CN112647950A - 一种深海采矿方法及深海采矿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深海采矿方法及使用该深海采矿方法进行采矿的深海采矿装置，涉及深海采矿技术领域，深海采矿方法包括以下步骤：打散海底的淤泥，并利用海底与上层海域之间的压差将打散后的淤泥以及淤泥中夹杂的锰结核输送至上层海域，在上层海域进行固液分离，并将固液分离出的固体输送至海平面进行选矿。该深海采矿方法把现有在海底“采矿、选矿、破碎、输矿”的技术优化为在海底“抽矿”、在上层海域“固液分离输矿”以及在海平面“选矿”，在海底进行抽矿即可，这大大降低了深海采矿技术难度，克服了现有技术遇到的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及深海采矿技术领域，特别是涉及一种深海采矿方法及深海采矿装置。
背景技术
锰结核存在于深海4000～6000米水深的大洋底部淤泥中，其中含有丰富的铜钴镍钼等贵金属，同时深海淤泥中也含有大量稀土元素以及未探明的多种矿物。
目前世界研究深海采矿的各大研究机构(含中国其他研究机构)在深海采矿研究方面都陷入瓶颈，主要是他们都是把陆地采矿的技术和方法直接移植到海底，在深海6000米水深位置进行“采矿”、“选矿”、“破碎”、“海底输矿及中间加压输矿”，需要有各种移动状态的采矿车与集矿车，其移动的动力电缆很难保证不打结，很难保证在强度很低的深海中淤泥不陷入，也很难保证力度达到50mm级别的锰结核不卡死履带等传动部件，深海高压下密封状态很难保证，操作与维护同样非常困难，所以整体技术研发遇到难以克服的瓶颈。
因此，如何克服上述缺陷成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种深海采矿方法及深海采矿装置，该深海采矿方法及深海采矿装置克服了现有技术研发遇到的瓶颈，大大降低了深海采矿难度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种深海采矿方法，包括以下步骤：打散海底的淤泥，并利用所述海底与上层海域之间的压差将打散后的所述淤泥以及所述淤泥中夹杂的锰结核输送至所述上层海域，在所述上层海域进行固液分离，并将固液分离出的固体输送至海平面进行选矿。
本发明还提供一种使用所述的深海采矿方法进行采矿的深海采矿装置，包括：设置于所述海底的抽矿装置，所述抽矿装置包括抽料管、淤泥打散装置以及推进装置，所述淤泥打散装置设置于所述抽料管上，所述淤泥打散装置用于打散所述海底的所述淤泥，所述推进装置与所述抽料管相连、以驱动所述抽料管移动；设置于所述海平面的工作平台；设置于所述上层海域的固液分离输矿设备，所述固液分离输矿设备与所述抽料管和所述工作平台均相连通。
优选地，所述固液分离输矿设备包括加压泵、进水总管、出水总管、吸砂总管、排砂总管以及多个泵单体组件，所述泵单体组件包括沉砂管路、清液缓冲罐、单向阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门，所述沉砂总管的第一端和第二端分别与所述清液缓冲罐的第一端和第二端相连通，且所述清液缓冲罐的第二端设置有所述单向阀、以使液体只能自所述沉砂管路流向所述清液缓冲罐，各所述沉砂总管的第一端均通过所述第一阀门与所述吸砂总管相连通，各所述沉砂总管的第二端均通过所述第二阀门与所述排砂总管相连通，所述加压泵的进液口与所述进水总管的第一端相连通，所述加压泵的出液口与所述出水总管的第一端相连通，各所述清液缓冲罐的侧壁均通过所述第三阀门与所述进水总管的第二端相连通，各所述清液缓冲罐的侧壁均通过所述第四阀门与所述出水总管的第二端相连通，所述吸砂总管与所述抽料管相连通，所述排砂总管与所述工作平台相连通。
优选地，所述抽矿装置还包括防堵笼，所述防堵笼设置于所述抽料管的第一端，所述抽料管的第二端与所述吸砂总管相连通。
优选地，所述淤泥打散装置包括多个喷水装置，各所述喷水装置均向所述海底喷射水流、以打散所述淤泥。
优选地，所述推进装置为螺旋桨。
优选地，所述推进装置为阿基米德螺旋推进器。
优选地，所述泵单体组件的数量为3个。
优选地，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门以及所述第四阀门均为液压阀门。
