CN106884629B - 一种海底可燃冰钻式开采装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底可燃冰开采的专用设备，尤其涉及一种海底可燃冰钻式开采装备。本发明通过安装在前部的钻头旋转切削作用待开采矿层表面，通过驱动电机a带动钻头转动，刀片旋转切削采矿层，在磨削力的作用下，可燃冰从采矿层剥落，进入储矿腔，进入储矿腔内的可燃冰在螺杆机构运输下经由传送机构被送至矿基表面，在开采的同时完成运输的功能，具有较好的工作效率；此外，各个所述电机由安装在海底的发电装置进行供电，系统内部实现自主功能，环保节能。
Description
技术领域
本发明属于矿产开采设备，尤其涉及一种海底可燃冰钻式开采装备。
背景技术
可燃冰是人类在海底与冻土层之下发现的一种新型洁净资源。由小分子烃与液态水在较低温度和较高压力条件下形成的结晶水合物，分子式 MnH2O,M为气体分子，主要是CH4，含有少量的C2H6、C3H8等烃类。1m3可燃冰能分解释放出164m3(标准)天然气，全球估计可燃冰总体积量大约1.8×1016～2.1×1016m3，相当于全球已探明常规化石燃料总量2倍。
可燃冰的开采作为一个全新的研究领域，它具有非常巨大的资源潜力。特别是对深海区域的可燃冰的开采受限于完善的开采设备和成熟的开发方案，目前仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种能够在深海作业的、防水性能良好、工作效率较高的可燃冰钻式开采装备。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：一种海底可燃冰钻式开采装备，其包括圆柱形壳体、安装在所述壳体前端的钻头、设置在所述壳体内的传送机构和螺杆机构、以及安装在所述壳体后部数量不少于2组的尾部抵紧机构；所述壳体包括前封闭部和后开合部；所述螺杆机构安装在所述壳体的前封闭部内；所述传送机构安装在所述壳体的后开合部内；所述壳体外壁沿轴线等距转动连接有滚轮；所述滚轮的安装支座浮动设置并通过预紧弹簧与所述壳体连接；
所述钻头包括钻头基体、安装于所述钻头基体前部并伸出所述壳体前端的刀片，以及通过转动带驱动所述钻头基体转动的驱动电机a；
所述壳体内对应钻头基体位置成型有钻头基体安装基座；所述驱动电机a固定连接在所述钻头基体安装基座上；
所述钻头基体、钻头基体安装基座与壳体内壁间形成有用于存储所述刀片采掘下来的矿物块的储矿腔；
所述钻头基体安装基座后部沿所述壳体轴线方向安装有数量不少于4组的抵紧液压缸；所述抵紧液压缸后部固定连接在所述壳体内壁上，所述抵紧液压缸活动端通过螺纹连接在所述钻头基体安装基座上；
所述螺杆机构包括送料螺杆，安装在壳体内壁通过带传动连接所述送料螺杆的螺杆驱动电机；所述送料螺杆后部成型有出料口；所述送料螺杆前部伸入所述储矿腔内；所述壳体内壁对应所述出料口位置安装有传送机构；
所述传送机构包括传送带，固定连接在所述传送带上的多个倾斜运送料斗；
多个所述的倾斜运送料斗沿传送带长度方向等距布置；所述倾斜运送料斗斜向上开口；所述出料口的方向与所述倾斜运送料斗的开口相对；
