Глубоководная добыча: настоящее и будущее
«Я верю, что будущее человечества – в завоеваниях разума, вооруженного наукой».
Эмиль Золя
«Море внешне безжизненно, но оно полно чудовищной жизни, которую не дано постичь, пока не пойдешь на дно».
Иосиф Бродский
У многих море связано с впечатлениями о лете. В период отпусков именно к морю стремится поехать большинство людей. Оно и понятно: свежий морской воздух, теплая вода и солнечная погода дарят ощущение радости и незабываемого блаженства. Но море – это еще и большой труженик! А дно его – словно «малахитовая шкатулка» с природными богатствами, надо только суметь ее открыть.
Ни для кого не секрет, что запасы полезных ископаемых в недрах Земли постепенно истощаются. Предприятиям приходится вести разработку бедных по содержанию месторождений в сложных горно-геологических и неблагоприятных климатических условияих. В такой ситуации самое время вспомнить, что 2/3 территории земного шара покрыто морями и океанами, а на их дне сосредоточено большое количество запасов минерального сырья.
Основную долю подводной добычи полезных ископаемых составляет добыча нефти и газа скважинным способом, но кроме этого под водой залегают и твердые полезные ископаемые. При этом их добыча ведется не только на морских просторах, но также в озерах и реках. Большой объем подводной добычи твердых полезных ископаемых приходится на россыпные месторождения – они представляют собой скопления рыхлых обломочных пород или конкреций, содержащих ценные минералы.
Разработка поверхностных месторождений шельфа океана производится открытым способом через водную толщу. Сегодня в горном производстве используют следующие способы подводной добычи полезных ископаемых:
- подводные скреперные установки, которые осуществляют послойное черпание грунта со дна океана или другого водоема;
- плавучие платформы на сваях с добычным оборудованием;
- штанговые снаряды;
- многочерпаковые драги;
- земснаряды с режущей кромкой;
- земснаряды со свободным всасыванием;
- грейферные драги;
- эрлифтные и эжекторные драги;
- плавучие платформы с добычным оборудованием на нефть и газ;
- драги;
- подводные лодки с добычным оборудованием;
- подводные самоходные добычные устройства.
Морские драги используют в прибрежной зоне и даже в глубоководной части морей и океанов. Они смонтированы на килевых судах, самоходных или буксирных, приспособленных к работе в открытом море. Драга имеет промывочно-обогатительное оборудование, находящееся на самом судне или на отдельной плавающей установке.
«Морской» уголь
Под водой можно добывать даже уголь. Зачастую угольные пласты месторождения уходят в море, и тогда шахта имеет продолжение под толщей воды. Но существуют и месторождения, не связанные с береговыми, например, на североморском шельфе. Так в Японии 30 % добываемого угля получают из подводных шахт.
В Канаде поступили иначе: сделали искусственный насыпной остров и уже через его толщу пробили ствол до месторождения. Отличается такая шахта лишь тем, что над головой шахтеров в забое не только недра земли, но и толща морской воды. Шахта находится в 8 км от берега.
Глубина заложения горных выработок, которая дает гарантию от затопления, обычно равна 65-80 м. Таким способом добывают каменный уголь в Великобритании, Турции, Китае, США, Австралии, Греции, Франции и на острове Тайвань.
В будущем планируется строительство шахт в море непосредственно на месте залегания подводных угольных пластов.
Всего зарегистрировано около 60 подводных угольных шахт, ежегодная добыча исчисляется сотнями миллионов долларов.
Поскольку запасы угля на суше более существенны и коммерчески доступны, чем на море, подводные месторождения разрабатывают преимущественно страны, мало обеспеченные углем.
Природные сокровища глубин
Говоря о подводной добыче твердых полезных ископаемых, необходимо отметить и добычу железо-марганцевых конкреций со дна океана, хотя широкого распространения она пока не имеет. Железо-марганцевые конкреции – это стяжения овальной формы на океаническом дне, содержащие ценные рудные минералы, которые представляют экономический интерес. Химический состав железо-марганцевых конкреций Мирового океана разнообразен. Содержание химических элементов колеблется в следующих пределах: железо – от 0,3 до 50 %; марганец – от 0,07 до 50,3 %; никель – от 0,08 до 2,48 %; кобальт – от 0,001 до 2,53 %; медь – от 0,003 до 1,9 %; цинк – от 0,01 до 9 %; свинец – от 0,01 до 0,75 %.
Наличие в них таких элементов как кобальт, никель, марганец, используемых для выплавки высокопрочных легированных сталей, делает их добычу весьма выгодной.
