RU2170823C1

RU2170823C1 - Device for mining of concretions

Info

Publication number: RU2170823C1
Application number: RU2000115650A
Authority: RU
Inventors: В.Б. Добрецов; К.Г. Асатур; Д.Н. Лигоцкий; В.А. Кулындышев; Д.Б. Мареев; А.Б. Федотов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет)
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: mineral mining from bottom of shelf seas presented by horizontal or slightly inclined deposits of unconsolidated or slightly consolidated bottom depositions relating to bedded placers occurring directly on bottom surface and featuring small vertical thickness (up to 0.5-1.0 m) that relate especially to concretions. SUBSTANCE: device has frame carrying actuating member; drive and pressure pipeline; supporting skids; carrying float secured to upper platform of frame. Actuating member is made in form of face milling cutter-ripped with involute blades located between two disks. Lower disk has cutouts similar to blade shape and provided with knives fastened to disk external surface and installed obliquely to side of milling cutter rotation and adjacent to outer curve of slots. Actuating member is connected by means of telescopic hydraulic cylinders with driving gear-table meshed with driving gear and drive. Device operation ensures uniform extraction of concretion-bearing layer through preset thickness with maximum content of solid material in hydraulic mixture fed to suction pipeline with provision of layer by layer extraction of deposit and its separation into separate horizons depending on content of concretions in vertical plane. Excessive nonregulated deepening of device into muddy enclosing rock of subwater deposit is excluded. Formation of suspension cloud in face zone with disturbance of ecological equilibrium is practically eliminated. EFFECT: higher efficiency of device. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых со дна шельфовых морей, представленных горизонтальными и слабонаклонными залежами неуплотненных или слабоуплотненных донных отложений, относящихся к пластовым россыпным месторождениям, залегающими непосредственно на поверхности дна и обладающими небольшой (до 0,5-1,0 м) вертикальной мощностью, что особенно относится к конкрециям. The invention relates to the field of mining from the bottom of offshore seas, represented by horizontal and slightly inclined deposits of unconsolidated or slightly densified bottom sediments related to placer alluvial deposits lying directly on the bottom surface and having a small (up to 0.5-1.0 m) vertical thickness , which is especially true for nodules.

Преимущественной областью использования являются месторождения фосфоритовых и железомарганцевых конкреций, металлоносных илов, залежей ракуши, ракушечника, песка и других несвязанных и слабосвязанных отложений полезных ископаемых морского дна с учетом того, что более 90% донных отложений Мирового океана являются неуплотненными осадками. The main areas of use are deposits of phosphorite and ferromanganese nodules, metal-bearing silts, deposits of shell, shell lime, sand and other unrelated and loosely connected mineral deposits of the seabed, taking into account that more than 90% of the world's ocean sediments are unconsolidated sediments.

Известно устройство для добычи конкреций с морского дна, включающее буксируемый по дну с помощью каната рабочий орган, скрепленный с канатом через скобы, шарнирно установленные на боковых стенках рабочего органа, выполненного в виде накопительной емкости с размещенными на ней породозахватными элементами. При этом породозахватные элементы выполнены в виде ковшей, а накопительная емкость выполнена из барабана, на обечайке которого выполнены отверстия, над которыми жестко установлены ковши, и из заслонок с эластичными шторками, шарнирно установленных под отверстиями с возможностью поворота их в верхнем положении барабана, при этом шарниры скоб расположены по центру боковых сторон барабана (патент РФ N 2007573, E 21 C 50/00). A device for the extraction of nodules from the seabed, including towed along the bottom using a rope, a working body, fastened with a rope through the brackets, pivotally mounted on the side walls of the working body, made in the form of a storage tank with rock-capturing elements placed on it. In this case, the rock capture elements are made in the form of buckets, and the storage tank is made of a drum, on the side of which holes are made, on which the buckets are rigidly mounted, and from shutters with elastic shutters, pivotally mounted under the holes with the possibility of turning them in the upper position of the drum, the hinges of the brackets are located in the center of the sides of the drum (RF patent N 2007573, E 21 C 50/00).

Недостатком устройства является сложность конструкции, неизбежное заглубление в малосвязанные донные отложения, содержащие конкреции. Нерегулируемый срез конкрециеносного слоя по его мощности, а также серьезные нарушения экологического равновесия вследствие практически неизбежного образования облака взвеси в процессе работы устройства, при его передвижении и при перемещении добытой горной массы, вмещающие породы которой представлены илистыми частицами в большинстве. The disadvantage of this device is the design complexity, the inevitable deepening in loosely connected bottom sediments containing nodules. An unregulated section of the nodule layer in terms of its thickness, as well as serious disturbances in ecological balance due to the almost inevitable formation of a suspension cloud during the operation of the device, during its movement and during the movement of mined rock mass, the host rocks of which are represented by silt particles in the majority.