所述尾部抵紧机构包括作用于工作支持面的抵紧支座，驱动所述抵紧支座上下运动的液压顶缸，以及驱动液压顶缸运动的顶缸驱动电机；所述顶缸驱动电机和液压顶缸通过安装基座螺纹连接在壳体上；所述液压顶缸下端与所述抵紧支座螺纹连接；所述壳体内在钻头基体安装基座和螺杆驱动电机之间位置安装有数量不少于4组的侧部抵紧机构；所述侧部抵紧机构包括侧部抵紧顶板，驱动所述侧部抵紧顶板垂直壳体壁面上下运动的液压缸，以及驱动液压缸的驱动电机b；
所述壳体内还安装有控制电路板，所述驱动电机a、螺杆驱动电机、顶缸驱动电机、驱动电机b与所述控制电路板电连接。
作为优选方案：所述出料口开口处固定连接有磁铁a，所述倾斜运送料斗上沿对应出料口开口位置固定连接有磁铁b。
作为优选方案：所述刀片沿所述钻头基体前端面周向等距布置，沿径向交错等距布置。
作为优选方案：各个所述电机由安装在海底的发电装置进行供电；所述发电装置包括有内燃机，与内燃机的输出轴连接的发电机；所述内燃机的进气端连接有混合器，混合器连接有氧气进气管和天然气进气管；所述内燃机的出气端连接有排气管，排气管的另一端连接有冷却除气罐；所述氧气进气管另一端连通到海面上，氧气进气管靠近混合器的位置安装有气泵a；所述天然气进气管与可燃冰开采井的出气管道相连通，天然气进气管靠近混合器的位置安装有气泵b；所述冷却除气罐为封闭的容器，冷却储气罐内下部储存有氢氧化钠饱和溶液；冷却储气罐内顶部安装有水淋喷头，所述排气管与冷却储气罐的上部连通；所述冷却储气罐下部连接有由海水进行冷却的冷却管道，冷却管道的另一端连接有喷淋水泵，喷淋水泵的出水端与水淋喷头连接。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：本发明通过安装在前部的钻头旋转切削作用待开采矿层表面，通过驱动电机a带动钻头转动，刀片旋转切削采矿层，在磨削力的作用下，可燃冰从采矿层剥落，进入储矿腔，进入储矿腔内的可燃冰在螺杆机构运输下经由传送机构被送至矿基表面，在开采的同时完成运输的功能，具有较好的工作效率；此外，各个所述电机由安装在海底的发电装置进行供电，系统内部实现自主功能，环保节能。
附图说明
图1是本发明经由海底矿井管道输送至开采区的状态示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明钻头组件、螺杆机构以及与其相连的其它机构示意图。
图4是本发明转头组件及尾部抵紧机构的示意图。
图5是本发明竖直开采工况图。
图6是本发明水平开采工况图。
图7是传输阶段传输机构的示意简图。
图8是发电装置的连接结构示意图。
图9是悬浮输电线的剖面结构示意图。
图10是电缆外皮的结构示意图。
1、开采装备；10、壳体；101、滚轮；102、预紧弹簧；11、钻头；110、刀片；111、储矿腔；112、钻头基体；113、转动带；114、驱动电机a；115、抵紧液压缸；12、传送机构；121、倾斜运送料斗；122、传送带；13、螺杆机构；131、螺杆驱动电机；132、送料螺杆；14、尾部抵紧机构；141、顶缸驱动电机；142、液压顶缸；143、抵紧支座；15、侧部抵紧机构；
G、海底岩石层；H、小型吊机；L、管道；M、可燃冰；N、管道固定支架；Z、抓斗；S1、开采阶段；S2、运输阶段；S3、吊升阶段。
具体实施方式
实施例1
根据图1~图4所示，一种海底可燃冰钻式开采装备，其包括圆柱形壳体10、安装在所述壳体前端的钻头11、设置在所述壳体内的传送机构12和螺杆机构13、以及安装在所述壳体后部数量不少于2组的尾部抵紧机构14；所述壳体包括前封闭部和后开合部；
