книги / Разработка подводных шельфов

7. Надводные и выносные из воды морские земснаряды

Приведем классификацию земснарядов.

По способу забораиперемещения грунта земснаряды подразделяют:

–на землесосные – извлекающие и перекачивающие грунт в виде пульпы с применением грунтового насоса, наиболее распространенный тип земснарядов, применяемый на I–IV классах грунтов;

–землечерпальные – являющиеся разновидностью экскаваторов, поднимающие и перемещающие грунт посредством ковшей или черпаков. Используются на твердых грунтах V–VI класса, где эффективность землесосных земснарядов не дает необходимой производительности. В свою очередь, землечерпальные снаряды подразделяются на:

• одночерпаковые штанговые, представляющие собой одноковшовый экскаватор, установленный на понтоне;

• одночерпаковые грейферные, представляющие собой подъемный кран, оборудованный грейфером;

• многочерпаковые, представляющие собой машину непрерывного действия, с черпаками, закрепленными на бесконечной цепи, натянутой между двумя барабанами.

По способу транспортировки грунта земснаряды подразделяют:

–на рефулерные – транспортировка грунта осуществляется при помощи плавучего пульпопровода. Наиболее экономически эффективный метод транспортировки пульпы;

–шаландовые – транспортировка грунта осуществляется шаландами – специальными судами, принимающими грунт в трюм и отвозящими его

кместу размещения;

–самоотвозные – грунт принимается земснарядом в собственный трюм и отвозится к месту свалки;

–с гидромониторным выбросом пульпы. Данный способ используется при работах на устьевых участках рек и на водохранилищах с частым

волнением, наиболее широкое применение получил при гидронамыве в условиях морских вод.

По методу рабочих перемещений:

–самоходные;

–несамоходные – использующие папильонажные лебедки и якоря или свайный ход. Якорь завозят на определенное расстояние и при помощи канатов и лебедок снаряд перемещается в нужном направлении. Свайноякорные снаряды кроме рабочих якорей имеют также свайные аппараты.

41

По производительности различают снаряды малой, средней и большой производительности.

По роду энергетической установки (приводящей в движение сна-

ряд) – паровые, дизельные, дизель-электрические, дизель-гидравлические, газотурбинные и электрические дноуглубительные снаряды.

По району выполнения дноуглубительных работ – снаряды морского и речного типов. Морские земснаряды отличаются от речных конструкцией корпуса и лучшей остойчивостью, позволяющей выполнять работы в условиях волнения.

Наиболее распространенным техническим средством для морской добычи нерудных полезных ископаемых являются самоходные дноуглубительные земснаряды, у которых всасывание грунта и его регулирование осуществляется с помощью грунтовых насосов. Благодаря тому, что в большинстве случаев эти земснаряды могут отвозить грунт в порт, их использование для добычи песка, гравия и других нерудных полезных ископаемых является рентабельным. Кроме того, часто на этих земснарядах устанавливают обогатительное оборудование, которое обеспечивает необ-

ходимую кондицию требуемого для промышленности материала.

Самоходные земснаряды могут осуществлять рабочие перемещения таким же образом, как и при транспортировке, например, при разработке пород волочащимся всасом (рис. 11), либо могут работать с папильонажными якорными канатами, позволяющими соз-

давать породозаборным устройствам большие механические напоры на забой и разрабатывать породы, обладающие большим сцеплением.

При разработке породы волочащимся всасом земснаряды могут работать при сравнительно больших волнениях. В походном положении волочащийся грунтозаборник укладывается на палубу.

Самоходные земснаряды имеют разделенный продольными и поперечными переборками грунтовый трюм. Днище трюма имеет донные лядовые дверцы для сбрасывания грунта в отвал. Самоходный земснаряд работает с переливом пульпы. После наполнения трюма пульпой работа продолжается, твердый материал оседает в трюм, а осветленная пульпа

42

переливается через борт. Для размыва грунта в трюме имеется ряд труб с соплами.

Для уменьшения или полного устранения влияния волнений на работу земснаряда, в связи с необходимостью получения возможности вывода земснарядов на сушу для ремонтов или укрытия от штормов в районах, где нет порта, применяются выносные из воды земснаряды.

Для того чтобы вывести корпус земснаряда из воды, применяют два принципа:

1)применение ног, которые служат опорой о дно моря при подъеме земснаряда над водой подобно нефтяным платформам;

2)использование воздушной подушки, поднимающей земснаряд над

водой.

