Разработка полезных ископаемых из морского дна

Подв о дная доб ы ча полезных ископаемых, разработка месторождений полезных, ископаемых под водами Мирового океана.

Разработка поверхностных месторождений шельфа и ложа океана производится открытым способом через водную толщу. На поверхности шельфа (19% площади суши) и ложа океана (50% площади Земли) сосредоточены огромные минеральные ресурсы. Только в железомарганцевых конкрециях донных отложений Тихого океана запасы марганца прогнозируются в 2,4 × 10 11 т, кобальта — 2,8 × 10 9 т, никеля — 9,4 × 10 9 т, меди — 5,3 × 10 9 т. На шельфе располагаются россыпные месторождения тяжёлых минералов и металлов.

Первые попытки освоения шельфа сделаны в 11 в. до н. э., когда финикийцы из отложений морских ракушек добывали сырьё для производства пурпурной краски. Позднее (6 в. до н. э.) на островах Полинезии велась разработка коралловых рифов для получения строительных материалов. В 3 в. до н. э. с глубины 4 м у о. Халка, в пролив Босфор, ныряльщики добывали медную руду. В конце 19 в. началось освоение россыпей золота, затем ильменита, рутила, циркона, монацита на побережье Австралии (1870), Бразилии (1884), Индии (1909). В 20-х гг. 20 в. была начата добыча олова из морских россыпей Индонезии, в 1963 — алмазов на шельфе Юго-Западной Африки. В начале 60-х гг. добывалась железная руда из россыпей залива Ариаке (Япония). В СССР работы по освоению морских россыпей были начаты в 1966 на шельфе восточной части Балтики, где добывались титано-цирконовые концентраты.

В 1973 свыше 70 дражных предприятий добывали из россыпей шельфа около 120—130 млн. м 3 горной массы, при этом добыча оловянных концентратов из морских россыпей достигала 10% от мирового объёма добычи олова (без СССР), а стоимость добытых алмазов в отдельные годы составляла свыше 3% от общей стоимости добываемых алмазов.

В зависимости от горно-геологических и гидрометеорологических условий, глубины разработки и вида полезного ископаемого применяются различные технические средства (рис. 1), а также способы П. д. Разрабатываются россыпи преимущественно многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами. Для разработки железомарганцевых конкреций испытаны и строятся (1974) драги с гидравлическим подъёмом (эрлифт) и ковшами, закрепляемыми на бесконечном тросе.

Перспективы открытой П. д. на шельфе определяются её преимуществами по сравнению с разработкой месторождений суши: строительство дражных и др. технических судов на крупных судостроительных заводах исключает период строительно-монтажных работ на месторождении; значительно уменьшаются объёмы по вскрытию месторождений полезных ископаемых; исключается строительство подъездных путей, линий электропередач и жилых посёлков, а также отпадает необходимость отчуждения с.-х. земель и последующей их рекультивации.

Горные работы на шельфе затрудняются наличием волнений на водной поверхности, заносимостью выработок на дне моря, размывом отвалов, выемкой пород и их сбросом в среду жизнедеятельности морской фауны и флоры, а также необходимостью поддержания устойчивости береговых линий.

Основные направления научно-исследовательских работ по освоению шельфа в СССР: разработка методов геологических поисков и опробования морских россыпей шельфа с установлением их геолого-экономической оценки; разработка научных основ технологии подводной добычи полезных ископаемых в районах континентального шельфа и океанического ложа без ущерба для водных организмов; создание машин, производящих добычу и обогащение полезных ископаемых на всех глубинах шельфа.

Разработка месторождений недр Мирового океана осуществляется подземными горными выработками и буровыми скважинами.