所述螺杆机构13安装在所述壳体的前封闭部内；所述传送机构12安装在所述壳体的后开合部内；所述壳体外壁沿轴线等距转动连接有滚轮101；所述滚轮的安装支座浮动设置并通过预紧弹簧102与所述壳体连接；该结构能够使得本发明在工作时，壳体表面的滚轮与岩层面直接接触，运动过程中本发明与岩层面为滑动摩擦作用，且预紧弹簧能够使滚轮与凹凸不平的岩层面接触充分。
所述钻头包括钻头基体112、安装于所述钻头基体前部并伸出所述壳体前端的刀片110，以及通过转动带113驱动所述钻头基体转动的驱动电机a114；所述壳体内对应钻头基体位置成型有钻头基体安装基座；所述驱动电机a固定连接在所述钻头基体安装基座上；所述钻头基体、钻头基体安装基座与壳体内壁间形成有用于存储所述刀片采掘下来的矿物块的储矿腔111；所述钻头基体安装基座后部沿所述壳体轴线方向安装有数量不少于4组的抵紧液压缸115；所述抵紧液压缸后部固定连接在所述壳体内壁上，所述抵紧液压缸活动端通过螺纹连接在所述钻头基体安装基座上；当本发明钻头作用开采岩层面工作时，抵紧液压缸驱动所述钻头相对于所述壳体向前运动，使得旋转中的刀片作用在开采面上，通过旋转的刀片作用使矿体脱离，实现开采。
所述螺杆机构13包括送料螺杆132，安装在壳体内壁通过带传动连接所述送料螺杆132的螺杆驱动电机131；所述送料螺杆后部成型有出料口；所述送料螺杆前部伸入所述储矿腔内；所述壳体内壁对应所述出料口位置安装有传送机构；
所述传送机构包括传送带122，固定连接在所述传送带上的多个倾斜运送料斗121；多个所述的倾斜运送料斗沿传送带长度方向等距布置；所述倾斜运送料斗斜向上开口；所述出料口的方向与所述倾斜运送料斗的开口相对；当本发明处于垂直状态工作状态下，盛载于倾斜运送料斗内的矿产块不至于从料斗掉出。
所述尾部抵紧机构14包括作用于工作支持面的抵紧支座143，驱动所述抵紧支座上下运动的液压顶缸142，以及驱动液压顶缸运动的顶缸驱动电机141；所述顶缸驱动电机和液压顶缸通过安装基座螺纹连接在壳体上；所述液压顶缸下端与所述抵紧支座螺纹连接；当本发明的钻头刚接触开采岩层表面时，所述抵紧机构工作，与管道L或者非开采面抵紧，通过借助管道L或者非开采面的相对定位，使得本发明在开采初期能够为钻头对开采岩层面的开采的提供作用支点。
所述壳体内在钻头基体安装基座和螺杆驱动电机之间位置安装有数量不少于4组的侧部抵紧机构15；所述侧部抵紧机构包括侧部抵紧顶板，驱动所述侧部抵紧顶板垂直壳体壁面上下运动的液压缸，以及驱动液压缸的驱动电机b；当本发明随着开采进度进入矿体一定距离，侧部抵紧机构开始启动工作，侧部抵紧顶板与矿体内壁相抵，尾部抵紧机构关闭，抵紧支座与作用面脱开，此时侧部抵紧机构代替尾部抵紧机构为本发明的钻头对开采岩层面的开采提供作用支点。
所述壳体内还安装有控制电路板，所述驱动电机a、螺杆驱动电机、顶缸驱动电机、驱动电机b与所述控制电路板电连接。
所述出料口开口处固定连接有磁铁a，所述倾斜运送料斗上沿对应出料口开口位置固定连接有磁铁b；当倾斜运送料斗运动至与所述出料口出口对应位置时，磁铁a与磁铁b相吸，出料口与倾斜运送料斗顺利接合，矿产块能够顺利地从出料口流入倾斜运送料斗，倾斜运送料斗在转动带的带动下，磁铁a与磁铁b渐渐脱离，出料口上的磁铁a与下一个倾斜运送料斗上的磁铁b吸合，重复装料过程。
所述刀片沿所述钻头基体前端面周向等距布置，沿径向交错等距布置。周向布置，每组刀片数量在8~20片；径向交错等布置有的刀片组数为3~5组。
