Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние вопроса и задачи исследования 8-23
1.1 .Состояние вопроса 8-22
1.2 Задачи исследования 23
Вывод по 1 главе 23
2. Анализ результатов эксперимента «ВІЕ» по движению и намыву пульповых потоков 24-61
2.1 Российско-американский эксперимент «ВІЕ» и его разновидности: «JET» (Япония), «BIE-IOM» (СО Интерокеанметалл), «INDEX» (Индия) 24-51
2.2 Анализ результатов данных наблюдений за особенностью осаждения частиц на больших глубинах при эксперименте на полигоне «BIE» 52-60
Вывод по 2 главе 60-61
3. Исследование механизма и методики расчета осаждения частиц пульповых потоков в глубоководной зоне 62-83
3.1 Анализ существующих методов расчета осаждения частиц 62-72
3. 2 Методика расчета осаждения частиц пульпового потока при выпуске в глубоководную среду 73-82
Вывод по 3 главе 82
4. Методика расчета глубоководного намыва 84-107
4.1 Разделение схем намыва по зонам глубин океана 84-97
4.2 Методика определения взаимоположения устройства отделения конкреций от вмещающих пород и намыва пород на дно 98-106
Вывод по 4 главе 106-107
Заключение 108-109
Список использованных источников 110-114
- Российско-американский эксперимент «ВІЕ» и его разновидности: «JET» (Япония), «BIE-IOM» (СО Интерокеанметалл), «INDEX» (Индия)
- Анализ результатов данных наблюдений за особенностью осаждения частиц на больших глубинах при эксперименте на полигоне «BIE»
- Методика расчета осаждения частиц пульпового потока при выпуске в глубоководную среду
- Методика определения взаимоположения устройства отделения конкреций от вмещающих пород и намыва пород на дно
Введение к работе
Современная прогнозная оценка минерально-сырьевой базы Российской Федерации по никелю, кобальту и марганцу свидетельствует о том, что в перспективе освоение месторождений суши не покроет возникающий дефицит в рудах этих металлах.
Как известно, основной объем кобальта в России добывается попутно из никелевых руд. Сырьевая база производства кобальта, потребность в котором возрастает с каждым годом, на отечественных месторождениях суши ограничена.
Для обеспечения требуемых объемов глубокозалегающих бедных вкрапленных сульфидных медно-никелевых и силикатно-никелевых руд для поддержания деятельности действующих предприятий на существующем уровне требуются значительные капиталовложения.
Марганец в России является ещё более дефицитным сырьем. Запасы представлены в основном труднообогатимыми бедными карбонатными рудами, переработка которых может вызвать негативные последствия для окружающей среды. Так на территории Кемеровской области расположено крупнейшее в России Усийское месторождение, имеющее запасы карбонатных руд 92,8 млн.т с содержанием марганца менее 20% и только 5,7 млн.т окисленных руд с содержанием 26,9%. Освоение такого месторождения, по предварительным оценкам, потребует также крупных инвестиций. Освоение же малых месторождений в Горной Шории и на Салаире с запасами от 2 до 5 млн. т отодвигает на несколько лет остроту проблемы, но не её решение.
Общая потребность России в товарной руде или концентратах, составлявшая в 1993 г. 1,5 млн.т, возросла до 2,2-2,5 млн.т. Обеспечение возрастающей потребности в руде за счет месторождений суши не имеет пока перспектив.
Решение сырьевой проблемы практически возможно за счет новых нетрадиционных источников минерального сырья, тем более что минерально сырьевая база всех развитых стран, в том числе и России, приращивается в условиях снижения качества и повышения трудности обогащения добываемого сырья при снижении вероятности открытия новых крупных рудных месторождений.
