Конструкции и параметры механизмов шагания для комплекса добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых

Рассмотрены конструкции и параметры механизмов шагания для комплекса добычи полезных ископаемых глубоководной зоны. Рассмотрены геологические характеристики железомарганцевых конкреций и кобальт-марганцевых корок. Проведен анализ существующих аналогов технологий добычи. Проанализированы общие компоненты всех рассматриваемых вариантов добычных комплексов, замечания, которые необходимо учитывать при разработке новых технологий глубоководной добычи. Дано описание предложенного комплекса и сравнение его производительности при различной скорости подъема и спуска добываемого материала. Расчетная производительность по полезной массе ископаемых считается рентабельной при скорости подъема заполненного коллектора выше 2 м/c. Описан алгоритм шагания и рассчитана скорость передвижения вспомогательного устройства захвата и переноса придонного оборудования, основываясь на выборе насосной установки с характеристиками, позволяющими работать в придонной области. Для того, чтобы переместить коллектор или бокс-ангар с зарядной станцией на 30 м, понадобится 9 мин. Проведено экспериментальное исследование двух образцов опорной части механизма шагания на предмет влияния гидродинамических сил сопротивления среды при движении объектов, по результатам которого сделан вывод о требуемых конструктивных особенностях опорного органа рычага перемещения.

Юнгмейстер Д. А., Смоленский М. П., Исаев А. И., Ефимов Ф. А. Конструкции и параметры механизмов шагания для комплекса добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 11-1. – С. 159–174. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_159.

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: Yungmeyster_DA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7858-8340,
Смоленский Максим Павлович¹ — аспирант, e-mail: s215053@stud.spmi.ru,
Исаев Алексей Игоревич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Isaev_AI@pers.spmi.ru,
Ефимов Федор Андреевич — инженер 3 категории, ООО «Механобр—Урал», e-mail: fyodor_efimov99@mail.ru,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Юнгмейстер Д.А., e-mail: Yungmeyster_DA@pers.spmi.ru.

1. Weaver P. P. E., Aguzzi J., Boschen-Rose R. E., Colaco A., de Stigter H., Gollner S., Haeckel M., Hauton C., Helmons R., Jones D. O. B., Lily H., Mestre N. C., Mohn C., Thomsen L. Assessing plume impacts caused by polymetallic nodule mining vehicles // Marine Policy. 2022, vol. 139, no. 5. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105011.

2. Sakellariadou F., Gonzalez F. J., Hein J. R., Tomás B. R., Arvanitidis N., Kuhn T. Seabed mining and blue growth: Exploring the potential of marine mineral deposits as a sustainable source of rare earth elements (MaREEs) (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2022, vol. 94, no. 3, pp. 329—351. DOI: 10.1515/pac-2021-0325.

3. Levin L. A., Amon D. J., Lily H. Challenges to the sustainability of deep-seabed mining // Nature Sustainability. 2020, vol. 3, pp. 784—794. DOI: 10.1038/s41893-020-0558-x.

4. Быкова Е. Н., Хайкин М. М., Шабаева Ю. И., Белобородова М. Д. Развитие методологии экономической оценки земельных участков для добычи и переработки твердых полезных ископаемых // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — C. 52—67. DOI: 10.31897/ PMI.2023.6.

5. Корогодин А. С., Иванов С. Л., Князькина В. И., Газизуллина А. Р. Геотехнология и горно-обогатительный плавучий комплекс для освоения месторождения «Павловское» // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2022. — № 15. — С. 124—135. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-124-135.

6. Болобов В. И., Чупин С. А., Ахмеров Э. В., Плащинский В. А. Сравнительная износостойкость существующих и перспективных материалов быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования // Materials Science Forum. — 2021. — Т. 1040. — C. 117—123. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1040.117.

7. Бессонов А. Е., Шибанов Д. А., Михайлов А. В. Влияние эргатической системы на время рабочего цикла карьерного электрического экскаватора // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2022. — № 15. — С. 136—141. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-136-141.