实施例2
根据图1、图5所示，一种使用实施例1所述开采装备进行海底可燃冰钻式开采的方法，该方法包括开采阶段S1、吊升阶段S3；所述开采装备1通过架设在海底的管道L运输至待开采矿层区，其中管道L在海底岩石层G区域通过管道固定支架N固定连接在所述海底岩石层上；在开采阶段S1，开采装备1通过尾部抵紧机构和/或侧部抵紧机构的支撑，钻头作用待开采矿层，通过驱动电机a带动钻头转动，刀片旋转切削采矿层，在磨削力的作用下，可燃冰M从采矿层剥落，进入储矿腔，进入储矿腔内的可燃冰在螺杆机构运输下经由传送机构被送至矿基表面，并在矿基表面堆积；在吊升阶段S3，安装在管道L内的小型吊机H通过抓斗Z直接抓取堆积在矿基表面上的可燃冰M，所述抓斗Z上安装有伺服电机通过吊机吊升到下一个转运平台，经过多个吊升阶段最终达到海面上。该开采方法适用于海底开采中的垂直作业工况。
实施例3
根据图1、图6、图7所示，一种使用实施例1所述开采装备进行海底可燃冰钻式开采的方法，该方法包括开采阶段S1、运输阶段S2、吊升阶段S3；
所述开采装备1通过架设在海底的管道L运输至待开采矿层区，其中管道L在海底岩石层G区域通过管道固定支架N固定连接在所述海底岩石层上；在开采阶段S1，开采装备1通过尾部抵紧机构和/或侧部抵紧机构的支撑，钻头作用待开采矿层，通过驱动电机a带动钻头转动，刀片旋转切削采矿层，在磨削力的作用下，可燃冰M从采矿层剥落，进入储矿腔，进入储矿腔内的可燃冰在螺杆机构运输下经由传送机构被送至运输阶段S2中的水平传送带上；在运输阶段S2，水平传动带（可通过水下机器人水平直线布置或者曲线布置）将采掘的可燃冰运输至吊升集中点；在吊升阶段S3，吊升集中点的集中箱根据重量传感器的回传数据发出触发信号，达到相应重量的集中箱由吊升管道直接调离，直至达到海面上。该开采方法使用与海底开采中的水平作业工况。
实施例4
结合图8所示，本实施例在实施例1或2或3的基础上做了如下改进，各个所述电机（包括驱动电机a、螺杆驱动电机、顶缸驱动电机、驱动电机b、抓斗伺服电机）由安装在海底的发电装置进行供电；所述发电装置包括有内燃机21，与内燃机的输出轴连接的发电机22；所述内燃机的进气端连接有混合器23，混合器连接有氧气进气管和天然气进气管；所述内燃机的出气端连接有排气管，排气管的另一端连接有冷却除气罐26；所述氧气进气管另一端与氧气瓶连接，氧气进气管靠近混合器的位置安装有气泵a25；所述天然气进气管与可燃冰开采井的出气管道相连通，天然气进气管靠近混合器的位置安装有气泵b24；所述冷却除气罐为封闭的容器，冷却储气罐内下部储存有氢氧化钠饱和溶液；冷却储气罐内顶部安装有水淋喷头27，所述排气管与冷却储气罐的上部连通；所述冷却储气罐下部连接有由海水进行冷却的冷却管道28，冷却管道的另一端连接有喷淋水泵29，喷淋水泵的出水端与水淋喷头连接。
所述可燃冰开采井指的是使用减压法开采可燃冰时所钻探的开采井。当开采井气源不足时，可改为以下方式供给天然气：将开采到的固态可燃冰放入封闭容器内使用电加热方式使固态可燃冰受热分解气化产生天然气供给内燃机工作。
进一步地，冷却管道可设置在封闭容器外使用余热对封闭容器进行加热。
实施例5
