способ добычи конкреций и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ добычи конкреций, включающий доставку перфорированного сосуда с плавсредства на дно акватории, заполнение сосуда конкрециями вместе с вмещающими илистыми породами при прямом ходе, обратный ход сосуда по дну, подъем сосуда на плавсредство и его гравитационную разгрузку в приемное приспособление, отличающийся тем, что при прямом ходе сосуд заполняют на половину его объема, при обратном ходе производят заполнение оставшегося объема сосуда, а перед его подъемом на плавсредство сосуду вблизи дна сообщают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости.

2. Устройство для осуществления способа, включающее плавсредство, размещенное на нем приемное приспособление, лебедку, отклоняющие блоки, головной и хвостовой тяговые канаты, перфорированный сосуд прямоугольного поперечного сечения с режущими кромками, отличающееся тем, что сосуд связан с головным и двумя хвостовыми канатами, при этом головной канат кинематически связан с однобарабанной подъемной лебедкой, а хвостовые канаты через отклоняющие блоки, установленные на придонных якорях с буями на водной поверхности, с двухбарабанной скреперной лебедкой, при этом головной канат с хвостовыми канатами кинематически связан тягой, размещенной по продольной оси симметрии сосуда и шарнирно соединенной со свободными концами больших плечей угловых рычагов, шарнирно закрепленных на днищах сосуда со стороны хвостовых канатов, вторые плечи которых выполнены в виде перфорированных створок с возможностью перекрытия ими сосуда в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии и их опирания на днище сосуда, причем большие плечи угловых рычагов выполнены с продольными прорезями с возможностью их взаимодействия с пальцем, закрепленным на тяге, при повороте угловых рычагов в плоскости, параллельной плоскости боковых стенок, режущие кромки выполнены в виде плоских раструбов, примыкающих к передней и задней кромкам сосуда, соединенных в верхней и нижней частях сосуда плоскими плитами, с возможностью их опирания на грунт и расположенных под острыми углами к продольной оси симметрии сосуда.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сосуд выполнен симметричным относительно трех осей.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что перфорация всех формообразующих поверхностей сосуда образована закрепленными на жестком каркасе прутками, размещенными параллельно друг другу с образованием продольных щелей между ними и ориентированными параллельно продольной оси симметрии сосуда.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сосуд выполнен разъемным по длине.

6. Устройство по п. 2 или 5, отличающееся тем, что боковые стенки выполнены с прогибами вовнутрь сосуда.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что режущие кромки выполнены в виде плоских раструбов, примыкающих к боковым стенкам сосуда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам добычи конкреций и устройствам для его осуществления и может быть использовано, например, для добычи железо-марганцевых конкреций со дна шельфа и морей.

Известен способ добычи конкреций со дна мирового океана (прототип), включающий доставку перфорированного сосуда с плавсредства на дно акватории, заполнение сосуда конкрециями вместе с вмещающими илистыми породами при движении плавсредства, подъем сосуда на плавсредство и его разгрузку в приемное приспособление. Этот способ реализован в виде устройства, включающего плавсредство, размещенные на нем приемное приспособление, лебедку, отклоняющие блоки, головной тяговый канат, перфорированный сосуд прямоугольного поперечного сечения с режущими кромками (Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна. Л, 1987, с. 6-7, рис. 1).

Однако недостатками известного способа и реализующего его устройства являются следующие: ограниченная производительность, малое извлечение конкреций с придонного месторождения из-за трудности контроля зоны прохода сосуда по дну, большое разубоживание конкреций донными породами, извлекаемыми из придонного слоя вместе с конкрециями, замутнение воды при подъеме сосуда.

Задачами изобретения являются повышение производительности и экологичности работ при добыче конкреций и их извлечении, уменьшение содержания объема придонных пород, поднимаемых вместе с конкрециями на плавсредство.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в способе добычи конкреций, включающем доставку перфорированного сосуда с плавсредства на дно акватории, заполнение сосуда конкрециями вместе с вмещающими породами при прямом ходе, обратный ход сосуда по дну, подъем сосуда на плавсредство и его гравитационную разгрузку в приемное приспособление, при прямом ходе сосуд заполняют на половину его объема, при обратном ходе производят заполнение оставшегося объема сосуда, а перед его подъемом на плавсредство сосуду вблизи дна сообщают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости.

