13.2.3. Физико-техническая подводная геотехнология

Физико-техническая подводная геотехнология – это совокупность способов и приемов осуществления взаимосвязанных процессов горных работ по добыче твердых полезных ископаемых со дна водоемов и из морской воды. В XXI столетии предстоит широкое освоение морской минерально-сырьевой базы – шельфовой зоны Российской Федерации – для создания горных предприятий по добыче золота, янтаря, олова, меди и других ценных полезных ископаемых.

В современном представлении физико-техническая подводная геотехнология – это совокупность способов и технологических процессов по добыче полезных ископаемых из воды, а также при разработке месторождений, залегающих в обводненных породах и непосредственно под водой – по руслам и в поймах рек, на дне озер, на морском шельфе или в глубинной зоне акваторий морей, в том числе россыпных месторождений золота, платины, алмазов, олова, титана, редких металлов, песков, песчано-гравийных материалов, других месторождений полезных ископаемых, сложенных преимущественно рыхлыми осадочными породами (см. гидромеханизация). Разработка таких месторождений обычными, «сухими» способами невозможна или затруднена по техническим, экономическим или экологическим причинам. Преимуществами подводных способов добычи полезных ископаемых при их использовании в соответствующих условиях применения являются непрерывность, поточность производства, высокая производительность труда и относительно низкая себестоимость работ.

Физико-техническая подводная геотехнология развивается в следующих направлениях: создание способов разрушения массива и извлечения полезных ископаемых под искусственно образуемыми водоемами (способы извлечения полезных ископаемых со дна морей и океанов под мощной толщей вод). Промышленные технологии, относящиеся к первому направлению, начали применяться на практике во второй половине XIX в. и осуществляются до настоящего времени двумя типами оборудования – землесосными снарядами и драгами.

Землесосный снаряд – это плавучая землесосная установка, предназначенная для выемки полезных ископаемых и пород из-под воды и транспортирования пульпы на обогатительную фабрику, в отвал или на места возведения намывных насыпей (дамб, плотин, планировки территорий и т. д.). Землесосный снаряд имеет грунтозаборное устройство, всасывающее грунт непосредственно при работе землесоса или после его предварительного рыхления механическим или гидравлическим (напорной струей воды) способом.

Разработка рыхлых отложений землесосными снарядами в конце XIX и начале XX веков использовалась, в основном, для дноуглубительных работ в портах, на реках, при строительстве каналов (во Франции – с 1859 г., в России – с 1874 г.). С 1930-х годов, по мере развития научных исследований и создания мощных и производительных земснарядов в СССР, эта технология находит широкое применение в горной промышленности и строительстве. В 80-х годах ежегодный объем землесосных работ (не считая дноуглубительных) в стране достиг 1 млрд. м³.

Драга, в отличие от землесосного снаряда, является не только плавучим выемочно-транспортным, но и обогатительным комплексом, оснащенным рабочим органом для добычи полезных ископаемых из-под воды, промывочно-обогатительными агрегатами для их первичного обогащения и транспортно-отвальным оборудованием для укладки отходов обогащения в отвал.

Впервые дражная разработка золотоносных россыпей была осуществлена в Новой Зеландии в 1863 г. В России первая драга была построена и введена в эксплуатацию в 1893 г. на золотом прииске в Сибири. В 1906 г. на Урале и в Сибири работали уже 32 драги, а перед первой мировой войной – почти 70 драг, изготовленных преимущественно на уральских драгостроительных заводах. Дальнейшее развитие дражная разработка получила в СССР в 30-е годы и в послевоенный период. Ее удельный вес при разработке россыпей к 1975 г. достиг 75%, а затем несколько снизился (до 60%). В эксплуатацию вошли крупные драги с черпаками вместимостью 600 л. В настоящее время дражные разработки россыпей ведут в различных климатических условиях России: на Урале, Алтае, в Восточной и Западной Сибири, в Забайкалье, Саха-Якутии и на Дальнем Востоке, включая северо-восточную его часть.

Морская физико-техническая геотехнология – это совокупность способов и взаимосвязанных процессов извлечения полезных ископаемых со дна и недр Мирового океана. Особенности морской геотехнологии определяются, в первую очередь, переносом работы горных машин и механизмов в водную среду, которая более чем в 800 раз плотнее обычной воздушной и обладает более высокой инерционностью (волновое воздействие и т. п.), что из-за сравнительно высокой способности к переносу морских масс существенно затрудняет проведение горных работ. Водная среда одновременно является средой обитания морской фауны и флоры, что предъявляет особые требования к экологии производства. Трудности обусловлены также необходимостью создания плавучих устройств для пребывания человека над месторождением, складирования необходимых материальных ресурсов и размещения оборудования, энергоисточников и т. д.

