CN111005727B - 水力与机械组合式海底采矿装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力与机械组合式海底采矿装备，包括金属外壳、破土高压射流喷头、机械转轮、传送带和料仓，机械转轮紧贴于传送带前方，传送带末端延伸至料仓中；机械转轮前方的金属外壳下端边缘处设置有破土高压射流喷头；机械转轮由内至外分为三层，最内部为与外接动力设备连接的转轴，中部为套在转轴上的环形蓄水仓，环形蓄水仓外表面设有多排扰动高压射流喷头，最外部为套在环形蓄水仓外部的镂空套筒，镂空套筒上设有多个轮齿，相邻两轮齿之间镂空，镂空处对应环形蓄水仓上的多排扰动高压射流喷头。该装备优化水力条件，配合机械转轮，充分利用海底饱和富水环境，通过水力扰动与机械转轮捕获相互结合，实现多金属结合矿石的高效采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种海底采矿设备，尤其是一种水力与机械组合式海底采矿装备。
背景技术
多金属结核又称锰结核，系由包围核心的铁、锰氢氧化物壳层组成的核形石。多金属结核是人类摆脱资源危机的重要依托。其总量达3万亿吨，蕴藏了地球上99.9%锰钴铜镍；此外分布面积广，仅C-C区达200多万平方公里，是陆地最大矿床一万倍，其中我国资源区近20万平方公里。深海多金属结核资源开发可有效解决我国未来百年资源需求。
深海洋底中多金属结核资源赋存环境极其特殊：首先是4000-6000m海底超高压的特殊，其次是结核资源的分布形式呈面式分布，面富集程度约 6~10 kg/m2，由于仅赋存于海底0~25cm表层稀软土中，有的处于全埋状态，也有的处于半埋或全露的状态，而且粒径差异较大，大的直径达近十厘米，小的仅有几厘米。因此其开采方式特殊，这就给资源的规模开采带来巨大难度，在人类采矿史上尚属首见。如何将这些矿石高效的采集上来，是集矿车面临的一个重要难题。
针对结核矿石采集，国内外学者提出了两种方式，一种是机械式，即利用机械链板插入沉积物中，将结核矿石从沉积物中拔出来，再向上传递至集矿车料仓中。另一种是水力式，即利用双排喷嘴水射流将矿石和沉积物一起悬浮起来，再利用抽吸作用将矿石通过输送通道送至料仓。但上述两类开采方式都存在各自弊端:水力式开采应充分考虑海底高压水力环境，系统复杂不易控制；而机械式开采其机械部件也常常被大直径矿石卡住，并且机械式采集任意零部件损坏在海底极端深部环境下都无法及时维修，导致开采效率极低。
中国专利CN 205679411 U公开了一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统，包括模拟水槽、机架、储矿仓、机械齿式输送带、输送带驱动电机、支撑架、水泵、喷水管、高压水射流喷嘴、连接板和牵引装置，所述的储矿仓固定于机架上，所述的机械齿式输送带通过支撑架安装于机架上并位于整个试验系统前进方向的一端，且机械齿式输送带前端的输送方向为由下至上，所述的连接板一端连接于机械齿式输送带后端的最高处，另一端延伸至储矿仓内以使锰结核矿进入储矿仓中，输送带驱动电机设置于机械齿式输送带上并驱动机械齿式输送带运动，所述的喷水管一端为吸水头，另一端为高压水射流喷嘴，喷水管固定于机械齿式输送带上，高压水射流喷嘴设置于机械齿式输送带前端的最低处，牵引装置设置于模拟水槽上并连接和驱动机架运动，所述的模拟水槽内灌装有盐水，底部铺设有模拟海底沉积物，模拟海底沉积物上放置有模拟多金属结核矿石。该实用新型专利主要用于室内模拟试验，不能应用于实际深海多金属采集。此外该专利本质上采用高压水流扰动土体实现对多金属结核的采集，因此当射流喷头达到一定淹没深度后，对射流水压要求较高，导致能耗较大；由于多金属结核粒径不一以及海底复杂的水动力条件，仅仅依靠传统射流扰动的方式无法保证海底多金属结核按既定路线输运，无法实现的高效采集。
