CN110439566B - 一种非连续式海底采矿系统及其采矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非连续式海底采矿系统及其采矿方法，采矿系统包括水面母船、漂浮在海面上的动力平台、一台以上具有料仓的采矿车和一个以上用于投放到海底的储矿容器，水面母船上设有用于投放和回收储矿容器的收放装置，各采矿车与动力平台通过电力和信息传输线缆相连以获取动力和传送控制信息，非连续式海底采矿系统还包括用于将各采矿车采集的矿物输送至储矿容器的转运装置。采矿方法是在布放好动力平台、采矿车和储矿容器后，利用转运装置先将采矿车采集的矿物转送至储矿容器，再将装满矿物的储矿容器回收至水面母船进行卸矿。本发明具有结构简单、能耗低、运营成本低、风浪适应能力强、环保性好、适用性强、安全性与可靠性高等优点。

Description

一种非连续式海底采矿系统及其采矿方法

技术领域

本发明涉及水下矿产资源开采装备技术领域，具体涉及一种非连续式海底采矿系统及其采矿方法。

背景技术

占地球表面71％的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，随着陆地矿产资源的日益枯竭，开发利用海洋矿产资源将成为未来经济发展的必然选择。其中，位于海底的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物以及富稀土沉积物等矿物富含多种金属元素，资源品位较高且储量巨大，极具商业开采价值。

目前，较为流行的海底采矿系统一般由具有一定动力和矿物储存能力的水面母船，及其携带的采集矿子系统和管道式提升子系统等组成。该采矿系统通过多个采矿车在海底采集和破碎矿物，并将其输送至位于提升子系统底部的中继仓内；然后再将中继仓内的矿物通过一定的方法提升至水面母船；矿物在水面母船上经过初步处理后，再由运输船转运至陆地进行矿物加工。

管道式输送技术广泛用于固体矿浆输送领域，但由于对矿浆浓度、粒径和输送速度等有着较高要求，其输送所需能耗高、效率较低，且存在管道堵塞风险而严重影响了其安全性，成为采矿系统的技术瓶颈。此外，矿物在提升之前需先进行破碎以满足提升系统对粒径的要求，破碎后的小粒径矿物在输送至中继仓过程中易造成外溢和扩散，影响海洋环境。

由于深度的增加，提升系统往往尺寸巨大，对水面母船要求较高，需要足够大甲板空间用于提升系统的布放和回收，且需要足够大的排水量以承载提升系统的重量，导致采矿系统运营成本较高。此外，采矿车与提升系统、水面母船通过串联方式连接，任一环节出现问题将导致整个采矿作业的中止，由此产生的停机损失大、维护成本高；遇到大风浪等海上恶劣天气时，水面母船还需带着整个采矿系统躲避风浪，进一步影响了该采矿系统作业的经济性。

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，提供一种结构简单、能耗低、运营成本低、风浪适应能力强、环保性好、适用性强、安全性与可靠性高的非连续式海底采矿系统，还相应提供一种该非连续式海底采矿系统的采矿方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种非连续式海底采矿系统，包括水面母船、漂浮在海面上的动力平台、一台以上具有料仓的采矿车和一个以上用于投放到海底的储矿容器，所述水面母船上设有用于投放和回收储矿容器的收放装置，各采矿车与所述动力平台通过电力和信息传输线缆相连以获取动力和传送控制信息，所述非连续式海底采矿系统还包括用于将各采矿车采集的矿物输送至储矿容器的转运装置。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述转运装置为一个以上AUV水下转运设备，所述采矿车的料仓和储矿容器均设有用于与AUV水下转运设备对接输送矿物的可开闭进出料口。

