CN103080475A - 用于海底混合采矿的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造海底梯段碎块的海底混合采矿工具。所述工具利用履带式移动系统移动穿过海底梯段。动力和控制界面从表面源接收动力和控制信号。所述工具具有用于切割所述梯段的滚筒式切割机，和邻近于所述滚筒式切割机的筛分格栅，其中，所述筛分格栅用于筛分由所述滚筒式切割机制造的碎块。还可具有帮助容纳碎块的滚筒罩。能够利用吸入口例如结合铲和螺旋钻来获取制造出来的碎块。

Description

用于海底混合采矿的方法和装置
技术领域
本发明大体涉及水下采矿，尤其涉及一种使用混合切割海底工具进行海底采矿和集矿的系统和方法。
背景技术
海床开挖常常是通过挖掘进行的，从而例如获取有价值的冲积砂矿或使水路保持通航。吸扬式挖掘法包括将管道或管的收集端置于要开挖的海床材料附近，以及利用表面泵产生负压差，从而将水和附近的可移动海底沉积物吸至管道。切吸式挖掘法进一步在吸入口处或吸入口附近提供刀头，使得将被吸至管道的压实土、沙砾或甚至硬岩石分解。大型切吸式挖掘机能够使用数万千瓦的切割功率。其他的海床挖掘技术包括旋吸式挖掘法、喷射式挖掘法、气升式挖掘法和斗式挖掘法。
大部分挖掘设备典型地仅在数十米的深度操作，即使非常大型的挖掘机，其最大挖掘深度也只略多于一百米。因此挖掘常常限于相对较浅的水域。
海底钻井(例如油井)可在多达几千米深度的更深的水域中进行。然而，海底钻井采矿技术不能用于海底采矿。
本说明书中所包括的任何对文件、法案、材料、设备、文献等的讨论旨在提供本发明的背景，不应当做承认上述的任何或整体构成现有技术基础的一部分或作为先于本申请每项权利要求的优先权日前存在的本发明相关领域的公知常识。
在整个说明书中，词语“包括(comprise)”或其变形例如“包括(comprises)”或“包括(comrpising)”应当理解为谙指包括所述的元素、整体或步骤，或元素、整体或步骤的组，但不排除任何其他元素、整体或步骤，或元素、整体或步骤的组。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种海底混合采矿工具，用于制造海底梯段的碎块，所述混合采矿工具包括：
履带式移动系统，所述履带式移动系统使所述混合采矿工具移动穿过海底梯段；
动力和控制界面，所述动力和控制界面接收来自表面源的动力和控制信号；
滚筒式切割机，所述滚筒式切割机用于切割梯段；以及
邻近于所述滚筒式切割机的筛分格栅，所述筛分格栅用于筛分由所述滚筒式切割机制造的碎块。
根据本发明的第二方面，提供一种制造海底梯段的碎块的方法，所述方法包括：
海底混合采矿工具接收来自表面源的动力和控制信号；
所述海底混合采矿工具移动穿过所述海底梯段；以及
所述海底混合采矿工具的滚筒式切割机切割所述梯段，邻近于所述滚筒式切割机的筛分格栅筛分由所述滚筒式切割机制造的碎块。
从而，本发明的所述海底混合采矿工具有利地提供混合切割发生于或形成于海底的梯段。
在本发明的优选实施方式中，所述海底混合采矿工具包括接近所述截割滚筒的料浆入口和料浆泵系统，所述料浆入口被配置为从所述筛分格栅的附近获取料浆形式的碎块。可以将所述料浆从所述海底混合采矿工具泵送至较短的距离，例如仅被泵送至工具所采用或将采用路径的一侧或所述工具的后方，以避免所述工具在海底的碎块上移动。或者，可以将所述料浆经由适当的输送管道泵送至距离海底采矿工具一定距离的海底储存位置。
在优选的实施方式中，集获罩部分地包围所述截割滚筒，以提高所述料浆泵系统对碎块的容纳和收集。
优选地，所述筛分格栅通过利用所述截割滚筒碾碎尺寸大于格栅与滚筒之间距离的颗粒，从而筛分碎块。
