Глубоководный карьер по добыче алмазов

Давайте посмотрим, как это будет добываться в будущем ...

Ближе к внешнему краю шельфа во многих частях Мирового океана обнаружены конкреции, содержащие большое количество фосфора. Их запасы еще окончательно не разведаны и не подсчитаны, но, по некоторым данным, они достаточно велики. Так, у берегов Калифорнии имеется месторождение около 60 миллионов тонн. Хотя содержание фосфора в конкрециях всего 20—30 процентов, добыча его с морского дна экономически вполне выгодна. Обнаружены фосфаты и на вершинах некоторых подводных гор в Тихом океане. Главная цель добычи этого минерала из моря — производство удобрений; но, кроме того, он используется и в химической промышленности. В качестве примесей фосфаты несут в себе также ряд редких металлов, в частности цирконий.

На отдельных участках шельфа морское дно покрыто зеленым «песком» — водной окисью силикатов железа и калия, известной в минералогии под названием глауконита. Этот ценный материал находит применение в химической промышленности, где из него получают поташ и калийные удобрения. В небольших количествах глауконит содержит также рубидий, литий и бор.

Глубоководный карьер Solwara 1
Площадь участка Solwara 1, расположенного на вершине потухшего
подводного вулкана, по земным меркам невелика — всего 0,112 км2,
или 15 футбольных полей. Но на дне Мирового океана подобных
месторождений обнаружено уже несколько тысяч.

Иногда океан преподносит исследователю совершенно удивительные сюрпризы. Так, неподалеку от Шри Ланки на глубине тысячи метров были обнаружены скопления баритовых конкреций, на три четверти состоящих из сульфита бария. Несмотря на большую глубину, разработка месторождения сулит значительные выгоды, так как в этом ценном сырье постоянно испытывают нужду химическая и пищевая промышленность. Сульфит бария добавляют в качестве утяжелителя к глинистым растворам при бурении нефтяных скважин.

В 1873 году во время кругосветной английской экспедиции на «Челленджере» впервые со дна океана были подняты странные темные «камешки». Химический анализ этих конкреций показал высокое содержание в них железа и марганца. В настоящее время известно, что ими покрыты значительные пространства океанского дна на глубине от 500 метров до 5—6 километров, но наибольшие их скопления сосредоточены все же глубже двух-трех километров. Железомарганцевые конкреции имеют округлую, лепешковидную или неправильную форму при средней величине 3—12 сантиметров. Во многих районах океана дно сплошь покрыто ими и напоминает по виду булыжную мостовую. Кроме двух указанных металлов, конкреции содержат никель, кобальт, медь, молибден, то есть представляют собой многокомпонентные руды.

По последним подсчетам, мировой запас железо-марганцевых конкреций составляет 1500 миллиардов тонн, что намного превосходит запасы всех ныне разрабатываемых рудников. Особенно велики залежи железомарганцевой руды в Тихом океане, где дно местами устлано конкрециями сплошным ковром и в несколько слоев. Таким образом, в смысле обеспечения железом и другими металлами человечество имеет весьма благоприятные перспективы; остается лишь наладить добычу.

Впервые начала это осуществлять в 1963 году одна американская фирма, ранее специализировавшаяся в области судостроения. Имея в своем распоряжении хорошую производственную базу, кораблестроители создали устройство, предназначенное для сбора конкреций на относительно малых глубинах, и испытали его у берегов Флориды. Техническая сторона предприятия вполне удовлетворила конструкторов — они добились получения конкреций в промышленном масштабе с глубины 500—800 метров, но экономически дело оказалось невыгодным. И вовсе не потому, что добыча руды обходилась слишком дорого. Беда заключалась в другом — оказалось, что мелководные атлантические конкреции содержат гораздо меньше железа, чем в аналогичных месторождениях на глубинах Тихого океана.