Рис. 12. Пример земснаряда с эрлифтной трубой (венгерский земснаряд «Гдроп Зонд»)

Для самой глубоководной добычи используют эрлифтные земснаряды (рис. 12). С борта земснаряда в устье всасывающей трубы подается сжа-

43

тый воздух и перемешивается в ней с водой и пульпой. Образовавшаяся двух- и трехфазная смесь легче, чем вода, поэтому смесь вытесняется столбом воды из водоема и поступает на земснаряд. В основном эти земснаряды применяются для добычи нерудных материалов. Эрлифтные земснаряды имеют меньший коэффициент полезного действия, чем земснаряды с грунтовыми насосами, и не могут осуществлять наклонный подъем пульпы.

Помимо перечисленных видов земснарядов, существуют эжекторные земснаряды. Принцип работы этих земснарядов состоит в следующем. Рабочая вода под большим напором нагнетается в начале всасывающей трубы с борта по специальному трубопроводу через одну или несколько насадок. Выйдя из насадки, расположенной во всасывающей трубе, рабочая вода с большой скоростью увлекает за собой воду и пульпу из водоема и подает ее на борт или в грунтовый насос.

Рис. 13. Земснаряд для разработки пресноводных месторождений полезных ископаемых

Все эти виды земснарядов применяются не только для разработки месторождений шельфа, но и для разработки месторождений дна пресных водоемов. Разумеется, их конструкции несколько отличаются, но принципы работы остаются теми же. Пример земснаряда для пресноводных водоемов показан на рис. 13. Как правило, применяемые в настоящее время пресноводные земснаряды меньше земснарядов, используемых для разработки шельфовых месторождений.

8.Подводные земснаряды

Кподводным земснарядам относятся не только те земснаряды, которые полностью вместе с понтоном погружаются под воду во время работы, но

итакие, у которых под водой находятся породозаборные и гидротранспортные средства вместе с приводами, напорный пульпопровод, энергопривод, в то время как на поверхности воды остается обслуживающее судно.

44

Примерами таких земснарядов могут служить французский земснаряд «Саблиер», итальянский земснаряд S-23, земснаряды типа «Моллюск» первые из которых были разработаны еще в СССР.

«Саблиер» состоит из надводного плавучего основания и погружаемой под воду землесосной установки с механическим породозаборником. Глубина разработки до 30 м. Привод погружаемых под воду грунтового насоса и разрыхлителя гидравлический. Напорный пульпопровод эластичный.

S-23 – обитаемый земснаряд, может разрабатывать дно океана на глубине до 70 м при волнении до 5–6 баллов по шкале Бофорта. Этот земснаряд был построен для рытья траншей под трубопроводы больших диаметров. Земснаряд не имеет ходовой части и подтягивается двумя папильонажными лебедками. Кабель для подачи энергии и трубопровод для воздуха связывает земснаряд с плавучим надводным судном. Земснаряд имеет раму разрыхлителя, оканчивающуюся фрезой. Максимально допустимая высота уступа 2,4, ширина забоя 4,5 м.

Земснаряды типа «Моллюск» выпускались с самыми разными параметрами. Принцип работы этих земснарядов основан на использовании большого гидростатического давления окружающей среды в районе забоя для осуществления некоторых операций процесса выемки. Например, у этих земснарядов гидростатическим давлением осуществляется разрушение породы благодаря использованию существенной доли напора грунтового насоса в его всасывающей линии. Последнее обстоятельство позволяет также путем присасывания получить необходимый механический напор земснаряда на забой без больших опорных реакций его на дно. Основная особенность этих земснарядов заключается в том, что их папильонажные лебедки расположены на обслуживающем судне и поэтому к земснаряду с судна передается не только энергия, но и тяговое усилие, необходимое для создания напора породозаборного устройства на забой. Обслуживающее судно удалено от земснаряда на такое расстояние, при котором качка судна от волнений не передается через папильонажные канаты на земснаряд.

Земснаряды типа «Моллюск» снабжены комплектом породозаборных устройств, состоящих из гидромеханического качающегося породозаборника, всасывающего устройства морского земснаряда, всасывающего наконечника землесосного снаряда. В отличие от эжекторов и гидроэлеваторов во всех породозаборных устройствах земснарядов типа «Моллюск» порода увлекается водой из области высокого давления в область малого давления.

