CN102080542B

CN102080542B - 锰结核采集铲

Info

Publication number: CN102080542B
Application number: CN 200910059859
Authority: CN
Inventors: 徐中全; 徐洋; 徐海
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: CN102080542A

Abstract

本发明公开了一种海底采矿机械——锰结核采集铲，它由桁架式主梁、铲斗、铲齿、中间搅动轴、防陷板、防陷橇、前端牵引结和后端牵引结，以焊接、紧固件连接等方式组成一个整体。采矿船上的卷扬机组通过钢丝绳给采集铲提供动力，使采集铲能在承载力小于7Kpa的海底表面连续采矿，粒径大于20mm的锰结核都能采集。钢丝绳还带动铲斗里的搅动轴叶片顺、反时针方向来回转动，从铲斗孔隙中滤去泥沙。每铲采集完成后，钢丝绳将采集铲提出海面，打开侧门，铲斗倾斜一定角度，将锰结核矿倾倒在船上的运矿车内。在锰结核矿丰度5～7kg/m²的可采条件下，以水深6000m为例，单铲采矿用时1.5h(含辅助时间)，单铲采矿重量约200t，使用寿命在10年以上。

Description

锰结核采集铲

技术领域

本发明涉及一种海底采矿机械

背景技术

21世纪是人类开发海洋、利用海洋的世纪。深海海域作为人类最后一片未开发区域，蕴藏着丰富的资源，成为世界各国争取海洋权益、发展高新技术、开展国际合作及展示自身实力的重要场所，将显现出无限的商业价值。

锰结核是上世纪70年代才大量发现的著名深海矿藏。褐色的锰结核外形像土豆，切片来看一层层的又像葱头。这种结核体往往是以贝壳、珊瑚、鱼骨等为核心，把其他物质聚集在周围。生长速度缓慢，大约1000年生长1mm，有的100万年才生长4mm。锰结核含有锰、铁、镍等20多种元素，其经济价值很高。锰结核分布在世界各大洋水深2000～6000m处的海底表面，以太平洋蕴藏最多，估计为1.7万亿吨，占全世界蕴藏量的一半多。从墨西哥西南到夏威夷南部一条长达4600km、宽900km的海域里，海底表面布满了锰结核，平均丰度为每平方米10kg左右。这一带海域海底地形比较平坦，海况条件较好，有利于开采作业，是目前各国进行科学研究和开采试验的主要场所，联合国分配给我国的开采海域也位于这一区域。锰结核采集技术在深海采矿中占据十分重要的地位，也是专有技术之一，世界发达国家经过近30年的理论研究和科学试验，最具代表性的是：①A国采用气力提升，就是用一根很长的主管道，一端固定在船上，一端连接的吸矿盘对准锰结核，在主管道外有一根同样长的高压空气管道，高压压缩空气经副管深入海底后弯回进入主管道，由于空气的密度小且不溶于水，空气势必沿主管道内上升，使吸矿盘下部产生很大的吸力，将锰结核吸到船上。②F国采用水力提升，就是用大功率水泵，在泵的进口连接一根很长的管道，管道下端是吸矿头。开动水泵把锰结核连泥带水一同泵到船上。以上2种方法的成本贵得惊人，无法进行实质性的商业开采。③J国采用连续绳斗法，在船上设置转轮天车，转轮套上尼龙绳圈(尼龙绳首尾相连成为一个绳圈)，尼龙绳每间隔50m固定一只铲斗。采矿船前进，天车轮动，使每只铲斗在海底表面铲进矿石后转到天车上部，将矿石倒在船上。此种方法经试验后认为采矿效率低、漏采率高，不具备商业开采价值。④G国和我们国家采用履带自行式水下集矿机(动力在海底)技术，这种开采方法的工艺流程是：当采矿船到达采区后，将集矿机与提升管连接并缓慢放入海底，提升管上端悬吊于采矿船上。集矿机用于采集海底锰结核并进行初步处理，在除去过大结核的的同时将合格尺寸的结核输入提升管底部，以水力或气力提升方式使管内的水有足够的速度向上运动，将锰结核输送到海面采矿船上。此种方法目前停留在设计阶段。因为有诸如大功率超深潜水电机的研制，集矿机的定位、姿态、行走、测控技术，采矿船起伏摇摆与集矿机之间的伸缩补偿装置等20多项技术难题至今尚未解决。所以，此项设计要付诸实施尚须时日。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在采矿船上用卷扬机钢丝绳牵引，采矿幅宽大于已知的任何设计机型，采矿速度大于200t/斗，漏采率低于5％的锰结核采集铲。避免了大功率超深潜水电机等一系列技术难题，从而使锰结核采矿真正具有商业价值。

