CN103628881A - 一种海洋矿产资源开采装置及开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋矿产资源开采装置及开采方法。针对现有海底采矿车加管道水力提升开采系统目前存在的技术难点，所述开采装置包括水面采矿船，提升管，提升电泵站，软管，矿物破碎机构，采矿机构；所述采矿机构上装有多个扰动射流喷嘴、多个上升射流喷嘴和与所述矿物破碎机构的进料口连通的导流管；所述提升管、提升电泵站、软管、矿物破碎机构和导流管依次串联形成矿浆提升通道，所述软管固定在一潜游ROV上，该潜游ROV通过连接装置与所述采矿机构相连。本发明不受海底复杂地形和坡度的限制，避免了海底采矿车底盘在沉积层上的打滑、沉陷，将大大降低矿物采集对海底沉积物的扰动；亦解决了采矿机构离地高度难以控制的问题。

Description

一种海洋矿产资源开采装置及开采方法

技术领域

本发明涉及海洋矿产资源开采方法和相关装备领域，具体为一种海洋矿产资源开采装置及开采方法，用于采集深海底矿物，并将海底矿物输送至水面采矿船上。

技术背景

海洋矿产资源开采作为21世纪最有前景的新兴产业，为世界各国所普遍重视。占地球表面49%的国际海底区域蕴藏着锰结核、富钴结壳、热液硫化物、多金属软泥等丰富的金属矿产资源，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大的潜在战略资源基地，其开采方法引起各国高度重视和极大研究热情，目前国内外已进行了连续绳斗开采系统、自动穿梭采矿车开采系统、海底采矿车加管道提升开采系统三种采矿方法的研究开发。

连续绳斗采矿系统的原理是在一根缆索上每隔 25至50 米吊挂一个链斗，通过采矿船船首和船尾（单船式）或两条船上（双船式）安装的缆索导引轮形成无极循环运转，链斗从海底将结核铲起并提升到海面，其优点是系统设备简单、维修方便、投资小，但存在采矿效率和资源回收率低，要求海底地形平坦、缆绳容易缠绕等问题。

自动穿梭采矿车开采系统的采矿车靠自身重量和压舱物下潜，压舱物存放在结核存储舱内，当采矿车到达海底后，采矿车利用阿基米德螺旋推进器在海底行走，一边排出压舱物一边采集等效重量的结核，当最后一块压舱物被排出，储舱装满结核时，采矿作业结束，采矿车在潜浮推进器的推动下返回海面进入半潜式水下平台卸矿，然后重新装上压舱物再下潜入海底，如此往复循环实现海底结核的开采，其优点是设备独立、灵活性好，单台设备故障对开采系统影响不大；缺点是采矿过程间断性作业、潜浮辅助时间长、单机生产力低，需要高性能的蓄电池，需要用压舱物置换结核，采矿车制造工艺和遥控技术要求高，造价昂贵。

海底采矿车加管道水力提升开采系统由主要由海底采矿车、中间舱和由提升管道与提升电泵组成的水力提升系统组成，采矿车采集的海底矿石，通过提升管道由提升电泵将矿石从海底提升到水面采矿船上，该开采系统中海底采矿车又分为海底拖曳式采矿车和海底自行式采矿车。海底拖曳式采矿车一般采用滑板结构，靠水面采矿船借助扬矿管道拖曳在海底滑行，具有结构简单和良好的抗沉降能力，但没有避免海底障碍物和控制其滑移采集路线的能力，海底采矿效率低。

由于海底沉积物的承载能力低，目前海底自行式采矿车的行走机构主要有渐开线履齿橡胶履带式行走机构和阿基米德螺旋线行走机构。由于海底沉积物含水率高，极为松软，为降低集矿机的接地比压，履带式行走机构必须选用较宽的履带来提供足够的支撑力，国内外的试验研究结果均表明，履带式行走集矿机存在打滑、转弯半径大、沉陷严重，甚至陷死在沉积物中，同时出现无法控制安装在采矿车上的采矿机构离底高度的问题而大大降低采矿机构的采集效率。尽管阿基米德螺旋线行走机构行走平稳，但仍存在转弯半径大、容易打滑和对海底扰动大的缺点。因此现研制的海底自行式采矿车均没有解决好海底行走机构的问题。