Эластичный энергопульпопровод с регулируемой плавучестью включает в себя три эластичных трубопровода, параллельно соединенных меж-

45

ду собой так, что их центры лежат в вершинах треугольника. Один трубопровод используется для подачи пульпы, другой – для проводки электрокабеля, информационных и управляющих магистралей, а третий трубопровод разделен на изолированные друг от друга участки, представляющие собой цистерны с регулируемой плавучестью. Конструкция папильонажной системы земснаряда типа «Моллюск» зависит от связности разрабатываемой породы, типа выемки и глубины разработки (рис. 14).

Рис. 14. Папильонажные системы земснаряда «Моллюск»: I – одноканатная система вертикального папильонирования: 1 – надводное судно; 2 – кран; 3 – землесосная установка; 4 – эластичный пульпоэнергопровод (при больших глубинах снабжен эластичными цистернами); II – система с канатным папильонированием вдоль борта судна: 5 – тяговый канат; 6 – поддерживающий канат; III – буксировочная система папильонирования: 7 – буксировочный канат; 8 – понтон земснаряда в погруженном положении; 9 – понтон земснаряда

в надводном положении; 10 – канат для буксировки понтона; IV – двухканатная папильонажная система: 11 – якорный понтон; 12 – якорный канат;

13 – передний папильонажный канат; 14 – уздечка; 15 – направляющий блок; 16 – плавучий эластичный пульпоэнергопровод; 17 – задний папильонажный канат; 18 – папильонажно-подъемный канат; V – четырехканатная папильонажная система: 19–22 – папильонажные канаты; 23 – судовые якорные канаты

46

При несвязных породах и глубине разработки от 3 до 500 м может использоваться работа методом воронки с вертикальным папильонированием и периодической перестановкой землесосной установки в горизонтальной плоскости. При такой глубоководной разработке с помощью судовых движителей может использоваться также метод волочения, буксировки земснаряда с погруженным под воду или плавающим понтоном.

Для разработки малосвязных пород на глубинах, не превышающих 1–2 длины судна горизонтальные папильонажные перемещения могут осуществляться вдоль судна с помощью двух папильонажных канатов с папильонажными лебедками, установленными в носовой и кормовой частях судна. При этом земснаряд может поддерживаться погружным понтоном. С такой папильонажной системой осуществляется траншейное папильонирование, при этом земснаряд передвигается вдоль судна, а судно перемещается движителями или якорными канатами вдоль своей оси или поперек ее. С помощью тягового каната можно создавать механический напор земснаряда на забой.

При разработке пород средней связности на глубинах от 5 до 100 м может применяться канатная папильонажная система с одним якорным понтоном, оборудованным шпилем, с помощью которого понтон перемещается в направлении, перпендикулярном к папильонажным перемещениям земснаряда. Папильонажные лебедки установлены на судне, которое служит второй якорной опорой земснаряда. При этом не требуется перемещать судно при работе земснаряда в течение продолжительного времени.

С помощью переднего папильонажного каната обеспечивается требуемый механический напор породозаборного устройства на забой. Эта система позволяет вести работу при сравнительно больших волнениях, так как качка судна и якорного понтона существенно не влияет на подводный земснаряд.

Для получения возможности осуществлять вертикальные перемещения земснаряда в этой системе можно использовать надводный понтон, через который идет от судна папильонажно-подъемный канат, поддерживающий землесосную установку. В этом случае этот канат одновременно служит для вертикального и горизонтального перемещения земснаряда типа «Моллюск» и может использоваться для быстрого извлечения землесосной установки на борт судна. В том случае, когда осуществляется разработка связной породы на глубинах от 5 до 100 м и требуется получать выемку различной формы, применяется четырехканатная папильонажная система (см. рис. 14). У этой системы землесосная установка подвешивается к надводному понтону на спуско-подъемной лебедке, установленной на понтоне.

47

Все папильонажные канаты через направляющие блоки на трех якорных понтонах выведены на борт судна к четырем папильонажным лебедкам.

9. Подводные экскаваторы

Для разработки шельфовых месторождений были разработаны подводные экскаваторы, или передвигающиеся по дну земснаряды. Такие машины использовались в США, Японии и Норвегии. В США был создан подводный обитаемый электрический экскаватор для работы в приза-

Управление экскаватором осуществляется двумя операторами, которые входят в экскаватор и покидают его через вертикальную шахту. Шахта также служит для снабжения операторов воздухом. Такой экскаватор может работать на глубинах до 30 м иможет удаляться отберега не более чем на 950 м.

