CN100523434C - 分散式深海局部试采矿系统 - Google Patents

Abstract

一种水下工程技术领域的分散式深海局部试采矿系统。本发明包括：水面母船、采矿潜水器和提升系统，提升系统由多个提升潜水器组成，提升潜水器为无人无缆潜水器，采矿潜水器为无人有缆潜水器，通过脐带缆和母船相连，脐带缆中有电力和信息传送通道，提升潜水器、采矿潜水器和水面母船通过水声通信和定位，作业时，采矿潜水器在海底运动采矿，提升潜水器穿梭于采矿潜水器和母船之间输送采集的矿样，满载的提升潜水器由采矿潜水器处被引导向母船运动，空载的提升潜水器由母船处被引导向采矿潜水器附近运动。本发明灵活、成本低、实用性强，可有效支持深海多金属结核、富钴结壳和金属硫化物矿床等多种深海矿产资源的局部试开采。

Description

分散式深海局部试采矿系统

技术领域

本发明涉及的是一种水下工程技术领域的系统，特别是一种分散式深海局部试采矿系统。

背景技术

深海采矿面临复杂的技术问题和经济核算问题。一种建议的深海采矿方案是基于穿梭式采矿机的采矿系统，由水面母船和多个穿梭式采矿机组成。穿梭式采矿机要同时执行采矿和输矿任务，其技术需求面临较大的冲突，作业效率较低。目前，较为流行的深海采矿系统方案都由三个分工明确的部分组成，即母船(或平台)、采矿机和管道提升系统。采矿机可以是在近海底水体中浮游的、海底爬行的，也可以是海底拖曳的，管道提升系统的主体是连接水面和海底的管道，母船和管道提升系统相连。这种系统的特点是通过一根很粗的连接水面和海底的管道将采矿机采集的矿样输送至水面母船或平台，因此需要功率很大的提升装置，水面母船也必须是针对提升系统专门设计的。这种方案只适用于对充分评估过的矿区进行规模开采，开采的前期投入非常大，系统缺乏灵活性。在进行规模开采前，通常需对矿区进行局部试开采。试开采的目的是采用常规的装备和较小的前期投入，在必要时快速获取相当数量的矿样，以对开采技术、矿区丰度以及环境影响等进行详细评估，或满足科研、冶炼技术评估等特种需求。对于这种需求，现存的各种方案都不能给出满意的解决途径。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利号为：96117149.9，名称为：深海集散式采矿系统，该发明自述为：一种深海集散式采矿系统，包括采矿机、输送管、水上船只/水上平台，输送管的上端与水上船只/水上平台相连，下端设有中转舱伸入水中距洋底一定高度，采矿机与输送管间为分体式，采矿机自带动力和行驶装置、浮力调节装置，悬浮于洋底表面按各自预定的路径行驶采矿。这种系统具有管道式输送装置，要求大功率的输送装置和专用的母船，先期投入高，采矿机同时担负向中转舱输送矿样的任务，输送和开采需求难以同时兼顾，采矿机采用无缆形式，海底持续工作时间短，对复杂环境的适应能力差，采矿机水中悬浮工作，不能用于如热液矿床等的开采。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的不足，提供一种分散式深海局部试采矿系统，使其适用于深海多金属结核、富钴结壳和金属硫化物矿床等深海矿产资源的开采，具有成本低和机动性高的特点。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：水面母船、采矿潜水器和提升系统，提升系统由多个提升潜水器组成，提升潜水器为无人无缆潜水器，采矿潜水器为无人有缆潜水器，通过脐带缆和母船相连，脐带缆中有电力和信息传送通道，提升潜水器、采矿潜水器和水面母船通过水声通信和定位。

采矿潜水器包括：第一主结构、浮力材料块、电控仪器单元、电液动力单元、采矿装置、水平推进装置、垂直推进装置、履带爬行装置、声通讯引导装置、辅助机械手、输矿装置、吸矿管、送矿软管、牵引机构和送矿管连接器，第一主结构为框架式，透水，第一主结构上部设置浮力材料块，下部设置履带爬行装置，采矿装置根据实际情况安装在第一主结构的首部或侧面，辅助机械手在第一主结构的尾部，声通讯引导装置在第一主结构的顶部，牵引机构为一六自由度空间连杆机构，其前端连杆固连在第一主结构的尾部，后端连杆上有勺形卡槽，挂在第一主结构的尾部，输矿装置的前端通过吸矿管连接采矿装置，后端通过送矿软管连接送矿管连接器，送矿软管和送矿管连接器内腔相通，送矿管连接器挂在第一主结构的尾部，电控仪器单元、电液动力单元、水平推进装置、垂直推进装置、输矿装置、吸矿管和送矿软管设置在第一主结构的内部适当位置。