П. д. из коренных месторождений по методам выемки руд полезного ископаемого мало чем отличается от добычи на суше (см. Подземная разработка полезных ископаемых). На большинстве подводных шахт стволы закладываются на суше, вследствие этого откаточные выработки имеют протяжённость в несколько км. Применяют вскрытие шахтных полей стволами с искусственных островов (например, шахта «Майке», Япония). Глубина заложения горных выработок под дном, гарантирующая их от затопления, зависит от свойств вышележащих пород и обычно равна 65—80 м. Разработка месторождений ведётся с закладкой выработанного пространства; проветривание морских шахт осуществляется через один ствол по трубам.

В 1974 эксплуатировалось 57 угольных шахт в Японии, Великобритании, Турции, на о. Тайвань, две железорудные шахты в Финляндии и Канаде, два оловянных рудника в Великобритании и СССР.

Наибольший объём П. д. приходится на добычу нефти и газа из недр Мирового океана. Перспективной является также добыча твёрдых полезных ископаемых геотехнологическими методами (см. Подземное выщелачивание, Подземное растворение). Например, годовая добыча серы с помощью расплавления на месторождениях Мексиканского залива превышает 600 тыс. т (1973).

К П. д. относят также извлечение полезных ископаемых из морской воды, основанное на физико-химических процессах выделения растворённых в ней солей, различных химических элементов, общий объём которых достигает 48 млн. км 3 (в т. ч. около 2 × 10 16 т натрия, около 2 × 10 15 т магния, около 1,3 × 10 14 т брома).

С середины 19 в. из маточных рассолов поваренной соли во Франции начали получать бром. С 30-х гг. 20 в. начато промышленное извлечение из морской воды магния. В 1970 в СССР, США, Великобритании и др. странах работало свыше 100 предприятий по добыче хлористого натрия из морской воды с объёмом производства свыше 10 млн. т, магния 300 тыс. т и брома 75 тыс. т.

Технология извлечения химических элементов из морской воды предусматривает, как правило, их концентрацию, а затем, при взаимодействии насыщенного раствора с др. элементами, их получение в виде соединений (рис. 2).

Концентрация химических элементов в морской воде низкая (за исключением натрия, магния, брома), и потому их извлечение нерентабельно (1974). Перспективы в этом направлении связаны с увеличением объёмов опреснения морской воды. Из получаемых при этом попутных рассолов химических элементы можно эффективно извлекать на установках по адсорбционному обмену и экстракции. О правовых вопросах П. д. см. в ст. Шельф. См. также статьи Океан и Морская геофизическая разведка.

Лит.: Меро Д., Минеральные богатства океана, пер. с англ., М., 1969; Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, М., 1970.

Г. А. Нурок. Ю. В. Бубис.

Рис. 2. Схема получения магния из морской воды: 1 — трубопровод для подачи морской воды; 2 — распределительный резервуар; 3 — устройство для гидрообработки; 4 — вторичный реактор; 5 — третичный реактор; 6 — первичный загуститель; 7 — ёмкость для хранения пресной воды; 8 — промывная установка; 9 — вакуум-фильтр; 10 — винтовой транспортёр; 11 — ёмкость для хранения загустелого Mg(OH)2; 12 — устройство для гидрообработки пресной воды; 13 — роторные сушильные печи.

Рис. 1. Технические средства подводной добычи полезных ископаемых.

Помимо поверхности континентов, человек в течение всей своей истории использует полезные ископаемые океана и моря.

До недавних времен главной областью эксплуатации было рыболовство, но в последние десятилетия важную роль в экономике некоторых приморских государств играет добыча нефти с морского дна в районе материковых окраин.

Человек использует соли, растворенные в морской воде. В настоящее время о запасах моря часто говорят, как о надежде человечества. Моря и океаны, покрывающие более двух третей поверхности земного шара, призваны поддержать энергетический, сырьевой и пищевой баланс увеличивающегося населения Земли.

Естественно, встает вопрос, реально ли это?

Что можно добыть с Мирового океана

Казалось бы само собой разумеющимся, что соль, которую употребляет человек, происходит из моря, но это не так.

