Современное состояние и перспективы развития технологий подъема для комплексов добычи глубоководных твердых полезных ископаемых

Рассмотрена проблематика формирования добычного комплекса при глубоководной разработке уникальных твердых полезных ископаемых. Проанализированы горно-геологические условия месторождений, минеральный состав полезных ископаемых, выполнен экономический анализ стоимости одной тонны сухой массы железомарганцевых конкреций, кобальтоносных марганцевых корок и глубоководных полиметаллических сульфидов. Выполнен обзор международных проектов по добыче уникальных твердых полезных ископаемых, анализ предлагаемых способов разработки, а также представлен типовой добычной комплекс, на основе анализа. Среди рассматриваемых вариантов были выведены общие тенденции в формировании добычной машины, а также описаны испытания прототипов перспективных проектов, таких как Mine-Ro (Южная Корея), Apollo-II (Голландия), Patania II (Бельгия) и др. Проанализированы варианты формирования вспомогательного судна, выполняемые им вспомогательные операции, а также способы размещения оборудования для обслуживания и диспетчеризации машин. Также было отмечено, что основной проблемой комплекса является отсутствие эффективного способа подъема. В этой связи был выполнен анализ рациональных способов подъема. Среди рассматриваемых вариантов выделены цикличный, поточный, эрлифт, двухстадийный подъем и циклично-поточный способ. Определены энергозатраты и производительность каждого варианта, представлен график зависимости удельной производительности от глубины разработки. Выполнен анализ циклично-поточного способа подъема твердых полезных ископаемых, оценка производительности и ограничивающих факторов.

Сержан С. Л., Малеванный Д. В. Современное состояние и перспективы развития технологий 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.

Сержан Сергей Леонидович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Serzhan_SL@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-2248-9156,
Малеванный Дмитрий Владимирович¹ — аспирант, e-mail: mmmono@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-8597-8002,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Сержан С.Л., e-mail: Serzhan_SL@pers.spmi.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, 108565. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.108565.

2. Юбко В. М., Пономарева И. Н., Лыгина Т. И. Геологоразведочные работы на месторождении железомарганцевых конкреций в зоне Кларион—Клиппертон Тихого океана: история и результаты исследований // Океанологические исследования. — 2023. — Т. 51. — № 4. — С. 90—134. DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2023.51(4).5.

3. Котиков Д. А., Шабаров А. Н., Цирель С. В. Установление связи между распределением сейсмособытий в массиве горных пород и его тектоническим строением // Горный журнал. — 2020. — № 1. — C. 28—32. DOI: 10.17580/gzh.2020.01.05.

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. Toro N., Jeldres R. I., Órdenes J. A., Robles P., Navarra A. Manganese nodules in Chile, an alternative for the production of Co and Mn in the future—A review // Minerals. 2020, vol. 10, no. 8, article 674. DOI: 10.3390/min10080674.

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. Sparenberg O. A historical perspective on deep-sea mining for Manganese nodules, 1965—2019 // Extractive Industries and Society. 2019, vol. 6, no. 3, pp. 842—854. DOI: 10.1016/j.exis.2019.04.001.

8. Okamoto N., Shiokawa S., Kawano S., Sakurai H., Yamaji N., Kurihara M. Current status of Japan’s activities for deep-sea commercial mining campaign / 2018 Oceans — MTS/IEEE Kobe TechnoOceans (OTO). 2018, pp. 1—7. DOI: 10.1109/OCEANSKOBE.2018.8559373.

9. Koteleva N., Valnev V. Automatic detection of maintenance scenarios for equipment and control systems in industry // Applied Sciences. 2023, vol. 13, article 12997. DOI: 10.3390/app132412997.

10. 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, no. 4, vol. 11, pp. 177—183. DOI: 10.24052/jbrmr/v11is04/aotpadpotorior.

11. Belkin I. M., Andersson P. S., Langhof J. On the discovery of ferromanganese nodules in the World Ocean // Deep Sea Research, Part I: Oceanographic Research Papers. 2021, vol. 175, article 103589. DOI: 10.1016/j.dsr.2021.103589.

12. 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.

13. 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.

14. Lu C. Y., Yang J. M. Path planning of subsea mining vehicle / Proceedings of the Thirty-first (2021) International Ocean and Polar Engineering Conference Rhodes. 2021, pp. 1083—1115. DOI: 10.1016/j.ijmst.2023.07.007.

