Обоснование конструкции бункера и механизма подъема для опытного образца добычного морского комплекса

Описаны свойства перспективных твердых полезных ископаемых, залегающих на дне Мирового океана, с анализом основных концепций добычных комплексов, включающих в себя грузоподъемную систему из кабель-троса, грузозахватного механизма и поднимаемой емкости – бункера. Выделены основные вопросы в области проектирования и функционирования бункеров для сбора полезных ископаемых при глубоководной добыче. Особое внимание уделяется конструктивным особенностям бункера, в частности его форме исполнения по критерию гидродинамического сопротивления. Описан принцип работы бункера в составе добычного комплекса и предложены варианты минимизации гидродинамического сопротивления при подъеме бункера и спуске грузозахватного устройства. Представлен график зависимости различных форм бункера от скорости подъема, показывающий, что наиболее рациональными решениями с точки зрения минимального гидродинамического сопротивления являются бункеры с отверстиями, размер и частота которых должна определяться в ходе дальнейших конструкторских проработок. Отмечается, что ключевым элементом в подъемном комплексе при глубоководной добыче является кабель-трос, несущая способность которого должна обеспечивать заданную грузоподъемность, а также превышать ее кратно необходимому запасу прочности. Необходимый запас прочности может задаваться исходя из только статических условий, а может учитывать динамические составляющие, расчет которых в условиях водной среды является актуальной задачей. Представлены два варианта расчета несущей способности подъемных тросов, показывающие, что при учете динамических нагрузок можно существенно уменьшить требуемый коэффициент безопасности и тем самым начать изготовление тросов на основе кевлара или арамида, отвечающих заданным параметрам комплекса, и обеспечить рентабельность глубоководной добычи. Представлены графики зависимостей величины максимального и разрывного усилий тросов от скорости подъема для разных форм бункера, показывающие необоснованное увеличение запаса прочности подъемного троса при использовании коэффициента безопасности, нормируемого статическим расчетом. Приведены сравнительные значения требуемого разрывного усилия для одного и того же типа каната при статическом и динамическом расчетах с обоснованием использования меньшего коэффициента безопасности при учете динамических нагрузок.

Юнгмейстер Д. А., Ефимов Ф. А., Королев Р. И. Обоснование конструкции бункера и механизма подъема для опытного образца добычного морского комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 4. – С. 105–119. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_4_0_105.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FSRW-2023-0002 Фундаментальные междисциплинарные исследования недр Земли и процессов комплексного освоения георесурсов).

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: iungmeister@yandex.ru,
Ефимов Федор Андреевич¹ — аспирант, e-mail: fyodorefimov99@mail.ru,
Королев Роман Иванович — канд. техн. наук, главный специалист, Санкт-Петербургский филиал ООО «ПроТех Инжиниринг», e-mail: rom8592009@yandex.ru,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Ефимов Ф.А., e-mail: fyodorefimov99@mail.ru.

1. Leng D., Shao S., Xie Y., Wang Н., Liu G. A brief review of recent progress on deep sea mining vehicle // Ocean Engineering. 2021, vol. 228, article 108565. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.108565.

2. Большунов А. В., Васильев Н. И., Тимофеев И. П., Игнатьев С. А., Васильев Д. А., Лейченков Г. Л. Возможное технологическое решение для отбора проб донных осадков подледникового озера Восток: актуальность и постановка задач исследования // Записки Горного института. — 2021. — Т. 252(6). — С. 779—787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1.

3. Пашкевич М. А., Алексеенко А. В., Нуреев Р. Р. Экологический ущерб от хранения хвостов сульфидных руд // Записки Горного института. — 2023. — Т. 260. — С. 155—167. DOI: 10.31897/PMI.2023.32.

4. Baturin G. N. Distribution of elements in ferromanganese nodules in seas and lakes // Lithology and Mineral Resources. 2019, vol. 54, pp. 362—373. DOI: 10.1134/s002449021905002x.

5. Литвиненко В. С., Петров Е. И. Василевская Д. В., Яковенко А. В., Наумов И. А., Ратников М. А. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 95—111. DOI: 10.31897/PMI.2022.100.

6. Fritz B., Heidak P., Vasters J., Kuhn T., Franken G., Schmidt M. Life cycle impact on climate change caused by metal production from deep sea manganese nodules versus land-based deposits // Resources, Conservation and Recycling. 2023, vol. 193. DOI: 10.1016/j.resconrec.2023.106976.

7. Шарма Р., Смит С. Глубоководная добыча полезных ископаемых и окружающая среда: введение / Экологические проблемы глубоководной добычи полезных ископаемых: воздействие, последствия и перспективы политики. Springer International Publishing, 2019, pp. 3—22. DOI: 10.1007/978-3-030-12696-41.

8. 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.

9. Jiang X.-D., Gong J.-L., Ren J.-B., Zhang J., Chou Y.-M. An interdependent relationship between microbial ecosystems and ferromanganese nodules from the Western Pacific Ocean // Sedimentary Geology. 2020, vol. 398, article 105588. DOI.org/10.1016/j.sedgeo.2019.105588.

10. Sasano M., Inaba S., Okamoto A. Development of a regional underwater positioning and communication system for control of multiple autonomous underwater vehicles / Proceedings of the IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles (AUV). 2016, vol. 6, pp. 431—434. DOI: 10.1109/AUV.2016.7778708.

11. Nikolaichuk L., Sinkov L., Malisheva A. Analysis of the problems and development prospects of the oil refining industry of Russia // Journal of Business and Retail Management Research. 2017, vol. 11, no. 4, pp. 177—183. DOI: 10.24052/jbrmr/v11is04/aotpadpotorior.