8. Евдокимов А. Н., Пхарое Б. Л. Особенности минерального и химического составов Северо-Западного рудопроявления марганца в районе Хайфельда, ЮАР // Записки Горного института. — 2021. — № 248. — С. 195—208. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.4.

9. Евдокимов А. Н., Пхарое Б. Л. Индикаторная роль редких и редкоземельных элементов Северо-Западного рудопроявления марганца (ЮАР) в генетической модели гипергенных марганцевых месторождений // Записки Горного института. — 2021. — № 252. — С. 814—825. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.4.

10. Katona S., Paulikas D., Stone G. S. Ethical opportunities in deep-sea collection of polymetallic nodules from the Clarion-Clipperton Zone // Integrated Environmental Assessment and Management. 2021, vol. 18, no. 3, pp. 634—654. DOI: 10.1002/ieam.4554.

11. Amon D. J. Gollner S., Morato T., Smith C. R., Chen C., Christiansen S., Currie B., Drazen J. C., Fukushima T., Gianni M., Gjerde K. M., Gooday J. C., Grillo G. G., Haeckel M., Joyini T., Ju Se-J., Levin L. A., Metaxas A., Mianowicz K., Molodtsova T. N., Narberhaus I., Orcutt B. N., Swaddling A., Tuhumwire J., Palacio P. U., Walker M., Weaver P., Xu Xue-W., Mulalap C. Y., Edwards P. E. T., Pickens C. Assessment of scientific gaps related to the effective environmental management of deep-seabed mining // Marine Policy. 2022, vol. 138. DOI: 10.1016/j.marpol.2022.105006.

12. Zhou J., Cai P., Yang C., Liu S., Luo W., Nie X. Geochemical characteristics and genesis of ferromanganese nodules and crusts from the Central Rift Seamounts Group of the West Philippine Sea // Ore Geology Reviews. 2022. vol. 145, article 104923. DOI: 10.1016/j.oregeorev.2022.104923.

13. Дробаденко В. П., Малухин Г. Н., Луконина О. А., Салахов И. Н. Современное состояние проблем освоения твердых минеральных ресурсов дна морей и океанов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 3-1. — С. 99—109. DOI: 10.25 018/0236_1493_2021_31_0_99.

14. Вильмис А. Л., Буянов М. И., Калинин И. С., Тивоненко В. А. Твердые полезные ископаемые дна мирового океана-потенциальные объекты для развития геотехнологических методов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 3-1. — С. 147—154. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_147.

15. Serzhan S. L., Yungmeister D. I., Isaev A. I. Parameters of system with the dredge head for mining of ferromanganese nodules of the seabed // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 15, no. 19, pp. 2097—2104.

16. Теплякова А. В., Жуков И. А., Мартюшев Н. В. Применение бурильных машин с ударным кулачковым механизмом в различных горно-геологических условиях // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 3(53). — С. 501—511. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-3-501-511.

17. Теплякова А. В., Азимов А. М., Алиева Л., Жуков И. А. Обзор и анализ технических решений для повышения долговечности и улучшения технологичности элементов ударных узлов бурильных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 9. — С. 120—132. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_9_0_120.

18. Судариков С. М., Юнгмейстер Д. А., Королев Р. И., Петров В. А. О возможности уменьшения техногенной нагрузки на придонные биоценозы при добыче твердых полезных ископаемых с использованием технических средств различной модификации // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 82—96. DOI: 10.31897/PMI.2022.14.

19. Volkmann S. E., Lehnen F. Production key figures for planning the mining of manganese nodules // Marine Georesources & Geotechnology. 2018, vol. 36, no. 3, pp. 360—375, DOI: 10.1080/1064119X.2017.1319448.

20. Mukhopadhyay R., Naik S., Souza S. D., Dias O., Iyer S. D., Ghosh A. K. The economics of mining seabed manganese nodules. A case study of the Indian Ocean nodule field // Marine Georesources & Geotechnology. 2019, vol. 37, no. 7. DOI: 10.1080/1064119X.2018.1504149.

