CN105927229A - 深海矿产资源开采系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海矿产资源开采系统，包括作业母船和采矿系统，还包括浮台，浮台以可拆卸方式连接于作业母船上，采矿系统与浮台相连，采矿系统或浮台连接有用于使浮台下潜至水下的下潜控制装置。该深海矿产资源开采系统不需要拆卸整个系统即能够灵活方便的进行避风，能够快速灵活的应对台风等复杂的气象情况，具有使用寿命长、生产效率高、生产作业连续性好等优点。

Description

深海矿产资源开采系统

技术领域

本发明涉及水下采矿设备技术领域，具体涉及一种深海矿产资源开采系统。

背景技术

21世纪是海洋世纪，海洋是人类可持续发展所需要的能源、矿物和生物的战略资源基地，其中，国际海底区域占地球表面积的49%，蕴藏多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等丰富的矿产资源和生物资源，是日益枯竭的陆地资源的可靠接替。

海洋矿产资源开采技术最早开始于上世纪70年代，由于西方工业社会迅猛发展，对资源的需求日益膨胀，为了抢占海底矿产资源，技术发达国家以多金属结核为主要开采对象，进行了大量并具有一定规模的海洋矿产资源开采海试试验。

由于多金属结核等海洋矿产资源赋存于3000～6000m左右深的海底，要开采就必须要有可行的采矿系统。因此世界各国均把发展可靠的采矿系统放在优先位置，并对此进行了大量的试验研究，有的甚至还进行了深海中期采矿试验。从二十世纪六十年代末至今，国际上已开发和试验了的大洋采矿系统主要分为连续绳斗(CLB)采矿系统、海底遥控车采矿系统（穿梭艇式采矿系统）和流体提升式采矿系统。其中：

连续绳斗采矿系统比较简单，主要由采矿船、拖缆、索斗和牵引机组成，按一定间隙，把索斗系于拖缆上并放入海底，拖缆在牵引机的拖动下带着索斗做下行、铲取和上行动作，这种无级绳式循环运转就构成了连续采集环路，实现了海底多金属结核连续开采的目标。

海底遥控车采矿系统中，海底遥控车为无人驾驶潜水采矿车，主要由集矿机构、自行推进、浮力控制和压载四大系统组成，在海面母船的监控下，采矿车按照指令潜入海底采集结核，边采集结核边排放压舱物；装满结核后浮出水面并到母船接受仓卸下结核，待装好压舱物后又进行下一个作业循环。这种采矿车不用提升系统，通常海面母船可控制数台采矿车作业。

流体提升式采矿系统是美国KENNECOTT、OMA、OMI、OMCO 四个财团历经约10年开发出来的，是目前国际上较为公认最具有工业应用前景的流体提升采矿系统，其一般由集矿子系统、管道提升子系统及水面支持子系统等组成。在该系统中，在采集技术上开发了水力式、机械式和复合式采集头，在行走技术方面有拖曳式和自行式，自行式的主要驱动方式有阿基米德螺旋式、履带式等；在提升方面，对水力提升和气力提升进行了研究，研制出了六级混流式深潜电泵；监控系统，主要是针对海底集矿子系统作业过程进行测控；水面支持子系统，大多是采用科考船、钻探船或打捞船来改装。这些采矿系统通过一系列的深海采矿系统海试（最深达5500m），获得了较多的多金属结核样品（550t），验证了深海采矿技术上的可行性，打通了深海采矿系统的流程。

但以上采矿系统并不成熟，其可靠性、稳定性均得不到保障，经济性则更差。作业时，采矿船拖曳水下系统进行水下矿产资源的采集。采矿设备安装时，需按顺序将集矿车、输送软管、中间舱、扬矿泵、输送立管逐级布放安装，这种安装方式对管道要求极高，且每一个功能块不可拆卸，难以维护，各系统的寿命也不等，形成短板。此外，多金属结核矿区为台风频发区，气象条件多变，而现有采矿系统大多在良好的海洋环境内试验，在遇到大风浪等海上恶劣天气时，采矿船需拖曳整个系统躲避风浪，或者再逐级把设备回收至船上进行避风，系统拆装费时，严重影响作业的连续性。并且，现有采矿系统的制造成本以及维护费用很高，作业要求较高且对海上风浪天气敏感。

