CN110803258A - 一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，包括：水面支持系统，设置在水面，用于接收自海底提升至水面的矿物；锚固系统，水面支持系统通过锚固系统进行定位，且锚固系统的一端固定在海底；提升系统，用于从海底将矿物提升至水面支持系统上，提升体统的两端分别设置在水面支持系统和海底的锚固系统上；其中，提升系统包括设置在水面支持系统与海底之间运行的传输系统，以及在浮力变化作用下沿传输系统交替运动的两个提升舱。本发明无需对矿物进行加工处理，利用两个提升舱之间浮力变化及其相互作用能够快速将大块矿物提升至水面。
Description
技术领域
本发明实施例涉及技术海底矿物开发技术领域，具体涉及一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统。
背景技术
随着陆上矿产资源逐渐枯竭，深海矿产资源开发逐渐受到重视。海底富含大量的锰结核、多金属硫化物、富钴结壳等矿产资源，更有大量的稀有金属，开发海底矿产资源成为支撑未来经济、工业、科技发展的重要力量。目前，我国总共获得了海底管理局批准的5块专属勘探区，研发深海矿物开采装备，增强技术储备是支撑我国深海采矿的重要工作。勘探表明：深海平原上的锰结核，大多位于水深4000-6000m，热液喷口的多金属硫化物，主要分布在南太平洋，水深500-3500m；富钴结壳，在太平洋储量最大，水深800-3000m。因此将海底矿物提升至水面是深海矿物开采的重要研究内容。
经过几十年的发展，目前比较可行的深海采矿可分为：拖斗式采矿法、连续绳斗法、管道提升法和穿梭艇采矿法。拖斗式采矿法无法控制，回采率较低，不能连续采矿，所以产能较低。连续绳斗法存在绳索太近易发生缠绕问题。目前，管道提升法研究最多，也开展了一定的海试。虽然管道提升法可实现连续生产，然而，该系统却有很多局限性：
矿物需破碎至较小粒度才能通过水力运输输送至水面支持系统上，矿物破碎过程耗能大，且会极大污染海洋环境。
对此，颗粒冲蚀是该系统难以避免的问题，尤其是提升泵、提升管线的冲蚀极其严重；颗粒往往会在提升泵上堵塞，导致停产甚至设备失效；通过水力运输，系统效率较低。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，以解决现有技术中矿物需破碎至较小粒度才能够通过水利运输至水面上的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明实施例的一个方面，提供了一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，包括：
水面支持系统，设置在水面，用于接收自海底提升至水面的矿物；
锚固系统，所述水面支持系统通过所述锚固系统进行定位，且所述锚固系统的一端固定在海底；
提升系统，用于从海底将矿物提升至所述水面支持系统上，所述提升体统的两端分别设置在所述水面支持系统和海底的所述锚固系统上；
其中，所述提升系统包括设置在所述水面支持系统与所述海底之间运行的传输系统，以及在浮力变化作用下沿所述传输系统交替运动的两个提升舱。
作为本发明一种优选地方案，所述水面支持系统包括浮于水面的水面支持船，以及设置在所述水面支持船上的前门型吊和后门型吊，在所述水面支持船两端均开设有一通海井，在每个所述通海井的井口靠近所述水面支持船中心的一侧均设置有水面滑轮组支撑座。
作为本发明一种优选地方案，所述锚固系统包括固定在海床底部的多个吸力锚，以及固定在所述吸力锚上的多根张力腿，所述张力腿与所述水面支持船固定连接，在所述吸力锚上固定有与所述水面滑轮组支撑座对应设置的海底滑轮组支撑座。
作为本发明一种优选地方案，所述传输系统包括设置在水面滑轮组支撑座上的顶部导向滑轮组，以及设置在所述海底滑轮组支撑座上的海底导向滑轮组，两个所述提升舱分别设置在所述水面支持船两侧的所述通海井下方，两个所述提升舱的一端通过所述聚酯缆绕过所述顶部导向滑轮外侧连接，两个所述提升舱的另一端通过所述聚酯缆绕过所述海底导向滑轮组外侧连接，所述聚酯缆穿过所述通海井，并在所述水面支持船两侧的所述通海井下方各形成一条提升运输线。
作为本发明一种优选地方案，所述吸力锚并排设置有四个，其中内侧的两个所述吸力锚用于安装所述海底滑轮组支撑座，外侧的两个所述吸力锚用于安装张力腿。
作为本发明一种优选地方案，在所述海底滑轮组支撑座的位置设置有海底定位槽，所述海底定位槽的顶部形状与所述提升舱的底部外形匹配，以在所述提升舱运行到海底时对其进行定位。
作为本发明一种优选地方案，所述提升舱的外形呈胶囊型状。
作为本发明一种优选地方案，所述提升的两端设置有与所述聚酯缆连接的吊耳。
作为本发明一种优选地方案，在所述提升舱的顶部开设有四个拱形矿物入口，在所述拱形矿物入口上设置有能够沿着所述提升舱环向滑动的顶部弧形门，在所述提升舱上设置有四个货仓，在所述货仓的顶部设置有货物出口，在所述货物出口上设置有底部弧形门，在所述货仓的底部向外倾斜设置。
作为本发明一种优选地方案，在所述提升舱内设置有压载舱，在所述提升舱底部设置有与所述压载舱连通的压载水进出口。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明实施无需对矿物进行破碎的加工处理，只需简单切割至可放置在提升舱的尺寸，利用两个提升舱之间浮力变化及其相互作用能够快速将大块矿物提升至水面，对环境污染可大大降低。
本发明不存在颗粒导致的管线提升系统类似的冲蚀、堵塞问题；3.