Известно устройство в виде самоходной тележки для сбора конкреций в условиях дна Мирового океана, включающее раму, гусеничный ход, исполнительный орган в виде барабана-рыхлителя с резцами на поверхности, защитный кожух и встроенный в него привод, в виде работающей в воде многоступенчатой прямоточной гидротурбины, питание которой осуществляется по гибкому трубопроводу от насоса, расположенного вне тележки, наконечник-сопло напорного трубопровода, установленный для улавливания разрыхленной массы в смеси с водой, исходящей из-под барабана-рыхлителя (патент РФ N 2112139, E 21 C 20/00, 1998 г. , E 21 C 50/00, 1998 г., прототип). A device in the form of a self-propelled trolley for collecting nodules in the conditions of the bottom of the oceans, including a frame, a caterpillar track, an actuator in the form of a ripper drum with cutters on the surface, a protective casing and a drive integrated into it, in the form of a multi-stage ram turbine working in water, the power of which is carried out through a flexible pipe from a pump located outside the truck, a nozzle-nozzle of a pressure pipe installed to trap the loose mass in a mixture with water coming from under the drum a-ripper (RF patent N 2112139, E 21 C 20/00, 1998, E 21 C 50/00, 1998, prototype).

Недостатком устройства является сложная конструкция, значительные гидравлические потери в гибком трубопроводе при изменении его длины, сложность использования гусеничного хода ввиду крайне низкой несущей способности пород, вмещающих конкреции, а также неизбежное возникновение в связи с этим облака взвеси, в значительной степени и на длительное время нарушающего экологию, что недопустимо, особенно на шельфовых морях. Основным технологическим недостатком является низкая консистенция перекачиваемой пульпы, что приводит к повышенным энергозатратам, приходящимся на единицу добытого полезного ископаемого. The disadvantage of this device is its complex design, significant hydraulic losses in the flexible pipe when its length is changed, the complexity of using the caterpillar track due to the extremely low bearing capacity of the rocks containing nodules, as well as the inevitable occurrence of suspension clouds in this connection, which significantly and for a long time violates ecology, which is unacceptable, especially on offshore seas. The main technological disadvantage is the low consistency of the pumped pulp, which leads to increased energy consumption per unit of mined minerals.

Задачей изобретения является обеспечение его устойчивой работы при малой несущей способности разрабатываемых пород, поточная работа при добыче, максимальное насыщение пульпы твердой составляющей, т.е. непосредственно конкрециями и вмещающим грунтом, и максимальное выполнение требований экологии и рационального использования недр. The objective of the invention is to ensure its stable operation with a low bearing capacity of the developed rocks, continuous work during production, the maximum saturation of the pulp with a solid component, i.e. directly by nodules and host soil, and the maximum compliance with environmental requirements and the rational use of mineral resources.

Поставленная задача решается тем, что устройство для разработки конкреций, содержащее раму, смонтированный на ней исполнительный орган, привод и напорный пульповод, характеризуется тем, что оно снабжено опорными лыжами, верхнерасположенным несущим поплавком и рабочим органом, выполненным в виде торцевой фрезы-питателя с эвольвентными лопастями, копирующими эти лопасти по форме и расположенными перед ними прорезями в нижнем диске, а также косо установленными в сторону вращения фрезы ножами на внешней поверхности нижнего диска и примыкающими к внешней кривой прорезей, причем рабочий орган посредством телескопических гидроцилиндров соединен с ведомой шестерней-столом, находящейся в зацеплении с ведущей шестерней и приводом. The problem is solved in that the device for the development of nodules, containing a frame, an actuator mounted on it, a drive and a pressure pulp duct, is characterized by the fact that it is equipped with supporting skis, an upper bearing float and a working element made in the form of an end mill-feeder with involute blades that copy these blades in shape and slots located in front of them in the lower disk, as well as knives obliquely mounted in the direction of rotation of the cutter on the outer surface of the lower disk and adjacent connecting to the external curve of the slots, and the working body through telescopic hydraulic cylinders is connected to the driven gear-table, which is meshed with the drive gear and the drive.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез фронтальной поверхности общего вида устройства для разработки конкреций, на фиг. 2 - разрез (по А-А) рабочего органа в виде торцевой фрезы-питателя с несколькими (например, четырьмя) эвольвентными лопастями и соответствующими их профилю, на фиг. 3 - вид на фрезу-питатель снизу (без ножей), на фиг. 4 - разрез по Б-Б (фиг. 3), а на фиг. 5 - фронтальный разрез фрезы-питателя (без разреза по эвольвентным лопастям). The device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a sectional view of a frontal surface of a general view of a nodule mining device; FIG. 2 is a section (along A-A) of the working body in the form of an end mill-feeder with several (for example, four) involute blades and corresponding to their profile, in FIG. 3 is a bottom view of the feeder mill (without knives), FIG. 4 is a section along BB (FIG. 3), and in FIG. 5 - frontal section of the cutter-feeder (without a cut along the involute blades).