Пульпопровод экскаватора стальной, но имеется гибкая часть для обеспечения папильонажных перемещений. Экскаватор имеет четыре гидродомкрата, которые могут приподнимать его на 0,9 м. Опорная площадь гидродомкратов около 3,5 м2. Экскаватор может работать даже при сильном волнении, что отличает его от прочих земснарядов.

Еще в 1973 г. в Японии был изготовлен подводный необитаемый траншейный экскаватор (рис. 15), который предназначался для прокладки траншей на дне моря, рытья котлованов, а также для подводной добычи

48

грунта на глубине до 70 м. Экскаватор обеспечивается энергией с надводного судна с помощью дизель-генератора переменного тока мощностью 437 кВт. Управление экскаватором осуществляется также с борта судна двумя операторами. Все силовые приводы подводного экскаватора маслозаполненные, электрогидравлические с автоматическим регулированием в зависимости от глубины погружения, давление масла в полостях должно быть несколько больше, чем давление окружающей воды. Рабочее давление в гидросистемах – от 23,05 до 6,9 МПа.

Протяжка правой и левой гусениц осуществляется раздельно. В рабочем положении экскаватор опирается на грунт с помощью четырех упоров с гидроцилиндрами. Подача отжимной воды в грунтовый насос осуществляется водяным насосом. Энергокабель поддерживается поплавками. Этот экскаватор имеет устройство для отключения при утечке тока в воду.

Гидролокатор обеспечивает обнаружение различных подводных препятствий перед экскаватором на расстоянии 600 м. Имеется система определения местоположения экскаватора, состоящая из трех выставленных

вразличных точках донных гидроакустических маяков.

Впериод штормовой погоды обеспечивающие суда укрываются в порту, а экскаватор остается на дне. Его местоположение отмечается буем.

ВНорвегии примерно в это же время создан подводный обитаемый экскаватор, который может вести подводную разработку на глубинах до 25 м. Его использовали для разработки дна в прибойной зоне. Экскаватор обслуживался одним машинистом в легком водолазном костюме.

Примерами современных подводных экскаваторов могут служить подводный экскаватор Menzi Muck AG, работающий на глубине до 1000 м, подводный гидравлический экскаватор бельгийской фирмы Jan De Nul Group – для работы в водоемах малой и средней глубины.

10. Черпаковые снаряды

Черпаковые снаряды черпают породу из-под воды ковшами различной конструкции. Существуют одночерпаковые и многочерпаковые снаряды. В одночерпаковых снарядах чаще всего в качестве ковша используют грейферы, и поэтому они называются грейферными. Существуют одночерпаковые снаряды, снабженные механической лопатой. Такие снаряды выполняются в виде штанговых снарядов. Применяются снаряды, оборудованные драглайном.

Грейферный снаряд обычно имеет от одного до шести независимых грейферных кранов с комплектом грейферных ковшей для различных ра-

49

бот. Для легких и средних пород применяются двухчелюстные грейферы, которые могут быть без зубьев или с зубьями. Тяжелые породы разрабатываются многочелюстными грейферами с тремя, четырьмя и более челюстями. Для валунов и полускальных пород применяются вилообразные, решетчатые грейферы.

На некоторых снарядах для предотвращения отрыва грейфера от грунта во время закрытия челюстей, в результате волнения и качки судна, применяют специальные компенсаторы, которые автоматически удерживают грейфер в вертикальном положении во время породозабора.

Штанговые снаряды представляют собой несамоходные суда со сваями. В качестве выемочного агрегата на них устанавливается экскаватор с механической лопатой. Такие снаряды используют для работы при строительстве портов и для добычи полезных ископаемых, связанной с подводной разработкой тяжелых грунтов в защищенных от волнений морских акваториях.

Для разработки грунта землечерпалкой, штанговым снарядом или грейфером скальный грунт предварительно должен быть раздроблен камнедробильным судном с копровым долотом. Иногда снаряды сами могут быть оборудованы таким копром.

Рис. 16. Многочерпаковый снаряд: 1 – корпус; 2 – черпаковая цепь; 3 – ведущий верхний черпаковый барабан; 4 – нижний черпаковый барабан;

5 – черпаковая рама; 6 – башня; 7 – кран; 8 – грунтовой колодец; 9 – коренной лоток; 10 – перегрузочный лоток; 11 – перекидной лоток;

12 – двигатель; 13, 14 – лебедки; 15 – рамоподъемная система; 16 – подвеска лотков

Умногочерпаковых снарядов (рис. 16) отделение породы от массива

итранспортировка на борт судна осуществляется при помощи бесконечной цепи из черпаков. Для дополнительного предварительного рыхления

50