通过浮力舱的压载调整，借助浮力将矿物提升至水面，无需额外的动力系统做功提升矿物，可大大提高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的浮力自升式的大块海底矿物提升系统的结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为本发明实施例提供的提升舱的剖面结构示意图；
图4为图3的俯视图。
图中：
1-提升舱；2-水面支持船；3-通海井；4-水面滑轮组支撑座；5-海床；6-吸力锚；7-张力腿；8-海底滑轮组支撑座；9-顶部导向滑轮组；10-海底导向滑轮组；11-聚酯缆；12-海底定位槽；13-前门型吊；14-后门型吊；
101-吊耳；102-顶部弧形门；103-货仓；104-底部弧形门；105-压载舱；106-压载水进出口。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，主要包括水面支持系统、锚固系统和提升系统三部分。
其中，水面支持系统，设置在水面，用于接收自海底提升至水面的矿物，具体包括浮于水面的水面支持船2，以及设置在所述水面支持船2上的前门型吊13和后门型吊14，在所述水面支持船两端均开设有一通海井3，在每个所述通海井3的井口靠近所述水面支持船中心的一侧均设置有水面滑轮组支撑座4。
其中，前门型吊13和后门型吊14主要用于矿物等重物吊装。
锚固系统主要用于对水面支持系统的水面支持船2进行定位，使得水面支持船2与海底采矿区域相对稳定，主要包括固定在海床5底部的多个吸力锚6，以及固定在吸力锚6上的多根张力腿7，张力腿7与水面支持船2固定连接，在吸力锚6上固定有与水面滑轮组支撑座4对应设置的海底滑轮组支撑座8。
其中张力腿7一般设置为两根，分别用于固定水面支持船2前后两端。
提升系统，用于从海底将矿物提升至水面支持系统上，提升体统的两端分别设置在水面支持系统和海底的锚固系统上；提升系统包括设置在水面支持系统与海底之间运行的传输系统，以及在浮力变化作用下沿传输系统交替运动的两个提升舱1，主要通过改变两个提升舱1的浮力大小来实现提升舱1自动提升的功能。
传输系统包括设置在水面滑轮组支撑座4上的顶部导向滑轮组9，以及设置在海底滑轮组支撑座8上的海底导向滑轮组10，两个提升舱1分别设置在水面支持船2两侧的通海井3下方，两个提升舱1的一端通过聚酯缆11绕过顶部导向滑轮组9外侧连接，两个提升舱1的另一端通过聚酯缆11绕过海底导向滑轮组10外侧连接，聚酯缆11穿过通海井3，并在水面支持船2两侧的通海井3下方各形成一条提升运输线。
在海底滑轮组支撑座8的位置设置有海底定位槽12，海底定位槽12的顶部形状与提升舱1的底部外形匹配，以在提升舱1运行到海底时对其进行定位。
当其中一个提升舱上浮至水面支持船3上进行卸货时，另一个提升舱的底部刚好至于海底定位槽12内。
吸力锚6并排设置有四个，其中内侧的两个所述吸力锚6用于安装所述海底滑轮组支撑座8，外侧的两个所述吸力锚6用于安装张力腿7。
其中，如图3和图4所示，提升舱1的外形呈胶囊型状，即为其上下两端为椭球状，主要是为了改善水动力性能，减小提升舱在水中穿行时的流体阻力，以提高输运速度。
提升舱1的两端设置有与所述聚酯缆11连接的吊耳101，在提升舱1的顶部开设有四个拱形矿物入口，在所述拱形矿物入口上设置有能够沿着所述提升舱1环向滑动的顶部弧形门102，在所述提升舱1上设置有四个货仓103，在所述货仓103的顶部设置有货物出口，在所述货物出口上设置有底部弧形门104，在所述货仓103的底部向外倾斜设置，在提升舱1提升至水面支持船3上进行卸货时，由于没有水压，货物可在重力作用下直接滑出，在所述提升舱1内设置有压载舱105，在所述提升舱1底部设置有与所述压载舱105连通的压载水进出口106，通过压载调整使两个提升舱的舱体呈正浮力或负浮力，进而达到上浮或下潜的目的。
为了便于说明，将附图1中右侧的提升舱记为提升舱A，左侧的记为提升舱B。
在提矿时，其中提升舱A的顶部连着高强度聚酯缆11在压载情况下沉入海底置于海底定位槽10上，并用卡紧装置将提升舱A固定。
连接提升舱A顶部的高强度聚酯缆的左端与提升舱B的顶部相连，提升舱A底部的高强度聚酯缆在ROV牵引下穿过海底定位槽12，并绕过海底导向滑轮组10，并与提升舱B底部的吊耳相连，随后通过水面支持船3的绞车系统使高强度聚酯缆4处于张紧状态。
在提升舱A装满大块矿物后，通过舱内的加压泵将压载舱24内的海水排除，使得提升舱A的舱体浮力大于重力，同时提升舱B的货物已经卸完(第一次安装时处于空载)，并往压载舱内加压载水，使得重力大于浮力。
随后脱开卡紧装置，提升舱B将在重力作用下带着空压载舱下潜，提升舱A将在浮力作用下带着装满矿物的货仓上浮。由于有效重力和有效浮力的共同作用，提升舱A可快速上浮至水面，提升舱B可快速下潜至海底。