Лишь третья часть поваренной соли получается путем испарения морской воды, остальная добывается на континентах или путем испарения соляного раствора — минерализованных вод, сопровождающих месторождения соли.

Итак, морская вода является химическим сырьем, но самое ценное, что из нее получают, не соль, а бром , используемый в первую очередь в фотографической промышленности, и магний . Из морской воды добывается более двух третей мирового потребления этих элементов.

Добыча брома в океане

Морская вода содержит и ряд других соединений, находящихся в растворенном состоянии. Время от времени в СМИ можно прочесть, сколько в ней находится урана или золота. Эти цифры действительно поражают.

Однако нас ограничивает в действиях тот факт, что мы пока не располагаем достаточным количеством энергии, чтобы наладить процесс их извлечения. Но ряд процессов проводит за человека сама природа.

Так, например, медь, марганец, кобальт, никель нет необходимости добывать из морской воды, поскольку эти металлы выпадают и кристаллизуются на дне океанских впадин в виде марганцовых конкреций. Это – образования величиной с орех, кулак или футбольный мяч, во множестве рассыпанные по дну Тихого и Атлантического океанов и состоящие из слоев окислов железа и марганца, кристаллическая структура которых легко связывает более тяжелые металлы, как никель, кобальт и медь.

Общее содержание полезных ископаемых океана в виде металлов в марганцовых конкрециях достигает 2,5%. Поэтому исследовательские корабли составляют карты морского дна, фотографируют его с помощью подводных камер, а ученые анализируют содержание металла в этих шаровидных образованиях.

Выявленное содержание металлов пока невелико, а расходы по добыче сырья со дна велики. Но надежды на источники сырья имеются, хотя о юридической стороне вопроса добычи со дна моря люди договариваются с трудом.

С большим успехом проводится добыча так называемых тяжелых минералов в прибрежных областях.

Стоимость этого металла составляет порядка 300 долларов за кг, что будет достаточно прибыльно начать добычу с морского дна.

Вода сортирует минералы

Средневековые горняки, да и позже золотоискатели получали золото путем промывки речных наносов. Вода уносила из старательских сит более легкие силикатные минералы, а на дне оставались более тяжелые минералы. Когда посчастливилось, то и кусочки золота.

Морской прибой и сильные морские течения в ряде мест делали эту работу за человека.

Более тяжелые минералы, например, касситерит (оловянная руда), циркон (циркониевая руда), рутил (окисел титана), моназит (сложный фосфат с содержанием редкоземельных элементов) и даже алмаз высвобождаются из горных пород в процессе выветривания, а поскольку они более стойки, чем многие другие минералы (например, полевой шпат), вода уносит их в море. Там они сортируются как в старательском сите: более легкие, обычно силикатные и кварцевые материалы уносятся, а на пляже или на мелком морском дне остаются тяжелые, полезные фракции. Во многих местах в мире добываются минералы в переходных зонах от океана к материкам.

Однако полезные ископаемые океана и моря пока сложно извлечь или достать с морского дна с учетом получения прибыли. Но технологии улучшаются и, возможно, основные источники сырья будут находиться в море.

В настоящее время на земном шаре ежегодно добываются миллиарды тонн полезных ископаемых. При существующем объеме добычи полезных ископаемых из недр Земли, приуроченных к суше, может хватить, по определению ряда специалистов, лишь на первые сотни лет, а по некоторым ископаемым – лишь на первые десятки лет. Истощение запасов обуславливает вовлечение в разработку все более бедных по содержанию месторождений полезных ископаемых со сложными горно-геологическими и гидрологическими условиями, освоением месторождений в отдаленных и необжитых районах с неблагоприятными климатическими и метеорологическими условиями.