По мнению зарубежных и отечественных специалистов решение минерально-сырьевой проблемы возможно за счет освоения полезных ископаемых Мирового океана. По современной оценке потенциала нетрадиционных твердых полезных ископаемых основной вес принадлежит океаническим железомарганцевым конкрециям (ЖМК) и кобальтомарганцевым коркам (КМК). Эти рудные образования (ЖМО) являются комплексным сырьем на марганец, кобальт, никель и медь, в котором в качестве попутных компонентов присутствуют молибден, платина и элементы редкоземельной группы с высоким содержанием. Работами в северной части приэкваториальной зоны Тихого океана российских (ранее советских) геологов выявлены с 1980 г. значительные ресурсы ЖМК и КМК. 17 декабря 1987 года Генеральный комитет Подготовительной комиссии для Международного органа по морскому дну и Международного трибунала по морскому праву при ООН выделил бывшему СССР участок морского дна площадью 75 тыс. кв. км в зоне Кларион - Клиппертон (приэкваториальная часть северо-восточной котловины Тихого океана). (Рис 1.1)
Таким образом, создалась правовая основа для нового источника добычи минерального сырья. Прогнозная оценка только трех выявленных океанических образований (по данным., института «ВНИИ океан геология») превышает по меди 340 млн.т, цинку 540 млн.т, серебру 1350 тыс.т, золоту 25 тыс.т, что уже сопоставимо с ресурсами, суши, подсчитанными американскими исследователями (1,6 млрд.т меди; 1,8 млрд.т цинка; 743 тыс.т серебра; 70 тыс.т золота) [25]. О запасах кобальта дает представление оценка поля кобальтоносных корок только на поверхности одной подводной горы Хуан-де-Фука (Тихий океан), составляющая 581 тыс.т этого металла на глубинах от 1369 до 2400 м при бор товом содержании 0,8% и среднем содержании 2,6%). Но привлекательность и экономичность освоения этих руд определяется технологическими решениями, которые при работе в океане должны быть максимально безопасными для окружающей среды.
Подводные месторождения океана представляют сложную экосистему с тесным взаимодействием их с водами, в связи с этим любое изменение, вызванное влиянием антропогенного фактора, может вызвать за собой различные негативные последствия и привести к экологической катастрофе.
Одним из этих факторов является укладка вмещающих пород на дно океана, так как подъем и сброс их на поверхность создаст ещё больше трудности.
Поэтому до начала промышленной добычи необходимо было детально исследовать процесс движения пульповых потоков при разработке глубинных месторождений, чтобы определить места подводного намыва для снижения негативного влияния на окружающую среду. Эти исследования были проведены в комплексе эксперимента «BIE», которые показали, что сложность определения мест намыва повышается из-за того, что частицы пульповых потоков двигаются по более сложной траектории, чем по представлениям известных принятых методик. Создание новых методик необходимо, в первую очередь, для переоценки сырьевой базы тихоокеанского полигона. Это и сделало тему диссертации актуальной.
Обработка результатов по программе «BIE» привела к изменению общего подхода к технологии добычи в океане. Выемочные работы производятся снарядом отрицательной плавучести, который перемещается по дну и перекачивает гидросмесь по придонному трубопроводу на устройство отделения конкреций крупностью от 5 до 60 мм от илов, которые в теплых водах поверхности океана перекачиваются на судно. Гидросмесь илов перекачивается в определенные зоны.
Цель исследования.
Целью настоящего исследования является установление параметров глубо ководного намыва вмещающих пород месторождений металлоносных конкреций российского тихоокеанского полигона.
Основная идея.
Основная идея диссертации состоит в том, что, начиная с определенных глубин необходимо рассматривать траекторию пульпового потока как результирующую перемещения не только движения по горизонтали и свободного падения (гидравлической крупности), как было принято, но и взвешивания частиц в потоке сформировавшемся перед выпуском гидросмеси в океан из трубопровода.