所述海底混合采矿工具可以为无线远程遥控运载工具(remotely operatedvehicle，ROV)或由与地面相连的母体操控的无线运载工具。
进一步，本发明提供一种在某些实施方式中适于在极深的水深下部署的工具。例如一些实施方式在大于约400米的深度下操作，更优选在大于1000米或更优选在大于1500米的深度下操作。然而应当理解，本发明的工具在浅至100米的水域中或其他相对较浅的水下应用中提供有用的海底切割选择。因此应当理解的是，提及海底或海床并不旨在排除本发明在湖底、河口水底、海湾水底、测探水底(sound floor)、海滩水底、港口水底中，在盐水、半盐水或清水中用于采矿或开挖，这些应用都落在本说明书的范围内。
在一些实施方式中，所述混合采矿工具的混合采矿切割机可包括电动或液压驱动的截割滚筒，所述截割滚筒在移动期间导向或引导所述工具。所述截割滚筒可安装于悬臂组件上，从而允许可变的切割深度，其中所述切割深度例如对应于被切割的梯段中的材料硬度可以进行选择。
所述混合采矿工具的滚筒式切割机优选地被配置为产生所需尺寸的碎块。例如，所述碎块的大小适于以由水和碎块所构成的料浆的形式进行收集。优选地，所述滚筒切割的深度大于机器履带的宽度。
其中，要获取的材料的厚度大于梯段的高度，所述梯段的高度被所述海底混合采矿工具的切割深度限定，本发明的混合采矿工具进行多次混合采矿步骤从而移除所述材料的多层梯段。在每次移动中，利用所述混合采矿工具的吸入口来收集由海底混合采矿工具的每次移动制造的碎块。
所述混合采矿工具的重量优选地进行选择，使得所述工具在潜水时具有足够的重量，从而所述混合采矿工具可应用足够的向下的力以制造梯段碎块。
优选地，所述海底混合采矿工具被设计为在相对平坦和相对水平的梯段平面上工作，并在往返移动穿过梯段表面的同时向下切割至表面中以达到切割深度。碎块被留在适当的地方，后续使用海底收集工具进行收集，或在切割时利用位于截割滚筒附近的吸入口收集，然后运送离开所述工具。所述海底混合采矿工具优选地沿一个或多个路径往返移动穿过梯段表面而基本上切割整个梯段。优选地，所述混合采矿工具的切割路径基于相关海底位置处所存在的特定梯段尺寸和梯段形状对所述切割路径进行优化，以使所述梯段的矿石获取率最大化。
优选地，收集或储存区域位于矿石梯段的远端，在这样的实施方式中，所述混合采矿工具具有料浆泵系统或侧抛系统(side cast system)等，用于存放位于收集或储存区域的切割的矿石。或者，混合采矿工具存放碎块的收集区域与矿石梯段的位置相同，其中所述混合采矿工具在切割矿石时基本上不重新放置矿石。这样的实施方式允许混合采矿工具的设计、功能和操作集中于这种混合采矿的切割要求，而不是考虑重新放置碎块而变得复杂。
所述梯段可以包括欲获取的有价值矿石的矿石梯段，或可以包括为了其他目的需要去除的坚硬岩石或其他海底材料。所述矿石可包括海底大量的硫化物。
本发明认识到感兴趣的海底部位的地形复杂，因而本发明提供同时操作多个海底采矿工具从而高效地获取海底材料。
在本说明书中，术语“滚筒式切割机”并不旨在包括盘式切割机。盘式切割机是指例如其切口比盘式切割机的直径要窄。
根据本发明的第三方面，提供一种海底混合采矿工具，用于制造海底梯段的碎块，所述混合采矿工具包括：
履带式移动系统，所述履带式移动系统使所述混合采矿工具移动穿过海底梯段；
动力和控制界面，接收来自表面源的动力和控制信号；
滚筒式切割机，在移动过程中，所述滚筒式切割机位于所述工具的后方，并被配置为在移动穿过所述梯段时切割梯段并且将碎块留在所述海底以便后续收集。
根据本发明的第四方面，提供一种制造海底梯段的碎块的方法，所述方法包括：
海底混合采矿工具接收来自表面源的动力和控制信号；
所述海底混合采矿工具移动穿过所述海底梯段；以及
所述海底混合采矿工具的滚筒式切割机切割所述梯段，在移动过程中，所述滚筒式切割机位于所述工具的后方，并且将碎块留在海底用于以便后续收集。
