CN107701190A - 一种基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，包括切削喷嘴、提升管、提升喷嘴、高压水泵、高压舱，提升管底部设有集矿罩，集矿罩下部设有切削喷嘴支座，切削喷嘴支座上设有切削喷嘴，切削喷嘴的出口正对多金属硫化物矿体，提升管中部设有提升喷嘴支座，提升喷嘴支座上设提升喷嘴，提升喷嘴的出口伸入提升管内部且方向朝上；高压水泵经单向阀与高压舱相连，高压舱分别与切削喷嘴、提升喷嘴相连。本发明集成了切削功能和集矿功能，工作时切削过程和集矿过程是同时进行的，切削过程和集矿过程无缝连接；降低了切削过程和集矿过程不同步导致多金属硫化物颗粒向海水扩散的可能，最大限度减小了采矿过程对海底环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及海底采矿设备领域，特别涉及一种基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置。
背景技术
海底多金属硫化物是继海底多金属结核、富钴结壳之后被发现和认识的一种新的海底矿产资源，其富含铜、锌、金、银等金属。海底多金属硫化物赋存水深浅、距离陆地较近，经济价值高，具有较好的商业开采价值。根据相关的国际公约，商业开采海底多金属硫化物需要将切削过程和集矿过程中对海底环境造成的扰动控制在一定的范围，尽可能减小采矿过程对海底环境造成的影响。采矿过程中有两个环节容易对海底环境造成影响，一是切削过程，切削过程中多金属硫化物颗粒的运动方向具有随机性，如果不能采取有效的控制方法，切削过程中产生的多金属硫化物颗粒将扩散到海水中，对海底环境造成污染；二是集矿过程，集矿过程中如果不能控制多金属硫化物颗粒的流动方向，会导致多金属硫化物颗粒扩散到海水中，对海底环境造成污染。
海底多金属硫化物是赋存在海底的大块固体矿物，其采矿过程涉及切削过程和集矿过程，切削过程的任务是从多金属硫化物矿床上切出多金属硫化物颗粒，集矿过程的任务是将多金属硫化物颗粒收集起来并送入提升管。现有海底矿物采矿装备将海底矿物的切削过程和集矿过程视为两个单独的过程，切削过程研究注重提高切削效率，集矿过程研究注重提高集矿效率，没有综合考虑采矿效率和采矿过程对海底环境造成的扰动。
专利CN 205172582 U发明了一种海底集矿车，采用水射流松动海底颗粒矿物，采用矿浆泵提升颗粒矿物，减小了集矿过程对海底环境造成的影响，同时还降低了集矿过程的能耗。但是该专利只涉及集矿过程，没有给出海底固体矿物切削过程的技术方案和切削过程中如何减小多金属硫化物颗粒扩散的技术方案。由此可见，有必要研制一种能同时减小采矿过程和集矿过程对海底环境造成影响的采矿装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便、对海底环境污染小的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，包括切削喷嘴、集矿罩、提升管、提升喷嘴、高压水泵、单向阀、高压舱、切削喷嘴支座、提升喷嘴支座，所述提升管竖直设置，提升管底部设有集矿罩，集矿罩下部设有切削喷嘴支座，切削喷嘴支座中间设有孔，切削喷嘴支座周向均匀设有多个切削喷嘴，切削喷嘴的出口朝下并正对多金属硫化物矿体，所述提升管中部设有提升喷嘴支座，提升喷嘴支座上设多个提升喷嘴，提升喷嘴的出口伸入提升管内部且方向朝上；所述高压水泵经单向阀与高压舱的入口相连，高压舱的出口分别与切削喷嘴、提升喷嘴相连，提升喷嘴射出的高压水流进入提升管，在提升管中产生垂直向上运动的提升流场，同时在集矿罩下方形成从四周向中心汇聚的收集流场。
上述基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，所述切削喷嘴出口朝内侧倾斜，切削喷嘴中心线与提升管中心线的夹角为30°~45°。
上述基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，所述提升喷嘴中心线与提升管中心线的夹角为25°~30°。
上述基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，所述集矿罩为上端小、下端大的中空圆锥台。
上述基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，所述切削喷嘴的数量为6个，且呈环形分布在切削喷嘴支座上。
上述基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，所述提升喷嘴的数量为2个，且对称分布在提升喷嘴支座上。
本发明的有益效果在于：
1、本发明集成了切削功能和集矿功能，工作时切削过程和集矿过程是同时进行的，切削过程和集矿过程无缝连接；降低了切削过程和集矿过程不同步导致多金属硫化物颗粒向海水扩散的可能，最大限度减小了采矿过程对海底环境的污染。
2、本发明的切削喷嘴和提升喷嘴共用高压水泵作为动力源，简化了采矿装置的结构，降低了装置的成本。