Научные положения, выносимые автором на защиту, и их новизна:
• при глубоководном выпуске гидросмеси из горизонтального трубо провода траектория движения частиц, перемещающихся в струе, продолжает формироваться с учетом инерции турбулентного взвешивания частиц в трубопроводе; это объясняет, почему частицы потока оказываются на первоначальном участке намыва выше горизонта выпуска;
• при выпуске на глубинах менее 150-200 м, т.е. в границах континен тального шельфа траектория потока изменяется за счет воздействия поверхностных преград и её необходимо корректировать по отражению потока от линии воздух-вода и воздействия донных течений. Это позволяет определить три типа намыва в океане: поверхностный, шельфовый и глубоководный;
• анализ результатов экспериментальных намывов, выполненных ис следователями «Южморгеология» показали возможность укладки вмещающих ЖМО пород на дне океана. Научное значение работы.
Научное значение состоит в установлении закономерностей намыва в трех зонах океана (поверхностного, шельфового и глубоководного). Практическое значение работы. Практическое значение состоит в разработке принципов технологии намыва вмещающих пород, что позволит оценить эффективность освоения месторождений океанических конкреций.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается анализом большого объема экспериментальных исследований на международных полигонах по программе «BIE» (свыше 300 серий), применением опробированных теоретических критериев и совместным анализом данных экспериментов и теоретических построений. Автор приносит глубокую признательность докт.геол-мин. наук Пилипчуку М.Ф и других за возможность анализа опубликованных ими данных. Апробация диссертации.
Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном горном университете в пределах про-граммы_«Неделя горняка» в 2004 г. и 2005 г., на конференции в Московском геологоразведочном университете, на Научно-техническом совете по горным наукам НЦ «МГТУ-ИПКОН». Реализация результатов.
Результаты были использованы рабочей группой Минприроды РФ при оценке эффективности схем добычи ЖМО. Публикации.
По теме диссертации опубликованы 2 работы. Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 38 рисунков, 9 таблиц. Список использованной литературы включает 48 наименований.
Российско-американский эксперимент «ВІЕ» и его разновидности: «JET» (Япония), «BIE-IOM» (СО Интерокеанметалл), «INDEX» (Индия)
Как указано выше, наблюдения за движением пульповых потоков, выполненных под руководством доктора геолого-минералогических наук Пилипчука М.Ф., показали, что они не подчиняются схемам, принятым при намыве отвалов и хвостохранилищ. Поэтому необходимо проанализировать концепцию эксперимента «BIE» и его технологическую структуру. Как отмечалось, начало горнорудной деятельности по добыче ЖМО в зоне Кларион-Клиппертон находится в прямой зависимости от разработки научно обоснованных требований по предотвращению экологической угрозы океану при коммерческой разработке этих руд. Реализация эффективного экологического контроля требует новых подходов научных исследований, основанных на комплексном изучении бентических экосистем.
Ресурспендирование осадка, обусловленное добычей полиметаллических конкреций предполагает воздействие на бентическое сообщество абиссали морского дна. Однако до настоящего времени была не известна степень этого воздействия и отношение к толщине слоя переотложенного осадка. Предполагалось, что абиссальные бентические организмы испытывают на себе воздействия добычного процесса либо через захоронение их под слоем переотложенного осадка, либо через истощение источников пищи. Необходимость решения этих проблем до начала коммерческой добычи в зоне Кларион-Клиппертон явились причиной разработки и проведения вышеуказанных международных экспериментов по бентическому воздействию - «BIE», «JET», «BIE-IOM» и других.
Практическое воплощение экспериментов «BIE», «JET», «BIE-IOM» заключалось в проведении крупномасштабного нарушения осадочного слоя полей конкреций имитатором добычной системы - дисторбером и изучении реакции системы на это нарушение немедленно, через год и в течение не менее пяти -семи лет. Таким образом, программы включают три основных этапа (рис.2.1): - фоновые исследования на выбранных полигонах: цель - определить характер ненарушенной экосистемы (как эталона); - нарушение бентической экосистемы: цель - проконтролировать распределение сброшенных в морскую среду отходов добычи и их воздействие на экосистему; - мониторинг нарушенных участков: цель - изучение реколонизации бентической экосистемы.