本发明的第三方面和第四方面允许提高切割效率，从而相对于收集本身切割碎块的混合切割机，其采矿速度加快。
本发明第三方面和第三方面的一些实施例可包括邻近于截割滚筒的筛分格栅，用于筛分由截割滚筒制造的碎块，然而在其他实施方式中也可以省去筛分格栅。
附图说明
现结合附图对本发明的实施例进行说明，其中：
图1为根据本发明一个实施方式的海底系统的简要视图；
图2a和图2b示出了根据本发明一个实施方式的混合采矿机的操作图；
图3为表示根据本发明另一实施方式的具有单个截割滚筒的混合采矿机的立体图；
图4为根据本发明类似实施方式的混合采矿机的主视图；
图5为表示根据本发明又一实施方式的具有两个截割滚筒的混合采矿机的立体图；
图6为描述混合采矿机的部署和操作系统的示意图；
图7a和图7b示出了根据本发明另一实施方式的混合采矿工具；
图8a和图8b分别示出了过切和切入式切割。
具体实施方式
图1为海底系统100以及根据本发明一个实施方式的混合采矿机112的简要视图。起重机102和脱水设备104安装于远洋航行的生产支援船(ProductionSupport Vessel，PSV)106。PSV 106具有矿石运输机，以便于将获取的脱水后的矿石加载至驳船108上。本实施方式提供一种能够在2500米深度进行操作的工具112，然而替代实施方式可以设计为用于在100米至3000米深度甚至更深的深度进行操作。在生产操作期间，使用海底采矿工具(Seafloor Mining Tool，SMT)从海床110开挖矿石。SMT包括海底混合采矿机112，海底收集机114，海底辅助采矿机116和海底储存设备126。
将由混合采矿机器(Bulk Mining，BM)112和辅助采矿机(AUX)116开采的矿石经由储存输送管道126泵送至储存堆124。储存堆124中的矿石被收集机114收集，并以料浆的形式通过立式输送管道(Riser Transfer Pipe，RTP)120被泵送至上升装置122的底部。然后，海底升降泵118经由刚性的上升装置122提升料浆，上升装置122在图1中被中断示出，在该实施方式中可长达2500米。料浆流至地面支援船106并通过设备104进行脱水。在压力下，废水返回海底，从而为海底升降泵118提供充气压力(charge pressure)。脱水后的矿石卸载至运输驳船108上，从而运输至储存设备，并随后运输至处理地点。
BM 112在前进通过梯段(bench)的同时切割该梯段，并且一次或多次往返移动穿过梯段，从而基本上切割梯段的整个区域。BM 112还可以进一步做与原来的往返移动交叉或者垂直的额外移动，从而更近地修整梯段的边缘。图2a示出了在第一梯段切割阶段的海底采矿环境。
已知BM 112的混合采矿作用，可以预料到梯段的某些部分不会被BM 112完全切割，尤其是侧边壁(lateral extremities)和底部，在这些部分，BM 112必须保持安全的边缘并且具有足够的空间进行转向，从而开始该梯段的新的往返移动。图2b示出了在切割多处梯段后，梯段的边缘约为4米高。
BM 12被设计为：通过上层的生产援助船106上的远程操作控制，而在采矿地点附近被调动，并切割矿物沉积物。在该实施方式中，BM 112要求用于有效操作的最小梯段面积约为750平方米。在替代的实施方式中，BM的尺寸可以略小，从而允许BM在面积小于750平方米的面积上进行运作。或者，在其他实施方式中，BM可为大型BM，并要求最小梯段尺寸大于750平方米，从而进行运作。然后，以图2a和图2b示出的方式将梯段逐渐从高点移除，从而获得矿石沉积的石堆。