所述采矿车上设有由动力平台供给电源的第一充电接口，所述AUV水下转运设备设有用于与所述充电接口可拆卸匹配对接的第二充电接口。

所述转运装置包括输矿软管，各采矿车通过所述输矿软管与至少一个储矿容器相连。

所述储矿容器具有可开闭的进出料口，所述输矿软管以可拆卸方式与所述进出料口相连，且输矿软管设有用于驱使输矿软管与进出料口相连的一端移动的水下推进装置。

所述收放装置为起重设备。

所述储矿容器上设有第一水平推进装置、姿态调节装置、第一导航定位装置、吊点对接装置和电池装置，所述电池装置与水平推力装置、姿态调节装置和定位装置相连进行供电。

所述动力平台采用半潜方式漂浮于海面；所述动力平台上设有第二水平推进装置、第二导航定位装置、通讯装置、控制器、动力电站以及用于收放电力和信息传输线缆的缆绞车。

一种采用上述的非连续式海底采矿系统进行采矿的采矿方法，所述采矿方法具体是通过水面母船将储矿容器投放到海底指定位置，将动力平台布放至海中，并将采矿车布放至海底；采矿车在海底运动进行采矿作业，并将矿物存放于采矿车的料仓内；当采矿车的料仓内矿物达到一定重量时，利用转运装置将矿物转送至储矿容器；在储矿容器内装满矿物后，择机利用收放装置将储矿容器回收至水面母船进行卸矿。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的非连续式海底采矿系统可将海底集矿和水下提升矿物分阶段执行，作业时利用水面母船将采矿车和储矿容器投放到海底，使动力平台漂浮在海面上，采矿车在海底采矿作业并通过转运装置将采集的矿物输送至储矿容器，待储矿容器内装满矿物后，择机利用收放装置将储矿容器整体回收至水面母船进行卸矿即可。水面母船仅需在开采前以及储矿容器回收时集中展开作业，其余时段无需水面母船作业，且水面母船可根据作业海域气象条件、船舶租赁价格等因素合理选择作业时段，运营成本大幅降低；采矿车由漂浮在海面上的动力平台提供动力，具有更好的风浪适应能力；将采集的矿物先存放到储矿容器中再通过收放装置整体提升，采集的矿物无需破碎以及水面复杂预处理，其结构简单、能耗更低，对海洋环境更加友好；并且整个采矿系统为非连续系统，任意环节出现故障均不影响整个采矿作业的进行，安全性与可靠性更高，适用性强，可有效应用于海底多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物以及富稀土沉积物等矿产资源的开采。

附图说明

图1为实施例1中非连续式海底采矿系统的结构示意图。

图2为实施例2中非连续式海底采矿系统的结构示意图。

图例说明：

1、水面母船；11、起重设备；2、动力平台；3、采矿车；4、储矿容器；5、电力和信息传输线缆；6、AUV水下转运设备；7、输矿软管；8、浮力部件。

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。

实施例1：

如图1所示，本实施例的非连续式海底采矿系统，包括水面母船1、漂浮在海面上的动力平台2、多台具有料仓的采矿车3和多个用于投放到海底的储矿容器4，水面母船1上设有用于投放和回收储矿容器4的收放装置，各采矿车3与动力平台2通过电力和信息传输线缆5相连以获取动力和传送控制信息，该非连续式海底采矿系统还包括用于将各采矿车3采集的矿物输送至储矿容器4的转运装置。该非连续式海底采矿系统可将海底集矿和水下提升矿物分阶段执行，作业时利用水面母船1将采矿车3和储矿容器4投放到海底，使动力平台2漂浮在海面上，采矿车3在海底采矿作业并通过转运装置将采集的矿物输送至储矿容器4，待储矿容器4内装满矿物后，择机利用收放装置将储矿容器4整体回收至水面母船1进行卸矿即可。水面母船1仅需在开采前以及储矿容器4回收时集中展开作业，其余时段无需水面母船1作业，且水面母船1可根据作业海域气象条件、船舶租赁价格等因素合理选择作业时段，运营成本大幅降低；采矿车3由漂浮在海面上的动力平台2提供动力，具有更好的风浪适应能力；将采集的矿物先存放到储矿容器4中再通过收放装置整体提升，采集的矿物无需破碎以及水面复杂预处理，其结构简单、能耗更低，对海洋环境更加友好；并且整个采矿系统为非连续系统，任意环节出现故障均不影响整个采矿作业的进行，安全性与可靠性更高，适用性强，可有效应用于海底多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物以及富稀土沉积物等矿产资源的开采。

本实施例中，转运装置为一个以上AUV水下转运设备6，采矿车3的料仓和储矿容器4均设有用于与AUV水下转运设备6对接输送矿物的可开闭进出料口。当海底矿物分布较为分散时，采用AUV水下转运设备6可使结构简单、节省成本、保证矿物转运稳定可靠性。上述AUV水下转运设备6为现有技术，其包括小型料仓、电池、推进装置、定位装置、通讯装置、控制单元、浮力调节装置，小型料仓具有与采矿车3的料仓和储矿容器4的可开闭进出料口匹配对接的进出口。与采矿车3对接后，可将采矿车3料仓排放的矿物输送至AUV水下转运设备6上的小型料仓内。AUV水下转运设备6通过浮力调节装置调节至零浮力状态，根据接收到的位置信息向储矿容器4移动并与其对接，并将小型料仓内矿物排放至储矿容器4内。AUV水下转运设备6在采矿车3与储矿容器4之间来回穿梭，以保证采矿车3料仓内矿物能及时转运至储矿容器4内。

本实施例中，采矿车3上设有由动力平台2供给电源的第一充电接口，AUV水下转运设备6设有用于与充电接口可拆卸匹配对接的第二充电接口。当AUV水下转运设备6电力不足时，可通过使第二充电接口与采矿车3上的第一充电接口对接进行充电。

本实施例中，收放装置为起重设备11。

本实施例中，储矿容器4上设有第一水平推进装置、姿态调节装置、第一导航定位装置、吊点对接装置和电池装置，电池装置与水平推力装置、姿态调节装置和定位装置相连进行供电。在将储矿容器4下方到海底的下降阶段，储矿容器4可根据定位和姿态信息对其位置进行调整，以确保其着底于指定位置。此外，为了便于在水面母船1存放，储矿容器4优先采用可叠套设计。

