Как взрывное использование формирует будущее глубоководной добычи полезных ископаемых

Глубоководная добыча полезных ископаемых: потребность во взрывчатых веществах

Дно океана содержит обширные залежи минералов, критически важных для современных технологий — от лития и кобальта в батареях электромобилей до редкоземельных элементов, обнаруженных в смартфонах и ветряных турбинах. Глубоководная добыча полезных ископаемых нацелена на эти ресурсы, которые часто разбросаны по абиссальным равнинам, гидротермальным вентиляционным полям или сосредоточены в корках на подводных горах. Поскольку наземные месторождения становятся все труднее получить доступ и дороже извлекать, морское дно стало границей для приобретения ресурсов.

Механические методы, включая роботизированные резчики и дноуглубительные работы, были традиционным подходом для сбора полиметаллических конкреций или резки в массивные сульфиды морского дна. Однако эти инструменты сталкиваются с серьезными ограничениями на глубинах, превышающих 4000 метров, где давление воды может раздавить стальные корпуса и где твердость породы конкурирует с гранитом. Взрывчатые вещества предлагают мощную альтернативу: быстро преобразуя химическую энергию в механическую работу, они могут разрушать образования морского дна за секунды - работа, которая займет часы или дни для дистанционно управляемого транспортного средства с режущим барабаном.

Взрывчатые вещества также обеспечивают доступ к ресурсам, запертым внутри базальтовых корок или цементированных слоев осадка, которые механические резцы не могут эффективно проникать. Например, богатые кобальтом корки, образующиеся на склонах подводных гор, могут иметь толщину до 25 сантиметров и иметь прочность на сжатие от 80 до 100 мегапаскалей. Обычные режущие инструменты быстро тускнеют в этом материале; взрывчатка может дезагрегировать кору без прямого контакта между инструментом и породой. Эта глава глубоководной добычи все еще находится на ранних стадиях, но все чаще изучаются и тестируются взрывные методы.

Наука подводного взрыва

Взрывчатые вещества, взрывающиеся под водой, имеют физику, которая сильно отличается от взрыва на суше. Вода почти несжимаема, поэтому ударная волна от подводного взрыва распространяется с высокой скоростью и эффективностью. Эта характеристика может быть либо преимуществом, либо опасностью, в зависимости от того, как направлена энергия. Образованные заряды - взрывчатые вещества, образованные коническим лайнером - фокусируют энергию в струю, которая может проникать через стальные пластины или толстую скалу. Для глубоководной добычи, форменные заряды адаптируются для прорезания породы морского дна в отверстия размером с трубу, которые затем могут быть загружены тяжелой техникой.

Другим критическим фактором является газовый пузырь, который расширяется после детонации. На суше расширяющийся газ рассеивается в атмосферу; под водой пузырь колеблется несколько раз перед коллапсом, каждое колебание генерирует вторичный импульс давления. Эти импульсы могут нанести ущерб морской жизни, структурам или окружающему морскому дну. Для управления этим инженеры используют задерживаемые последовательности взрывов — запуск нескольких отверстий в определенном шаблоне с миллисекундными интервалами — для снижения пикового давления и более эффективного направления энергии в массу породы.

Сами взрывчатые вещества должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать высокое гидростатическое давление и оставаться стабильными в морской воде. Эмульсионные взрывчатые вещества — смесь нитрата аммония, мазута и сенсибилизаторов — являются наиболее распространенным выбором, поскольку они водостойкие и могут быть закачаны на место через шланги. Некоторые операции используют упакованные взрывчатые вещества, заключенные в водонепроницаемые оболочки. Исследователи также экспериментируют с низкоударными взрывчатыми веществами, которые производят меньше пузырьков и более низкие пиковые давления, в частности, для снижения воздействия на окружающую среду при сохранении эффективности фрагментации.

Отличия от наземного вспышки

Преимущества взрывной экстракции

При правильном развертывании взрывчатые вещества могут превосходить механические инструменты по нескольким показателям, которые имеют значение для экономики глубоководной добычи полезных ископаемых.