因此，需研制一种成本低、作业要求低且安全性能更高的采矿系统，以满足商业化开采海底矿产资源的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种不需要拆卸整个系统即能够灵活方便的进行避风、使用寿命长、可大大提高生产效率、降低对生产作业连续性的影响的深海矿产资源开采系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种深海矿产资源开采系统，包括作业母船和采矿系统，还包括浮台，所述浮台以可拆卸方式连接于所述作业母船上，所述采矿系统与所述浮台相连，所述采矿系统或浮台连接有用于使浮台下潜至水下的下潜控制装置。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述浮台为能调节浮力大小的浮起平台。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述浮台包括具有封闭内腔的箱体，所述箱体安装有向箱体内注水或者将水排出箱体的水泵组件。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述浮台通过嵌套卡接方式与所述作业母船连接。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述浮台通过嵌套卡接方式与所述作业母船连接具体为，在所述作业母船设有一用于嵌入浮台的嵌入凹槽，所述作业母船和浮台之间设有一套以上用于防止浮台脱出嵌入凹槽的锁止机构；所述锁止机构包括设于浮台上的销孔以及安装于作业母船上的锁止销，所述锁止销与一伸缩驱动件相连并可由伸缩驱动件驱动伸入或脱离所述销孔。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述下潜控制装置包括锚、绳缆以及安装于采矿系统或浮台上的绞车，所述锚与绳缆的一端相连，所述绞车与绳缆的另一端相连并可卷绕或释放绳缆。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述浮台上连接有在下潜时漂浮在水面的信标和动力电缆。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述采矿系统通过升降补偿装置与所述浮台连接。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述采矿系统包括依次连接的硬管提升系统、中继站、输送软管和作业车，所述硬管提升系统连接于所述浮台上。

上述的深海矿产资源开采系统，优选的，所述硬管提升系统、中继站和浮台连接成一个整体作业模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的深海矿产资源开采系统将采矿系统安装连接在浮台上，浮台和作业母船采用可分离的连接方式，在遇到需避风等情况时只需将浮台及采矿系统与作业母船分离，再使浮台和采矿系统整体下潜至水下，即可使作业母船驶离，其不需要反复拆装整个系统，相比于传统的开采系统，能够大大降低拆装难度、减少拆装时间，从而能够实现快速灵活的应对，确保系统的安全性，还能够降低对生产作业连续性的影响，使生产效率大大得到提高；并且，整个系统不进行反复的拆装，能够延长系统的使用寿命。

附图说明

图1为深海矿产资源开采系统的结构示意图。

图2为深海矿产资源开采系统中作业母船的结构示意图。

图3为深海矿产资源开采系统中浮台的结构示意图。

图4为浮台与作业母船分离但未下潜时的结构示意图。

图5为浮台下潜后的结构示意图。

图例说明：

1、作业母船；11、嵌入凹槽；2、采矿系统；21、硬管提升系统；211、提升硬管；212、提升泵；22、中继站；23、输送软管；24、作业车；3、浮台；4、下潜控制装置；41、锚；42、绳缆；43、绞车。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图5所示，本实施例的深海矿产资源开采系统，包括作业母船1、采矿系统2和浮台3，其中，作业母船1和采矿系统2均为现有技术，采用国际深海采矿界公认的“采矿船-扬矿系统-集矿机”的基本架构，浮台3以可拆卸方式安装于作业母船1上，采矿系统2与浮台3相连，浮台3在于作业母船1分离时可漂浮在水面上，采矿系统2或浮台3还连接有下潜控制装置4，下潜控制装置4能控制浮台3下潜至水下或者上浮至水面以上。在采矿作业时，浮台3连接安装在作业母船1上，由作业母船1拖动浮台3及其连接的采矿系统2进行采矿作业；当需要应急避风时，将浮台3与作业母船1分离，再通过下潜控制装置4控制浮台3下潜至水下（大于30m的深度），即可使作业母船1驶离作业区避风；避风后作业母船1返回，通过下潜控制装置4控制浮台3上浮至水面，重新将浮台3与作业母船1对接即可恢复正常采矿作业。该深海矿产资源开采系统将采矿系统2安装连接在浮台3上，浮台3和作业母船1采用可分离的连接方式，在遇到需避风等情况时只需将浮台3及采矿系统2与作业母船1分离，再使浮台3和采矿系统2整体下潜至水下，即可使作业母船1驶离，其不需要反复拆装整个系统，相比于传统的开采系统，能够大大降低拆装难度、减少拆装时间，从而能够实现快速灵活的应对，确保系统的安全性，还能够降低对生产作业连续性的影响，使生产效率大大得到提高；并且，整个系统不进行反复的拆装，能够延长系统的使用寿命。