Остроумный способ, позволяющий поднимать с океанского дна конкреции без больших затрат, предложили японцы. В их конструкции нет ни коллекторов, ни труб, ни мощных насосов. Конкреции подбираются со дна моря проволочными корзинами, похожими на те, что используют в универсамах, но, конечно, более прочными. Серии таких корзин укреплены на длинном тросе, имеющем вид гигантской петли, верхняя часть которой находится на судне, а нижняя касается дна. С помощью барабана судовой лебедки трос непрерывно движется вверх в носовой части судна и сбегает в море за его кормой. Прикрепленные к нему корзины подцепляют со дна конкреции, выносят их на поверхность и вываливают в трюм, после чего опускаются за новой порцией руды. Система дала хорошие результаты на глубине до 1400 метров, но она вполне пригодна и для работы на глубине 6 километров.

В умах изобретателей родилась и еще одна на первый взгляд совершенно фантастическая конструкция, которая уже существует на чертежах, но пока еще не воплощена в жизнь. Обычно конкреции лежат на более или менее ровном и достаточно твердом грунте, позволяющем пустить по нему скрепер на гусеничном ходу. Наполнив балластные емкости забортной водой, скрепер погружается на дно и ползает по нему на гусеницах, сгребая конкреции широким ножом в объемистый бункер. Энергия для работы подается по кабелю с судна, оттуда же осуществляется управление, причем оператор руководствуется системой подводного телевидения. По заполнении бункеров из балластных цистерн удаляют воду, и скрепер поднимается к поверхности. При современных технических возможностях построить такую машину вполне реально. Здесь еще раз уместно подчеркнуть, что проектирование подводных промышленных предприятий будущего весьма далеко от создания пресловутых подводных городов.



К числу наиболее богатых морских месторождений, которые успешно разрабатывают в наши дни, относятся титаномагнетитовые пески у берегов Японии и оловоносные (касситеритовые) пески вблизи Малайзии и Индонезии. Подводные россыпи оловянной руды представляют собой шельфовое продолжение крупнейшего в мире наземного оловоносного пояса, протянувшегося от Индонезии до Таиланда. Большая часть разведанных запасов этого олова сосредоточена в береговых долинах и на их подводном продолжении. Более тяжелые продуктивные пески, содержащие от 200 до 600 граммов олова на кубометр породы, концентрируются в понижениях местности. Как показали результаты бурения в море, их толщина местами достигает 20 метров.

Далеко за Полярным кругом, на 72-м градусе северной широты, на Ванькиной губе моря Лаптевых, недавно введено в действие первое в нашей стране плавучее предприятие по добыче олова. Оловоносный грунт с глубины до 100 метров извлекается земснарядом, способным вести добычу не только на чистой воде, но и подо льдом. Первичная переработка породы производится плавающей обогатительной фабрикой, размещенной на одном из судов флотилии. Заполярный комбинат может работать круглогодично.

Разработка подводных россыпей дает значительное количество алмазов, янтаря и драгоценных металлов — золота и платины. Подобно оловянным рудам, эти россыпи служат продолжением наземных и потому не уходят далеко под воду.

Единственное месторождение платины в США находится на северо-западном побережье Аляски. Оно было обнаружено в 1926 году и уже на следующий год начало эксплуатироваться. Старатели, продвигаясь вдоль мелких речек, подошли вплотную к побережью, а с 1937 года работы начались уже непосредственно в заливе. Глубина, с которой извлекают породу, несущую крупицы платины, постоянно увеличивается.

Мировой известностью пользуются морские россыпи Австралии и Тасмании, протянувшиеся более чем на тысячу километров. Здесь добывают платину, золото и некоторые редкоземельные металлы.

В ряде случаев морские россыпи характеризуются гораздо более высоким содержанием ценных минералов, чем аналогичные месторождения на суше. Волны постоянно взмучивают и перемешивают породу, а течение уносит более легкие частицы, в результате чего море работает как природная обогатительная фабрика. У берегов Южной Индии и Шри Ланки протянулись мощные ильменитовые и моноцитовые пески, содержащие железотитановую руду и фосфаты редкозе- мельных элементов цезия и лантана. Многокилометровая полоса обогащенных песков прослеживается в море на расстоянии до полутора километров от берега. Мощность ее продуктивного слоя местами достигает 8 метров, причем содержание тяжелых минералов иногда доходит до 95 процентов.