Для изучения реакции систем на их нарушение при различных условиях среды их существования бентический эксперимент проводился на нескольких полигонах. Два первые полигона (« BIE-1» и «BIE - II» ) созданы на американском лицензионном участке с относительно низкими плотностями залегания ПМК ( на границе с российским) с координатами 12 56 с. ш. и 128 Зб з. д. Третий полигон «JET» был создан в западной части зоны Кларион-Клиппертон на японском выделенном участке с очень высокими (до 50 %) плотностями залегания конкреций (координаты 9 15 с. ш. и 146 15 з. д.) и, наконец, четвертый полигон «ЮМ» - в восточной части зоны Кларион-Клипперон на участке СО Интерокеанметалл с координатами 11 08 с. ш. и 119 40 з. д. На последнем участке отмечается чередование площадей с высокими плотностями конкреций и очень низкими. В качестве контрольного полигона сравнения (PRE) использован западный блок Российского лицензионного участка, базовые экологические данные на котором были получены еще до начала эксперимента «BIE».
Выбор полигонов производился по специальной методике, включающей подробную эхолотную, сонарную, фототелевизионную съемки, фоновый биологический и химический пробоотбор, а также измерение векторов подводных течений.
После нарушения и переотложения осадков дисторбером на выбранных полигонах вышеперечисленные работы (за исключением сонарного и эхолотно-го профилирования) повторялись вновь. Слежение за миграцией потока, который назвали "султан", взмученных осадков осуществлялось с помощью непрерывного гидрозондирования электронным зондом, снабженным прозрачноме-ром-трансмиссиометром. Мощность переотложенных осадков фиксировалась седиментационными ловушками, установленными на дне, по результатам измерения придонных течений и с помощью рентгеновского фотографирования кернов осадка. Дополнительным методом фиксации переотложенных осадков для их картирования служили изотопные методы исследования осадков по торию и свинцу. Положение подводных аппаратов (дисторбера, пробоотборников - бокскоре-ра и мультикорера, фототелекомплекса, сонара, заякоренных станций измерителей течений, седиментационных ловушек, гидрофизического зонда) на полигонах с глубинами 4,5-5 км определялось с помощью спутниковой системы навигации GPS и состыкованной с нею акустической системой подводной навигации АСМОД.
Центральное место в эксперименте «BIE» занимал дисторбер, изготовленный в США фирмой «Саунд Оушн Системз ИНК», с помощью которого проводилось нарушение осадочного слоя и выброс осадков в водную толщу.
Все рейсы по эксперименту «BIE» выполнялись на российском НИС «Юж-моргеология». Эксперименты, подобные DISCOL, выполняемые Германией, и BIE, выполняемый Россией, США и Японией, находятся в центре внимания мировой общественности, обеспокоенной возможным негативным влиянием предстоящей добычи конкреций на экосистему океана, ибо эксперименты подобного рода позволяют всесторонне изучить ответную реакцию сообщества живых организмов на стрессы различной остроты. В этих экспериментах внимание фокусируется на тщательной детализации уровней воздействия для точного прогноза реакции бентофауны на послойное заиливание дна нарушенным и переотложенным осадком. При реализации полномасштабной коммерческой добычи, без сомнения, будет создаваться поверхностный слой осадка, который покроет тысячи квадратных километров морского дна. Переосаждение осадка в процессе добычи и после нее связано с существованием хрупкого, но весьма разнообразного глубоководного сообщества.
Первое совещание, где обсуждались вопросы по реализации эксперимента, подобному «BIE», состоялось в 1985 г. в США, в штате Орегон. Участники совещания акцентировали трудности в создании глубоководных устройств, рас сеивающих осадок, и высокую стоимость проведения эксперимента. Помимо финансовой проблемы, эксперимент, по мнению участников совещания, мог иметь и серьезную аналитическую проблему, поскольку для его выполнения нужен был специальный высококвалифицированный персонал, работающий в области конгломерата смежных наук - физики, химии и биологии океана.