以我国所属的锰结核矿区为例，矿区水深4800～5300m，水温1～4℃，海底洋流流向以西北流最多，平均流速0.01～0.1m/s。矿区地势较平坦，大部分属海底丘陵，高差一般为50～100m，可采区平均坡度小于5°，局部地段存在断层、悬崖和高达10m的礁石。在海底，锰结核以半埋状为主，分布在沉积物表面，部分埋入沉积层中，深度一般在20cm以内。大粒径锰结核多为球形或者椭球形，中粒径的以菜花形为主，小粒径的以杨梅状为主，湿比重为2t/m³。按长径划分，其中2～7cm的占75％，7～10cm的占24.4％，锰结核丰度＞5kg/m²。海底承托锰结核的表层以硅质粘土为主，沉积层厚度大于150m，密度为1.2～1.5t/m³，0～15cm深处含水比为5∶1～2.2∶1，超过15cm深时保持在2.2∶1左右，相对应深处的抗剪强度为0～10Kpa，沉积物对结核矿最大沾着力为1.5Kpa。有了以上对锰结核矿赋存条件的充分认识，才能使本发明周全无误，更好的应用于生产实践之中。

附图说明

以下结合附图，对本发明作进一步详细说明：

附图1是锰结核采集铲升降状态的主视图。它由椼架式主梁1、铲斗2、铲齿3、中间搅动抽4、防陷板5、防陷橇6、前端牵引结7、后端牵引结8等组成。

桁架式主梁1由无缝钢管组焊而成，梁的跨度≥20m，梁主杆、腹杆、斜拉杆等均采用碳素结构钢，主杆的两端焊上球形封头，所有焊缝应在60Mpa外压力作用下，海水不渗漏进入钢管内部，这样椼架式主梁有足够的抵抗距，又使主梁在海水中产生一定的浮力，降低提升时的电力消耗。

铲斗2的圆环板用耐腐蚀钢铸造而成，包角≥240°，圆环板内弧半径≥2m，若干块圆环板用几根无缝钢管穿联焊成一半圆桶状的铲斗，容积≥120m³。设锰结核的湿容重为2t/m³，正常装载量可达240t左右。在铲斗内侧用扁钢焊成栅格，泥沙可以从栅格孔中滤除。

铲齿3用钢筋和钢板组焊而成，顺着进矿方向每二片铲齿之间有间隙，既能使大小各异的锰结核矿进铲，又能滤去泥沙。锰结核采集铲的工作状态如附图2所示(采集铲向左运动)，铲齿前端的钢筋与海底表面成水平状，以后渐向上倾斜至半圆桶状铲斗口。

中间搅动轴4的轴承座固定在铲斗内，用圆钢和钢管焊接而成的搅动轴用铸铁滑动轴承支撑。轴的长度＜20m，在离轴中间位置约3m处，设置两个滚筒(让轴穿过滚筒内孔并用键将滚筒与轴连接)，每个滚筒上固定一根钢丝绳，钢丝绳在滚筒上缠绕数圈后，向上引出与采矿船上的卷扬机相连。搅动轴两个滚筒上钢丝绳相对方向引出，而不是在轴的同一侧。这样就能使一根钢丝绳上升(搅动轴上的滚筒放绳)，利用钢丝绳与滚筒的摩擦力，使搅动轴顺时针转动，另一根钢丝绳下降，缠绕到滚筒上。反之另一根钢丝绳上升，使搅动轴反时针转动。搅动轴上安装有一定数量的叶片，叶片正、反交替转动，搅动铲斗内的锰结核和泥沙，细小的泥沙从铲斗孔格中漏出，以减少矿物含泥量。

防陷板5安装在铲斗下面，防陷板用密度小、强度高、耐磨损、耐腐蚀的尼龙塑料制成，使用寿命10年以上。防陷板上部用螺栓与铲斗圆环板连接，下部做成弧形，既增大与海底表面的接触面积，又减小采集铲前进时的阻力。

防陷橇6安装在桁架式主梁下面，防陷橇与防陷板的材质相同。防陷橇上部用螺栓与主梁上焊接的钢板连接，下部做成橇状，增加与海底表面的接触面积，减小采集铲前进的阻力。当采集铲正在进行采集作业时，防陷橇最下面的这个面与海底表面全接触，以保证采集铲不陷入稀软的沉积层中。

前端牵引结7和后端牵引结8都是十字轴万向联轴器结构，下部连接在铲斗的钢管上，上部的短轴固定钢丝绳。在钢丝绳的牵引下，牵引结可以前后摆动。向前摆动，钢丝绳连接的牵引结带动铲斗向前运动进行采集作业。向后摆动，钢丝绳连接的牵引结带动铲斗向后转动，把铲齿上的矿石倒入铲斗中。牵引结也可以上下提动(面对采集铲前进方向，主梁倾斜称上、下提动)，是为了每斗采集完成后，采集铲水平提出水面，一组(一个前牵引结和一个后牵引结为一组)牵引结下降，一组牵引结上升，牵引结上下提动的功能使主梁带动铲斗倾斜成30°左右，将矿石倾倒在船上的运矿车上。