В устройстве для осуществления способа, включающем плавсредство, размещенное на нем приемное приспособление, лебедку, отклоняющие блоки, головной и хвостовой тяговые канаты, перфорированный сосуд прямоугольного поперечного сечения с режущими кромками, сосуд связан с головным и двумя хвостовыми канатами, при этом головной канат кинематически связан с однобарабанной подъемной лебедкой, а хвостовые канаты через отклоняющие блоки, установленные на придонных якорях с буями на водной поверхности, - с двухбарабанной скреперной лебедкой, при этом головной канат с хвостовыми канатами кинематически связан штангой, размещенной по продольной оси симметрии сосуда и шарнирно соединенной со свободными концами больших плечей угловых рычагов, шарнирно закрепленных на днищах сосуда со стороны хвостовых канатов, вторые плечи которых выполнены в виде перфорированных створок с возможностью перекрытия ими сосуда в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии и их опирания на днище сосуда, причем большие плечи угловых рычагов выполнены с продольными прорезями с возможностью их взаимодействия с пальцем, закрепленным на тяге, при повороте угловых рычагов в плоскости, параллельной плоскости боковых стенок, режущие кромки выполнены в виде плоских раструбов, примыкающих к передней и задней кромкам сосуда, соединенных в верхней и нижней частях сосуда плоскими плитами, с возможностью их опирания на грунт и расположенных под острыми углами к продольной оси симметрии сосуда. Сосуд может быть выполнен симметричным относительно трех осей. Перфорация всех формообразующих поверхностей может быть образована закрепленными на жестком каркасе прутками, размещенными параллельно друг другу с образованием профильных щелей между ними и ориентированными параллельно продольной оси симметрии сосуда. Сосуд может быть выполнен разъемным по длине. Боковые стенки могут быть выполнены с прогибами внутрь сосуда. Режущие кромки могут быть выполнены в виде плоских раструбов, примыкающих к боковым стенкам сосуда.

Способ добычи конкреций может быть уяснен из рассмотрения работы реализующего его устройства, которое представлено на фиг. 1-6, где на фиг. 1 показан общий вид устройства сбоку; на фиг. 2 - его план; на фиг. 3 - вид на сосуд сверху; на фиг. 4 - вид на сосуд сбоку; на фиг. 5 - поперечное сечение сосуда; на фиг. 6 - вид А-А по фиг. 3.

Устройство для добычи конкреций состоит из плавсредства 1 с приемным приспособлением для конкреций, состоящим из бункера с колосниковой решеткой 2 и передаточного конвейера 3 для перегрузки конкреций на баржу 4.

На плавсредстве смонтирована однобарабанная подъемная лебедка 5 и двухбарабанная скреперная лебедка 6, которые соответственно головным 7 и двумя хвостовыми канатами 8 и 9 кинематически связаны с сосудом 10 (фиг. 1, 2) с помощью прицепных приспособлений 11 и 12.

Хвостовые канаты 8 и 9 огибают отклоняющие блоки 13 и 14, закрепленные на якорях 15 и 16, которые гибкими элементами 17 связаны с буями 18 на поверхности акватории. На плавсредстве (1) шарнирно (19) установлен портал 20, на свободном конце которого установлены отклоняющий блок 21 для головного каната 7 и отклоняющие блоки 22 и 23 для хвостовых канатов 8 и 9.

Сосуд 10 выполнен (фиг. 3-6) в виде жесткого прямоугольного каркаса 24, все формообразующие поверхности которого - днища 25, 26 и боковые стенки 27, 28 - оборудованы закрепленными на жестком каркасе 24 прутками 29, размещенными параллельно продольной оси симметрии 30 сосуда и образующие продольные щели между прутками 29. При этом боковые стенки 27, 28 выполнены с прогибами вовнутрь сосуда, а сам сосуд выполнен симметричным относительно трех осей: 30,31 и 32. Сосуд выполнен разъемным по длине с фланцевым соединением 33 в его средней, наиболее узкой части.

Головной 7 и хвостовые 8 и 9 канаты связаны между собой тягой 34, размещенной по продольной оси симметрии 30 сосуда. Тяга 34 шарнирно связана с помощью закрепленного на ней пальца 35 со свободными концами больших плечей 36 и 37 угловых рычагов, которые шарнирно (38, 39) закреплены на днищах 25, 26 сосуда со стороны хвостовых канатов 8, 9. Плечи 36, 37 угловых рычагов при обратном ходе сосуда (в направлении 40) образуют острые углы с продольной осью симметрии 30.