Анализ результатов данных наблюдений за особенностью осаждения частиц на больших глубинах при эксперименте на полигоне «BIE»
Как было отмечено выше, перед работой «Дисторбера» был проведен комплекс натурных исследований по определению фоновых характеристик геоэкологических систем на полигоне «BIE». Для этого в северо-восточной котловине Тихого океана между параллелями 12 59,5 и 13 0,1 северной широты и меридианами 128 21,9 и 128 25,4 восточной долготы были установлены измерители течений и станции отбора проб мультикорерами и седиментацион-ными ловушками.
Температура, град. С 10 10 30 1 л У б и SO- ii / а, у м / НЮ I ISO- 1 Рис. 2.12 Спектры профилей количества и размерности взвешенных частиц в водном столбе были получены с использованием метода вертикального фотопрофилирования, американской системой «Сервей камера» (рис.2.2). Система состоит из двух импульсных ламп типа «Бентос», смонтированных в фокальной точке системы линз Фреснела, дающих ограниченную «сферу» освещения. Размещенная под углом 90,5 градусов от «сферы» подводная фотокамера типа «Бентос», модель 372, работающая на пленке Т-Мах.400, отснимет интересующий объем воды (400 л). Объекты над и под «сферой» не освещаются и, следовательно, не фотографируются. Система, рассчитанная на получение от 700 до 800 кадров от поверхности океана до дна (снимок через каждые 7 м) с выдержкой 7-30 с, медленно погружается на траловом кабель-тросе со скоростью от 10 до 20 м/мин. Глубина контролируется и регистрируется пингером и судовым эхолотом высокой точности. Изображения анализируются прямо с негативов на персональном компьютере, совмещенном с системой передачи данных ковшовой системы и мягким кабелем JAWA.
Определение, потока агрегатов проводили с помощью "Флакс камеры" (рис. 2.3), состоящей из седиментационной ловушки и фотокамеры, направленной вверх для фиксирования агрегатов, опускающихся на прозрачное дно ловушки. Вначале фиксировали последовательно опускающиеся агрегаты в ловушку, а их поток определяли как количество поступившего материала (площадь, умноженная на время).
По возвращении системы на борт, взятую пробу анализировали на содержание сухого веса и химического состава. Затем количество массы этого потока сравнивали с потоком агрегатов для того, чтобы определить среднее содержание агрегатов в потоке.
Специально для рейса НИС «Южморгеология» было разработано и смонтировано устройство «Флакс камеры». Блок контроля размещался вокруг компьютера Onset Computer Tattletale, модель 3. Связь с затвором фотоаппарата, импульсной синхронизацией и запирающим механизмом осуществлялась через оп тоизолированные реле DIP. Кроме того, была создана модернизированная программа для анализа фотоснимков и приспособление для автоматического запирания ловушки. При анализе фотоматериалов выбирали данные площади и периметра по каждой глубине или по каждому временному интервалу, распределяя их по размерным классам с тем, чтобы иметь файл каждой записи данных. Файл содержит данные об общей площади изображения, общем периметре, общем количестве частиц и количестве, приходящемся на каждый десятый размерный класс площади и периметра частицы. После этого файлы переносятся на большой лист для перевода соответствующим образом в единицы радиуса частиц и их потока (количество на м в сутки). Графики вычерчиваются прямо с листов или файлов, направленных в другие графические программы. Выбор полигона BIE-1 на американском лицензионном участке обоснован двумя причинами: хорошей изученностью этого района в результате работ США по программе «DOMES» (точка «С»), а также тем обстоятельством, что этот полигон находится на границе заявленных участков США и России. После обработки 6 геоакустических, 11 фототелевизионных и 2 телевизионных профилей был выбран ровный и без препятствий полигон для безопасной работы дисторбера - имитатора добычных операций. Гидрофизическая ситуация на участке «BIE-I», выявленная с помощью трех гидрозондирований, показала типичную для этой области картину распределения основных гидродинамических параметров - температуры, солености и плотности.