Одно из крупнейших месторождений алмазов, как известно, находится в ЮАР. В 1866 году маленькая девочка из бедного голландского поселения, играя на берегу реки Оранжевой, нашла в песке сверкающий камешек. Игрушка понравилась заезжему господину, и мать девочки, мадам Джекобе, подарила гостю блестящую безделушку. Новый владелец показал курьезную находку одному из приятелей, и тот узнал в ней алмаз. Через некоторое время госпожа Джекобе была ошеломлена неожиданно свалившимся на нее богатством — она получила целых 250 фунтов стерлингов, ровно половину стоимости блестящего камушка, найденного ее дочкой.

Вскоре Южную Африку поразила «алмазная лихорадка». Теперь доходы от разработки алмазных копей составляют весьма заметную статью в бюджете ЮАР. Изыскания 1961 года показали, что алмазы встречаются в аллювиальных отложениях, состоящих из песка, гравия и валунов не только на суше, но и под водой на глубине до 50 метров. Первая же проба морского грунта весом 4,5 тонны содержала 5 алмазов общей стоимостью 450 долларов. В 1965 году из моря на этом участке, через сто лет после находки первого алмаза, было добыто почти 200 тысяч каратов алмазов.



50—60 миллионов лет назад север Европы был покрыт сплошными хвойными лесами. Здесь росли четыре вида сосны и один вид пихты, которые теперь уже не существуют. Из трещин в коре деревьев по мощным стволам стекала смола. Ее застывшие капли и комки во время половодья попадали в реки и выносились в море. В соленой воде на протяжении веков смола твердела, превращаясь в янтарь.

Самые мощные россыпи янтаря находятся на побережье Балтийского моря вблизи Калининграда. Красивые желтые «камни» скрыты от глаз в синеватых мелкозернистых глауконитовых песках морского происхождения, поверх которых образовались позднейшие напластования. Там, где янтароносный слой выходит к морю, прибой постоянно разрушает его, и тогда куски породы попадают в воду. Волны легко размывают песчано-глинистые комья и освобождают заключенный в них янтарь. Будучи лишь немного тяжелее воды, в спокойную погоду он падает на дно, но при самом слабом волнении приходит в движение.

Подобно любым другим легким предметам, янтарь рано или поздно выбрасывается волнами на пляж. Здесь его и находили древние жители Балтийского побережья. К янтарному берегу приплывали суда финикийцев и увозили отсюда огромное количество выменянного «электрона». Археологические находки позволяют проследить длинный путь, по которому янтарь и изделия из него, благодаря меновой торговле, доходили от Балтийского моря до Средиземного.

Ювелирная ценность янтаря сохранилась до наших дней. Для изделий отбирают самые лучшие, прозрачные и крупные куски, тогда как основная масса мелких янтарей используется в промышленности. Этот материал идет на изготовление высококачественных лаков и красок, используется как изолятор в радиопромышленности, из него готовят биостимуляторы и антисептические средства. Современный янтарный комбинат представляет собой механизированное предприятие, на котором породу промывают и обогащают, а извлеченный ценный материал сортируют и подвергают дальнейшей обработке. В 1980 году в Калининграде создан музей янтаря, в котором представлены изделия из этого материала и уникальные находки.

Часть месторождений полезных ископаемых скрыта в недрах морского дна. Их разработка по сравнению с россыпями технически более затруднена. В простейшем случае вскрытие рудного пласта производится с берега. С этой целью проходят вертикальный ствол нужной глубины, а затем в сторону моря прокладывают горизонтальные или наклоненные ходы, по которым и добираются до месторождения. Так можно поступать, когда место разработки находится недалеко от берега. Подобные шахты, забои которых расположены под морским дном, имеются в Австралии, Англии, Канаде, США, Франции и Японии. В них добываются главным образом каменный уголь и железная руда. Один из крупнейших рудников мира, разрабатывающий «морское железорудное месторождение», расположен на маленьком острове в проливе Белл-Айл. Отдельные его участки уходят далеко от берега, причем над забоями располагается 300-метровая толща породы и стометровый слой воды. Годовая продукция шахты — 3 миллиона тонн.