本实施例中，浮台3为能调节浮力大小的浮起平台，其具体包括具有封闭内腔的箱体，箱体安装有水泵组件，水泵组件可向箱体内注水或者将水排出箱体，通过控制箱体内的水量，即可调节浮台3的浮力大小，上述水泵组件采用现有技术，例如潜水泵等。在需要下潜时，向浮台3内注水使浮台3的浮力降低至低浮力状态，下潜控制装置4可以快速、容易的使浮台3下潜至水下，在需要与作业母船1对接时，将浮台3内的水排出，使浮台3的浮力增大，浮台3可带着采矿系统2上浮至水面上的预定高度，进而便于与作业母船1对接。

本实施例中，浮台3通过嵌套卡接方式与作业母船1连接。嵌套卡接方式具体为，在作业母船1设有一用于嵌入浮台3的嵌入凹槽11，作业母船1和浮台3之间设有一套以上用于防止浮台3脱出嵌入凹槽11的锁止机构；本实施例的锁止机构包括设于浮台3上的销孔以及安装于作业母船1上的锁止销，锁止销与一伸缩驱动件相连，伸缩驱动件可驱动锁止销伸入或脱离销孔，伸缩驱动件可以伸缩油缸。当锁止销伸入销孔时，将浮台3锁定在嵌入凹槽11中，当锁止销脱离销孔时，浮台3可以从嵌入凹槽11脱出。该种连接方式方便快速省力的拆装浮台3，且其采用的锁止机构结构简单、成本低、易于制作、工作稳定可靠。在其他实施例中，锁止机构还可以采用现有其他形式。

本实施例中，浮台3上连接有在下潜时上浮至水面的信标和动力电缆，便于实时定位与通讯控制。

本实施例中，下潜控制装置4包括锚41、绳缆42以及安装于采矿系统2或浮台3上的绞车43，锚41与绳缆42的一端相连，绞车43与绳缆42的另一端相连，绞车43动作可卷绕或释放绳缆42，进而达到下放和回收锚41的目的。在控制浮台3下潜时，先将锚41下放锚定在水底，然后在浮台3降低浮力后，绞车43做回收动作，由于浮台3的浮力较低，锚41锚定在水底不会脱离，绞车43与锚41之间的绳缆42会缩短，进而将浮台3拉入水中。该下潜控制装置4还起到将与作业母船1脱离的采矿系统2和浮台3锚定的作用，避免随意跑动。下潜控制装置4优选安装在中继站22上，可以降低绳缆42的长度，且下潜控制装置4的绞车43动作由中继站22中的控制装置进行控制。

本实施例中，采矿系统2通过升降补偿装置与浮台3连接，升降补偿装置可以采用现有技术，其包括安装在浮台3中部的井架，井架内安装有与采矿系统2相连的六自由度平台及球铰。由于海水的波动会使浮台3产生摆动和上下浮动运动，采用升降补偿装置连接采矿系统2和浮台3后，升降补偿装置可以实现自动补偿，能够保证采矿系统2的稳定性。