3、本发明的切削喷嘴的出口正对多金属硫化物矿体并向内侧倾斜，通过控制切削喷嘴中心线与提升管中心线的夹角，将切削过程中产生的多金属硫化物颗粒的运动方向朝向集矿罩内部；降低了多金属硫化物颗粒向海水扩散的可能。
4、本发明提升喷嘴的出口伸入提升管内部且方向朝上，提升喷嘴射出的高压水流进入提升管，在提升管中产生垂直向上运动的提升流场，同时在集矿罩下方形成从四周向中心汇聚的收集流场；降低了多金属硫化物颗粒向海水扩散的可能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1中切削喷嘴支座的俯视图。
图3为本发明的切削喷嘴中心线与提升管中心线的夹角示意图。
图4为本发明的提升喷嘴中心线与提升管中心线的夹角示意图。
图5为本发明的提升过程中流场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图2所示，本发明包括切削喷嘴3、集矿罩4、提升管5、提升喷嘴6、高压水泵7、单向阀8、高压舱9、切削喷嘴支座10、提升喷嘴支座11，所述提升管5竖直设置，提升管5底部设有集矿罩4，所述集矿罩4为上端小、下端大的中空圆锥台。集矿罩4下部设有切削喷嘴支座10，切削喷嘴支座10中间设有孔12，切削喷嘴支座10周向呈环形布设有6个切削喷嘴3，切削喷嘴3的出口朝下并正对多金属硫化物矿体1，所述提升管5中部设有提升喷嘴支座11，提升喷嘴支座11上对称设有2个提升喷嘴6，提升喷嘴6的出口伸入提升管5内部且方向朝上；所述高压水泵7经单向阀8与高压舱9的入口相连，高压舱9的出口分别与切削喷嘴3、提升喷嘴6相连，提升喷嘴6射出的高压水流进入提升管5，在提升管5中产生垂直向上运动的提升流场，同时在集矿罩4下方形成从四周向中心汇聚的收集流场。
如图3所示，所述切削喷嘴3出口朝内侧倾斜，切削喷嘴3中心线与提升管5中心线的夹角为30°。如图4所示，所述提升喷嘴6中心线与提升管5中心线的夹角为30°。
本发明的工作原理如下：在整个采矿过程中，提升管5始终处于竖直状态，不随海底地形变化而改变，并且提升管5可以根据采矿过程的需要在水平方向和垂直方向移动。如图5所示，高压水泵7启动后，从高压舱9输出的高压射流同时进入切削喷嘴3和提升喷嘴6，从切削喷嘴3射出的高压水流对多金属硫化物矿体1产生切削作用，多金属硫化物矿体1在高压水流切削作用下产生多金属硫化物颗粒2，由于切削喷嘴3中心线与提升管5中心线的夹角为30°，因此切削过程产生的多金属硫化物颗粒2的运动方向大多朝向集矿罩4内部，减小了多金属硫化物颗粒2向海水中扩散的机会，同时为多金属硫化物颗粒2的顺利收集和提升奠定了基础；从提升喷嘴6射出的高压水流进入提升管5后，由于提升喷嘴6中心线与提升管5中心线的夹角为30°，不仅在提升管5中产生垂直向上运动的提升流场，同时还在集矿罩4下方构建了从四周向中心汇聚的收集流场，切削过程产生的多金属硫化物颗粒2在收集流场和提升流场作用下，从集矿罩4的下方进入提升管5，从而减小了集矿过程中多金属硫化物颗粒2向海水中扩散的机会。从上述过程可以看出，本发明工作时切削过程和集矿过程是同时进行的，切削过程和集矿过程无缝连接，降低了切削过程和集矿过程多金属硫化物颗粒2向海水扩散的可能，最大限度减小了采矿过程对海底环境的污染。
Claims (6)
1.一种基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：包括切削喷嘴、集矿罩、提升管、提升喷嘴、高压水泵、单向阀、高压舱、切削喷嘴支座、提升喷嘴支座，所述提升管竖直设置，提升管底部设有集矿罩，集矿罩下部设有切削喷嘴支座，切削喷嘴支座中间设有孔，切削喷嘴支座周向均匀设有多个切削喷嘴，切削喷嘴的出口朝下并正对多金属硫化物矿体，所述提升管中部设有提升喷嘴支座，提升喷嘴支座上设多个提升喷嘴，提升喷嘴的出口伸入提升管内部且方向朝上；所述高压水泵经单向阀与高压舱的入口相连，高压舱的出口分别与切削喷嘴、提升喷嘴相连，提升喷嘴射出的高压水流进入提升管，在提升管中产生垂直向上运动的提升流场，同时在集矿罩下方形成从四周向中心汇聚的收集流场。
2.根据权利要求1所述的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：所述切削喷嘴出口朝内侧倾斜，切削喷嘴中心线与提升管中心线的夹角为30°~45°。
3.根据权利要求1所述的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：所述提升喷嘴中心线与提升管中心线的夹角为25°~30°。
4.根据权利要求1所述的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：所述集矿罩为上端小、下端大的中空圆锥台。
5.根据权利要求1所述的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：所述切削喷嘴的数量为6个，且呈环形分布在切削喷嘴支座上。
6.根据权利要求1所述的基于高压水射流的海底多金属硫化物采矿装置，其特征在于：所述提升喷嘴的数量为2个，且对称分布在提升喷嘴支座上。
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