结合图9和图10所示，本实施例在实施例1或2或3或4的基础上作出以下改进：所述开采装备通过悬浮输电线8供电，所述悬浮输电线包括有绝缘材质的电缆外皮81，电缆外皮内沿长度方向成型有隔离层，电缆外皮内位于隔离层两侧分别为输电线腔体811和充气腔体812，所述输电线腔体内穿设有2根以上的输电线82，所述充气腔体内穿设有两根电解导体84，两根电解导体穿设在用以将两个电解导体相隔离的吸水海绵条83内，所述充气腔内填充有弱碱性溶液，如PH值为8的氢氧化钠溶液。
所述电缆外皮位于充气腔内沿长度方向等距成型有隔层，相邻隔层的距离为0.2-1m。在隔层位置不设置吸水海绵条，两个电解导体与隔层之间密封连接。
两个所述电解导体通直流电使得充气腔内的水电解产生氢气和氧气，使得充气腔体积变大。当悬浮输电线受到的浮力大于悬浮输电线自身的重力后，一端与海底可燃冰破碎设备相连的悬浮输电线便可悬浮于海水中，不会对海底可燃冰破碎设备的移动造成影响，也很好避免了海底可燃冰破碎设备工作时对输电线造成意外损坏。
Claims (3)
1.一种海底可燃冰钻式开采装备，其特征在于：其包括圆柱形壳体、安装在所述壳体前端的钻头、设置在所述壳体内的传送机构和螺杆机构、以及安装在所述壳体后部数量不少于2组的尾部抵紧机构；
所述壳体包括前封闭部和后开合部；
所述螺杆机构安装在所述壳体的前封闭部内；
所述传送机构安装在所述壳体的后开合部内；
所述壳体外壁沿轴线等距转动连接有滚轮；所述滚轮的安装支座浮动设置并通过预紧弹簧与所述壳体连接；
所述钻头包括钻头基体、安装于所述钻头基体前部并伸出所述壳体前端的刀片，以及通过转动带驱动所述钻头基体转动的驱动电机a；
所述壳体内对应钻头基体位置成型有钻头基体安装基座；所述驱动电机a固定连接在所述钻头基体安装基座上；
所述钻头基体、钻头基体安装基座与壳体内壁间形成有用于存储所述刀片采掘下来的矿物块的储矿腔；
所述钻头基体安装基座后部沿所述壳体轴线方向安装有数量不少于4组的抵紧液压缸；所述抵紧液压缸后部固定连接在所述壳体内壁上，所述抵紧液压缸活动端通过螺纹连接在所述钻头基体安装基座上；
所述螺杆机构包括送料螺杆，安装在壳体内壁通过带传动连接所述送料螺杆的螺杆驱动电机；所述送料螺杆后部成型有出料口；所述送料螺杆前部伸入所述储矿腔内；
所述壳体内壁对应所述出料口位置安装有传送机构；
所述传送机构包括传送带，固定连接在所述传送带上的多个倾斜运送料斗；
多个所述的倾斜运送料斗沿传送带长度方向等距布置；所述倾斜运送料斗斜向上开口；所述出料口的方向与所述倾斜运送料斗的开口相对；
所述尾部抵紧机构包括作用于工作支持面的抵紧支座，驱动所述抵紧支座垂直壳体壁面上下运动的液压顶缸，以及驱动液压顶缸运动的顶缸驱动电机；所述顶缸驱动电机和液压顶缸通过安装基座螺纹连接在壳体上；所述液压顶缸下端与所述抵紧支座螺纹连接；所述壳体内在钻头基体安装基座和螺杆驱动电机之间位置安装有数量不少于4组的侧部抵紧机构；所述侧部抵紧机构包括侧部抵紧顶板，驱动所述侧部抵紧顶板垂直壳体壁面上下运动的液压缸，以及驱动液压缸的驱动电机b；
所述壳体内还安装有控制电路板，所述驱动电机a、螺杆驱动电机、顶缸驱动电机、驱动电机b与所述控制电路板电连接。
2.如权利要求1所述的一种海底可燃冰钻式开采装备，其特征在于：所述出料口开口处固定连接有磁铁a，所述倾斜运送料斗上沿对应出料口开口位置固定连接有磁铁b。
3.如权利要求1所述的一种海底可燃冰钻式开采装备，其特征在于：所述刀片沿所述钻头基体前端面周向等距布置，沿径向交错等距布置。
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