Эффективность

Один взрыв может разрушить сотни кубических метров породы. В испытаниях, проведенных Международным управлением морского дна (ISA) исследовательские программы, один 50-килограммовый заряд, встроенный в массивное сульфидное месторождение морского дна, смог ослабить достаточно материала, чтобы заполнить всю головку добычи в одном извлечении. Напротив, режущий инструмент должен пройти всю площадь поверхности месторождения, делая дополнительные проходы. Экономия времени непосредственно позволяет больше добычи в день, что имеет решающее значение для покрытия высоких эксплуатационных расходов глубоководных операций (например, топливо для судна, экипаж, техническое обслуживание ROV).

Эффективность затрат

Взрывчатые вещества стоят недорого на единицу энергии. Килограмм типичной эмульсионной взрывчатки стоит примерно 2-4 доллара США, тогда как потребление энергии для электрического катера, работающего на глубине, может превышать 50 долларов США за кубический метр при учете поддержки ROV. Взрыв уменьшает потребность в тяжелых механических системах, которые дорого строить и поддерживать в морской среде. Исследование, проведенное в журнале морских исследований , показало, что применение контролируемой взрывчатки на полиметаллических конкреционных полях может снизить затраты на добычу на 30-40% по сравнению с чисто механическими методами.

Доступ к глубоким депозитам

Механические резчики имеют практические пределы глубины: гидравлические системы, которые питают их, деградируют под экстремальным давлением, а дистанционные манипуляции становятся вялыми. Взрывчатые вещества пассивны — им требуется только система доставки, способная выдерживать глубину. Для доработки нефти и газа на глубине 6000 метров были использованы шарообразные заряды, доказывающие, что взрывчатые вещества могут функционировать там, где борется робототехника. Для самых глубоких перспективных месторождений, таких как те, что находятся в Марианской впадине или Зоне Кларион-Клиппертон, взрывчатые вещества могут быть единственной современной технологией, способной экономически нарушить кору морского дна.

Уменьшение нарушений на морском дне в определенных контекстах

Контраинтуитивно, хорошо продуманный паттерн взрыва может вызвать меньшее физическое разрушение, чем механическая резка головы, которая вырезает широкие борозды. Взрывчатые вещества могут быть помещены в дискретные кадры, оставляя окружающие осадочные породы нетронутыми. Для бентических организмов, которые живут в верхних нескольких сантиметрах осадка, небольшой взрыв может повлиять на меньшую площадь, чем непрерывная выскабливание драг. Однако это преимущество в значительной степени зависит от конструкции взрыва и типа осадка — грубые песчаные пляжи передают удар дальше, тогда как мелкая глина поглощает его.

Экологические проблемы и смягчение

Наиболее существенным препятствием для применения взрывчатых веществ в глубоководной добыче является потенциальный экологический ущерб. Океан представляет собой связанную трехмерную среду; последствия взрыва пульсируют через водную колонну и через морское дно.

Ударная волна и шумовое воздействие

Подводные взрывы порождают волну давления, которая может убить или повредить морских животных в пределах существенного радиуса. Рыбы с плавательным пузырем особенно уязвимы: быстрое изменение давления может разорвать их внутренние органы. Морские млекопитающие, которые полагаются на эхолокацию, могут страдать временной или постоянной потерей слуха. Исследования сейсмических аэродинамических исследований, которые производят невзрывные звуковые импульсы, показывают, что поведенческие нарушения происходят в километрах от источника. Взрывы значительно громче и могут достигать пиковых уровней звукового давления выше 270 дБ re 1 мкПа. Методы смягчения включают:

  • Пузырьковые занавески:] Кольцо пузырьков воздуха, выпущенное вокруг места взрыва, ослабляет ударную волну, отражая и поглощая акустическую энергию.Полевые испытания Норвежского института водных исследований (NIVA) показали, что пузырьковые занавески могут снизить пиковое давление ударной волны на 80-95%.
  • Последовательная стрельба: Задержка взрыва уменьшает общее мгновенное высвобождение энергии, снижая пиковое давление в любой момент.
  • Зоны отчуждения: Мониторинг гидролокатора обнаруживает морских млекопитающих, приближающихся к зоне взрыва; стрельба задерживается до их ухода, следуя протоколам, аналогичным тем, которые используются для утилизации морских взрывоопасных боеприпасов.