本实施例中，采矿系统2包括依次连接的硬管提升系统21、中继站22、输送软管23和作业车24（集矿机），硬管提升系统21连接于浮台3上，硬管提升系统21又包括提升硬管211和提升泵212。其中，硬管提升系统21、中继站22和浮台3构成一个整体作业模块（扬矿系统），嵌套在作业母船1上，并长期置于海上，避免传统开采系统的频繁拆装。该种模块化设计，可以在扬矿系统装配好后，由作业ROV将集矿机在水下对接到扬矿系统上，使集矿机安装过程简单化，并且遇到集矿机工作故障或者更滑集矿机时，不需拆装整体系统，回收更换集矿机即可，可提高系统整体寿命，降低拆装难度，减少维护时间，降低系统运营成本。采矿系统2的安装分为水面安装和水下安装，在海试系统设计中，安装下放程序设定为，首先从浮台3上利用工程船舶和升降平台按水下中继站22、提升硬管211、提升泵212、硬管的顺序逐级布放完成扬矿系统安装（在此过程中同时布放动力系统和监控系统），随后将集矿机与输送软管23在水面接装好，通过ROV将其布放至作业点，并利用ROV将集矿机上的动力信号脐带缆与水下中继站22上的脐带缆对接，从而完成机械系统、动力系统和测控系统的布放安装。

本实施例所采用的作业母船1为一种艏部单体尾部双体的品字型采矿工程船，即将船中部月池结构，变更为船尾可嵌套式结构，其尾部双体便于内嵌浮台3，艏部的单体可获较大的舱容用于储存采集到的结核。

本实施例的深海矿产资源开采系统采用安装和生产功能分离的模式，通过辅助工程船进行采矿系统2安装，能够减少作业母船1上设备安装的数量，降低作业母船1的设计难度，并使作业母船1具有更大的作业空间。

本发明的深海矿产资源开采系统可用于深海多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等深海金属矿产资源的开采。

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例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深海矿产资源开采系统，包括作业母船（1）和采矿系统（2），其特征在于：还包括浮台（3），所述浮台（3）以可拆卸方式连接于所述作业母船（1）上，所述采矿系统（2）与所述浮台（3）相连，所述采矿系统（2）或浮台（3）连接有用于使浮台（3）下潜至水下的下潜控制装置（4）。

2.根据权利要求1所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述浮台（3）为能调节浮力大小的浮起平台。

3.根据权利要求2所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述浮台（3）包括具有封闭内腔的箱体，所述箱体安装有向箱体内注水或者将水排出箱体的水泵组件。

4.根据权利要求1所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述浮台（3）通过嵌套卡接方式与所述作业母船（1）连接。

5.根据权利要求4所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述浮台（3）通过嵌套卡接方式与所述作业母船（1）连接具体为，在所述作业母船（1）设有一用于嵌入浮台（3）的嵌入凹槽（11），所述作业母船（1）和浮台（3）之间设有一套以上用于防止浮台（3）脱出嵌入凹槽（11）的锁止机构；所述锁止机构包括设于浮台（3）上的销孔以及安装于作业母船（1）上的锁止销，所述锁止销与一伸缩驱动件相连并可由伸缩驱动件驱动伸入或脱离所述销孔。

6.根据权利要求1所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述下潜控制装置（4）包括锚（41）、绳缆（42）以及安装于采矿系统（2）或浮台（3）上的绞车（43），所述锚（41）与绳缆（42）的一端相连，所述绞车（43）与绳缆（42）的另一端相连并可卷绕或释放绳缆（42）。

7.根据权利要求1所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述浮台（3）上连接有在下潜时漂浮在水面的信标和动力电缆。

8.根据权利要求1所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述采矿系统（2）通过升降补偿装置与所述浮台（3）连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述采矿系统（2）包括依次连接的硬管提升系统（21）、中继站（22）、输送软管（23）和作业车（24），所述硬管提升系统（21）连接于所述浮台（3）上。

10.根据权利要求9所述的深海矿产资源开采系统，其特征在于：所述硬管提升系统（21）、中继站（22）和浮台（3）连接成一个整体作业模块。