В то же время 2/3 территории земной поверхности покрыто морями и океанами, на дне и в водах которых сосредоточено большое количество запасов минерального сырья. Мировой океан является большим потенциальным источником для получения полезных ископаемых как за счет непосредственного их извлечения из морской воды, так и главным образом за счет добычи полезных ископаемых на громадных территориях, покрытых морями и океанами.

Еще задолго до нашей эры на побережьях морей и океанов добывалась пищевая соль, многие века славился янтарь с пляжей Прибалтики, более 100 лет производят добычу нефти и газа со дна морей и океанов. Однако лишь в последние десятилетия в связи с общим развитием науки и техники стали выявляться серьезные перспективы добычи твердых полезных ископаемых поводным способом. Интерес к полезным ископаемым морей и океанов в наши дни не случаен:
многие месторождения суши истощаются;
быстрый рост населения земного шара, а вместе с ним и потребностей в производстве средств производства и предметов потребления заставляет искать новые источники минерального сырья;
гигантский скачок в развитии науки и техники в последние годы дает возможность добраться до недоступных прежде богатств морей и океанов и разрабатывать их;
добыча некоторых видов полезных ископаемых, залегающих на морском дне, экономически выгоднее, чем на суше.
Экономическая целесообразность подводной добычи полезных ископаемых обеспечивается радом преимуществ:
отпадает необходимость отчуждения земель и последующей их рекультивации;
при разработке подводных месторождений не нужны подъездные пути;
многие из таких месторождений не нуждаются в оборудовании отвалов и различного рода хранилищ;
значительно уменьшаются затраты по вскрытию месторождения;
не нужно производить больших трудоемких и дорогостоящих взрывных работ, тратить средства на приобретение взрывчатых веществ, сложного оборудования и т.д.

Подводная добыча – разработка полезных ископаемых дна рек, озер, морей и океанов. Подводная добыча – извлечение полезных ископаемых из подводного забоя на поверхность комплексом механизмов и оборудования, работающего в водной среде, с целью получения, переработки и использования основных и сопутствующих компонентов месторождения. Подводная добыча осуществляется открытым (драги и земснаряды) и подземным (горные выработки под дном и буровые скважины) способами. Условно к подводной добыче относят извлечение полезных компонентов из морской воды (физико-химическое выделение солей и химических элементов).

При подводной добыче открытым способом выделяют следующие производственные процессы: 1) отделение добываемого сырья от массива месторождения; 2) доставка от заборного механизма до плавающего или стационарного средства (судна, баржи, понтона, платформы); 3) первичная обработка сырья (грохочение, сепарирование, промывание и т. д.); 4) хранение и транспортировка для последующей переработки. Первый этап осуществляется механическим, гидравлическим, пневматическим способами или их сочетанием. При механическом способе применяют бульдозерные лопаты, шнеки, грейферы, ковши и т. п., при гидравлическом и пневматическом – гидромониторы, эрозионные насадки, сифоны, насосы. Работы второго этапа ведут с помощью грейферов, ковшовых цепей, шнековых и ленточных конвейеров, напорных насосов, эрлифтов, эжекторов. Третий этап связан с работой грохотов, гидроциклонов, сепараторов. На четвертом этапе необходимы хранилища, а также средства транспорта (суда, баржи, трубопроводы). В зависимости от горно-геологических и гидрометеорологических условий, глубины разработки и вида полезного ископаемого применяются различные технические средства, а также способы подводной добычи. Преобладающим фактором является глубина моря. Различают добычу: мелководную при глубине воды не более 5 – 10 м; в пределах шельфа с глубиной до 100 – 200 м; свыше 200 м до предельных глубин океана (моря). В двух первых зонах добывают: строительные материалы, драгоценные камни и металлы, полиметаллические и железосодержащие пески, сырье для химической промышленности, энергетическое сырье. Третья зона перспективна для добычи конкреций, нефти и газа.