Вместе с тем, перенос горных работ в Мировой океан позволяет сократить изъятие земельных участков под горные предприятия и создаваемые для них инфраструктуры, как правило, в необжитых регионах, уменьшить негативное воздействие горных работ на природные ландшафты, земные и поверхностные водные массивы, т. е. на источники водоснабжения человеческого общества, воздушный бассейн. При добыче полезных ископаемых в морских условиях энергетические источники находятся на борту сооружения или судна, где располагается не только весь производственный комплекс, но и административные, жилищно-бытовые и социальные помещения. Такие устройства должны создаваться в условиях высокотехнологических судостроительных производств, размещаемых, как правило, в освоенных регионах, где трудо-, материало- и энергозатраты в несколько раз ниже, чем в тех регионах суши, где находятся альтернативные перспективные к освоению месторождения. Особенности освоения морских месторождений позволяют при этом создавать жилсоцбыткомплекс для семей работников предприятий в наиболее благоприятных условиях крупных портовых городов или других мегаполисов.

Главным преимуществом морских геотехнологий является то, что во многих случаях присутствие водных потоков и состояние массивов позволяют произвести в процессе выемки первичное обогащение полезных минералов или их агрегатов. Такая технология выемочных работ получила название придонного обогащения. К примеру, известные металлоносные конкреции имеют размеры от 5 до 50 м, поверхностную плотность до 30 кг/м² и залегают на поверхности илоносных отложений на глубинах 3000–6000 м. Применение обычных средств выемки, не учитывающих особенности океанических месторождений, привело бы к необходимости породозабора с каждого квадратного метра поверхности практически 2 т отложений, подъема их с большой глубины, а затем к возврату практически тех же объемов породы на те же глубины. Разрабатываемые в ряде стран выемочные машины для таких условий используют классификационные принципы выемки, т. е. грохочение гранул при выемке. Перенос процессов горного производства на борт морского судна, подвергающегося качке от волнений и ветровых воздействий, возможен только при создании оборудования, способного осуществлять выемку, подъем и выделение полезных компонентов в необычных для известных образцов оборудования условиях.

Человечество обратило внимание на дно и недра морей и океанов как на источник получения минерального сырья еще в давние времена. Так, свыше 30 веков назад финикийцы на дне Средиземного моря разрабатывали отложения морских раковин, из которых изготовляли пурпурную краску. Добыча медной руды ныряльщиками проводилась в III в. до н. э. с глубины 4 м вблизи о. Халка в проливе Босфор. Легенда гласит, что из этой руды была отлита Гераклом статуя Артемиды для ее храма. Известны разработки коралловых построек у берегов островов Полинезии в VI в. до н. э. В эпоху средневековья на территории современной Великобритании производили добычу оловоносных песков на месторождении Левант.

В конце XIX–начале XX веков строительство портов в устьях рек и необходимость поддержания глубин на их фарватерах определили появление морских землечерпательных снарядов. На их базе была создана первая морская паровая многочерпаковая драга (вместимость ковша 205 л), позволяющая производить добычу полезных ископаемых на глубинах до 12 м. Она была применена в 1907 г. для разработки оловоносных россыпей у берегов о. Пхукет (Таиланд). С середины XX в. из россыпей шельфа добывают руды золота, олова, титана, циркония, платины, железа, алмазы, строительные материалы. Более 70 предприятий в различных странах перерабатывают свыше 130 млн. м³ горных масс на шельфе. Валовая стоимость готовой продукции этих предприятий составляет около 2% стоимости полезных ископаемых, добываемых на суше. В 1985 г. за рубежом на шельфе работало более 2500 плавучих установок, производящих, в основном, добычу песка и гравия и дноуглубительные работы.

Разработка поверхностных месторождений шельфа производится открытым способом через водную толщу. В зависимости от горно-геологических, гидрометеорологических условий разработки месторождений применяют различные технические средства и методы добычи. Россыпи разрабатывают преимущественно многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами. Добыча полезных ископаемых осуществляется, в основном, однослойной или многослойной (при необходимости удаления вскрышных пород) системами выемок вскрышных пород и продуктивного пласта преимущественно с отвалами и хвостохранилищами в выработанном пространстве. Подводную выемку ведут валовым способом или с придонным обогащением с целью получения черновых концентратов. Подъем породы в зависимости от конструкции морских земснарядов осуществляют гидравлическим или механическим способами. Первичное обогащение руд – на борту судна или на берегу. Доставка породы в отвал – морскими судами, самоотвозными снарядами, по плавучим пульпопроводам и другими способами.

Широкие перспективы намечены по освоению месторождений строительных горных пород, на которых в настоящее время добывают свыше 40 млн. м³ песка.