优选地，所述加压泵为多级离心泵。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的深海采矿方法包括以下步骤：打散海底的淤泥，并利用海底与上层海域之间的压差将打散后的淤泥以及淤泥中夹杂的锰结核输送至上层海域，在上层海域进行固液分离，并将固液分离出的固体输送至海平面进行选矿。该深海采矿方法把现有在海底“采矿、选矿、破碎、输矿”的技术优化为在海底“抽矿”、在上层海域“固液分离输矿”以及在海平面“选矿”，在海底进行抽矿即可，这大大降低了深海采矿技术难度，克服了现有技术遇到的瓶颈。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的深海采矿装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的深海采矿装置固液分离输矿设备的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的深海采矿装置泵单体组件的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的深海采矿装置抽矿装置的结构示意图。
附图标记说明：1、抽料管；2、淤泥打散装置；3、推进装置；4、工作平台；5、固液分离输矿设备；6、加压泵；7、进水总管；8、出水总管；9、吸砂总管；10、排砂总管；11、沉砂管路；12、清液缓冲罐；13、单向阀；14、第一阀门；15、第二阀门；16、第三阀门；17、第四阀门；18、防堵笼；19、淤泥；20、海平面；21、第一泵单体组件；22、第二泵单体组件；23、第三泵单体组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种能够克服现有技术研发遇到的瓶颈，大大降低深海采矿难度的深海采矿方法及深海采矿装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-图4所示，本实施例提供一种深海采矿方法，包括以下步骤：打散海底的淤泥19，并利用海底与上层海域之间的压差将打散后的淤泥19以及淤泥19中夹杂的锰结核输送至上层海域，在上层海域进行固液分离，并将固液分离出的固体输送至海平面20进行选矿。该深海采矿方法把现有在海底“采矿、选矿、破碎、输矿”的技术优化为在海底“抽矿”、在上层海域“固液分离输矿”以及在海平面20“选矿”，在海底进行抽矿即可，这大大降低了深海采矿技术难度，克服了现有技术遇到的瓶颈。
参考图1-图4所示，本实施例还提供一种使用深海采矿方法进行采矿的深海采矿装置，包括：设置于海底的抽矿装置，抽矿装置包括抽料管1、淤泥打散装置2以及推进装置3，淤泥打散装置2设置于抽料管1上，淤泥打散装置2用于打散海底的淤泥19，推进装置3与抽料管1相连、以驱动抽料管1移动；设置于海平面20的工作平台4；设置于上层海域的固液分离输矿设备5，固液分离输矿设备5与抽料管1和工作平台4均相连通。该深海采矿装置在海底只需要设置带有淤泥打散装置2的抽料管1和可以移动抽料管1的推进装置3即可，利用现有制造技术就可以制造。
于本实施例中，具体地，固液分离输矿设备5包括加压泵6、进水总管7、出水总管8、吸砂总管9、排砂总管10以及多个泵单体组件，泵单体组件包括沉砂管路11、清液缓冲罐12、单向阀13、第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16以及第四阀门17，沉砂总管的第一端和第二端分别与清液缓冲罐12的第一端和第二端相连通，且清液缓冲罐12的第二端设置有单向阀13、以使液体只能自沉砂管路11流向清液缓冲罐12，各沉砂总管的第一端均通过第一阀门14与吸砂总管9相连通，各沉砂总管的第二端均通过第二阀门15与排砂总管10相连通，加压泵6的进液口与进水总管7的第一端相连通，加压泵6的出液口与出水总管8的第一端相连通，各清液缓冲罐12的侧壁均通过第三阀门16与进水总管7的第二端相连通，各清液缓冲罐12的侧壁均通过第四阀门17与出水总管8的第二端相连通，吸砂总管9与抽料管1相连通，排砂总管10与工作平台4相连通。
于本实施例中，为了防止抽料管1堵塞，如图4所示，抽矿装置还包括防堵笼18，防堵笼18设置于抽料管1的第一端，抽料管1的第二端与吸砂总管9相连通。
于本实施例中，淤泥打散装置2包括多个喷水装置，各喷水装置均向海底喷射水流、以打散淤泥19。至于喷水装置的具体结构属于现有技术，只要能够喷水水流的装置均可，在此不再详细赘述。另外，淤泥19连接强度只有0～3Kpa，很容易被打散。
于本实施例中，推进装置3为螺旋桨或者阿基米德螺旋推进器，需要说明的是推进装置3并不仅现有上述两种设置方式，任何能够推进抽料管1移动的装置均可，例如还可以选用喷水式推动装置或者推进装置3包括多根绳索，各绳索均与抽料管1相连，具体使用过程中，通过抽拉绳索，使绳索牵引抽料管1运动。
于本实施例中，具体地，泵单体组件的数量为3个。
于本实施例中，具体地，海底位于海平面20以下6000米，固液分离输矿设备5设置于海平面20以下4500米。具体使用过程中上层海域深度根据采矿浓度和管道阻力计算确定。
于本实施例中，具体地，第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16以及第四阀门17均为液压阀门。需要说明的是阀门的作用是控制其所对应的通道的通断。