Вторые плечи рычагов выполнены в виде перфорированных створок 41, 42, которые при обратном ходе сосуда (фиг. 6) расположены перпендикулярно продольной оси симметрии 30 сосуда и перекрывают его в поперечном сечении, взаимодействуя с упорами (не показаны).

При прямом ходе сосуда (в направлении 43) створки 41, 42 прижаты к днищам 25 и 26 сосуда. Большие плечи 36, 37 угловых рычагов выполнены с продольными прорезями 44, 45 с возможностью их взаимодействия с пальцем 35, закрепленным на тяге 34.

Режущие кромки сосуда выполнены в виде плоских раструбов 46, 47 и 48, 49, примыкающих к передней и задней кромкам сосуда. Раструбы 46, 48 и 47, 49 попарно соединены в верхней и нижней частях сосуда плоскими плитами 50, 51 и 52, 53, выполняющими роль лыж, с возможностью их опирания на грунт 54 (фиг. 1).

Раструбы ориентированы под острыми углами к продольной оси симметрии 30 сосуда.

Устройство для добычи конкреций действует следующим образом. Плавсредство 1 закрепляется на якорях (не показаны) в зоне залежи конкреций. К плавсредству 1 пришвартовывается баржа 4.

На дне 54 акватории устанавливаются якоря 15 и 16 с отклоняющими блоками 13 и 14 с запасованными на них канатами 8 и 9. Расположение якорей 15, 16 определяет положение и размеры сектора дна 54 акватории с продуктивным придонным слоем, содержащим конкреции. Положение сектора фиксируется с помощью находящихся на поверхности буев 18, прикрепленных к якорям 15, 16 с помощью гибких элементов 17.

Применительно к условиям Финского залива при его глубине до 60 метров удаление якорей 15, 16 от кормы плавсредства 1 может быть 100-150 м при таком же расстоянии между якорями 15, 16.

Включением одного из барабанов двухбарабанной скреперной лебедки 6 при растормаживании барабана однобарабанной подъемной лебедки 5 сосуд 10 (фиг. 1, 2) перемещают в какой-либо участок сектора, ограниченный якорями 15, 16 и плавсредством 1, например, при наматывании на один из барабанов скреперной лебедки 6 хвостового каната 8 (фиг. 3) и сматыванием второго хвостового каната 9 с другого барабана лебедки 6.

После опускания на дно 54 сосуда 10 (фиг. 1) при дальнейшем наматывании хвостового каната 8 последний через прицепное приспособление 12 воздействует на тягу 34, смещая ее по направлению 43 (фиг. 6). При этом палец 35, взаимодействуя с прорезями 44 и 45 больших плечей 36 и 37 угловых рычагов, поворачивает их вокруг шарниров 38, 39 соответственно против часовой стрелки и по часовой стрелке до упора перфорированных створок 44, 42 в днища 25 и 26 сосуда.

С этого момента тяговое усилие от хвостового каната 8 передается через прицепное приспособление 12 на сосуд 10, который начинает двигаться в направлении 43, захватывая конкреции вместе с вмещающими их породами со дна 54.

После относительно небольшого перемещения сосуда в направлении 43, соответствующего заполнению сосуда примерно на 50%, включается подъемная лебедка 5 при выключенных барабанах скреперной лебедки 6. При этом при остановленном сосуде 10 перемещающийся в направлении 40 (фиг. 3, 6) головной канат 7 воздействует через сцепное приспособление 11 на тягу 34.

Смещающаяся в направлении 40 тяга 34, взаимодействуя своим пальцем 35 с прорезями 44 и 45 больших плечей 36, 37 угловых рычагов, поворачивает их вместе со створками 41 и 42 вокруг шарниров 38, 39 до занятия створками 41, 42 перпендикулярного по отношению к днищам 25 и 26 положения. С этого момента тяговое усилие от головного каната 7 начнет передаваться через прицепное приспособление 11 и тягу 34 на сосуд, у которого поперечное сечение перекрыто створками 41, 42, а сам сосуд начнет двигаться в направлении 40, захватывая конкреции вместе с донными отложениями. При движении сосуда 10 происходит вымывание донных отложений через щели между прутками 29 за счет сужения сосуда 10 в его средней части.

После заполнения оставшегося объема сосуда 10, в зависимости от удаления сосуда 10 от плавсредства 1, возможны два варианта работы.