具体实施方式

双体式采矿船到达采区后，船上的动力机组(将另行申请专利)及布放钢丝绳，将锰结核采集铲放入海底，采集铲的下降速度在0～7m/s范围内可调，采集铲入水后逐渐增速，接近海底时逐渐减速。这样既缩短了空行程时间，又避免采集铲快速触地产生巨大的冲击力损坏机具。采集铲触地后(钢丝绳受力传感器能传递减去采集铲自重后的受力信号)，再继续放下10m左右钢丝绳，使锰结核采集铲的姿态变成如附图2所示。采集铲虽然自重达100t，但有防陷板和防陷橇的支承，整个采集铲的接地比压小于7Kpa，所以防陷板和防陷橇陷入海底软稀泥15cm后，不会再继续下陷。只要粒径大于20mm的各种尺寸的锰结核矿都能被铲起。采矿船一边前进一边放下钢丝绳，采集铲静止不动，使采矿船与采集铲的连线与铅垂线形成一个夹角。采矿船继续前进，用刹车装置刹住钢丝绳卷扬机滚筒，不收不放钢丝绳。采矿船通过钢丝绳传递给采集铲的斜拉力与采集铲的自重力，产生的合力接近水平状态，这个水平拉力使采集铲水平向前移动。由于采集铲的重心位于防陷板和防陷橇之间，不管地形如何变化，采集铲不会前后倾斜，始终平行于地面前进，采集铲的爬坡极限为30°，越沟宽度＜7m，越障高度＜3m。采集铲前面的齿尖，在采集铲机身的稳定作用下，始终在锰结核矿的下面穿行(前已述及锰结核矿是半埋入海底稀泥中)。从附图2看，铲齿较长，齿尖是水平状态，后逐渐向上倾斜。采集过程中，锰结核矿是静止的，铲齿齿尖先进入锰结核矿块的下部，将其托起不至下沉，然后铲齿的斜面接触矿块，推着矿块前进，采集铲走的距离越长，被推动的矿块就越多，矿块堆积在铲齿上表面到一定高度后就会塌落进铲斗内，直至铲斗装满矿块为止。在铲矿的过程中，铲齿上的空隙可以滤去泥沙。同时，中间搅动轴的两根钢丝绳不停的交替牵引，使搅动轴顺、反时针方向不停转动，叶片搅动矿块和泥沙，使细小的泥沙从铲斗孔洞中滤出，泥沙去除率可达90％以上。采集铲采满一斗(约200t)后，钢丝绳受力传感器发出信号，采矿船后退回到采集铲位置的水面上。先提升前端牵引结，使铲齿向铲斗倾斜，把铲齿上的矿块全部倒入铲斗内，而后提升后端牵引结，使采集铲成提升状态(如附图1所示)。再提升几米，同时启动中间搅动轴，再次迫使泥沙从铲斗中滤除。在采集过程中和提升前滤除泥沙，因为离海底较近，所以对海底搅动很小，对海洋环境破坏很小。转动几分钟后提升采集铲，提升速度可达4m/s。采集铲提升到高出采矿船平台5～7m后，一端停止上升，另一端继续上升，使铲斗成30°倾斜，打开侧门(侧门及开门机构另行申请专利)将锰结核矿倾倒在运矿车上。

在锰结核矿丰度5～7kg/m²的可采条件下，以水深6000m为例，单铲采矿用时1.5h(含辅助时间)，单铲采矿重量约200t。除去易损件，一台锰结核采集铲的使用寿命在10年以上。

Claims

1.一种海底采矿机械---锰结核采集铲，其特征在于：它由桁架式主梁、铲斗、铲齿、中间搅动轴、防陷板、防陷橇、前端牵引结和后端牵引结，以焊接、紧固件连接方式组成整体的锰结核采集铲。

2.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：桁架式主梁用无缝钢管组焊而成并能利用其浮力。

3.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：铲斗内腔做成半圆桶状，在采集过程中有足够的容积暂时储存矿石。

4.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：铲齿由齿尖和齿身组焊而成，每二片铲齿间有间隙，齿尖上表面与防陷橇的下表面平行，齿身上表面向铲斗口有一小角度倾斜。

5.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：中间搅动轴滚筒上的钢丝绳，兼有牵引、提升和使搅动轴转动功能。

6.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：为减小接地比压而设置的防陷板和防陷橇用尼龙塑料制成，自重较轻，强度高且耐磨。

7.根据权利要求1所述的锰结核采集铲，其特征在于：前、后牵引结都是十字轴万向连轴器结构，通过钢丝绳的传力，可使采集铲完成采集、提升、倾倒矿石动作，钢丝绳的动力由设在采矿船上的电动卷扬机组提供。