发明内容

针对现有海底采矿车加管道水力提升开采系统目前存在的技术难点，本发明旨在提供一种海洋矿产资源开采装置及开采方法，采用潜游ROV（Remotely Operated Underwater Vehicle）型采矿车和提升管道与提升电泵组成海底矿产资源开采系统，其特点是综合了海底拖曳式采矿车和海底自行式采矿车的优点，不再受海底复杂地形和坡度的限制，避免了海底采矿车底盘在沉积层上的打滑、沉陷，将大大降低采矿对海底沉积物的扰动；亦解决了采矿机构离地高度难以控制的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种海洋矿产资源开采装置，其结构特点是，包括水面采矿船，与水面采矿船联接的提升管，串接在提升管下端的提升电泵站，联接在提升电泵吸入端的软管，与软管的吸入端联接的矿物料破碎机构，铰接在矿物破碎机构上的采矿机构；所述采矿机构上装有多个扰动射流喷嘴、多个上升射流喷嘴和与所述矿物破碎机构的进料口连通的导流管；所述提升管、提升电泵站、软管、矿物破碎机构和导流管依次串联形成矿浆提升通道，所述导流管的进料口朝向海底以吸取海底矿物；所述软管固定在一潜游ROV上，该潜游ROV通过连接装置与所述采矿机构相连。

以下为本发明优选的技术方案：

进一步地，所述潜游ROV上装有侧向推力器、垂向推力器、尾部推力器和测定潜游ROV相对于水面船空间位置的ROV测控系统；所述潜游ROV通过铰接式柔性钢架与所述采矿机构相连；所述潜游ROV距离海底高度为4m~10m。由此，带有侧向、垂向和尾部推力器的潜游ROV可在离海底一定高度的工作面拖曳海底采矿装置在海底沉积物表面滑行。同时，由潜游ROV上的测控系统测定潜游ROV相对于水面船的空间位置，控制ROV在采矿船允许的范围内潜游，拖曳采矿装置按照采矿模式与路线在海底滑移采矿，协调采矿船、潜游ROV和海底采矿装置的和谐运动。

所述采矿机构包括海底滑体，装在海底滑体上的射流水泵和液压站；所述射流水泵分别与所述扰动射流喷嘴、上升射流喷嘴相连。

所述提升管包括上部提升钢管和串接在上部提升钢管底端的下部提升钢管；所述提升电泵站包括上部多级提升电泵和串接在上部多级提升电泵底端的下部多级提升电泵；所述上部多级提升电泵串接在下部提升钢管底端；所述提升电泵站距离海底高度为120m~180m。由此，由两台可通过固体粗大颗粒的多级提升电泵组成的提升电泵站，离海底高度150米左右，并可对提升钢管起到配重的作用。

为了调整导流管的角度和离地高度，便于更好地采集，所述采矿机构与导流管之间连接有伸缩杆，更优选为液压支杆。

所述软管上安装有由浮力材料制成的浮体一；所述采矿机构上装有由浮力材料制成的浮体二。由此，所述提升软管在适当位置设置有浮力材料制成的浮体，浮力材料的适当作用使软管呈“S型”，以补偿海底高度变化对提升电泵站离地高度变化的影响。