进一步地，单向阀13的启闭以及加压泵6的工作同样均受液压控制。具体使用过程中通过液压控制系统控制多个泵单体组件工作。液压控制系统包括多个液压控制回路，至于液压控制回路具体如何设置属于现有技术，在此不再赘述，且液压控制系统不是本发明的保护重点。
于本实施例中，具体地，加压泵6为多级离心泵。
于本实施例中，具体地，工作平台4包括但不限于分离选矿平台、提供浮力平台、储存平台等，分离选矿平台、提供浮力平台、储存平台均为普通矿山选矿设备。
固液分离输矿设备5的原理如下：
固液分离输矿设备5需要包含多个泵单体组件组合使用，通过交替关闭和打开泵单体组件的各个阀门，能够在不同的泵单体组件中交替实现固液分离，对分离后的清液进行单独加压，然后用加压后的清液反冲其它泵单体组件中沉降的深海淤泥19和锰结核固体，混合以后输送到海平面20。
以本实施例具体提供的三个泵单体组件为例详细说明固液分离输矿设备5的使用过程，为表述方便，对三个泵单体组件分别冠以第一泵单体组件21、第二泵单体组件22、第三泵单体组件23加以区别。
输送设备的工作顺序为：第1时间段第一泵单体组件21抽砂，第二泵单体组件22排砂，第2时间段第二泵单体组件22抽砂，第三泵单体组件23排砂，第3时间段第三泵单体组件23抽砂，第一泵单体组件21排砂，依次循环。
在第1时间段，通过液压控制系统控制第一泵单体组件21中第一阀门14、第三阀门16以及单向阀13打开，第二阀门15、第四阀门17关闭，第二泵单体组件22中第一阀门14、第三阀门16以及单向阀13关闭，第二阀门15、第四阀门17打开。
抽吸上来含有砂石和海水的混合物料从吸砂总管9，经过第一泵单体组件21中第一阀门14进入第一泵单体组件21的沉砂管路11，混合物料进行初步固液分离，砂石在第一泵单体组件21的沉砂管路11中暂时沉积，清液经过第一泵单体组件21的单向阀13进入第一泵单体组件21的清液缓冲罐12进一步固液分离，清液再经过第一泵单体组件21的第三阀门16进入加压泵6加压。
加压以后的清液进入第二泵单体组件22，经过第二泵单体组件22的第四阀门17进入第二泵单体组件22的清液缓冲罐12，再进入第二泵单体组件22的沉砂管路11，冲起前一个周期暂时沉积在第二泵单体组件22沉砂管路11和清液缓冲罐12中的砂石，经过第二泵单体组件22的第二阀门15进入排砂总管10实现砂石输送。
第1时间段完成以后，液压控制系统控制固液分离输矿设备5进入第2时间段，再进入第3时间段，依次按顺序循环即可实现混合物料在吸砂总管9和排砂总管10中连续平稳输送。
本实施例提供的深海采矿装置具体使用过程中包括以下步骤：
步骤1、加压泵6启动以后，由于加压泵6做功，从位于最底层设置抽料管1到其联通的吸砂总管9以及排砂总管10到海平面20工作平台4的管路中形成连续的液体流动。
步骤2、通过抽料管1移动装置控制位于最底层设置抽料管1贴近海底淤泥层，启动用于打散淤泥19的淤泥打散装置2扰动海底淤泥19，锰结核连同淤泥19一起随抽料管1中流动的液体进入吸砂总管9。
步骤3、由于固液分离输矿设备5安装在液下1500米处，固液分离输矿设备5所处位置距离海底4500米，抽料管1中充满锰结核和淤泥19的物料以后比重增大，压差升高，利用物理学连通管原理，依靠管外自海平面20到海底6000米水深提供静压力，克服重力和管阻，可以把物料压送到固液分离输矿设备5安装位置。
步骤4、在固液分离输矿设备5的阀门切换控制下，物料经过沉降、清液单独加压、混合反冲，将物料送到海平面20工作平台4。
步骤5、在海平面20工作平台4进行物料筛选，取走需要的矿物，处理掉不需要的物料。
至此深海采矿流程完成。
与现有采矿装置相比，该深海采矿装置具有以下优点：
1、除抽料管1及推进装置3以外，其他主要关键设备不需要深入到深海，仅仅在浅海位置或海平面20，降低了设备制造难度和维护难度。
2、其他技术路线是筛选出锰结核，抛弃海底淤泥19，本技术路线是把锰结核与海底淤泥19同步提升到到海面，对于海底淤泥19中潜在的有价值矿物也可以综合利用。
在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种深海采矿方法，其特征在于，包括以下步骤：打散海底的淤泥，并利用所述海底与上层海域之间的压差将打散后的所述淤泥以及所述淤泥中夹杂的锰结核输送至所述上层海域，在所述上层海域进行固液分离，并将固液分离出的固体输送至海平面进行选矿。
2.一种使用如权利要求1所述的深海采矿方法进行采矿的深海采矿装置，其特征在于，包括：
设置于所述海底的抽矿装置，所述抽矿装置包括抽料管、淤泥打散装置以及推进装置，所述淤泥打散装置设置于所述抽料管上，所述淤泥打散装置用于打散所述海底的所述淤泥，所述推进装置与所述抽料管相连、以驱动所述抽料管移动；
设置于所述海平面的工作平台；
设置于所述上层海域的固液分离输矿设备，所述固液分离输矿设备与所述抽料管和所述工作平台均相连通。