По первому варианту при нахождении сосуда 10 вблизи плавсредства 1 (в плане) работа по описанной выше схеме продолжается: подъемная лебедка 5 продолжает наматывать головной канат 7 на свой барабан, благодаря чему сосуд 10 поворачивается практически на 90^o и зависает на головном канате 7 над дном 54 (положение сосуда 10 показано штрих-пунктиром). В этом положении сосуду 10 сообщают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости (вверх-вниз) за счет последовательного отключения привода лебедки 5 при расторможенном барабане с последующим его включением.

Благодаря таким движениям сосуда 10 происходит вымывание донных отложений из сосуда 10 через щелевые отверстия, образованные прутками 29 по всему периметру сосуда 10. При этом донные отложения оседают на дно 54 акватории, не поднимаясь на поверхность.

Далее при постоянной работе подъемной лебедки 5 сосуд 10 головным канатом 7 поднимается вверх над бортом плавсредства 1, привод подъемной лебедки 5 отключается, а барабан лебедки 5 затормаживается. После небольшой паузы, необходимой для обезвоживания содержимого сосуда 10, включается привод поворота портала 20 (не показан), в результате чего портал 20 поворачивается вокруг шарнира 19 против часовой стрелки, перемещая подвешенный к головному канату 7 сосуд 10 вглубь плавсредства 1. Над бункером с колосниковой решеткой 2 растормаживается барабан подъемной лебедки 5, а сосуд 10 опускается на колосниковую решетку. Привод подъемной лебедки 5 отключается, натяжение головного каната 7 ослабевает, поэтому под действием веса конкреций с оставшейся частью донных отложений угловые рычаги со створками 41, 42 поворачиваются вниз вокруг шарниров 38, 39, а сосуд 10 освобождается от конкреций с остатками донных отложений.

Через колосниковую решетку конкреции разгружаются в бункер 2, с которого перегружаются на конвейер 3, а с него - в трюмы баржи 4.

По второму варианту, когда заполненный сосуд 10 находится на достаточно большом удалении от плавсредства 1, вместе с подъемной лебедкой 5 включается один из барабанов скреперной лебедки 6, поэтому в нужный момент сосуд 10 может быть поднят со дна 54 и далее перемещаться к плавсредству 1, не касаясь дна 54. Далее операции повторяются, как и по первому варианту.

Заполнение сосуда 10 при прямом и обратном ходах сокращает время цикла, увеличивая коэффициент заполнения сосуда и производительность устройства.

Сужающийся проход между боковыми стенками 27 и 28 способствует предварительному вымыванию илистых пород из сосуда 10.

Возвратно-поступательные движения сосуда 10 вблизи дна 54 позволяют, во-первых, оставить на дне 54 основной объем донных отложений, не поднимая их на плавсредство 1, и, во-вторых, повысить экономичность устройства, существенно уменьшая замутнение воды на поверхности акватории, в-третьих, повысить содержание конкреций в общем объеме поднимаемой массы, что снижает расходы на транспортирование и дальнейшую переработку конкреций.

Симметричная конструкция сосуда 10 относительно трех осей позволяет не контролировать положение сосуда 10, поскольку он может одинаково функционировать при взаимодействии с дном 54 любого днища - 25 или 26 (при опрокидывании сосуда).

Наличие плоских раструбов 46, 47 и 48, 49 позволяет сократить цикл заполнения сосуда 10 как при прямом, так и при обратном его ходах.

Продольное расположение прутков 29 улучшает условия самоочищения конкреций от илистых пород как при движении сосуда 10 по дну, так и при его движении вверх, при подъеме на плавсредство 1.

Плоские плиты 50, 51 и 52, 53 исключают излишнее заглубление сосуда 10 при его движении по дну 54 за счет снижения давления на него, уменьшая разубоживание конкреций при их захвате со дна 54. Кроме того, эти плиты существенно увеличивают жесткость каркаса 24 и его долговечность.

Механизм поворота створок 41 и 42, кинематически связанный с головным 7 и хвостовыми 8, 9 канатами, обеспечивает автоматическое запирание сосуда 10 при его реверсе в период заполнения и автоматическое раскрытие при опорожнении сосуда 10 в бункер 2 на плавсредстве 1, без дополнительного кантования сосуда 10 для разгрузки.

Техническое решение позволяет повысить производительность и экологичность работ при добыче конкреций, их извлечение, уменьшить содержание объема придонных пород, поднимаемых на плавсредство вместе с конкрециями.