Успешно поднятые две станции измерителей течений фирмы «Аандераа», установленные в конце рейса «BIE-91», показали записи данных за 8 месяцев. Данные указывали на перемещение вод в северо-западном направлении со средней скоростью 2 м/с. Периодически наблюдались «вспышки» скоростей, достигавших 8-10 см/с. Эти активности американские специалисты связывали с лунным циклом. Наблюдения экспедиций показали, что в донной области на глубине 3.75 м от дна фактически отсутствует фоновая мутность. Это полно стью соответствует замерам горизонтальных течений в этом слое до 5 см/с при среднем значении около 2 см/с.
Авторы в результате наблюдений подтвердили и установили, что выбрасываемая пульпа имела концентрацию 80-120 г/литр, максимальное значение - 120 г / литр, т.е. данным по выемке пород дисторбером. В этих условиях зафиксированное движение пульповых потоков показало, что частицы в океанической среде перемещались не только поступательно, но и вверх, т.е. движение не соответствовало принятым схемам. Эти особенности можно объяснить только наличием третьей составляющей скорости, которая обеспечивала взвешивание или волочение частиц в потоке пульпы в трубе. Анализ показывает, что на характер движения частиц в замерах характеристик так называемого «султана» влияние фоновых условий ничтожно. За период до буксировки «Дисторбера-2» на полигоне «BIE-I» в соответствии с полученными данными по течениям были установлены седиментационные ловушки. Они были размещены как к северу, так и к югу ориентированного в северо-восточном направлении участка профилирования дисторбера. Первые ряды устанавливались как можно ближе к участку профилирования, а последующие на несколько сот метров дальше. Одна ловушка была установлена для контроля процесса переосаждения в 6 милях к северо - западу от зоны эксперимента. Все 17 установленных ловушек находились примерно в 5 м от морского дна.
Методика расчета осаждения частиц пульпового потока при выпуске в глубоководную среду
Проведенные на полигоне ВІЕ испытания показали, что общепринятый механизм расчета осаждения частиц не соответствует фактическим данным наблюдений. Все проанализированные расчетные схемы предусматривают, что твердые частицы в потоке гидросмеси после выхода из трубы, двигаются по ре-зультатирующей трассе под влиянием двух скоростей - горизонтальной скорости движения пульпы и гидравлической крупности частиц. Но при глубоководном намыве такая схема не выдерживает сравнения с экспериментальными наблюдениями. Вытекающий в глубоководную среду пульповый поток вместо параболического движения, направленного вниз, оказалось, имеет направление вверх после выпуска к поверхности океана (рис.3.2), т.е. на этот поток кроме сил, общепринятых в расчетах механизмов осаждения, действуют не учитываемые в существующих методиках силы.
Движение частиц пульпового потока при глубоководном выбросе, поднимавшихся выше уровня трубопровода, можно объяснить результатом продолжающего воздействия сил вертикального взвешивания частиц в потоке, которые обеспечивали выброс частиц из трубы. Из вышеизложенного следует, что на направление движения частиц будут воздействовать три составляющие: гидравлическая крупность (скорость свободного падения); горизонтальная скорость перемещения; скорость взвешивания частиц в турбулентном потоке.
Как известно, при гидротранспортировании двухфазных потоков, частицы различной крупности перемещаются по-разному. Мелкие частицы перемещаются во взвешенном состоянии, наиболее крупные транспортируются как во взвешенном состоянии, так перекатыванием по дну. Для того, чтобы частица была взвешена в турбулентном потоке, необходимо чтобы скорость взвешива
Наибольшее время перемещения частиц в анализируемом потоке будет иметь место для самых мелких частиц, так как тяжелые и крупные фракции будут оседать непосредственно около выхода трубопровода (это установлено экспериментаторами «Южморгеологии»[26]). При промышленной добыче конкреций этих частиц практически не будет.
