породу струя будет распространяться в массиве. В этом случае она называется несвободной затопленной струей.

При этом возможно использование как одной, так и нескольких свободных струй (рис. 4, а, б).

а б

Рис. 4. Гидравлический рыхлитель с одной (а) и несколькими (б) насадками: а: 1 – гидромониторная насадка; 2 – всасывающий наконечник; 3 – пульпопровод; 4 – напорный патрубок; б: 1 – коллектор-экран;

2– напорный водовод; 3 – резиновый шланг; 4 – шарнир; 5 – всасывающая труба; 6 – грушевидный наконечник

Объемная дезинтеграция массива производится несвободными затопленными струями при использовании так называемых диффузионных рыхлителей. Схема распространения несвободной затопленной струи показана на рис. 5.

Взаимодействие струи с горной породой происходит следующим образом. При погружении насадки в породу на некоторую глубину весь размытый материал выносится за пределы образовавшейся выемки. При дальней-

21

шем внедрении насадки в породу размыв и вынос породы прекращается и наступает взвешивание и интенсивное перемешивание породы, образуется зона диффузии. Глубина, на которую опускается насадка, в этом случае является критической глубиной hкр. Если насадку погружать далее, то над зоной диффузии будет образовываться неподвижный объем породы.

Критическая глубина может быть определена по формуле

lкр = 1,15 hкр.

Всасывающий наконечник грунтозаборника целесообразно располагать в ядре диффузии на глубине 0,5hкр.

В случае плотных горных пород применяется механическое рыхление горной массы в подводном забое, оно производится одновременно со всасыванием пульпы гидравлической машиной. Механические рыхлители делятся на вращающиеся (фрезы различного типа, винтовые и роторные рыхлители), поворотные (относятся к волочащимся и являются своеобразными подводными скреперами и лопатами) и на рыхлители комбинированного типа (фрезерно-гидравлические – разрушение забоя производится фрезой с одновременной работой напорной струи).

22

Вибрационная подготовка горной массы в подводном забое сводится к использованию вибромашин. Частицы горной породы, расположенные в зоне действия вибромашины, под влиянием интенсивной вибрации отделяются от общего массива и начинают колебаться около своего равновесного положения. Они перемещаются по некоторой траектории относительно вибрирующей части рыхлителя, в породе происходит интенсивное выделение газа и воды, которые захватывают по пути мельчайшие частицы и выбрасывают их на поверхность. Образовавшиеся поры заполняются твердой фазой.

3. Вскрытие подводных выемочных полей

Под вскрытием морских карьеров понимается проведение горных выработок, открывающих доступ ко всему месторождению или к отдельным вновь создаваемым горизонтам и обеспечивающих проведение выемочных работ на рабочих горизонтах.

Такими выработками при открытой подводной добыче являются траншеи, проводимые на дне моря и имеющие сечение в виде трапеции или треугольника. В тех случаях, когда длина траншеи соразмерна с основанием трапеции (не более чем в 3–5 раз превышает его), траншея превращается в котлован. Наличие водной среды позволяет осуществлять грузотранспортные связи, а применение вертикального гидроили механического подъема исключает другие типы траншей, кроме необходимых для создания первоначального фронта на уступе. Этот тип подводных выработок называется разрезными траншеями.

В зависимости от интенсивности ввода оборудования горизонты месторождения могут вскрываться:

–общей разрезной траншеей, когда все горизонты вскрываются из одной траншеи, в которую последовательно вводятся комплексы, отрабатывающие все породы месторождения;

–групповыми разрезными траншеями, когда группа рабочих горизонтов вскрывается одной траншеей, в которую вводятся соответствующие комплексы;

–отдельными разрезными траншеями, когда каждый горизонт вскрывается своей траншеей.

Один и тот же горизонт может вскрываться одинарной или парными траншеями. Последние могут использоваться при высокой интенсивности разработкии особенно в месторождениях малой мощности (рис. 6, а, б, в).

23

Рис. 6. Способы вскрытия подводных выемочных полей:

а– вскрытие фланговой одинарной разрезной траншеей;

б– вскрытие центральной одинарной разрезной траншеей;

в– вскрытие фланговыми парными разрезными траншеями;

г– вскрытие комбинированными групповыми разрезными траншеями

Взависимости от положения в контуре месторождения можно выделить разрезные траншеи флангового (рис. 6, а, в), центрального (рис. 6, б)

икомбинированного (рис. 6, г) типов.