Устройство содержит раму-корпус 1 с несущим цилиндром 2, в котором подвижно установлена ведомая шестерня-стол 3, входящая в контакт с ведущей шестерней 4, соединенной посредством вала 5 с приводом 6. The device comprises a frame-housing 1 with a bearing cylinder 2, in which the driven gear-table 3 is movably mounted, which comes into contact with the drive gear 4, connected via a shaft 5 to the drive 6.

К несущей шестерне-столу 3 посредством нескольких, например двух, гидроцилиндров 7 телескопично подсоединен рабочий орган 8 в виде торцевой фрезы-питателя с эвольвентными (фиг. 2) лопастями 9. Выполнение лопастей 9 в виде эвольвент обеспечивает принудительную подачу горной массы при вращении фрезы-питателя к срезу всасывающего пульповода (пунктиром 1-1 показано положение фрезы перед ее вертикальным внедрением в донные отложения - фиг. 1). To the bearing gear table 3 by means of several, for example two, hydraulic cylinders 7, a working member 8 is telescopically connected in the form of an end mill-feeder with involute (Fig. 2) blades 9. The implementation of the blades 9 in the form of involutes provides for the forced supply of rock mass during rotation of the mill feeder to the cut of the suction pulp line (dotted line 1-1 shows the position of the cutter before its vertical introduction into the bottom sediments - Fig. 1).

Верхний диск фрезы-питателя 10 (фиг. 5) выполнен сплошным, а нижний 11 имеет прорези 12 (фиг. 3) также эвольвентного вида, повторяющие конфигурацию лопастей 9 фрезы-питателя, и выступающие за пределы нижнего диска 11 ножи 13, расположенные на внутренних сторонах прорезей 12 (фиг. 4). The upper disk of the cutter-feeder 10 (Fig. 5) is solid, and the lower 11 has slots 12 (Fig. 3) also of an involute appearance, repeating the configuration of the blades 9 of the cutter-feeder, and knives 13 located outside the lower disk 11 located on the inside sides of the slots 12 (Fig. 4).

Через центральное отверстие в раме-корпусе 1, ведомой шестерне-столе 3 и торцевой фрезе-питателе 8 проходит всасывающий пульповод 14 добычного грунтового насоса 15 (привод насоса на фиг. 1 не показан) с напорным пульповодом 16 (насос может быть грунтовым центробежным, эрлифтом, гидроэлеватором и т.п.). Through the central hole in the frame-housing 1, the driven gear-table 3 and the end mill-feeder 8, a suction slurry line 14 of the production soil pump 15 (pump drive in Fig. 1 is not shown) passes with a pressure pulp line 16 (the pump can be a ground centrifugal airlift , hydraulic elevator, etc.).

Все устройство установлено на опорных лыжах 17 достаточной площади (так, что фактическое удельное давление в кг/см² будет меньше допустимого для данной категории грунта - P_ф<P_зап) с учетом весьма малой несущей способности разрабатываемых пород, представленных пелитами, разжиженными алевролитами, текучими илами, вмещающими железомарганцевые конкреции, а также снабжено дополнительным несущим поплавком 18 (на фиг.1 показана только его нижняя часть), соединенным с устройством для разработки конкреций посредством фигурных тяг 19 (фиг. 1), что гарантированно обеспечивает малую отрицательную (близкую к нулевой) плавучесть всего устройства и дополнительные гарантии от излишнего нежелательного погружения устройства в разрабатываемый конкрециенесущий слой пород более заданной по мощности величины.The entire device is mounted on supporting skis 17 of sufficient area (so that the actual specific pressure in kg / cm ² will be less than the allowable for this category of soil - P _f <P _app ), taking into account the very small bearing capacity of the developed rocks, represented by pelits, liquefied siltstones, fluid sludges containing ferromanganese nodules, and is also equipped with an additional carrier float 18 (only its lower part is shown in Fig. 1) connected to the device for developing nodules by means of curly rods 19 (Fig. 1), which antivirus provides low negative (close to zero) buoyancy of the entire device and additional guarantees against excessive unwanted immersion of the device in the developed nodule-bearing rock layer of a more specified power value.