На основании полученных данных нами предложена расчетная схема движения пульпового потока, которая представлена на рис.3.3. Для определения дальности перемещения пульпового потока условно разделим траекторию движения частиц пульпы по горизонтали на два промежутка. Первый промежуток-это расстояние от точки выпуска до точки, находящейся на оси трубопровода. На этом промежутке на частицу действуют три скорости: W (гидравлическая крупность), V (горизонтальная скорость движения), VB3B (скорость взвешивания). Частицы пульпового потока на этом промежутке имеет траекторию, направленную вверх, это объясняется продолжающимся воздействием сил турбулентного взвешивания, действующих на частицы внутри трубопровода.
Изменение дальности намыва показано на рис. 3.8 и 3.9. Эти данные показывают, что при изменении наклона выпуска можно управлять технологией намыва. 1. Проведенный анализ существующих методик и механизмов осаждения частиц не соответствует данным полученным в ходе проведения экспе римента «BIE», т.к. ни одна из методик не предусматривает возможность движения частиц вверх. Предлагаемая методика расчета осаждения час тиц пульпового потока при выпуске в океан позволяет определить пара метры глубоководного намыва вмещающих пород месторождений ме таллоносных конкреций. 2. Изменение угла выпуска пульпового потока в глубоководную среду и высоты выпуска позволят регулировать дальность распространения час тиц пульпового потока. Так при горизонтальном положении выпуска на глубине от 0.5 м до 300 м от дна место намыва илов удалено на расстоя ние от 0.6 км до 11 км. Расстояние может регулироваться наклоном пат рубка выпуска. При глубине выпуска 100 м от дна при наклоне от 20 до 80 расстояние меняется от 4 км до 3.5 км
Методика определения взаимоположения устройства отделения конкреций от вмещающих пород и намыва пород на дно
Обработка данных наблюдений, полученных в процессе эксперимента "BIE" , позволяет уточнить технологию и комплекс технических средств добычи железомарганцевых конкреций. Они представляются следующими. Выемка конкреционной массы производится земснарядом, перемещающимся над дном за счет элементов плавучести в зонах богатых морской фауны и флоры или «ползующего» по дну полигона при их отсутствии. Сформированная гидросмесь по трубопроводу длиной более 100 метров подается в узел отделения конкреций от вмещающих пород. В узле может быть установлено дуговое сито с размером отверстий решетки равном 1,5 мм, площадью 800 м3 гидросмеси / м2 . Отделенная конкреционная масса загружается в вертикальный трубопровод, а гидросмесь вмещающих пород транспортируется на расчетную точку выпуска. Расчетная точка выпуска определяется, исходя из положения участка намыва по закономерности (3.25) с учетом данных фоновых характеристик: L = а (V cos3 (lc Wmax / Wmin)+ (V (Н +h))/ Wmin), м, где а - коэффициент, учитывающий несовершенство отстоя в выработанном пространстве, по аналогии с расчетами на картах намыва, предлагаем принимать для крупных частиц 0,82, а для мелких 1,26. Н - положение насадки выпуска по отношению ко дну, м; V - горизонтальная скорость движения гидросмеси, м/с; Wmax - гидравлическая крупность максимальной расчетной частицы, м/с; Wmin -гидравлическая крупность минимальной расчетной частицы, м/с.