提升潜水器包括：第二主结构、浮力材料块、电控仪器单元、电池、储矿容器、水平推进装置、浮力调节装置、声通讯引导装置、滑撬、牵引桩、受矿头和接地压力传感器，第二主结构具有流线形整流罩，透水，滑撬在第二主结构的下方，也具有流线外形，接地压力传感器连接于滑撬上，牵引桩在第二主结构的外面首部，其大小与牵引机构后端连杆上的勺形卡槽相配合，声通讯引导装置在第二主结构的顶部，水平推进装置在第二主结构的尾部两侧，浮力材料块、电控仪器单元、电池、储矿容器、浮力调节装置和受矿头设置在第二主结构的内部适当位置，储矿容器为透水容器，前部开口，连接受矿头，受矿头的内腔和储矿容器的内腔相通。

送矿管连接器和受矿头构成一对连接装置，送矿管连接器由主筒体、卡抓、收放液缸和转轴组成，主筒体的出口端沿截面均匀布置卡抓，卡抓通过转轴与主筒体连接，具有压紧和松开的自由度，收放液缸和卡抓连接，收放液缸伸出时，带动卡抓松开，转轴上还有压紧弹簧将卡抓向主筒体方向压紧，受矿头入口端与主筒体出口端相配合，送矿管连接器和受矿头连接时，主筒体和受矿头的相对端面密合，卡抓在压紧弹簧作用下收紧，形成由采矿装置，经吸矿管、输矿装置、送矿软管、送矿管连接器、受矿头，直至储矿容器的矿样输送通道。反之，收放液缸伸出时卡抓松开，送矿管连接器和受矿头分离。

试采矿时，采矿潜水器根据矿区特点，采用浮游方式或履带爬行方式在海底运动采矿，提升潜水器通过调节浮力调节装置在海面与海底之间穿梭，并且始终有至少1个提升潜水器在海底储矿。空载的提升潜水器被调节为负浮力状态，由海面向海底下降，并被引导至采矿潜水器附近，采矿潜水器在采矿一定数量后，将矿样转移至附近的提升潜水器的储矿容器中，提升潜水器在储矿容器满载后，调节浮力调节装置至正浮力状态，向海面上升，同时被引导至母船附近，母船回收该提升潜水器，卸下矿样后再将其下放。

当采矿潜水器采用海底爬行运动方式采矿时，为了提高效率，可以采用牵引的方式作业。采矿潜水器首先引导空载的无缆提升潜水器下降至其后方，采矿潜水器接近该提升潜水器，在辅助机械手的帮助下，使牵引机构和牵引桩连接，使送矿管连接器和受矿头连接，采矿潜水器拖动提升潜水器在海底一起运动，并将采集的矿样直接输送至提升潜水器的储矿容器中。采矿潜水器牵引提升潜水器在海底爬行作业时，提升潜水器根据接地压力传感器信号调节浮力调节装置，保证采矿过程中接地压力维持在一定的范围。当该提升潜水器满载时，在辅助机械手的帮助下，牵引机构与牵引桩分离，送矿管连接器和受矿头分离，提升潜水器与采矿潜水器分离，提升潜水器并调节浮力调节装置至正浮力，升向水面，采矿潜水器对接另一个空载的提升潜水器继续作业。

本发明具有实质性特点和显著进步。本发明将采矿和输送任务分别由有缆采矿潜水器和无缆提升潜水器执行，采矿潜水器水下时间都用于采矿，可连续高效工作，并且不需大的负载能力，功率主要用于采矿，系统紧凑，作业效率高，提升潜水器穿梭于母船和采矿潜水器之间，间歇性工作，不需大的功率和长时间连续作业能力，其容积主要用于矿样储存，可以提供大的矿样提升能力，并且系统简单，成本低。此外，本发明消除了连通水面水下的输送管道，作业支持母船可以采用常规的海工作业船，整个系统更为有效、灵活，且成本低，实用性强，可有效支持深海多金属结核、富钴结壳和金属硫化物矿床等多种深海矿产资源的局部试开采。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中的采矿潜水器结构示意图；

图3是本发明实施例中的提升潜水器正视图；

图4是本发明实施例中的提升潜水器前视图；

图5是送矿管连接器和受矿头连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：水面母船1、采矿潜水器2和提升系统，提升系统由多个提升潜水器3组成，提升潜水器3为无人无缆潜水器，采矿潜水器2为无人有缆潜水器，通过脐带缆4和母船1相连，脐带缆4中有电力和信息传送通道，提升潜水器3、采矿潜水器2和水面母船1通过水声通信和定位。作业时，采矿潜水器2在海底运动采矿，提升潜水器3穿梭于采矿潜水器2和母船1之间输送采集的矿样，满载的提升潜水器3由采矿潜水器2处被引导向母船1运动，空载的提升潜水器3由母船1处被引导向采矿潜水器2附近运动。