Разрабатываются россыпи преимущественно многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами. Для разработки железомарганцевых конкреций испытаны и строятся (1974) драги с гидравлическим подъёмом (эрлифт) и ковшами, закрепляемыми на бесконечном тросе (рис. 16.4.).
В Ленинградской области началась добыча марганца со дна Финского залива. ООО «Промтрак», ведущее разработку, планирует обеспечить 5-7% потребности России в марганце, импортируемом сейчас из стран СНГ и дальнего зарубежья. Завод построен в промышленной зоне города Кингисеппа. Сейчас ведется опытно-промышленная эксплуатация.

В России крупных месторождений марганца нет, до 90% этого металла закупается за рубежом. Ближайшие месторождения – в Грузии, Казахстане и Украине. Но огромные запасы марганца находятся на дне морей и океанов (больше всего его в Тихом и Индийском океанах).
Большой интерес представляют источники богатые различными элементами – горячие подводные гейзеры, или «чёрные курильщики» (рис.16.5.).

В них морская вода сначала просачивается по трещинам на большую глубину, там нагревается до нескольких сотен градусов, обогащается минералами и вырывается наверх, вынося густую взвесь, богатую минералами, которая разносится течением и оседает в окрестностях. Так возникают километровые холмы, богатые металлами (рис 16.6.). Извлечение таких полезных ископаемых ведётся также как и добыча россыпей (рис. 16.4.).

При подводной добыче подземным способом производственные процессы аналогичные с процессами подземной добычи полезных ископаемых, приуроченных к суше. На большинстве подводных рудников стволы закладываются на суше, вследствие этого откаточные выработки имеют протяжённость до 10 км. Применяют вскрытие шахтных полей стволами с искусственных островов (например, рудник «Майке», Япония). Глубина заложения горных выработок под дном, гарантирующая их от затопления, зависит от свойств вышележащих пород и обычно равна 65 – 80 м. Разработка месторождений ведётся с закладкой выработанного пространства. Таким способом производят добычу каменного угля в Японии, Канаде, Англии, Шотландии, Турции, Китае и на острове Тайвань.

Чаще всего морские месторождения представляют собой продолжение, скрытых в недрах суши.
Хорошо развита добыча из подводных шахт железной руды, которая ведется в Японии на острове Кюсю, в Австралии, в Канаде в Гудзоновом заливе и на острове Ньюфаундленд (здесь для извлечения руды сооружен искусственный остров), а также в Финляндии, у входа в Финский залив.

Значительно реже встречаются подводные рудники, где разрабатываются руды меди и никеля, олова и ртути. В Канаде, в Гудзоновом заливе, близ г. Черчилл, добывается медь и никель, в Великобритании, на полуострове Корнуолл, – медь, никель, и олово.

В Турции под дном Эгейского моря разрабатываются месторождения ртутных руд.
К подводной добыче относят также извлечение полезных ископаемых из морской воды, основанное на физико-химических процессах выделения растворённых в ней солей, различных химических элементов, общий объём которых достигает 48 млн. км3 (в т. ч. около 2×1016 т натрия, около 2×1015 т магния, около 1,3×1014 т брома).

С середины 19 в. из маточных рассолов поваренной соли во Франции начали получать бром. С 30-х гг. 20 в. начато промышленное извлечение из морской воды магния. В 1970 в СССР, США, Великобритании и др. странах работало свыше 100 предприятий по добыче хлористого натрия из морской воды с объёмом производства свыше 10 млн. т, магния 300 тыс. т и брома 75 тыс. т.

Технология извлечения химических элементов из морской воды предусматривает, как правило, их концентрацию, а затем, при взаимодействии насыщенного раствора с др. элементами, их получение в виде соединений (рис. 16.7.)

Запрещается любое копирование и распространение информации без письменного согласия авторов учебника “Основы горного дела”

ЭКСКЛЮЗИВНЫМ ПРАВО НА ПУБЛИКАЦИЮ ОБЛАДАЕТ “ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОРТАЛ РОССИИ”