Железомарганцевые конкреции дна Морского океана максимально сосредоточены в нескольких рудных полях с неравномерным распространением. На некоторых участках конкреции покрывают более половины площади дна и классифицируются как отдельные месторождения. Больше всего конкреций сосредоточено в центре Тихого океана.
Перспективные территории дна Мирового океана на разработку железо-марганцевых конкреций давно поделены между добывающими компаниями и государствами. В их числе и Россия.
Тема добычи металлов на дне мирового океана набирает обороты. Теперь ситуация обостряется и в борьбу за богатства Мирового океана вовлекаются все новые участники.
Почему же государства так спешат с разработкой глубоководных месторождений?
Мир находится в активном поиске полезных ископаемых, необходимых для энергетического перехода. По данным Международного энергетического агентства (IEA), «чистые энергетические технологии становятся самым быстрорастущим сегментом спроса» на критически важные полезные ископаемые.
По оценкам организации, спрос сектора чистой энергетики на медь и редкоземельные элементы вырастет более чем на 40% в следующие два десятилетия, более чем на 60% на никель и кобальт и почти на 90% на литий. Горнодобывающая отрасль с трудом справляется с растущим спросом.
Однако большинство этих важнейших минералов можно найти в полиметаллических конкрециях на дне океана, прежде всего медь, никель, кобальт и марганец.
Поскольку конкреции свободно лежат на дне, процесс их сбора может быть относительно простым, не требующим крупномасштабных буровых работ.
Между тем IEA отмечает отсутствие признаков нехватки имеющихся ресурсов. По данным Геологической службы США (USGS), запасов большинства полезных ископаемых на суше достаточно – например, 880 млн т меди и 95 млн т никеля. Спрос на критически важные полезные ископаемые к 2030 году составит лишь часть таких запасов.
Однако IEА обращает внимание на имеющиеся опасения по поводу качества этих запасов. Снижение качества полезных ископаемых на суше делает высококачественные полезные ископаемые морского дна привлекательными для разведки.
Например, по оценкам Геологической службы США, около 120 млн т кобальта скрыты в глубоководных месторождениях по сравнению с 7,6 млн т на суше.
The Metals Company утверждает, что глубоководная разработка морского дна требуется для получения важнейших полезных ископаемых, необходимых для перехода от ископаемого топлива и что это «самый чистый путь к массовому производству электромобилей».
Тем не менее, некоторые крупные автопроизводители присоединились к Всемирному фонду дикой природы. BMW и Volvo вместе с Samsung и Google обязались в марте 2021 года не добывать какие-либо полезные ископаемые из морских глубин и не финансировать деятельность подобного рода.
Кому принадлежит морское дно?
О глубоководной добыче полезных ископаемых начали всерьез говорить в 1960-е годы, параллельно с разработкой ООН всеобъемлющего режима управления океанами. В 1970 году Ассамблея ООН объявила минеральные ресурсы морского дна «общим достоянием человечества» и заявила, что их разработка должна осуществляться «в интересах всего человечества посредством международного механизма, который должен быть создан для этой цели». В 1994 году был создан Международный орган по морскому дну (ISA).
В 2021 году, когда Республика Науру объявила, что планирует спонсировать компанию The Metals Company для добычи металлов в зоне Кларион-Клипертон, которая богата никелем, медью, кобальтом, марганцем и славится удивительным биоразнообразием. Именно последнее обстоятельство заставило ООН и ISA срочно заняться проработкой законодательных норм глубоководной добычи
Выделяют три основных типа глубоководных месторождений:
Polymetallic nodules — полиметаллические конкреции. Лежат на абиссальных равнинах морского дна, частично покрыты мелкозернистыми отложениями. Содержат множество различных металлов (железо, медь, марганец, никель, свинец, кобальт, цинк), а также интересные с точки зрения добычи объемы лития, молибдена, титана, ниобия и других элементов.
Cobalt-rich ferromanganese crusts — кобальтовые корки. Образуются на склонах и вершинах подводных гор на глубине от 400 до 7000 м как результат осаждения минералов из морской воды. Содержат марганец, железо, медь, никель, кобальт и различные редкие металлы, в том числе редкоземельные элементы.
Polymetallic sulphides — полиметаллические сульфиды. Богаты железом, медью, цинком, серебром и золотом. Встречаются на границах тектонических пластин, вдоль срединно-океанических хребтов, вулканических дуг, на глубине около 2000 м.
К маю 2022 года общая площадь морского дна, на разработку которой претендуют разные организации, превысила 1,5 млн км2, что сопоставимо с площадью Монголии.