12. Maki T., Matsuda T., Sakamaki T., Ura T., Kojima J. Navigation method for underwater vehicles based on mutual acoustical positioning with a single seafloor station // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2013, vol. 38, pp. 167—177. DOI: 10.1109/JOE.2012.2210799.

13. Wang S., Yang X., Li L., Sun P., Yang L., Li F. Shear behaviour of a rock bridge sandwiched between incipient joints under the influence of hydraulic pressures // International Journal of Mining Science and Technology. 2023, vol. 33, no. 2, pp. 233—242. DOI: 10.1016/j.ijmst.2022.10.007.

14. Mbani B., Greinert J. Analysis-ready optical underwater images of manganese-nodule covered seafloor of the Clarion-Clipperton Zone // Scientific Data. 2023, vol. 10, article 316. DOI: 10.1038/ s41597-023-02245-5.

15. Matos A., Cruz N. Coordinated operation of autonomous underwater and surface vehicles / Proceedings of MTS/IEEE OCEANS-2007. 2007, pp. 1—6. DOI: 10.1109/OCEANS.2007.4449362.

16. Юнгмейстер Д. А., Королев Р. И., Бородкин Э. О. Обоснование конструкции технических средств для извлечения глубоководных полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № S5. — С. 3—13. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-1-5-3-13.

17. Юнгмейстер Д. А., Шпенст В. А., Григорчук А. В., Исаев А. И., Смоленский М. П. Патент № 2788227 РФ. Комплекс для добычи рассредоточенных по морскому дну полезных ископаемых. Заявка № 2022123385 от 01.09.2022; опубл. 17.01.2023. Бюл. № 2.

18. Toro N., Robles P., Jeldres R. I. Seabed mineral resources, an alternative for the future of renewable energy. A critical review // Ore Geology Reviews. 2020, vol. 126, article 103699. DOI: 10.1016/j. oregeorev.2020.103699.

19. Marrón M., García J. C., Sotelo M. A., Cabello M., Pizarro D., Huerta F., Cerro J. Comparing a kalman filter and a particle filter in a multiple objects tracking application / 2007 IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing (WISP'2007). 2007, pp. 1—6. DOI: 10.1109/WISP.2007.4447520.

20. Zhukovskiy Y., Koshenkova A., Vorobeva V., Rasputin D., Pozdnyakov R. Assessment of the impact of technological development and scenario forecasting of the sustainable development of the fuel and energy complex // Energies. 2023, vol. 16, no. 7, article 3185. DOI: 10.3390/en16073185.

21. Федорова Э. Р., Пупышева Е. А., Моргунов В. В. Определение параметров осаждения при сгущении и промывке красных шламов // Цветные металлы. — 2023. — № 4. — C. 77—85. DOI: 10.17580/tsm.2023.04.10.

22. Хамидов О. У., Шибанов Д. А. Техническое обслуживание и ремонт карьерных экскаваторов по регламенту с учетом фактических условий и режимов их эксплуатации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 12-3. — С. 152—167. DOI: 10.25018/0236149320251230152.

23. Максаров В. В., Минин А. О., Захарова В. П. Технологическое обеспечение качества расточных поверхностей изделий из алюминиевого сплава АМЦ на основе высокочастотного волнового воздействия // Цветные металлы. — 2023. — № 4. — C. 90—95. DOI: 10.17580/tsm.2023.04.12.

24. 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.

25. Юнгмейстер Д. А., Ефимов Ф. А., Жуков И. А., Беляев А. В. Патент № 2814109 РФ. Комплекс для спуска и подъема оборудования для добычи полезных ископаемых со дна морей. Заявка № 2023117216 от 29.06.2023; опубл. 22.02.2024 Бюл. № 6.

26. Vaganay J., Leonard J., Curcio J., Willcox S. Experimental validation of the moving long base line navigation concept / 2004 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles. 2004, no. 4, pp. 1—7. DOI: 10.1109/AUV.2004.1431194.

27. Сержан С. Л., Малеванный Д. В., Федоров Е. В., Дадаян Л. М. Перспективы применения добычного комплекса с капсулой в условиях добычи шельфовых железомарганцевых конкреций Российской Федерации // Горное оборудование и электромеханика. — 2022. — № 4(162). — С. 3—11. — DOI: 10.26730/1816-4528-2022-4-3-11. EDN IIWRRI.

28. 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.

29. Сержан С. Л., Малеванный Д. В., Скребнев В. И. Исследование влияния шероховатости стальных и полимерных труб на потери в условиях гидротранспорта хвостовой пульпы // Обогащение руд. — 2023. — № 4. — C. 41—49. DOI: 10.17580/or.2023.04.08 5/9.

30. Сержан С. Л., Малеванный Д. В. Современное состояние и перспективы развития подъема для комплексов добычи глубоководных твердых полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 12-1. — С. 107—128. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_121_0_107.

31. García-Valdovinos L., Salgado T., Bandala-Sánchez M., Nava-Balanzar L. Modelling, design and robust control of a remotely operated underwater vehicle // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2014. DOI: 10.5772/56810.

32. Розман Б. Я., Елкин А. В. Проектирование систем подводной навигации телеуправляемых аппаратов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2022. — № 11. — С. 77—82. DOI: 10.17513/mjpfi.13471.

33. 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, pp. 1—7. DOI: 10.1080/1064119X.2018.1504149.

34. Yang J., Liu L., Lyu H., Lin Zh. Deep-sea mining equipment in China: current status and prospect // Strategic Study of Chinese Academy of Engineering. 2020, vol. 22, no. 6, pp. 1—9. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2020.06.001.

35. 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.