待提升舱A和提升舱B快接近指定停放点时，通过绞车系统进行减速。在提升舱A上升至水面支持船后，打开底部弧形门，通过货仓底部的倾斜面板，矿物将在重力作用下自动卸下，并在卸完矿物后往压载舱内加压载水。
同时在提升舱B的压载舱至海底后，打开顶部弧形门，往货仓内添加矿物，期间通过高压泵将压载舱内的海水排出，使得提升舱浮力大于重力。由于此时卡紧装置作用，提升舱并不会上浮，待装满货物，松开卡紧装置，提升舱即可上浮。
具体以以直径6m，高10m，壁厚10mm的钢制圆筒型浮力舱为例，若在浮力舱上设计4个直径2m，高10m的圆筒形载货舱，其单次有效载重量可超过130吨，必要的话可增大浮力舱的尺寸，其有效载重量可大大提高，也可采用聚合物材料进一步提高有效载重。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，包括：
水面支持系统，设置在水面，用于接收自海底提升至水面的矿物；
锚固系统，所述水面支持系统通过所述锚固系统进行定位，且所述锚固系统的一端固定在海底；
提升系统，用于从海底将矿物提升至所述水面支持系统上，所述提升体统的两端分别设置在所述水面支持系统和海底的所述锚固系统上；
其中，所述提升系统包括设置在所述水面支持系统与所述海底之间运行的传输系统，以及在浮力变化作用下沿所述传输系统交替运动的两个提升舱(1)。
2.根据权利要求1所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述水面支持系统包括浮于水面的水面支持船(2)，以及设置在所述水面支持船(2)上的前门型吊(13)和后门型吊(14)，在所述水面支持船两端均开设有一通海井(3)，在每个所述通海井(3)的井口靠近所述水面支持船中心的一侧均设置有水面滑轮组支撑座(4)。
3.根据权利要求2所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述锚固系统包括固定在海床(5)底部的多个吸力锚(6)，以及固定在所述吸力锚(6)上的多根张力腿(7)，所述张力腿(7)与所述水面支持船(2)固定连接，在所述吸力锚(6)上固定有与所述水面滑轮组支撑座(4)对应设置的海底滑轮组支撑座(8)。
4.根据权利要求3所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述传输系统包括设置在水面滑轮组支撑座(4)上的顶部导向滑轮组(9)，以及设置在所述海底滑轮组支撑座(8)上的海底导向滑轮组(10)，两个所述提升舱(1)分别设置在所述水面支持船(2)两侧的所述通海井(3)下方，两个所述提升舱(1)的一端通过所述聚酯缆(11)绕过所述顶部导向滑轮组(9)外侧连接，两个所述提升舱(1)的另一端通过所述聚酯缆(11)绕过所述海底导向滑轮组(10)外侧连接，所述聚酯缆(11)穿过所述通海井(3)，并在所述水面支持船(2)两侧的所述通海井(3)下方各形成一条提升运输线。
5.根据权利要求4所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述吸力锚(6)并排设置有四个，其中内侧的两个所述吸力锚(6)用于安装所述海底滑轮组支撑座(8)，外侧的两个所述吸力锚(6)用于安装张力腿(7)。
6.根据权利要求5所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，在所述海底滑轮组支撑座(8)的位置设置有海底定位槽(12)，所述海底定位槽(12)的顶部形状与所述提升舱(1)的底部外形匹配，以在所述提升舱(1)运行到海底时对其进行定位。
7.根据权利要求6所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述提升舱(1)的外形呈胶囊型状。
8.根据权利要求7所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，所述提升舱(1)的两端设置有与所述聚酯缆(11)连接的吊耳(101)。
9.根据权利要求7所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，在所述提升舱(1)的顶部开设有四个拱形矿物入口，在所述拱形矿物入口上设置有能够沿着所述提升舱(1)环向滑动的顶部弧形门(102)，在所述提升舱(1)上设置有四个货仓(103)，在所述货仓(103)的顶部设置有货物出口，在所述货物出口上设置有底部弧形门(104)，在所述货仓(103)的底部向外倾斜设置。
10.根据权利要求9所述的一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其特征在于，在所述提升舱(1)内设置有压载舱(105)，在所述提升舱(1)底部设置有与所述压载舱(105)连通的压载水进出口(106)。
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