Подводные машины
Процесс механизации горных работ тоже не стоит на месте.
В 2013 году Газпромом в Сахалинской области на Береговом технологическом комплексе (БТК) Киринского газоконденсатного месторождения впервые в России запустил в эксплуатацию подводный добычной комплекс. Под подводную добычу разработан десяток ГОСТ и полтора десятка СТО Газпрома. Это серьезная заявка на, что в эту область пришли всерьез и надолго.
Подводный буровой комплекс предназначен для обеспечения круглогодичного режима ведения буровых работ при освоении месторождений нефти и газа на глубоководном шельфе арктических морей России независимо от климатических условий и ледовой обстановки. Подводные буровые комплексы являются частью подводного бурового судна (ПБС) и донной опорной плиты (ДОП) и используются для работы на глубинах моря от 60 до 400 метров.
На ПБС размещена буровая установка «сухого» типа и расчетный запас расходных материалов на сооружение одной вертикальной скважины глубиной 3500 метров. Расходные материалы для бурения других скважин пополняются за счет функционирования подводной транспортно-грузовой системы контейнерных перевозок. Технологические операции за бортом выполняются подводными роботами, а пассажирские перевозки и аварийно-спасательные операции – транспортно-спасательными подводными аппаратами системы внешней поддержки.ДОП представляет собой законченный технологический модуль, служащий опорой для подводного бурового судна, и темплетом, на котором размещено традиционное эксплуатационное оборудование скважин с подводным заканчиванием.
Электроснабжение и связь ПБС с береговыми центрами управления осуществляются по подводному кабелю. Бортовые аккумуляторные батареи обеспечивают самостоятельный переход ПБС в подводном положении с одной ДОП на другую и служат резервным источником электропитания.
Предусмотрена возможность экстренного самостоятельного всплытия ПБС с проламыванием льда толщиной до 3-х метров без повреждения корпуса.
Для создания пилотного опытно-промышленного подводного бурового комплекса потребуется 5-7 лет после начала технического проекта, а промышленного комплекса – 2-3 года после испытаний пилотного.
Зарубежных аналогов у этой разработки нет, технологический приоритет – у России. Для того, чтобы запускать программу в реализацию, осталось создать хороший подводный комбайн. И тут тоже есть научные прорывы. Например, весной 2018 года в море Бисмарка на глубине 1600 м компания Nautilus Minerals начала промышленную разработку гидротермального меднорудного месторождения Solwara 1, расположенного на вершине потухшего подводного вулкана в 30 км от побережья острова Новая Ирландия.
Nautilus обладала технологией и уникальным оборудованием для глубоководных горных работ. Водно-шламовая схема добычи руды, адаптированная инженерами Nautilus под условия Solwara 1, состояла из трех базовых элементов: подводной карьерной техники с дистанционным управлением, вертикальной системы подъема шлама и вспомогательного судна. Ключевой элемент технологии — первое в мире специализированное судно для глубоководных горных работ. На этой плавучей шахте можно было осуществить полный технологический цикл месторождения: доставку оборудования в точку погружения; спуск, подъем и обслуживание машин; подъем, осушение и складирование шлама.
Вся подводная техника для Nautilus была разработана британской компанией SMD. В частности планировалось создание сложного многооперационного комбайна, способного месяцами работать в агрессивной среде при нулевой температуре и колоссальном давлении. Но после консультаций с экспертами было решено сделать по одному специализированному гусеничному роботу для каждой из трех базовых операций — выравнивания рабочего уступа, вскрытия породы и подъема шлама на-гора. На суше испытания машин общей стоимостью $100 млн прошли в ноябре 2015-го, после чего состоялась серия тестов на мелководье.
Первая тонна породы с вулканического плато Solwara был добыта весной 2018 года. И хотя проект столкнулся с рядом финансовых и политических трудностей, с технологической точки зрения он был прорывным.
Безусловно, кто-то из нынешнего поколения студентов Уральского государственного горного университета в будущем неизбежно столкнется с проблемой глубоководной добычи твердых полезных ископаемых. Поэтому этой теме на кафедре горных машин и комплексов УГГУ (ГМК) уделяется особое внимание. В 2022 году разработка подводного добычного комплекса даже стала темой Всероссийской олимпиады по проектированию гидропривода. Задание составил выпускник кафедры ГМК и председатель жюри олимпиады Роман Ковязин.
Юлия Лагунова, профессор кафедры горных машин и комплексов УГГУ,
доктор технических наук.