3.根据权利要求2所述的深海采矿装置，其特征在于，所述固液分离输矿设备包括加压泵、进水总管、出水总管、吸砂总管、排砂总管以及多个泵单体组件，所述泵单体组件包括沉砂管路、清液缓冲罐、单向阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门，所述沉砂总管的第一端和第二端分别与所述清液缓冲罐的第一端和第二端相连通，且所述清液缓冲罐的第二端设置有所述单向阀、以使液体只能自所述沉砂管路流向所述清液缓冲罐，各所述沉砂总管的第一端均通过所述第一阀门与所述吸砂总管相连通，各所述沉砂总管的第二端均通过所述第二阀门与所述排砂总管相连通，所述加压泵的进液口与所述进水总管的第一端相连通，所述加压泵的出液口与所述出水总管的第一端相连通，各所述清液缓冲罐的侧壁均通过所述第三阀门与所述进水总管的第二端相连通，各所述清液缓冲罐的侧壁均通过所述第四阀门与所述出水总管的第二端相连通，所述吸砂总管与所述抽料管相连通，所述排砂总管与所述工作平台相连通。
4.根据权利要求3所述的深海采矿装置，其特征在于，所述抽矿装置还包括防堵笼，所述防堵笼设置于所述抽料管的第一端，所述抽料管的第二端与所述吸砂总管相连通。
5.根据权利要求2所述的深海采矿装置，其特征在于，所述淤泥打散装置包括多个喷水装置，各所述喷水装置均向所述海底喷射水流、以打散所述淤泥。
6.根据权利要求2所述的深海采矿装置，其特征在于，所述推进装置为螺旋桨。
7.根据权利要求2所述的深海采矿装置，其特征在于，所述推进装置为阿基米德螺旋推进器。
8.根据权利要求3所述的深海采矿装置，其特征在于，所述泵单体组件的数量为3个。
9.根据权利要求3所述的深海采矿装置，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门以及所述第四阀门均为液压阀门。
10.根据权利要求3所述的深海采矿装置，其特征在于，所述加压泵为多级离心泵。
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|---|---|---|---|
| CN202011352877.9A Pending CN112647950A (zh) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 一种深海采矿方法及深海采矿装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112647950A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116624152A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-08-22 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种深海多金属结核与松散沉积物原位分离装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0279735A1 (fr) * | 1987-02-16 | 1988-08-24 | Rhone-Poulenc Chimie | Procédé pour l'exploitation minière des océans |
| JP2016176314A (ja) * | 2015-03-23 | 2016-10-06 | 三井造船株式会社 | 水底掘削システムおよび水底掘削方法 |
| CN106837336A (zh) * | 2017-02-17 | 2017-06-13 | 宋桂霞 | 用于金属结核开采的扬矿系统、扬矿控制方法及采矿系统 |
| CN107915055A (zh) * | 2017-09-21 | 2018-04-17 | 平果新古贤泵业有限公司 | 一种输砂系统 |
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-
2020
- 2020-11-27 CN CN202011352877.9A patent/CN112647950A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116624152A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-08-22 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种深海多金属结核与松散沉积物原位分离装置 |
| CN116624152B (zh) * | 2023-06-29 | 2024-07-05 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种深海多金属结核与松散沉积物原位分离装置 |
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