作业时，采矿潜水器2的尾部与一个提升潜水器3的首部对接，拖动提升潜水器3在海底一起运动，并将采集的矿样直接输送至提升潜水器3中。

如图2所示，采矿潜水器2包括：第一主结构5、浮力材料块6、电控仪器单元7、电液动力单元8、采矿装置9、水平推进装置10、垂直推进装置11、履带爬行装置12、声通讯引导装置13、辅助机械手14、输矿装置15、吸矿管16、送矿软管17、牵引机构18和送矿管连接器19，第一主结构5为框架式，透水，第一主结构5上部设置浮力材料块6，下部设置履带爬行装置12，采矿装置9根据实际情矿安装在第一主结构5的首部或侧面，辅助机械手14在第一主结构5的尾部，声通讯引导装置13在第一主结构5的顶部，牵引机构18为一六自由度空间连杆机构，其前端连杆固连在第一主结构5的尾部，后端连杆上有勺形卡槽，挂在第一主结构5的尾部，输矿装置15的前端通过吸矿管16连接采矿装置9，后端通过送矿软管17连接送矿管连接器19，送矿软管17和送矿管连接器19内腔相通，送矿管连接器19挂在第一主结构5的尾部，电控仪器单元7、电液动力单元8、水平推进装置10、垂直推进装置11、输矿装置15、吸矿管16和送矿软管17设置在第一主结构5的内部适当位置。

如图3和4所示，提升潜水器3包括：第二主结构20、浮力材料块21、电控仪器单元22、电池23、储矿容器24、水平推进装置25、浮力调节装置26、声通讯引导装置27、滑撬28、牵引桩29、受矿头30和接地压力传感器31，第二主结构20具有流线形整流罩，透水，滑撬28在第二主结构20的下方，也具有流线外形，接地压力传感器31连接于滑撬28上，牵引桩29在第二主结构20的外面首部，其大小与牵引机构18后端连杆上的勺形卡槽相配合，声通讯引导装置27在第二主结构20的顶部，水平推进装置25在第二主结构20的尾部两侧，浮力材料块21、电控仪器单元22、电池23、储矿容器24、浮力调节装置26和受矿头30设在第二主结构20的内部适当位置，储矿容器24为透水容器，前部开口，连接受矿头30，受矿头30的内腔和储矿容器24的内腔相通。

如图5所示，送矿管连接器19和受矿头30构成一对连接装置，送矿管连接器19由主筒体32、卡抓33、收放液缸34和转轴35组成，主筒体32的出口端沿截面均匀布置卡抓33，卡抓33通过转轴35与主筒体32连接，具有压紧和松开的自由度，收放液缸34和卡抓33连接，收放液缸34伸出时，带动卡抓33松开，转轴35上还有压紧弹簧36将卡抓33向主筒体32方向压紧。

当采矿潜水器2独立工作时，送矿管连接器19挂在采矿潜水器2的第一主结构5的尾部，当采矿潜水器2与提升潜水器3对接时，送矿管连接器19和受矿头30连接，主筒体32和受矿头30的相对端面密合，卡抓33在压紧弹簧36作用下收紧，形成由采矿装置9，经吸矿管16、输矿装置15、送矿软管17、送矿管连接器19、受矿头30，直至储矿容器24的矿样输送通道，反之，收放液缸34伸出时卡抓33松开，送矿管连接器19和受矿头30分离。

如图1、2、3、4、5所示，当采矿潜水器2在海底爬行采矿时，在辅助机械手14的帮助下，牵引机构18和牵引桩29连接，送矿管连接器19和受矿头30连接，采矿潜水器2拖动提升潜水器3在海底一起运动，并将采集的矿样直接输送至提升潜水器3的储矿容器24中。采矿潜水器2牵引提升潜水器3在海底爬行作业时，提升潜水器3根据接地压力传感器31的数据调节浮力调节装置26，保证采矿过程中接地压力维持在一定的范围。

Claims (9)

1、一种分散式深海局部试采矿系统，包括：水面母船(1)、采矿潜水器(2)和提升系统，其特征在于：提升系统由多个提升潜水器(3)组成，提升潜水器(3)为无人无缆潜水器，采矿潜水器(2)为无人有缆潜水器，通过脐带缆(4)和母船(1)相连，脐带缆(4)中有电力和信息传送通道，提升潜水器(3)、采矿潜水器(2)和水面母船(1)通过水声通信和定位，作业时，采矿潜水器(2)在海底运动采矿，提升潜水器(3)穿梭于采矿潜水器(2)和母船(1)之间输送采集的矿样，满载的提升潜水器(3)由采矿潜水器(2)处被引导向母船(1)运动，空载的提升潜水器(3)由母船(1)处被引导向采矿潜水器(2)附近运动，当采矿潜水器(2)采用海底爬行运动方式采矿时，采矿潜水器(2)的尾部与一个提升潜水器(3)的首部对接，拖动提升潜水器(3)在海底一起运动，并将采集的矿样直接输送至提升潜水器(3)中。