Осадочные сливы и опасности частиц

Взрывы возбуждают осадок морского дна, создавая шлейфы, которые могут перемещаться на километры с током дна. Подвесные частицы заглушают фильтрующие организмы и уменьшают проникновение света, если они достигают фотической зоны. Состав шлейфа имеет значение: мелкие глиняные частицы остаются подвешенными в течение нескольких дней, в то время как более грубый песок оседает быстро. Исследователи из Национального океанографического центра в Саутгемптоне смоделировали рассеивание шлейфа от глубоководных горных работ и обнаружили, что тщательное распределение времени с низким приливом и выбор места может ограничить пораженный район.

Токсичность материала взрыва

Обычные взрывчатые вещества оставляют остатки тяжелых металлов, соединений аммония и нитратов. В первозданной абиссальной среде эти химические вещества могут достигать концентраций, токсичных для бентосного срока службы. Разработка экологически чистых взрывчатых составов является приоритетом. Например, взрывчатые вещества на основе перекиси и реактивные металлические смеси (например, реакции алюминия и воды) производят только кислород и оксиды металлов в качестве побочных продуктов, без растворимых соединений азота. Такие «зеленые» взрывчатые вещества еще не коммерчески доступны в масштабе, но пилотные исследования, финансируемые программой Европейского комитета Horizon , тестируют прототипы материалов в резервуарах под давлением.

Долгосрочное восстановление экосистем

Поскольку глубоководные экосистемы растут медленно — одной губке может быть много веков — восстановление после одного взрыва может занять десятилетия или более. Для МСА требуются оценки воздействия на окружающую среду, которые включают базовые обследования, мониторинг восстановления и планы восстановления. Однако базовые данные для многих контрактных районов по-прежнему скудны. Адаптивные рамки управления, где взрывоопасность ограничена, если мониторинг показывает неприемлемое воздействие, предлагаются экологическими НПО и некоторыми горнодобывающими компаниями.

Регуляторный ландшафт

До сих пор не начата коммерческая глубоководная добыча, но контракты на разведку охватывают 1,3 миллиона квадратных километров морского дна в соответствии с ISA. Горный кодекс ISA — все еще дорабатывается — будет регулировать использование взрывчатых веществ. Проект правил требует от операторов продемонстрировать, что взрыв является единственным возможным методом, использовать наименьший возможный вес заряда и осуществлять наилучшие доступные меры по смягчению последствий (включая шумовые барьеры и мониторинг в режиме реального времени).

Национальное законодательство различается. Норвегия разрабатывает закон о добыче на морском дне, который прямо рассматривает взрывчатые вещества, с требованием независимого пересмотра методов взрывоопасных работ. Острова Кука, на которых расположены обширные конкреционные поля, призвали к мораторию на добычу до тех пор, пока не будут доказаны экологические гарантии. В ответ некоторые подрядчики по добыче добровольно обязуются не использовать взрывчатые вещества на первом этапе экспериментальных испытаний, вместо этого сосредоточив внимание на механическом сборе.

Международное давление также растет. На Глобальном саммите Организации Объединенных Наций по защите океана была подчеркнута необходимость осторожного подхода к любой новой технике эксплуатации. Экологические группы утверждают, что глубоководная добыча не должна продолжаться до тех пор, пока не будут поняты все последствия взрывчатых веществ в долгосрочной перспективе. Промышленность противодействует тому, что тщательно контролируемая взрывная деятельность может быть частью стратегии добычи с низким воздействием.

Технологические инновации, формирующие будущее

Достижения в области цифрового управления, зондирования и материаловедения превращают взрывное использование из тупого инструмента в точный метод, основанный на данных.