中国专利申请CN101482018A、101482020A分别公开了铁锰结核水帘/重力选矿车，主要由行进履带、挖矿轮、传输履带、高压水喷射头、矿箱、电力系统和两端提升绳组成，矿车行进时，旋转的挖矿轮在前方将矿物挖起并送到传送履带上，传送履带下方安装高压水喷射头，高压水喷射头透过传送履带间隙冲洗矿物，使较轻矿物及淤泥等杂物吹出，铁锰矿及更重矿物由传送带进入矿箱。以上两种专利在海底多金属结核的采集方面仍然采用单一的机械式装置“挖矿轮”，单一机械式采集装置存在其机械部件会被大直径矿石卡住，并且机械式采集任意零部件损坏在海底极端深部环境下都无法及时维修，导致开采效率极低等弊端。此外，在多金属结核利用“挖矿轮”将海底土层连通金属结核一同挖取至传输履带再进行冲洗去除杂质；这种采集方式一方面对海底土层扰动极大，环境友好性极差；另一方面该采集方式导致该能耗巨大，采集效率低。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术中多金属结核赋存条件的特殊性与当前开采工艺与开采装置的弊端，提供一种水力与机械组合式海底采矿装备，该装备优化水力条件，配合机械转轮，充分利用海底饱和富水环境，通过水力扰动与机械转轮捕获相互结合，实现多金属结合矿石的高效采集。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种水力与机械组合式海底采矿装备，包括金属外壳、破土高压射流喷头、机械转轮、传送带和料仓，所述机械转轮紧贴于传送带前方，传送带末端延伸至料仓中；沿机械转轮前方的金属外壳布置高压输水管路，其下端边缘处设置朝向机械转轮的破土高压射流喷头；所述机械转轮由内至外分为三层，最内部为与外接动力设备连接的转轴，中部为套在转轴上的环形蓄水仓，环形蓄水仓外表面设有多排扰动高压射流喷头，最外部为套在环形蓄水仓外部的镂空套筒，镂空套筒上设有多个轮齿，在相邻两轮齿之间镂空，镂空处对应环形蓄水仓上的多排扰动高压射流喷头，喷头喷出的水通过镂空套筒的间隙向上喷射。
所述转轴通过轴承与驱动连杆链接，驱动连杆与矿车上的动力机构相连，通过转轴带动整个机械转轮转动。
所述环形蓄水仓两端面上有与外部海水环境相通的进水孔，环形蓄水仓内部安装有能够吸取海水并根据转轮半径以及旋转角速度控制扰动高压射流喷头喷水的动力水泵装置，即蓄水仓随转轴转动时使每排旋转至竖直方向的扰动高压射流喷头定时定向喷水。
所述镂空套筒位表面上各相邻两轮齿之间均匀开一排圆孔，圆孔大小及位置与蓄水仓表面扰动高压射流喷头大小及位置相契合，使高压水流通过镂空套筒所开圆孔向上喷出。
所述镂空套筒的半径为10cm。
蓄水仓为中空的腔体，与外部海水环境相通，内部可以储水，起到水箱的作用；喷头设置在蓄水仓的表面，随转轴转动。
破土高压射流喷头位于外壳下端边缘处的高压射流喷头距离海底泥面高度12cm，射流方向为45°偏下射入外壳所包被的内部土层，射流水速为10m/s。
环形蓄水仓表面中的扰动高压射流喷头每隔2s，由运动至转轮顶部的单排喷头竖直向上喷射速度为8m/s的水流，其余各排不喷水。
所述转轴的半径为5cm。
所述轮齿高度为25cm。
所述轮齿的宽度与转轴长度一致。
所述轮齿末端设有倒刺状突起，该突起与轮齿主体之间的夹角为锐角，且突起朝向轮齿转动时与地面的接触点，其作用为防止捕获的矿石滑落，且轮齿主体面板上均匀开有多个半径为1cm的滤泥孔，其作用为过滤多余泥土，减小转动阻力。
本发明通过高压射流以及机械转轮扰动土层，通过破土高压喷射流喷头喷射高压水以及机械转轮的旋转掘进使多金属结核矿石与海底土层剥离悬浮，后经机械转轮捕获，转动至指定位置在通过高压水流射流的方式改变其运动轨迹，将其收集至料仓，实现对矿石的高效采集。
金属外壳为有一定厚度的金属板，可承受海底高压环境，并为内部多金属结核矿石的采集提供相对稳定的流场环境。
位于金属外壳下端边缘处的破土高压射流喷头距离海底泥面高度12cm，射流方向为45°偏下射入金属外壳所包被的内部土层，射流水速为10m/s。该处喷头持续喷射高压水流，对泥面赋存层中的多金属结核矿石进行扰动，使其剥离并悬浮，并跟随流场上机械转轮处运动。
位于机械滚轮内部的扰动高压射流喷头，该处喷头置于环形蓄水仓表面，每隔2s由旋转至转轮最顶部的喷头竖直向上喷射速度为8m/s的水流，其作用为当转轮轮齿捕获矿石携带其运动至转轮最高点时，通过喷射竖直向上的水流改变矿石运动轨迹，使其收集至料仓。
机械转轮轴心为转轴，与外部动力机构通过机械连杆相连，为整个机械转轮提供旋转动力。机械转轮以周期10s转动带动轮齿插入土中扰动土层。
通过设置蓄水仓内部动力水泵装置，使机械转轮内部的射流喷头每隔2s便由单排喷头喷水，即每次喷水仅由运动至最顶部射流喷头喷水，喷水流速8m/s。
机械转轮作用：一方面，在前部高压喷头对土体扰动后，使轮齿插入土体，充分“翻出”赋存在土层中的多金属结核矿石；对于悬浮在泥面以上的多金属结核矿石，运动至泥面以上的轮齿可有效对其进行捕获；另一方面，对于轮齿捕获的矿石，滚轮可携带其转动，转动至顶部后受高压射流喷头射水影响，改变运动方向收集至料仓。