所述上部提升钢管的出口处设置有在线测量管道提升流量的流量计。

所述下部提升钢管的入口处设置有在线测量管道阻力损失的差压计，由此，可通过该差压计的测量结果，计算出提升管道中的矿石提升浓度。

优选地，所述矿物破碎机构为齿辊破碎机构。

进一步地，本发明的另一个技术方案是：一种利用上述海洋矿产资源开采装置进行海底采矿的方法，其特点是，包括如下步骤：

1）、按照海底开采模式，由潜游ROV在距离海底面一定高度的工作面上拖曳海底采矿机构在海底面上按照预定的线路滑移；

2）、所述采矿机构的扰动射流喷嘴喷出的扰动射流将海底矿物松动，海底矿物在扰动射流形成的上升涡旋作用下离开海底上升一定高度并浮起，在采矿机构的上升射流喷嘴喷出的上升射流的作用下通过导流管进入矿物破碎机构中破碎；

3）、破碎后的矿物由提升电泵从软管的入口吸入，经提升管提升至水面采矿船。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，潜游ROV型采矿车由潜游ROV 和拖曳式的海底采矿装置组成，海底采矿装置通过铰接式柔性刚架与潜游ROV联接，由潜游ROV拖曳海底采矿装置按照海底采矿模式在海底表面滑行，控制采矿装置的接地比压，使其小于海底沉积物的承载能力，可确保采矿装置在海底表面滑行不沉陷，从而保持采矿装置的采矿机构的离地高度恒定，使采矿机构装置获得高的采矿效率。

海底采矿装置由海底滑体、采矿机构和破碎机构组成。

海底滑体呈流线型，通过铰接式柔性刚架13由潜游ROV拖曳在海底滑行，滑体安装有用于射流的水泵17、液压站16和由浮力材料制成的浮体二26等。

采矿机构由入口为扁形出口收缩为圆形的导流管21、扰动海底矿物的前排射流喷嘴23与后排射流喷嘴24、引导海底矿物上升运动的前排射流喷嘴22和后排射流喷嘴25组成，液压支杆20可以调整采集机构的离地高度和倾角。

破碎机构主要由齿辊型破碎机构18和相应液压驱动系统组成，通过铰接19与导流管21联接。

潜游ROV带有的尾部推力器11、双侧侧向推力器9、双侧垂向推力器10和观测控制系统，以控制潜游ROV按照海底开采模式做合理的拖曳潜游运动。

提升软管7将破碎机构出口、经过铰接式柔性刚架13和潜游ROV与提升电泵站联接，通过由浮力材料制成的浮体一6的适当作用将提升软管的上部分形成“S”形状，以补偿海底地面高度对深海采矿系统的影响。

提升电泵站由两台可通过和停泵回流粗颗粒的多级电泵4和5首未连接组成，下部多级提升电泵5的吸入口与提升软管联接，提升软管的下端吸入口固定在采破碎机构的出口，电泵运行时在吸入端产生吸力，采矿机构水射流冲刷起的海底矿石经过破碎后由吸入口吸入提升软管。提升电泵站的另一重要作用就是安装在提升钢管的末端代替中间舱起到配重的作用。按照海底水深、矿物特性和提升管径确定所需提升电泵的扬程，可选用单台或者两台六级或者八级深潜提升电泵。

下部提升钢管3的下端入口与上部多级提升电泵4的出口联接，上部提升钢管2的上端出口通过水面采矿船1的深沉补偿装置与采矿船铰接，海底矿石浆体通过提升电泵加压后提升至采矿船上，提升钢管承担水下采矿系统的重量，由于用提升电泵站取代了中间舱，潜游ROV型采设计成具有一定的正浮力，而目前国内外研究的落地式采矿车的水中重量为数十吨，因此本发明中提升钢管需要承受的荷载大大减小。

为了实时监测管道中的流量、管道阻力和浓度，在提升钢管与采矿船的联接的下方装有流量计测量流量，在提升钢管与提升电泵站联接的上方装有差压计测量管道阻力和通过计算获得提升浓度。

水下电缆沿提升钢管和输送软管布置，为水下设备提供动力。

本发明的工作原理是：按照海底开采模式，潜游ROV在海底一定高度的工作面上通过铰接式柔性刚架拖曳海底采矿装置在海底作有序的滑移运动。

通过采矿机构前、后两排倾斜扰动射流将海底矿物松动，海底矿石在射流形成的上升涡旋作用下离开海底上升一定高度并浮起，并继续在前、后两排上升射流的作用下通过导流管进入破碎机构。