本实施例中，动力平台2采用半潜方式漂浮于海面，其稳定性好，受风浪影响小，且便于收放以及检修维护；动力平台2上设有第二水平推进装置、第二导航定位装置、通讯装置、控制器、动力电站以及用于收放电力和信息传输线缆5的缆绞车。动力平台2可接收远程控制指令和海底采矿车3实时位置信息，并对采矿车3的采矿路径和动力平台2的移动进行控制。

本实施例中，采矿车3采用现有技术，其由行走机构、集矿装置、浮力单元、导航定位系统、液压系统、动力与控制系统、充电对接装置、辅助机构、机架和料仓等部分组成。非连续式海底采矿系统中采矿车3数量一般多于1台，以具备一定冗余度。本实施例中，水面母船1和采矿车3上也设有导航定位装置，与前述第一导航定位装置和第二导航定位装置相互之间通过水声通信和定位。

一种采用本实施例的非连续式海底采矿系统进行采矿的采矿方法，该采矿方法具体是通过水面母船1将储矿容器4投放到海底指定位置，将动力平台2布放至海中，并将采矿车3布放至海底；采矿车3在海底运动进行采矿作业，并将矿物存放于采矿车3的料仓内；当采矿车3的料仓内矿物达到一定重量时，利用转运装置将矿物转送至储矿容器4；在储矿容器4内装满矿物后，择机利用收放装置将储矿容器4回收至水面母船1进行卸矿。

实施例2：

本实施例非连续式海底采矿系统与实施例1基本相同，主要不同之处在于，如图2所示，本实施例中，转运装置包括输矿软管7，各采矿车3通过输矿软管7与至少一个储矿容器4相连。转运装置采用输矿软管7形式，尤其适用于海底矿物分布较为集中的情况，能够快速的进行矿物转运，且转运矿物的稳定可靠性较好。

本实施例中，储矿容器4具有可开闭的进出料口，输矿软管7以可拆卸方式与进出料口相连，且输矿软管7设有用于驱使输矿软管7与进出料口相连的一端移动的水下推进装置。当一个储矿容器4装满矿物后，使输矿软管7与储矿容器4的进出料口脱离，利用水下推进装置驱使输矿软管7与另一个储矿容器4的进出料口对接，继续进行矿物转运，实现了自动更换储矿容器4，保证采矿和矿物转运持续进行。

本实施例中，优选的，输矿软管7上设有使输矿软管7悬浮在水中的浮力部件8，以便于矿物顺畅的输送至储矿容器4。

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 (6)

1.一种非连续式海底采矿系统，其特征在于：包括水面母船(1)、漂浮在海面上的动力平台(2)、一台以上具有料仓的采矿车(3)和一个以上用于投放到海底的储矿容器(4)，所述水面母船(1)上设有用于投放和回收储矿容器(4)的收放装置，各采矿车(3)与所述动力平台(2)通过电力和信息传输线缆(5)相连以获取动力和传送控制信息，所述非连续式海底采矿系统还包括用于将各采矿车(3)采集的矿物输送至储矿容器(4)的转运装置；

所述转运装置为一个以上AUV水下转运设备(6)，所述采矿车(3)的料仓和储矿容器(4)均设有用于与AUV水下转运设备(6)对接输送矿物的可开闭进出料口；

所述转运装置包括输矿软管(7)，各采矿车(3)通过所述输矿软管(7)与至少一个储矿容器(4)相连；

所述储矿容器(4)具有可开闭的进出料口，所述输矿软管(7)以可拆卸方式与所述进出料口相连，且输矿软管(7)设有用于驱使输矿软管(7)与进出料口相连的一端移动的水下推进装置。

2.根据权利要求1所述的非连续式海底采矿系统，其特征在于：所述采矿车(3)上设有由动力平台(2)供给电源的第一充电接口，所述AUV水下转运设备(6)设有用于与所述充电接口可拆卸匹配对接的第二充电接口。

3.根据权利要求1所述的非连续式海底采矿系统，其特征在于：所述收放装置为起重设备(11)。

4.根据权利要求1所述的非连续式海底采矿系统，其特征在于：所述储矿容器(4)上设有第一水平推进装置、姿态调节装置、第一导航定位装置、吊点对接装置和电池装置，所述电池装置与第一水平推进装置、姿态调节装置和定位装置相连进行供电。

5.根据权利要求1所述的非连续式海底采矿系统，其特征在于：所述动力平台(2)采用半潜方式漂浮于海面；所述动力平台(2)上设有第二水平推进装置、第二导航定位装置、通讯装置、控制器、动力电站以及用于收放电力和信息传输线缆(5)的缆绞车。

6.一种采用权利要求1至5中任一项所述的非连续式海底采矿系统进行采矿的采矿方法，其特征在于：所述采矿方法具体是通过水面母船(1)将储矿容器(4)投放到海底指定位置，将动力平台(2)布放至海中，并将采矿车(3)布放至海底；采矿车(3)在海底运动进行采矿作业，并将矿物存放于采矿车(3)的料仓内；当采矿车(3)的料仓内矿物达到一定重量时，利用转运装置将矿物转送至储矿容器(4)；在储矿容器(4)内装满矿物后，择机利用收放装置将储矿容器(4)回收至水面母船(1)进行卸矿。