Подсчитано, что морское дно у берегов Японии хранит не менее 3 миллиардов тонн угля, ежегодно из этого запаса извлекают 400 тысяч тонн.

Если месторождение обнаруживают в удалении от берега, вскрывать его описанным способом экономически невыгодно. В этом случае насыпают искусственный остров и через его толщу проникают к полезным ископаемым. Такой остров был создан в Японии на расстоянии двух километров от берега. В 1954 году через него проложили вертикальный ствол шахты «Мики».

Опыт строительства подводных туннелей позволяет использовать их не только в качестве транспортных артерий, но и для того, чтобы подобраться по морскому дну поближе к запасам полезных ископаемых. Готовые железобетонные секции туннеля укладывают на дно и из последней секции начинают вести проходку шахты.

При значительном удалении от берега и на достаточной глубине придется обойтись без туннеля. В этом случае предполагается вертикально установить на дно железобетонную трубу большого диаметра и затем удалять грунт изнутри. По мере выработки труба под влиянием собственной тяжести несколько опустится. Извлеченный грунт никуда отвозить не нужно, его просто выбрасывают наружу, и он будет оседать вокруг трубы, создавая насыпь, препятствующую проникновению внутрь трубы морской воды. По окончании строительства по этой трубе в шахту будут опускаться горняки, а наверх подниматься руда или уголь.



Чтобы не поднимать добытую руду на поверхность океана, одна английская фирма разработала проект подводного атомного рудовоза. Хотя такое судно еще не построено, оно уже получило имя «Моби Дик» в честь легендарного белого кашалота, описанного в одноименном романе американского писателя Г. Мел-вилла. Подводный рудовоз сможет перевозить за рейс до 28 тысяч тонн руды со скоростью 25 узлов.

Разработка полезных ископаемых, скрытых в недрах морского дна, требует беспрерывного контроля за проникающей в шахту водой, которая легко может просочиться по трещинам. Опасность затопления усиливается в сейсмически активных районах. Так, на некоторых морских шахтах Японии замечено, что после каждого землетрясения приток воды увеличивается примерно в три раза. Больше внимания приходится обращать и на возможность обрушивания породы, поэтому в ряде морских шахт, особенно там, где забои отделены от воды небольшим слоем породы, приходится ограничивать выем, оставляя часть рудоносного слоя в качестве опор.

Большой практический опыт, накопленный в добыче нефти со дна моря, оказался полезным при разработках такого вполне твердого ископаемого, как сера, залежи которой также имеются в толще грунта на морском дне. Для извлечения серы бурят скважину, подобную нефтяной, и под большим давлением вводят в пласт перегретую смесь воды и пара. Под влиянием высокой температуры сера плавится, и тогда ее откачивают с помощью специальных насосов.

А вот какие планы уже активно реализуются

Весной 2018 года в море Бисмарка на глубине 1600 м компания Nautilus Minerals начнет промышленную разработку гидротермального меднорудного месторождения Solwara 1. Коммерческий успех этого проекта может запустить процесс массового «погружения» горнодобывающих компаний на океанское дно в погоне за колоссальными запасами полезных ископаемых.



Идея основательно порыться в «сундуке Дэйви Джонса», как британские моряки называют океанскую пучину, не нова. Первым, кому удалось запустить руку в закрома морского дьявола, был шотландский инженер Джордж Брюс, построивший в 1575 году посреди бухты Кулросс угольную шахту с водонепроницаемым копром и устьем кессонного типа. И хотя в 1625 году Дэйви Джонс вернул свое, наслав на Кулросс шторм невиданной силы, который за ночь разнес детище Брюса в щепки, технология быстро распространилась по Старому Свету. В XVII-XIX веках от Японии до Балтики по методу Брюса в море добывали уголь, олово, золото и янтарь.