Особенности гидравлического взвешивания частиц в пульпопроводе заключаются в том, что при движении гидросмеси по трубам существенную роль играет сила тяжести. Под действием избыточной массы, транспортируемые твердые частицы в общем случае неравномерно распределяются по глубине по тока и основная их масса перемещается у дна трубы (рис.4.7). Распределение концентрации по глубине горизонтального взвесенесущего потока с мелкозернистым (1), среднезернистым (2) и крупнозернистым (3) твердым материалом. Рис.4.7 Перенос твердых частиц турбулентным потоком жидкости обуславливается также рядом факторов, зависящих, в частности, от крупности, плотности и концентрации взвеси. Твердые частицы явно отрицательной плавучести, обладающие большей инерцией, чем жидкость, в каждый момент времени, или отстают от окружающих жидких объемов, или перемещаются вместе с ними, или же опережают их.
При небольших объемных концентрациях взвеси очень мелкие частицы воспринимают все движения жидкости вплоть до самых высоких частот и, таким образом, непрерывно следуют за жидкостью, не влияя на ее скоростное поле. В этом случае наблюдается полная пассивность взвешенных частиц в их следовании за пульсационными движениями жидкости. Что касается сравнительно крупных частиц взвеси, обладающих определенной инерцией, то дополнительный перенос этих частиц в том или ином направлении обусловлен в общем случае тремя факторами: турбулентным перемешиванием несущей среды, взаимными столкновениями твердых частиц в потоке и полем внешних массовых сил, действующих на частицы взвеси. При этом турбулентный перенос таких частиц возможен лишь при соответствующих низких частотах пульсационной скорости несущей жидкости, а перенос, связанный с взаимными столкновениями частиц при относительно высоких локальных концентраций взвеси. Это обуславливает осевую ассиметрию скоростного поля, выражающую в смещении вверх относительно геометрической оси трубы кинематической оси потока, соответствующей местоположению максимальной осредненной скорости, и в спрямлении изотах в нижних высококонцентрированных слоях потока (рис. 4.8,4.9). [11]
Особенность движения гидросмесей по горизонтальным трубам заключается также в существовании так называемого критического режимам движения, при котором твердые частицы начинают выпадать на нижнюю стенку трубы. Соответствующая тому режиму скорость гидротранспортирования определяется многими параметрами, в том числе средней объемной концентрацией гидросмеси, диаметром трубы, гранулометрическим составом и физико-механическими характеристиками твердого материала.
Степень неравномерности распределения концентрации твердых частиц, а следовательно, степень осевой асимметрии скоростного поля и относительное увеличение удельных гидравлических сопротивлений могут быть различными в зависимости от средней объемной концентрации гидросмеси, средней крупности и плотности твердых частиц, плотности и динамической вязкости несущей жидкости, проходного диаметра трубы и средней скорости потока.
Особенность движения гидросмесей по горизонтальным трубам заключается также в существовании так называемого критического режимам движения, при котором твердые частицы начинают выпадать на нижнюю стенку трубы. Соответствующая тому режиму скорость гидротранспортирования определяется многими параметрами, в том числе средней объемной концентрацией гидросмеси, диаметром трубы, гранулометрическим составом и физико-механическими характеристиками твердого материала.
При гидравлическом расчете пульпопровода по заданным гранулометрическому составу твердого материала, длине трубопровода L (м), плотности час-тиц твердого материала ps (кг/м ), плотности воды рш (р = 1000 кг/м ), кинематической вязкости воды vw (уш = 10" м /с), высоте подачи гидросмеси Az (м), равной разности геодезических отметок осей насоса и трубопроводов в месте выпуска гидросмеси, объемной концентрации гидросмеси Sep и массовому расходу твердого материала Qm (кг/с) определяется объемный расход воды, необходимый для обеспечения заданного массового расхода твердого материала при гидротранспортировании; выбрать проходной диаметр трубы, обеспечивающий объемный расход гидросмеси в критическом или близком к нему режиме гидротранспортирования; найти критическую и фактическую скорости потока; определить удельные и суммарные потери напора, позволяющие выбрать насосное оборудование и установить необходимое количество пульпонасосных станций для перекачки гидросмеси на требуемые расстояние и высоту.