海底矿石经过破碎机构破碎后由提升电泵从提升输送软管的入口吸入，经提升软管后通过提升电泵由提升钢管提升至水面采矿船。

矿石固液两相混合物在采矿船固液分离，分离水脱泥后经排放管排入海洋一定深度的位置。

船面测控系统采集提升钢管中的矿物石固液两相混合物流量、压力、浓度和阻力损失等参数并实现对固液两相混合物在管道中流动的控制。

本发明如同航空飞行器利用空气流的升力和推力的作用在天空中飞行、陆地车辆利用地面承载力和摩擦力在地面行驶一样，潜游ROV型采矿车借助海水的浮力和推力在离海底一定高度的位置潜游，充分利用深海作业环境的基本条件，彻底消除了海底复杂地形和复杂地质条件对采矿车行驶性能的影响，从而极大提高了海底矿物采集的可靠性和效率。潜游ROV型采矿车设计成具有一定的正浮力，采矿机构通过铰接式柔性刚架联接在潜游ROV型采矿车上，在离海底一定高度的作业面上由螺旋桨推力器推进行走，并拖曳采矿装置在海底表面滑移采矿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1) 本发明提出的海洋矿产资源开采新方法及其装备具有简单合理、可靠性高、采矿效率高、不受海底复杂地形和复杂地质条件影响以及对海底扰动小等优点、为锰结核、富钴结壳、海底硫化物和多金属软泥等深海底矿物资源提供一种安全性好、环境友好的开采方法。

2) 潜游ROV型采矿车综合吸收了海底自行式采矿车和海底拖曳式采矿车的优点，使海底采矿不再受海底复杂地形和坡度的限制，避免了海底采矿车底盘在沉积层上的打滑、沉陷的问题，并大大降低采集对海底沉积物的扰动；亦解决了采矿机构离地高度难以控制的问题。

3)用提升电泵站代替了目前国内外研制的海洋采矿系统中的中间舱是非常合理的，大大减少了水下采矿系统的重量和开采系统的中间环节，减小了提升钢管所受的荷载。

以下结合附图实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1为潜游ROV型采矿车海洋采矿装置的结构示意图。

图2为图1中潜游ROV的放大图，

图3为图1中海底采矿装置的放大图；

图4是图3中扰流喷嘴和上升射流喷嘴的机构示意图。

在图中：

1-水面采矿船；  2-上部提升钢管；3-下部提升钢管； 4-上部多级提升电泵；5-下部多级提升电泵；   6-浮体一；  7-提升软管；   8-潜游ROV； 9-侧向推力器；   10-垂向推力器；11-尾部推力器；  12-ROV测控系统； 13-铰接式柔性刚架；  14-水下电缆；15-海底滑体；  16-液压站；17-射流水泵；    18-齿辊型破碎机构；19-铰轴；  20-伸缩杆；21-导流管；   22-前排上升射流喷嘴；23-前排扰动射流喷嘴； 24-后排扰动射流喷嘴；25-后前排上升射流喷嘴；   26-浮体二；27-海底矿物；   28-海底沉积物；29-排放管道。