开挖的颗粒尺寸是由BM的切割机配置和前进速度来控制。这取决于切割机的直径、截齿间距(pick spacing)、角度、转速和机器移动速度。可以手动或自动地控制切割系统参数(切割机的转速、切割深度、移动速度)。在一些实施方式中，提供互锁作为一种安全措施，以防止切割操作延迟和对机器的潜在损害。在替代的实施方式中，颗粒尺寸可以通过破碎机或集成至BM的筛分设备来控制。
BM 112的额外挖掘路线和运输工具操纵转向可以手动或通过自动化流程来进行。切割自动化优选地被最大化，并且为此，PSV 106的控制系统具有将自动反馈控制整合到采矿模型中的能力，从而使得操作参数(诸如切割速率、获得的矿石级别、岩石硬度和上层梯段的颗粒尺寸)可以自动用于控制后续下层梯段的开采。
总之，切割顺序的目的是使生产率最大化和运送海底储存的切割矿石。一旦矿石被切割并留在海底，则接着利用任何适当的工具收集，优选地利用分离收集机(Gathering Maching，GM)114来收集。
下面将结合图3和图4，更加详细地描述用于混合采矿、切割和挖掘材料的海底运输工具112。本实施方式的海底采矿工具112提供矿石切割/筛分功能。PSV的船内的控制系统确保SMT的操作效率最大化，同时使机器、母体和升降缆线之间的安全工作面积最大化以确保连续操作。图3为表示根据本发明实施方式的BM的立体图。图4为根据本发明类似实施方式的混合采矿机的主视图。
如图3和图4所示，BM是高生产率的切割机器，目的是挖掘目标矿石并准备将其以料浆形式泵送至PSV。该系统包括位于运输工具112后方的电动截割滚筒组件302。截割滚筒组件302安装于悬臂组件304上，悬臂组件304能够提升或降低截割滚筒组件302。截割滚筒302被设计为在多次移动中切割深达4米的梯段，将成为碎片的材料均匀分布地留在适当的地方。成为碎片的材料适宜地具有与料浆转移参数和地面重获程序匹配的颗粒尺寸分布。截割滚筒可要求以过切(overcut)或底切(undercutting)模式操作。在替代的实施方式中，截割滚筒组件可由液压驱动。
履带式移动系统306能够向前驱动运输工具112，同时截割滚筒302与切割岩石或矿石啮合。切割后，只是将切割的矿石留下和保留在海底，以适当地通过海底收集机114获取并运送至RALS泵系统118。BM 112的主要功能是在单次或多次移动中切割和筛分4米深的梯段，以用作高生产率的水平切割机器。因此，BM为较重的履带式机器，其重心较低，从而使向岩石或矿石承载体的能量传递最大化。该实施方式的机器向岩石表面传递约900kW，需要总机器功率为2MW至3MW。
在图5所示的替代实施方式中，混合采矿机包括两个安装在截割滚筒上的悬臂，每个悬臂位于运输工具的一端。在该实施方式中，运输工具不需要在每个通过梯段的移动中转向，因为无论哪个截割滚筒跟在运输工具后方，都可替代为简单啮合。在图3至图5的实施方式中，切割宽度大于机器履带宽度。
图6为描述混合采矿机的部署和操作系统的示意图。这里，生产支援船(PSV)106具有控制室，该控制室连同绞盘以及A框架来操作BM 112，绞盘包括母体和升降缆线，A框架用于BM 112的部署和获取。BM 112通过母体缆索和主提升缆线与船106连接。母体缆索提供动力以驱动履带驱动马达、液压系统驱动马达和切割系统驱动马达。母体还提供BM 112与操作控制室之间的多元光纤通信链路。
通过主提升缆线将BM 112从PSV 106降低至海底。当BM 112着陆至海底时，可以断开提升缆线，则提升缆线可以回到PSV 106或者回到在梯段切割操作期间与母体缠结的安全高度。当BM 112准备好回到PSV 106时，可重新连接提升缆线。
在切割操作期间，降低截割滚筒302，并在切割时依照岩石的硬度和所需的破碎率对岩石表面施加力。运输工具沿履带向前移动，截割滚筒302以控制的速率和力进行切割。自动流程适当地维持恒定的切割力，并且悬臂304的力和沿履带的推进速度自动地对应于切割力需求的变化而进行调节。在单次或多次移动中，矿石被切割并搁置在深达4米的梯段中。BM 112沿着切割矿石的平面行进带状地带(plan developing strip)前进，直至位置处或梯段被完全切割至单次移动的切割深度，然后使用单独的机器收集矿石。