矿石料仓位于高压喷头与转轮后部主要用于暂存多金属结核矿石。其与机械转轮之间以传送带连接，被机械转轮甩出的矿石受重力作用落至传送带上，传送至料仓。
本发明充分考虑多金属结核的赋存环境，采取水力式与机械式相结合的采集方式，克服了单一开采方式存在的弊端，实现能够对深海海底多金属结核矿石进行高效开采。
本发明除高压射流喷头喷射高压水流扰动土体外，齿轮同时也起到扰动土体的作用，二者相互配合，可以真正实现各粒径海底多金属结核的收集。相较于对比专利CN205679411 U本发明不仅能耗减小，采集效率提高，而且其实用性极强。
相对于中国专利申请CN101482018A、101482020A，本发明在收集装置方面，将水力式与机械式结合，既通过高压喷头喷射水流扰动土体，又通过齿轮扰动土体收集结核，可以克服传统机械式收集方式的弊端，采集效率高。此外前端高压喷头喷射配合打空的机械转轮轮齿的收集组合在收集过程中即可实现金属结核与海底稀泥与杂质的分离，可有效减小对海底环境的扰动，最大程度上简化收集过程，降低能耗。
本发明充分利用海底富水环境，破土高压射流及喷头扰动高压射流喷头喷射的水体均来自于海底，其能耗低；且本发明充分考虑到多金属结核矿石的赋存深度，对海底深部土体无扰动，保证海底原有生态环境。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明机的械转轮局部结构示意图；
图3为本发明的镂空套筒结构示意图；
图4为本发明的蓄水仓结构示意图；
图5为本发明的轮齿结构示意图；
图6为本发明工作原理示意图；
1、金属外壳 2、破土高压射流喷头 3、轮齿 301、滤泥孔 4、镂空套筒 401、圆孔 5、环形蓄水仓 501、扰动高压射流喷头 502、进水孔 6、转轴 7、驱动连杆 8、传送带 9、矿石料仓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、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。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图4所示，水力与机械组合式海底采矿装备，包括金属外壳1，金属外壳1内设置有机械转轮、传送带8和矿石料仓9，所述机械转轮紧贴于传送带8前方，传送带8末端延伸至矿石料仓9中；沿机械转轮前方的金属外壳1布置有高压输水管路，其下端边缘处设置有朝向机械转轮的破土高压射流喷头2，所述机械转轮包括转轴6、扰动高压射流喷头501、环形蓄水仓5、镂空套筒4和安装于镂空套筒4上的多个轮齿3，机械转轮由内至外分为三层，最内部为与外接动力设备连接的转轴6，中部为套在转轴6上的环形蓄水仓5，环形蓄水仓5外表面设有多排扰动高压射流喷头501，最外部为套在环形蓄水仓5外部的镂空套筒4，镂空套筒4上设有多个轮齿3，在相邻两轮齿3之间镂空，镂空处对应环形蓄水仓5上的多排扰动高压射流喷头501，喷头喷出的水通过镂空套筒4的间隙向上喷射。
转轴6通过轴承与驱动连杆7链接，驱动连杆7与矿车上的动力机构相连，动力机构通过转轴6带动整个机械转轮转动。
环形蓄水仓5位于转轴6与镂空套筒4之间，环形蓄水仓5表面设有多排扰动高压射流喷头501，环形蓄水仓5两端面上开有与外部海水环境相通的进水孔502，环形蓄水仓5内部安装有可吸取海水并根据转轮半径以及旋转角速度控制扰动高压射流喷头501喷水的动力水泵装置，即环形蓄水仓5随转轴6转动时使每排旋转至竖直方向的扰动高压射流喷头501定时定向喷水。
镂空套筒4位于机械转轮最外部，在其表面设有多个轮齿3，各相邻两轮齿3之间均匀开一排圆孔401，圆孔401大小及位置与环形蓄水仓5表面扰动高压射流喷头501大小及位置相契合，使高压水流通过镂空套筒所开圆孔401向上喷出。
位于金属外壳1下端边缘处的成排布置的破土高压射流喷头2距离海底泥面高度12cm，射流方向为45°偏下射入外壳所包被的内部土层，射流水速为10m/s。转轴6中的扰动高压射流喷头501每隔2s竖直向上喷射速度为8m/s的水流。转轴6的半径为5cm，轮齿3高度为25cm，按10s为周期转动，轮齿3插入土层中。轮齿3末端设有倒刺状突起，该突起与轮齿主体之间的夹角为锐角，且突起朝向轮齿转动时与地面的接触点，其作用为防止捕获的矿石滑落，且轮齿主体面板上均匀开有多个半径为1cm的滤泥孔301，其作用为过滤多余泥土，减小转动阻力。