具体实施方式

本发明的核心为深海矿物资源开采提供一种新方法及其装置，包括矿物海底采集、破碎和将其从海底输送至水面采矿船。具体实施方式如下：

一种海洋矿产资源开采装置，包括带布放塔架的水面采矿船1，通过升沉补偿装置与水面采矿船1联接的上部提升钢管2，串接在下部提升钢管3的多级提升电泵4、5组成提升电泵站，联接在下部提升电泵吸入端的提升软管7，与提升软管7的吸入端联接的齿辊型破碎机构18，通过铰接19与齿辊型破碎装置18联接的采矿机构，采矿机构由前排与后排扰动射流喷嘴23，24、前排与后排上升射流喷嘴22，25、导流管21组成；其特征在于上述各部分联接后，形成海底矿物水射流采集和矿物的管道提升通道；潜游ROV通过铰接式柔性刚架13拖曳海底采矿装置在海底沉积物表面滑行，按照采矿模式进行海底采矿；海底采矿装置由海底滑体15、采矿机构和破碎装置18组成；适当位置固定由浮力材料制成的浮体一6的提升软管7起到补尝海底表面高差变化的作用；由潜游ROV上的测控系统12测定潜游ROV相对于水面船的空间位置，潜游ROV在水面采矿船允许的范围内潜游，协调采矿船、潜游ROV和海底采矿装置的和谐运动。

船面测控系统控制采矿系统的整个工作过程，包括提升电泵的正常启动，控制画面上显示采矿系统的启动步骤、工作过程中关键设备运行状况和提升管道中流动参数的变化情况。

一种海洋矿产资源开采方法，如图1所示，其工艺过程为：

1通过采矿船的布放塔架逐步布放水下采矿系统；

2当海底采集装置着底、采矿系统布放好后，按顺序启动提升电泵4，5；

3当提升钢管中的流量达到设计要求时启动液压站16和射流水泵17，开始海底采矿和破碎；

4潜游ROV根据控制要求按照海底开采模式拖曳采矿装置在海底滑行；

5海底矿物27被前、后排扰动射流扰动、上升脱离海底，在前后上升射流的作用下沿导流管进入破碎机构；

6矿物破碎后进入提升软管的吸入端，在提升电泵的作用下经过提升软管和提升钢管，海底矿物与海水混合物被输送至水面采矿船；

7混合物在船上固液分离后，过滤后的清水排放到洋面以下一定深度的地方；

8采矿完成后，首先浮游ROV停止运动，然后停止射流水泵的工作，延时五分钟后关闭液压泵；

9当采矿船上的提升钢管出口排出清水时，即可关闭提升电泵。

在本实施例中，在提升钢管安装有流量计和差压计进行提升管道中矿石和水固液两相混合物流速、压力、管道阻力和浓度等流动参数的测量，通过船面测控系统确保提升管道内固液两相流处于设计的安全运行范围内。

在本实施例中，浮游ROV的观测系统协调采矿船、浮游ROV和海底采矿装置三者的和谐运动。

在本实施例中，液压支杆合理调节采集机构的离地高度，确保采集机构的采矿效率高。

在本实施例中，海底滑体15作为承载采矿集机构、破碎机构和相关设备的载体，设计成流线型，适合于在海底沉积物表面上滑移，通过浮力材料减轻重量，减小海底采集装置在沉积物上的下沉和浮游ROV拖曳其滑行的阻力。

在本实施例中，提升电泵的正常启动采用软启动方式，采矿系统的整个工作过程由采矿船测控系统控制，控制画面上显示采矿系统的启动步骤、工作过程中关键设备运行状况和提升管道中流动参数的变化情况。

本发明的工作原理与过程：

本发明提出的海洋矿产资源开采新方法，将海底采矿机构的导流管、破碎机构、提升软管、提升电泵站和提升钢管串接组成海底矿物采集和提升的通道，充分利用水射流水力采矿和提升电泵在提升软管中的抽吸与在提升钢管中的泵送原理，实现海底矿物采集并输送至水面采矿船上。