在切割路线的末端，将如图5所示的配置有双重截割滚筒装置的BM升起后方的截割滚筒，运作至下一个切割路线(与刚刚完成的路线平行)，降低前方的截割滚筒，并继续操作(这一次有效地调换方向从而切割机悬臂总是位于行进方向上的后侧)。
如图3和图4示出了配置有单个截割滚筒的BM，运输工具提升滚筒302，然后基本上转动180度以开始新的切割路线。
可选地，在BM 112中安装喷水系统，以在截割滚筒挖掘部堵塞时进行清洁，以及在运输工具履带被材料覆盖时进行冲洗。
图7a和7b示出了根据本发明另一实施方式的混合切割机700。混合切割机700包括电动截割滚筒组件702，该截割滚筒组件702位于运输工具700的前方。该截割滚筒组件702安装于悬臂组件704上，该悬臂组件704能够提升和降低截割滚筒组件702。截割滚筒组件702被设计为在多次移动中切割深达4米的梯段。在截割滚筒702附近设置筛分格栅708，筛分格栅708安装于悬臂组件704上，尽管在替代的实施方式中格栅708安装于运输工具底盘类似于铲710上。筛分格栅筛分由滚筒702制造的碎块，筛分至适于以料浆形式运输的尺寸。在工具700向前移动时，铲710使碎块与海床分离，并且螺旋钻712朝所述吸入口推动所述铲中的碎块，虽然图7中未示出，但是吸入口一般位于714处。
由此，混合切割机700在单次流程中切割、筛分并且向上吸动碎块。在本实施方式中，由吸入口714获得的碎块通过输送管道被泵送至选定的海底储存位置。
图7的实施方式认识到使用吸入口714获取碎块的特别益处，所述碎块包括较大比例的细小颗粒。在水中，这样的细小颗粒无法通过机械工具有效获取，然而适当配置及操作的料浆入口提供了一种收集由截割滚筒702制造的所有尺寸碎块的有效方法。碎块的容纳和获取由集获罩716辅助进行。
图7的实施方式包括吸入口，但替代的实施方式(例如图3和图5的实施方式)可省去这样的吸入口。
本发明一些实施方式的混合切割机可采取过切(overcutting)，其中截割滚筒位于工具700的前方，且相对于工具700位于固定的高度，工具700移动穿过梯段，如图8a所示。在一些实施方式中，例如如图8b所示，混合切割机可以切入式切割(plunge cutting)的方式使用，其中在切割期间机器是固定的，并且截割滚筒在切割岩壁的同时沿岩壁下降，直至约4米的高度，且达到截割滚筒直径的大约一半的切割深度。在每次这样切入式切割之后，机器在切割深度上向前移动，进行再一次的切入式切割。
应当理解的是，本文中所使用的特定术语可能与其他术语意思相同，他们同等地描述本发明，因此本申请的范围不受到任何这种同义词的限制。例如，海底采矿工具也称为海底机器，生产支援船也称为地面船和/或地面设备，矿石可以等同地或可替代地称为岩石、固化沉积物、未固化沉积物、土壤、海底材料，采矿可包括切割、挖掘或移除材料。
本领域的技术人员应当理解，在不背离广泛描述的本发明的精神和范围的前提下，如具体的实施方式那样，可以对本发明进行各种改变和/或变更。因此，本文的实施方式从各个方面考虑都应当是示例性的，而不是限制性的。

Claims (19)

1.一种海底混合采矿工具，用于制造海底梯段的碎块，所述混合采矿工具包括：
履带式移动系统，所述履带式移动系统使所述混合采矿工具移动穿过海底梯段；
动力和控制界面，所述动力和控制界面接收来自表面源的动力和控制信号；
滚筒式切割机，所述滚筒式切割机用于切割梯段；以及
邻近于所述滚筒式切割机的筛分格栅，所述筛分格栅用于筛分由所述滚筒式切割机制造的碎块。