破土高压射流喷头2斜向下喷射10m/s高速水流，同时后部机械转轮由驱动连杆7带动转动，轮齿3旋转插入泥面以下。通过轮齿机械转动与高压水流喷射的共同作用，赋存在土层表面与内部的多金属结核矿石收到双重扰动。多金属结核矿石与海底土层泥面剥离，脱离周围稀软土体的束缚，并在持续喷射的高速水流作用下悬浮。
受到扰动并与土层剥离的多金属结核矿石，一部分在轮齿翻动泥面的同时被轮齿3捕获，一部分受高压水流形成的流场作用悬浮起来，并向斜向上冲向机械滚轮，后也被轮齿3捕获。
被轮齿3捕获的多金属结核矿石夹在两轮齿之间，轮齿尖端设有倒刺状凸起，一方面为有效插入土体，另一方面可有效防止两轮齿之间的矿石滑落。被捕获的矿石随机械转轮转动。
当两轮齿3之间的多金属结核矿石运动至转轮最顶点时，滚轮内部设有多排扰动高压射流喷头501，通过设置环形蓄水仓5内部动力水泵装置，使运动至转轮最顶部的单排射流喷头喷射竖直向上的水流喷射速度为8m/s，矿石受到底部高压水柱喷射被顶起，获得一个竖直向上的速度，同时由于自身随轮转动的切向水平速度。根据力学理论竖直向上的速度与切向水平速度两者合成，原本夹在轮齿中间的矿石将作斜抛运动，斜向上抛出脱离轮齿的束缚。
被抛出的矿石将斜向上继续运动至机械滚轮后方，由于抛出出后的矿石受海水阻力影响，其运动会逐渐减慢，最终降落在机械滚轮后方的传送带8上。由传送带8输送至料仓9，完成对多金属结核矿石的采集。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，包括金属外壳、破土高压射流喷头、机械转轮、传送带和料仓，所述机械转轮紧贴于传送带前方，传送带末端延伸至料仓中；机械转轮前方的金属外壳下端边缘处设置有朝向机械转轮的破土高压射流喷头；所述机械转轮由内至外分为三层，最内部为与外接动力设备连接的转轴，中部为套在转轴上的环形蓄水仓，环形蓄水仓外表面设有多排扰动高压射流喷头，最外部为套在环形蓄水仓外部的镂空套筒，镂空套筒上设有多个轮齿，在相邻两轮齿之间镂空，镂空处对应环形蓄水仓上的多排扰动高压射流喷头，扰动高压射流喷头喷出的水通过镂空套筒的镂空向上喷射。
2.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述转轴通过轴承与驱动连杆连接，驱动连杆与矿车上的动力机构相连，通过转轴带动整个机械转轮转动。
3.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述环形蓄水仓两端面上有与外部海水环境相通的进水孔，环形蓄水仓内部安装有能够吸取海水并根据转轮半径以及旋转角速度控制扰动高压射流喷头喷水的动力水泵装置，即蓄水仓随转轴转动时使每排旋转至竖直方向的扰动高压射流喷头定时定向喷水。
4.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述镂空套筒表面上各相邻两轮齿之间均匀开一排圆孔，圆孔大小及位置与蓄水仓表面扰动高压射流喷头大小及位置相契合，使高压水流通过镂空套筒所开圆孔向上喷出。
5.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述镂空套筒的半径为10cm。
6.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，位于外壳下端边缘处的破土高压射流喷头距离海底泥面高度12cm，射流方向为45°偏下射入外壳所包被的内部土层，射流水速为10m/s。
7.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，转轴带动扰动高压射流喷头每隔2s运动至转轮最顶部，运动至转轮最顶部的高压射流喷头竖直向上喷射速度为8m/s的水流。
8.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述转轴的半径为5cm。
9.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述轮齿高度为25cm；轮齿的宽度按照转轴长度对应设置。
10.如权利要求1所述的水力与机械组合式海底采矿装备，其特征是，所述轮齿末端设有倒刺状突起，该突起与轮齿主体之间的夹角为锐角，且突起朝向轮齿转动时与地面的接触点，且轮齿主体面板上均匀开有多个半径为1cm的滤泥孔。
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