其工作过程为：按照图1采矿系统的组成，由采矿船布放塔架自下而上将采矿系统布放完毕，提升电泵站离海底大约150米并对提升钢管起到配重的作用，通过软启动装置依次启动两台提升电泵，并至额定转速，提升管道中的清水通过电泵加压后，形成一定流速的管道上升流动，潜游ROV拖曳海底采矿装置按照设置的海底采矿模式与采矿路线沿海底滑行，依次启动油压泵和射流水泵，扰动射流将海底矿物松动并脱离海底一定高度，在上升射流的作用下沿导流管流入破碎机构，采集的海底矿物经破碎后进入海底提升软管的吸入端，在提升软管中形成固液两相浆体上升流，固液两相浆体经过两台提升电泵加压后，经提升钢管将海底矿物颗粒提升至水面采矿船上。采矿系统正常停车要求潜游ROV采矿车停止工作后，提升电泵仍然工作一段时间，直到把整个提升管道中的固液两相浆体提升至水面采矿船上，然后停止电泵的运行。整个海底采矿过程由船面远程测控系统测控和监视，采矿系统运行过程的每一步，屏幕均清晰显示主要设备的工作状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域或者相关领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种海洋矿产资源开采装置，其特征是，包括水面采矿船（1），与水面采矿船（1）联接的提升管（2，3），串接在提升管（3）下端的提升电泵站（4,5），联接在提升电泵吸入端的软管（7），与软管（7）的吸入端联接的矿物破碎机构（18），铰接在矿物破碎机构（18）上的采矿机构；所述采矿机构上装有多个扰动射流喷嘴（23,24）、多个上升射流喷嘴（22，25）和与所述矿物破碎机构（18）的进料口连通的导流管（21）；所述提升管（2,3）、提升电泵站（4,5）、软管（7）、矿物破碎机构（18）和导流管（21）依次串联形成矿浆提升通道，所述导流管（21）的进料口朝向海底以吸取海底矿物；所述软管（7）固定在一潜游ROV（8）上，该潜游ROV（8）通过连接装置与所述采矿机构相连。

2. 根据权利要求1所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述潜游ROV（8）上装有侧向推力器（9）、垂向推力器（10）、尾部推力器（11）和测定潜游ROV相对于水面船空间位置的ROV测控系统（12）；所述潜游ROV（8）通过铰接式柔性钢架与所述采矿机构相连；所述潜游ROV（8）距离海底高度为4m~10m。

3. 根据权利要求1所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述采矿机构包括海底滑体（15），装在海底滑体（15）上的射流水泵（17）和液压站（16）；所述射流水泵（17）分别与所述扰动射流喷嘴（23,24）、上升射流喷嘴（22，25）相连。

4. 根据权利要求1所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述提升管包括上部提升钢管（2）和串接在上部提升钢管（2）底端的下部提升钢管（3）；所述提升电泵站包括上部多级提升电泵（4）和串接在上部多级提升电泵（4）底端的下部多级提升电泵（5）；所述上部多级提升电泵（4）串接在下部提升钢管（3）底端；所述提升电泵站距离海底高度为120m~180m。

5. 根据权利要求1~4之一所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述采矿机构与导流管（6）之间连接有伸缩杆（20）。

6. 根据权利要求1~4之一所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述软管（7）上安装有由浮力材料制成的浮体一（6）；所述采矿机构上装有由浮力材料制成的浮体二（26）。

7. 根据权利要求4所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述上部提升钢管（2）的出口处设置有在线测量管道提升流量的流量计。

8. 根据权利要求4所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述下部提升钢管（3）的入口处设置有在线测量管道阻力损失的差压计。

9. 根据权利要求1~4之一所述的海洋矿产资源开采装置，其特征是，所述矿物破碎机构（18）为齿辊破碎机构。

10. 一种利用权利要求1~9之一所述海洋矿产资源开采装置进行海底采矿的方法，其特征是，包括如下步骤：

1）、按照海底开采模式，由潜游ROV在距离海底面一定高度的工作面上拖曳海底采矿机构在海底面上按照预定的线路滑移；

2）、所述采矿机构的扰动射流喷嘴（23,24）喷出的扰动射流将海底矿物松动，海底矿石在扰动射流形成的上升涡旋作用下离开海底上升一定高度并浮起，在采矿机构的上升射流喷嘴（22，25）喷出的上升射流的作用下通过导流管（21）进入矿物破碎机构（18）中破碎；

3）、破碎后的矿物由提升电泵从软管（7）的入口吸入，经提升管（2,3）提升至水面采矿船（1）。

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