2.根据权利要求1所述的工具，进一步包括：接近所述截割滚筒的料浆入口和料浆泵系统，所述料浆入口被配置为从所述筛分格栅的附近获取料浆形式的碎块。
3.根据权利要求2所述的工具，其中，所述料浆泵系统被配置为将料浆泵送至所述工具所采用或将采用的路径的一侧。
4.根据权利要求2所述的工具，其中，所述料浆泵系统被配置为将料浆经由适当的输送管道泵送至海底储存位置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的工具，进一步包括集获罩，所述集获罩部分地包围所述截割滚筒，以提高所述料浆泵系统对碎块的容纳和收集。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的工具，其中，所述筛分格栅通过利用所述截割滚筒碾碎尺寸大于格栅与滚筒之间距离的颗粒而筛分碎块。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的工具，其中，所述截割滚筒安装于悬臂组件上，从而允许滚筒收回和可变的切割深度。
8.根据权利要求7所述的工具，其中，所述筛分格栅安装于所述悬臂组件上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的工具，其中，滚筒切割的宽度大于机器履带的宽度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的工具，进一步包括吸入口，所述吸入口从所述筛分格栅获取碎块。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的工具，进一步包括紧接在所述滚筒式切割机后方的铲，所述铲使碎块与海床分离。
12.根据权利要求11所述的工具，进一步包括位于所述铲内的一个或多个螺旋钻，所述螺旋钻朝所述吸入口推动所述铲中的碎块。
13.一种制造海底梯段的碎块的方法，所述方法包括：
海底混合采矿工具接收来自表面源的动力和控制信号；
所述海底混合采矿工具移动穿过所述海底梯段；以及
所述海底混合采矿工具的滚筒式切割机切割所述梯段，邻近于所述滚筒式切割机的筛分格栅筛分由所述滚筒式切割机制造的碎块。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当要获取的材料的厚度大于梯段的高度时，所述混合采矿工具通过多次移动移除所述材料的多层梯段，所述梯段的高度被所述海底混合采矿工具的切割深度限定。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在每次移动中，利用所述混合采矿工具的吸入口来收集由所述海底混合采矿工具的每次移动制造的碎块。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述海底混合采矿工具通过沿一个或多个路径往返移动穿过所述梯段的表面而基本上切割整个梯段，基于相关海底位置处所存在的特定梯段尺寸和梯段形状对所述切割路径进行优化，以使所述梯段的矿石获取率最大化。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述滚筒式切割机位于所述工具的前方，进行所述梯段的过切。
18.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述滚筒式切割机位于所述工具的后方，进行所述梯段的底切。
19.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述滚筒式切割机位于所述工具的前方，进行所述梯段的切入式切割。
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