Алмазы из песчаной каши

В конце XIX века, когда в арсенале горняков появились мощные паровые машины, на Аляске была разработана простая и гибкая «горизонтальная» схема подводной добычи золота при помощи плавучих грунтовых насосов, землечерпалок и барж-плашкоутов, на которые выгружали породу. Со временем за счет использования тяжелой спецтехники для подводных работ возможности горизонтальной добычи значительно расширились. Сегодня на морском мелководье подобным образом добывают все что угодно — от строительного гравия и железной руды до редкоземельного монацита и драгоценных камней.

К примеру, в Намибии компания De Beers уже более полувека успешно извлекает алмазы из песчаных отложений, которые в течение миллионов лет на берега Атлантики выносили воды реки Оранжевой. Поначалу добыча велась на глубинах до 35 м, но в 2006 году, после истощения легкодоступных залежей, инженерам De Beers пришлось заменить обычные земснаряды плавучими буровыми.



В 2015 году специально для освоения концессии Atlantic 1 (глубина 100−140 м) компания Marine & Mineral Projects построила для De Beers новый гусеничный «пылесос» с дистанционным управлением — 320-тонный электрогидравлический гигант, способный за час очистить от песка площадку размером в два футбольных поля. Короткий технологический цикл завершается на вспомогательном судне Mafuta, где драгоценный шлам непрерывно поступает на сортировочный конвейер. Каждые сутки с борта Mafuta на большую землю частный спецназ De Beers доставляет около 700 крупных алмазов высшего качества.



Впрочем, золото и алмазы — мелочи в сравнении с настоящими сокровищами, ждущими своего часа в глубоководных зонах океана. В 1970—1980-х в результате масштабных океанографических исследований выяснилось, что морское дно буквально усеяно гигантскими залежами полиметаллических руд. Причем из-за специфических условий рудообразования содержание металлов в них на порядок выше, чем в месторождениях на суше. Правда, поднять руду на сушу — задача не из легких.

Первой это попыталась сделать немецкая компания Preussag AG, которая в 1975—1982 годах по контракту с властями Саудовской Аравии производила разведку котловины Atlantis II Deep, обнаруженной в Красном море на глубине свыше 2 км десятью годами ранее. Разведочное бурение на площади около 60 км2 показало, что в плотном «ковре» минерализованного ила толщиной до 28 м содержится, в пересчете на чистый металл, около 1 830 000 т цинка, 402 000 т меди, 3432 т серебра и 26 т золота. В середине 1980-х в кооперации с французской компанией BRGM немцы разработали и успешно опробовали «вертикальную» схему глубоководной добычи, которая в общих чертах была скопирована с морских буровых платформ.

В ходе испытаний оборудования — всасывающего агрегата с гидромонитором, закрепленного на несущем трубопроводе высотой 2200 м, — на вспомогательное судно было поднято более 15 000 т сырья, качество которого превзошло ожидания металлургов. Но из-за резкого падения цен на металлы саудовцы отказались от проекта. В последующие годы идея многократно оживала и вновь ложилась под сукно. Наконец, в 2010 году было объявлено, что разработка Atlantis II Deep, одного из крупнейших в мире глубоководных медноцинковых месторождений, все-таки начнется. Когда это случится — неизвестно. В любом случае не раньше, чем в гости к Дэйви Джонсу отправятся нержавеющие роботы Nautilus Minerals.

Мытьем и катаньем

История проекта Solwara 1, лицензия на разработку которого принадлежит канадской компании Nautilus Minerals, не менее драматична. Это вполне заурядное по извлекаемым запасам месторождение (2,5 млн тонн халькопирита, содержащего 7,5% меди, 7,2 г/т золота и 37 г/т серебра, рыночной стоимостью $1,5 млрд) у берегов острова Новая Ирландия в течение пяти лет было предметом ожесточенного торга между правительством Папуа — Новой Гвинеи, экологами и предпринимателями. Причем стиль дискуссии зачастую напоминал банальное вымогательство. В итоге в 2014 году канадцы, потратившие десятки миллионов на разведочное бурение, капитулировали и согласились поделиться с бедной, но гордой республикой правами на технологию добычи.