Разрезные траншеи в подводных карьерах имеют, как правило, большую площадь (тысячи квадратных метров), поэтому выбор того или иного способа вскрытия определяется числом единиц флота, вводимых в эксплуатацию, а также системой разработки и структурой комплексной механизации. При отработке месторождений, находящихся на глубинах моря, меньших гарантированной глубины выемки или плавания горнодобывающих судов, возникает необходимость в создании второго типа траншей – первоначальных, обеспечивающих создание грузотранспортных потоков, а также ввод оборудования на месторождение для проведения разрезных траншей. Структура комплексной механизации определяет размеры и глубину заложения первоначальных траншей.

Первоначальные траншеи могут быть:

–в зависимости от их количества: одиночными, если имеется один транспортный канал; парными, если необходимо иметь два транспортных канала; групповыми, если необходимо иметь более двух транспортных каналов;

–в зависимости от их расположения по отношению к контуру карьера: фланговыми, центральными или комбинированными;

–в зависимости от типа грузопотока: односторонние вскрышные (добычная, смешанная), двусторонние вскрышные (добычная смешанная), без грузопотока для ввода оборудования на месторождение.

Кроме первоначальных и разрезных траншей при вскрытии подводных месторождений иногда проходят специальные траншеи, предназна-

24

ченные для защиты карьерных выработок от занесения типа «кармановловушек», или возводят подводные дамбы.

Совокупностью всех вскрывающих выработок является способ вскрытия подводного карьера. Выбор способа вскрытия должен производится совместно с определением системы разработки и структуры комплексной механизации.

4.Системы открытой подводной разработки месторождений полезных ископаемых

Системой разработки называется установленный порядок подготовительных, вскрышных и добычных работ. Рациональная система разработки для конкретного подводного месторождения должна обеспечивать безопасную, экономичную и полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого с соблюдением правил по охране окружающей среды.

С учетом специфических особенностей подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов предлагается следующая классификация систем разработки подводных россыпных месторождений, имеющих горизонтальное или пологое залегание (табл. 4).

В данной классификации систем разработки предусматривается разделение всех систем разработки на три группы: вскрышную, безвскрышную и их сочетание. Это вызвано тем, что подводные месторождения полезных ископаемых во многих случаях залегают непосредственно на морском дне и не перекрыты пустыми породами. Если подводное месторождение перекрыто пустыми породами, то возникает необходимость в применении вскрышной системы разработки. В то же время встречаются месторождения, часть которых перекрыта пустыми породами, а часть залегает непосредственно на морском дне.

По расположению горной выработки в плане подводные разработки делятся на восемь подклассов. Продольная (одноили двухбортовая) система разработки возможна при расположении фронта работ параллельно длинной оси карьерного поля (рис. 7, а, б). При продольной системе подводной разработки необходимо также выделить и продольную блочную систему разработки, когда подводное месторождение имеет большую длину (5–10 км и более) и незначительную ширину (50–100 м), разбивается по длине на отдельные блоки, разрабатываемые самостоятельно в определенной последовательности (рис. 7, в).

Поперечная (одноили двухбортовая) система разработки отличается перемещением фронта вскрыши и добычных работ параллельно короткой оси карьерного поля (рис. 7, г).

При продольной и поперечной двухбортовой системе разработки изза изменения направления ветра, волнений и подводных течений горные работы могут вестись как из одной разрезной траншеи, пройденной в центральной части карьерного поля, так и с двух разрезных траншей, расположенных вдоль флангов карьерного поля параллельно длинной или короткой стороне. В этом случае при изменении гидрометеорологических условий на какой-то определенный промежуток времени добычные из вскрышные суда переходят и одного фланга подводного месторождения на другой и продолжают вести горные работы.

Для веерной системы разработки характерно перемещение фронта горных работ по вееру с несколькими приемными пунктами полезного ископаемого, расположенного на границе карьерного поля или вблизи его

(рис. 7, е, ж).

При радиальной системе разработки фронт горных работ перемещается радиально от приемного пункта полезного ископаемого к контурам подводного месторождения (рис. 7, з). Наибольшее применение данная система разработки находит при выемке горной массы земснарядами, когда гидравлическое транспортирование полезного ископаемого или

26

вскрышных пород к приемному пункту ведется по плавучему или затопленному трубопроводу.

Рис. 7. Системы подводной разработки: а – вскрышная, продольная однобортовая с внешним и внутренним отвалами; б – безвскрышная, продольная двухбортовая с внешними отвалами; в – безвскрышная, продольная однобортовая и блочная, безотвальная; г – вскрышная, поперечная двухбортовая

свнутренними отвалами; д – безвскрышная, поперечная двухбортовая

свнутренними отвалами; е – безвскрышная, веерная с внутренними отвалами;

ж– безвскрышная, веерная безотвальная; з – вскрышная, радиальная

с внутренними отвалами; к – безвскрышная, кольцевая безотвальная

27

Кольцевая система разработки характеризуется перемещением фронта вскрышных и добычных работ по спирали с периферийных участков карьерного поля или от центра к периферии (рис. 7, к).