21. Королев И. А., Лавренко С. А. Технологические особенности взаимодействия гибкого тягового элемента и добывающей установки при разработке твердых полезных ископаемых морского дна // Международный журнал прикладных инженерных исследований. — 2017. — Т. 12. — № 9. — С. 2031—2037.

22. Сержан С. Л., Медведков В. И. Особенности энергообеспечения грунтозаборного устройства добычного комплекса для подводной добычи // Горное оборудование и электромеханика. — 2014. — № 10. — С. 23—29.

23. Сержан С. Л. Оснащение грунтозаборного устройства рабочим органом с объемным гидродвигателем // Горное оборудование и электромеханика. — 2013. — № 10. — С. 39—42.

24. Александров В. И., Егоров И. В. Расчет глубины погружения буферной емкости в системах гидроподъема горной массы с морского дна // Горное оборудование и электромеханика. — 2015. — № 4. — С. 37—40.

25. Каширский А. С., Рахутин М. Г., Кириченко Ю. В., Кузин Е. А., Иващенко Г. С. Расчет производительности и обоснование параметров кассетного трала для добычи железомарганцевых конкреций // Горная промышленность. — 2020. — № 1. — С. 155—159. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-155-159.

26. Юнгмейстер Д. А., Шпенст В. А., Григорчук А. В., Исаев А. И., Смоленский М. П. Патент № 2788227 РФ, 17.01.2023. Комплекс для добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых. 2023. Бюл. № 2.

27. Болобов В. И., Плащинский В. А. Влияние продолжительности удара на эффективность разрушения горных пород и пластического деформирования металлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 3. — С. 78—96. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_78.

28. Габов В. В., Задков Д. А., Нгуен Ван Суан, Хамитов М. С., Молчанов В. В. К проблеме совершенствования рабочего инструмента горных выемочных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 205—222. DOI: 10.250 18/0236_1493_2022_62_0_205.

29. Сержан С. Л., Скребнев В. И., Малеванный Д. В. Исследование влияния шероховатости стальных и полимерных труб на потери напора при гидротранспорте хвостовой пульпы // Обогащение руд. — 2023. — № 4. — С. 41—49. DOI: 10.17580/or.2023.04.08.

30. Ishiguro S., Masuda M., Komatsu M., Yamaji N., Kawano S. Development of the pilot system for test of excavating and ore lifting of seafloor polymetallic sulfides // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2018, vol. 55, no. 3, pp. 1—7.

31. Niner H. J., Ardron J. A., Escobar E. G., Gianni M., Jaeckel A., Jones D. O. B., Levin L. A., Smith C. R., Thiele T., Turner P. J., Watling L., Gjerde K. M. Deep-sea mining with no net loss of biodiversity-an impossible aim // Frontiers in Marine Science. 2018, vol. 5, pp. 1—12. DOI: 10.3389/fmars.2018.00053.

32. Шишкин Е. В., Большунов А. В., Тимофеев И. П., Авдеев А. М., Ракитин И. В. Модель шагающего пробоотборника для исследования донной поверхности подледникового озера Восток // Записки Горного института. — 2022. — Т. 257. — С. 853—864. DOI: 10.31897/PMI.2022.53.

33. Бородкин Э. О., Королев Р. И. Устройство для сбора железомарганцевых конкреций с механизмом шагания / Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2019. Сборник научных трудов. — СПб.: СПбГУ, 2019. — С. 69—76.

34. Юнгмейстер Д. А., Сержан С. Л., Смоленский М. П. Расчет производительности добычного комплекса ЖМК с применением камер разрежения // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2022. — № 15. — С. 171—176. DOI: 10.26160/2658-3305-2022-15-171-176.

35. Yungmeister D. A., Ivanov S. E., Isaev A. I. Calculation of parameters of technological equipment for deep-sea mining // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 327, no. 2, pp. 216—221. DOI: 10.1088/1757-899X/327/2/022050.