2、根据权利要求1所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：采矿潜水器(2)包括：第一主结构(5)、浮力材料块(6)、电控仪器单元(7)、电液动力单元(8)、采矿装置(9)、水平推进装置(10)、垂直推进装置(11)、履带爬行装置(12)、声通讯引导装置(13)、辅助机械手(14)、输矿装置(15)、吸矿管(16)、送矿软管(17)、牵引机构(18)和送矿管连接器(19)，第一主结构(5)为框架式，透水，第一主结构(5)上部设置浮力材料块(6)，下部设置履带爬行装置(12)，采矿装置(9)设置在第一主结构(5)的首部或侧面，声通讯引导装置(13)在第一主结构(5)的顶部，辅助机械手(14)、牵引机构(18)和送矿管连接器(19)在第一主结构(5)的尾部，电控仪器单元(7)、电液动力单元(8)、水平推进装置(10)、垂直推进装置(11)、输矿装置(15)、吸矿管(16)和送矿软管(17)设置在第一主结构(5)的内部，输矿装置(15)的前端通过吸矿管(16)连接采矿装置(9)，后端通过送矿软管(17)连接送矿管连接器(19)，送矿软管(17)和送矿管连接器(19)内腔相通。

3、根据权利要求2所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：牵引机构(18)为一六自由度空间连杆机构，其前端连杆固连在第一主结构(5)的尾部，后端连杆上有勺形卡槽，挂在第一主结构(5)的尾部。

4、根据权利要求2所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：提升潜水器(3)包括：第二主结构(20)、浮力材料块(21)、电控仪器单元(22)、电池(23)、储矿容器(24)、水平推进装置(25)、浮力调节装置(26)、声通讯引导装置(27)、滑撬(28)、牵引桩(29)、受矿头(30)和接地压力传感器(31)，滑撬(28)在第二主结构(20)的下方，接地压力传感器(31)连接于滑撬(28)上，牵引桩(29)在第二主结构(20)的外面首部，声通讯引导装置(27)在第二主结构20的顶部，水平推进装置(25)在第二主结构(20)的尾部两侧，浮力材料块(21)、电控仪器单元(22)、电池(23)、储矿容器(24)、浮力调节装置(26)和受矿头(30)在第二主结构(20)的内部，储矿容器(24)为透水容器，前部开口，连接受矿头(30)，受矿头(30)的内腔和储矿容器(24)的内腔相通。

5、根据权利要求4所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：牵引桩(29)的大小与牵引机构(18)后端连杆上的勺形卡槽相配合，当采矿潜水器(2)的尾部与提升潜水器(3)的首部对接时，牵引桩(29)卡在牵引机构(18)后端连杆上的勺形卡槽中。

6、根据权利要求4所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：第二主结构(20)具有流线形整流罩，透水，滑撬(28)具有流线外形。

7、根据权利要求2所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：送矿管连接器(19)和受矿头(30)构成一对连接装置，送矿管对接器(19)由主筒体(32)、卡抓(33)、收放液缸(34)和转轴(35)组成，主筒体(32)的出口端沿截面均匀布置卡抓(33)，卡抓(33)通过转轴(35)与主筒体(32)连接，具有压紧和松开的自由度，收放液缸(34)和卡抓(33)连接，受矿头(30)入口端与主筒体(32)出口端相配合。

8、根据权利要求7所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：转轴(35)上还有压紧弹簧(36)将卡抓(33)向主筒体(32)方向压紧。

9、根据权利要求8所述的分散式深海局部试采矿系统，其特征是：当采矿潜水器(2)独立工作时，送矿管连接器(19)挂在采矿潜水器(2)第一主结构(5)的尾部，当采矿潜水器(2)与提升潜水器(3)对接时，送矿管连接器(19)和受矿头(30)连接，主筒体(32)和受矿头(30)的相对端面密合，卡抓(33)在压紧弹簧(36)作用下收紧，形成由采矿装置(9)，经吸矿管(16)、输矿装置(15)、送矿软管(17)、送矿管连接器(19)、受矿头(30)，直至储矿容器(24)的矿样输送通道，反之，收放液缸(34)伸出时卡抓(33)松开，送矿管连接器(19)和受矿头(30)分离。

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