Сделка удовлетворила обе стороны. Островитяне отныне могут рассчитывать на солидную ренту, а канадцы, получившие еще 17 лицензий на месторождения площадью 450 000 км2 в море Бисмарка, обеспечили себя работой на ближайшее десятилетие. Сегодня Nautilus, пожалуй, единственная компания в мире, обладающая детально проработанной технологией и уникальным оборудованием для глубоководных горных работ. Водно-шламовая схема добычи руды, адаптированная инженерами Nautilus под условия Solwara 1, состоит 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, строительство которого началось в апреле 2015 года на китайской верфи Fujian Mawei. Ожидается, что 227-метровый флагман Nautilus, оснащенный высокоточной системой позиционирования с семью туннельными трастерами и шестью азимутальными рулевыми колонками Rolls Royce общей мощностью 42 000 л.с., сойдет со стапелей в апреле 2018 года. На «плечах» этой плавучей шахты будет держаться, в прямом и переносном смысле, весь технологический цикл месторождения: доставка оборудования в точку погружения; спуск, подъем и обслуживание машин; подъем, осушение и складирование шлама.



Вся подводная техника для Nautilus была разработана британской компанией SMD. Планировалось создать сложный многооперационный комбайн, способный месяцами работать в агрессивной среде при нулевой температуре и колоссальном давлении. Но после консультаций с экспертами Sandvik и Caterpillar было решено сделать по одному специализированному гусеничному роботу для каждой из трех базовых операций — выравнивания рабочего уступа, вскрытия породы и подъема шлама на-гора. «Сухие» испытания стальных монстров общей стоимостью $100 млн прошли в ноябре 2015-го, а будущим летом им предстоит серия тестов на мелководье.

Партию первой скрипки в этом трио играет подготовительная врубовая машина Auxiliary Cutter, оснащенная сдвоенным фрезерным рыхлителем на длинной поворотной балке. Ее задача — сформировать ровную площадку для будущего карьера, срезав неровности рельефа. Для сохранения устойчивости на участках с сильным уклоном Auxiliary Cutter сможет использовать боковые гидроопоры. Следом будет двигаться главный «добытчик» Nautilus — тяжелая врубовая машина Bulk Cutter массой 310 т с огромным режущим барабаном. Функция Bulk Cutter — глубокое вскрытие, дробление и грейдерование породы в валы.



Самая сложная операция цикла — сбор и подача водно-шламовой массы в райзер-шламоподъемник — будет выполняться «пылесосом» Collecting Machine, который оборудован мощной помпой с режуще-всасывающим соплом и соединен с райзером гибким рукавом. Геометрия и мощность резания врубовых машин рассчитаны инженерами SMD так, чтобы на выходе получались скругленные куски породы около 5 см в диаметре. Это позволит добиться оптимальной консистенции шлама и снизить абразивный износ и риск образования пробок. По оценкам экспертов SMD, Collecting Machine сможет собирать от 70 до 80% объема вскрытой породы.

На судне шлам будет складироваться в трюмы, а затем перегружаться на балкеры. При этом «донную» шламовую воду по настоянию экологов придется фильтровать и вновь закачивать на глубину. В целом схема добычи Nautilus угрожает природе океана не больше, чем траловое рыболовство. Локальные глубоководные биосистемы, по наблюдению ученых, восстанавливаются уже через несколько лет после прекращения внешнего воздействия. Иное дело — техногенные аварии и пресловутый человеческий фактор. Но и здесь у Nautilus есть эффективное решение. Всеми процессами на Solwara 1 будет управлять система, которую разрабатывает голландская компания Tree C Technology.

Если все пойдет по плану, острые клыки врубовой машины вырвут первую тонну породы с поверхности древнего вулканического плато Solwara весной 2018 года. Хочется надеяться, что этот «маленький шаг» в бездну, на который отважился Nautilus, станет огромным шагом для всего человечества.