Точные системы детонации

Микросекундные точные детонаторы позволяют инженерам формировать структуру фрагментации. Вместо одного большого взрыва серия небольших зарядов может разрезать контур конструкции вокруг минерального стручка, оставляя окружающую породу нетронутой. Акустические датчики в реальном времени измеряют эффективность каждого выстрела и подают обратно в последовательность. Такие компании, как Orica, Inc. адаптируют свои наземные системы электронного взрыва для подводного использования с плотными корпусами и титановыми разъемами, которые переносят глубину до 6000 метров.

3D картирование морского дна и размещение

Перед любым выстрелом зона цели отображается с помощью многолучевого гидролокатора и субботнего профилирования. Эти наборы данных интегрированы в 3D-модель массы породы. Взрывные заряды размещаются на конкретных глубинах и ориентациях на основе прогнозов модели о том, как будет распространяться взрыв. Это минимизирует общую необходимую взрывную массу и уменьшает отходы. Автономные подводные аппараты (AUV) могут нести зарядные пакеты и пристыковываться к удерживающим приспособлениям на морском дне, устраняя необходимость в привязке с поверхности - экономя время и снижая риск запутывания.

Мониторинг окружающей среды в реальном времени

Массив гидрофонов, датчиков давления и пробоотборников воды, развернутых вокруг места взрыва, обеспечивает немедленные данные о фактическом воздействии. Если ударная волна превышает заданный порог, или если концентрация осадка поднимается выше безопасного предела, операции могут быть приостановлены или скорректирована схема взрыва. Этот контроль замкнутого цикла необходим для доказательства того, что взрыв может быть проведен в пределах нормативных ограничений.

Зеленые взрывчатые вещества и новые источники энергии

Помимо изменений в формулировках, появляются альтернативные подходы к разрыву пласта. Технология электрических импульсов — отправка высоковольтных импульсов через воду для создания плазменного канала, который разрушает породу — тестируется в качестве невзрывной альтернативы. Однако она требует массивных генераторов поверхностной энергии и в настоящее время ограничена небольшими объемами. Другое направление — использование реактивных металлических порошков, которые сжигают под водой для производства газа без удара; эти «безгазовые» системы генерируют только медленный толчок, а не ударную волну, потенциально снижая шум окружающей среды до уровня, близкого к фоновому.

Дорога впереди: балансирование прибыли и планеты

Взрывное использование в глубоководной добыче находится на перепутье. С одной стороны, метод предлагает путь к разблокированию минеральных ресурсов, которые необходимы для перехода на зеленую энергию - батареи, магниты и электроника полагаются на материалы, которые сосредоточены в глубоком океане. С другой стороны, экологические риски высоки, а общественная терпимость к необратимому ущербу нетронутым местам обитания низка.

Наиболее многообещающий путь вперед включает в себя тщательное тестирование в реальных условиях. Первые контракты на эксплуатацию, которые, как ожидается, будут выпущены в течение следующих нескольких лет, почти наверняка будут включать поэтапный подход: первоначальный механизированный сбор урожая, за которым последуют небольшие испытания на взрывоопасных конкрециях, и только затем разрешение на полноценные взрывные операции. Каждый этап потребует прозрачного обмена данными и независимого экологического обзора.

Промышленность, регулирующие органы и ученые должны работать вместе, чтобы разработать стандарты, которые являются как практическими, так и защитными. Это означает инвестиции в экологически чистые взрывчатые вещества, улучшение нашей способности прогнозировать и смягчать акустические воздействия и создание систем мониторинга, которые могут обнаруживать вред до того, как он станет необратимым. Если эти части выровняются, взрывчатые вещества могут стать ответственным инструментом в арсенале глубоководных горнодобывающих инструментов - не решение с применением грубой силы, а точно разработанный метод, который сосуществует с хрупкими экосистемами морского дна.

Пока что промышленность работает с осторожностью. Будущее использования взрывчатых веществ в глубоководной добыче будет определяться не только тем, что могут сделать технологии, но и тем, что общество готово принять. При правильном балансе инноваций и управления взрывчатые вещества могут помочь удовлетворить мировые потребности в минералах, не жертвуя здоровьем наших океанов.