Устройство работает следующим образом. С судна обеспечения его опускают до соприкосновения опорных лыж 17 с кровлей разрабатываемой залежи. После этого включают в работу грунтовый насос 14 и фрезу-питатель 8 с одновременной ее подачей вертикально на горизонтальный забой гидроцилиндрами 7. В результате осуществляется срезание грунта с конкрециями ножами 13 и дальнейшим принудительным движением его внутри фрезы между верхним 10 и нижним 11 дисками к всасывающему пульповоду 14. Таким образом, при стоянии устройства на одной точке происходит внедрение фрезы-питателя на заданную глубину (h, фиг. 1), определяемую слоем вмещающих конкреции пород (для условий Балтийского моря, например, это 10-20, до 50 см), для чего предусматриваются сменные рабочие органы (т.е. фрезы- питатели). The device operates as follows. From the support vessel it is lowered to the contact of the support ski 17 with the roof of the developed deposit. After that, the soil pump 14 and the cutter-feeder 8 are put into operation with its simultaneous supply vertically to the horizontal face by the hydraulic cylinders 7. As a result, the soil is cut with nodules with knives 13 and its further forced movement inside the cutter between the upper 10 and lower 11 disks to the suction pulp line 14. Thus, when the device is standing at one point, the feeder cutter is introduced to a predetermined depth (h, Fig. 1), determined by the layer of host nodule rocks (for the conditions of the Baltic Sea, for example, 10-20, up to 50 cm), for which replaceable working bodies (ie feeder cutters) are provided.

После внедрения рабочего органа в залежь на заданную глубину осуществляют горизонтальное поступательное движение всего устройства, работающего в качестве буксируемого добычного агрегата (или подтягиваемого, в случае использования донных якорей, располагаемых на дне впереди устройства), с планомерной отработкой месторождения на заданную мощность по всей площади подводного карьерного поля. After the working body is introduced into the reservoir to a predetermined depth, horizontal progressive movement of the entire device is carried out, operating as a towed production unit (or pulled in the case of using bottom anchors located at the bottom in front of the device), with the planned development of the field at a given capacity over the entire underwater area career field.

При этом, благодаря конструкции лопастей фрезы- питателя, которые выполняют две функции - режущего органа и питателя, к центрально расположенному всасывающему патрубку 14 равномерно и постоянно подается горная масса в смеси с водой (пульпа) при повышенном содержании твердого в гидросмеси. Moreover, due to the design of the milling cutter blades, which perform two functions - the cutting body and the feeder, the rock mass in the mixture with water (pulp) is uniformly and continuously fed to the centrally located suction pipe 14 with an increased solid content in the hydraulic mixture.

При эксплуатации предлагаемого устройства обеспечивается равномерная отработка конкрециеносного слоя на заданную мощность с максимальным содержанием твердого в подаваемой к всасывающему пульповоду гидросмеси при обеспечении послойной отработки месторождения с обеспечением разбивки его на отдельные горизонты в зависимости от содержания конкреций по вертикали, исключается излишнее нерегулируемое заглубление устройства в илистые вмещающие породы подводной залежи, практически устраняется возможность возникновения облака взвеси в призабойной зоне с соответствующим нарушением экологического равновесия. During the operation of the proposed device, the nodule layer is uniformly worked out at a given power with a maximum solid content in the hydraulic mixture supplied to the suction slurry while providing layer-by-layer mining of the field, ensuring that it is broken down into individual horizons depending on the vertical nodule content, unnecessary unregulated deepening of the device into mud rocks of an underwater deposit, the possibility of a cloud of suspension in bottom-hole zone with a corresponding violation of ecological balance.

Claims

A device for developing nodules containing a frame, an actuator mounted on it, a drive and a pressure pulp conduit, characterized in that it is equipped with supporting skis, a carrying float attached to the upper platform area, and the actuator is made in the form of an end mill-ripper with involute vanes located between two disks, and the lower disk is made with slots that copy the shape of the blades and is equipped with knives mounted on its outer surface and oblique in the direction of rotation of the cutter and p imykayuschimi curve to the outer slots, wherein the actuator by means of telescopic hydraulic cylinders coupled to the table-driven gear meshed with the pinion gear and the drive.