15. Zenghui Liu, Kai Liu, Xuguang Chen, Zhengkuo Ma, Rui Lv, Changyun Wei, Ke Ma Deep-sea rock mechanics and mining technology: State of the art and perspectives // International Journal of Mining Science and Technology. 2023, vol. 33, no. 9, pp. 1083—1115. DOI: 10.1016/j.ijmst.2023.07.007.

16. 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.

17. Atmanand M. A., Ramadass G. A. Concepts of deep-sea mining technologies // Deep-sea mining. Cham: Springer, 2017, pp. 305—343. DOI: 10.1007/978-3-319-52557-0_10.

18. White M., Manocchio A., Lowe J., Johnston M., Sant T. Resource drilling of the Solwara 1 seafloor massive sulfide (SMS) deposit / Proceedings of offshore technology conference. Houston, OnePetro, 2011, pp. 1—11. DOI: 10.4043/21645-MS.

19. Lee C. H., Kim H. W., Choi J. S., Yeu T. K., Lee M. U., Oh J. W., Hong S. Study of deep-sea mining robot «MineRo» using table of orthogonal arrays // Journal of Ocean Engineering and Technology. 2014, vol. 28, no. 2, pp. 152—159. DOI: 10.5574/KSOE.2014.28.2.152.

20. Tang Y. C., Duan W. D., Qiao Z. L., Jiang P., Hu H. C. Experimental study on rock fragmentation of underwater blasting // Blasting. 2016, vol. 33, pp. 102—106. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104797.

21. Teague J., Allen M. J., Scott T. B. The potential of low-cost ROV for use in deep-sea mineral, ore prospecting and monitoring // Ocean Engineering. 2018, vol. 147, pp. 333—339. DOI: 10.1016/j. oceaneng.2017.10.046.

22. Knodt S., Kleinen T., Dornieden C., Lorscheidt J., Bjørneklett B., Mitzlaff A. Development and engineering of offshore mining systems-state of the art and future perspectives / Proceedings of offshore technology conference. Houston, OnePetro, 2016, pp. 1—22. DOI: 10.4043/27185-MS.

23. Hu Q., Li Z., Zhai X., Zheng H. Development of hydraulic lifting system of deep-sea mineral resources // Minerals. 2022, vol. 12, article 1319. DOI: 10.3390/min12101319.

24. Schneider D. Deep-sea mining stirs up muddy questions. A controversial pilot program will collect metal-rich nodules from the ocean floor // IEEE Spectrum. 2022, vol. 59, no. 1, pp. 56—57. DOI: 10.1016/j.ijmst.2023.07.007.

25. Volz J. B., Geibert W., Köhler D., Michiel M., van der Loeff R., Kasten S. Alpha radiation from polymetallic nodules and potential health risks from deep-sea mining // Scientific Reports. 2023, vol. 13, article 7985. DOI: 10.1038/s41598-023-33971-w.

26. Duncombe J. The 2-year countdown to deep-sea mining // Eos. 2022, vol. 103. DOI: 10.1029/ 2022EO220040.

27. 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.

28. 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.

29. Ushkova T., Kopteva A., Shpenst V., Sutikno T., Jopri M. H. In-line measurement of multiphase flow viscosity // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2022, vol. 11, no. 6, pp. 3609— 3616. DOI: 10.11591/eei.v11i6.4856.

30. 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.

31. 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. — Т. 252. — С. 814—825. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.4.

32. Юнгмейстер Д. А., Судариков С. М., Киреев К. А. Обоснование типов глубоководной техники для добычи морских железомарганцевых конкреций // Записки Горного института. —2019. — Т. 235. — С. 88. DOI: 10.31897/PMI.2019.1.88.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. Козыряцкий Л. М., Моргунов В. М., Яковлев В. М., Геммерлинг О. А. Эрлифты и гидроэлеваторы в горной промышленности: учебное пособие. — Вологда: Инфра-Инженерия, 2023. — 160 с.

38. Малухин Н. Г., Дробаденко В. П., Вильмис А. Л. Научно-методическое обоснование эрлифтного гидроподъема при освоении месторождений дна морей и океанов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № S11. — C. 51—60.

39. Александров В. И., Собота Е. Удельная энергоемкость гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья // Записки Горного института. — 2015. — Т. 213. — С. 9—17.

40. Александров В. И., Собота Е. Моделирование и расчет системы гидравлического подъема горной массы при подводной разработке минерального сырья // Записки Горного института. — 2003. — Т. 157. — С. 140—143.

41. Егоров И. В., Жабин А. Б., Поляков А. В. Определение рациональных параметров гидротранспорта твердых полезных ископаемых в системе гидроподъема с подводной станцией // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2019. — № 9. — С. 89—97.