По расположению подводных отвалов вскрышных пород или хвостов обогащения системы подводной разработки делятся на безотвальную, с внешними, с внутренними отвалами или их сочетания.

Безотвальная система разработки применяется при разработке поверхностных месторождений с первичным обогащением на берегу. В этом случае поднятое полезное ископаемое транспортируется специальными средствами или самим добычным агрегатом на берег.

Система разработки с внешним отвалом применяется при организации подводных отвалов вскрышных пород или хвостов обогащения за пределами карьерного поля на расстоянии, исключающем подвижку подводных отвалов на карьерное поле под воздействием морских волнений или подводных течений.

Система разработки с внутренним отвалом возможна при размещении подводных отвалов вскрышных пород или хвостов первичного обогащения в выработанном пространстве подводного карьера.

Комбинированное отвалообразование применяется при невозможности разместить все объемы вскрышных пород или хвостов первичного обогащения в выработанном пространстве подводного карьера. В этом случае часть объема пустых пород размещается во внутренних отвалах, а другая часть – во внешних отвалах.

На выбор системы разработки подводных месторождений существенное влияние оказывают господствующие в районе разработки ветры, морские волнения и подводные течения, а также имеющиеся у разработчиков средства.

5. Выбор местоположения подводных отвалов

Существенное влияние на эффективность технологии подводной добычи полезных ископаемых оказывает выбор способа отвалообразования вскрышных пород и укладки хвостов обогащения. В процессе добычи и обогащения морских россыпей большую часть перерабатываемой горной массы необходимо сбросить обратно в море, в обвалы, которые будут находится под воздействием динамических процессов, характерных для морских условий. В связи с этим выбору местоположения подводного отвала при ведении горных работ в море необходимо уделить особое внимание.

28

В мировой практике имеются отдельные примеры использования технологии отвалообразования при подводной добыче полезных ископаемых. По положению места сброса хвостов можно выделить следующие технологические решения:

–схема со сбросом хвостов за борт судна непосредственно на участке работ (применяется при добыче касситерита в Яванском море и алмазов –

вюго-Западной Африке);

–схема с транспортированием хвостов за пределы выемки и сбросом

вморе (применяется при добыче железной руды в районе мыса Кью-Ши);

–схема с транспортированием хвостов в определенные места моря или подаче на берег (применяется при добыче алмазов в Юго-Западной Африке, железной руды в бухте Ариаке, платины в заливе Гудньюс).

Анализ опыта добычи минерального сырья со дна морей и возможных направлений решения этой проблемы позволяет систематизировать техно-

логические схемы подводного отвалообразования вскрышных пород и хвостов обогащения следующим образом (табл. 5). При разделении морских отвалов на группы следует учитывать взаимосвязь определенного комплекса работ по транспортированию, укладке пород и защите отвалов с добычными работами и мерами по охране окружающей среды. Способ транспортирования вскрышных пород и хвостов обогащения от карьера до отвала определяет основные элементы технологической схемы отвалообразования, а именно производительность транспортных средств, метод загрузки пород в транспортное средство и способ сброса их в отвалы.

Рассматривая условия разработки морских россыпей, можно выделить ряд технологических решений укладки отвальных пород в выработанное пространство. Наличие постоянного течения в районе месторождения позволяет при его разработке укладывать вскрышные породы и хвосты обогащения во внутренние отвалы. Эта схема экономически выгодна, особенно при расположении обогатительного оборудования на добычном судне. В этом случае породы сбрасываются в море и под действием течений переносятся на некоторое расстояние, прежде чем попасть в отвал. Разубоживание полезного ископаемого при этом не происходит. Затраты на транспортирование отвальных пород сводятся к минимуму или отсутствуют. Определяющим фактором при выборе технологической схемы разработки является наличие течения.

При отсутствии течений для выбора технологической схемы необходимо рассматривать совокупность ряда параметров, характеризующих район моря.

29

При разработке пляжных месторождений полезных ископаемых укладка пород осуществляется чаще всего в выработанное пространство с применением плавучих и подвесных пульпопроводов и пульпометов. Из-за незначительных размеров выработок, защищенных полосой пляжа, волновые процессы моря не оказывают воздействие на отвалы, на их разнос.

Размещение пород во внутренние отвалы возможно также при разработке морских россыпей, когда ветровые течения не проникают на всю глубину моря или, проникая, настолько малы, что неспособны переносить породы отвалов, размещенных в выработанном пространстве. Фронт добычных и отвальных работ при этом должен располагаться с учетом гос-

30