CN112983425B - 射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离‑采集装置及其采集方法，装置包括履带和安装在履带顶部的蓄矿料仓，所述蓄矿料仓顶端固定有长方体形蓄水容器、蓄矿料仓的前端设有采集机构，蓄水容器的前后两端各设有一块泥沙絮凝浊流喷射板，每个泥沙絮凝浊流喷射板均通过两根伸缩金属管与蓄水容器固定连接，伸缩金属管内部中空且两端连接处分别与泥沙絮凝浊流喷射板和蓄水容器连通。本发明充分考虑到多金属结核矿石采集时的不易观察性，使被采集的金属结核中泥砂含量低，减少了砂‑矿分离及尾矿处理的工作量，源头上降低了由尾矿处理引发羽状流问题的概率，且通过泥沙絮凝浊流减少了羽状流的产生，提升了海底采矿作业的环境友好度。

Description

射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法

技术领域

本发明涉及海底采矿装置技术领域，具体涉及一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法。

背景技术

随着我国机械、建筑、航天等领域的发展，铜、钴、锰等战略金属资源的需求量日益增长。由于陆地资源的不断枯竭，位于深海的矿产资源逐步走入了人们的视野，海底稀有金属矿物的总储存量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。我国目前对铜钴锰等资源的对外进口依存度都已超过50％。战略金属资源紧缺将成为我国长期面对的重要问题

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6～10kg/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。

目前国际上最普遍的深海多金属结核开采技术，主要利用海底采矿车蓄集矿石，再利用海底输送技术将矿石提升到海面的采矿船上，整个采集系统中将赋存环境极为特殊的多金属结核采集起来是需要重点突破的领域。基于对海底沉积土层环境及多金属结核矿物研究，目前主要存在两种集矿装备，一种是机械式，即运用采矿戽斗，开采时矿车的牵引机带动绳索，使戽斗不断地在海底拖过，挖取多金属结核至集矿车料仓内并提升到船上。另一种是水力式，即利用喷嘴高速射流剥离矿石，并使大量矿石和部分沉积物悬浮，进而利用水力的抽吸作用裹挟矿石通过输送通道至蓄矿料仓内。上述两种方式均进行过海上试验，从原理上均可实现采集。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力水力环境，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。

采矿车在海底的移动不仅搅起海底物质，而且当其向海底下挖时大量的沉积物等颗粒物质也会被搅起，此外，进入采矿车的非结核物质中的96％～98％将从结核中分离出来并返回海底，它们将在距海底50m左右的水层中形成悬浮物质絮状层。较小的颗粒物质则随着底层流扩散而形成底层羽状流，对底层生物产生较大的影响，尤其是影响浮游植物的光合作用、浮游动物和游泳动物的摄食、呼吸、生长等重要功能及代谢作用，严重时可能导致它们的死亡率上升，破坏海底生态环境。如中国专利CN 110966006 A、CN 111022055 A、CN 109026008 A、CN 107701190 A、CN 106907154 A，上述专利均公开了适用于海底作业的采矿装置，其中有些装置也巧妙地运用了水力进行采矿作业，但上述装置均未针对采集过程中有可能产生的底层羽状流进行有效防护或解决，因此，急需一种既能对半埋结核有效采集，又能兼顾保护海底环境的采矿装置来满足实际生产的需求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法，本专利的射流流速低于常见的射流集核流速，减少羽状流污染的产生量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，包括履带和安装在履带顶部的蓄矿料仓，所述蓄矿料仓顶端固定有长方体形蓄水容器、蓄矿料仓的前端设有采集机构，蓄水容器的前后两端各设有一块泥沙絮凝浆液喷射板，每个泥沙絮凝浆液喷射板均通过两根伸缩金属管与蓄水容器固定连接，伸缩金属管内部中空且两端连接处分别与泥沙絮凝浆液喷射板和蓄水容器连通；蓄水容器前端还设有剥离机构。

所述蓄水容器顶面固定有与其连通的进水直筒，进水直筒为竖向设置的圆筒且其中段设有止水阀，止水阀用于控制外部环境中洁净海水的进入。

所述蓄水容器内部固定有隔板，隔板竖向设置且沿装置行进方向将蓄水容器内部分割为左右两个独立的空腔，其中与进水直筒连通的空腔为海水腔、另一侧空腔为浊液腔，海水腔侧面连接有第一增压泵，浊液腔的底部开有进液口、侧面连接有第二增压泵，蓄水容器处的伸缩金属管分别自蓄水容器向泥沙絮凝浊流喷射板输送洁净海水和浊液。

所述泥沙絮凝浊流喷射板为扁平空心长方体，泥沙絮凝浊流喷射板的底面开有至少24个均匀分布的第一圆形通孔，泥沙絮凝浊流喷射板内还设有一块长方形挡流板，挡流板竖向设置且其面积与泥沙絮凝浊流喷射板内部竖向截面面积相同，挡流板设置在泥沙絮凝浊流喷射板内部前侧距离前侧面2cm-5cm处，挡流板中心位置开有第二圆形通孔，利用挡流板的阻挡作用将进入泥沙絮凝浊流喷射板的洁净海水和储备在浊液腔中的高浓度浊液混合，形成低浓度的浊液，便于克服浊液腔容量有限的限制，将高浓度浊液经海水稀释形成实际工作时所需的低浓度浊液，有效减少高浓度浊液的灌注次数，提高装置的作业效率。

所述伸缩金属管的内径均匀减小，伸缩金属管与蓄水容器连接处内径大、与泥沙絮凝浊流喷射板连接处内径小，利用伸缩金属管内径的变化，对泥沙絮凝浊流喷射板处流速进行控制。

所述剥离机构包括喷头，喷头的尾端通过能360°旋转的轴连接至蓄水容器中海水腔的前端，喷头共设有四个且横向均匀分布，使用时将喷头调整至斜向下方向并控制流速大于底砂起动速度且小于结核起动速度，根据泥沙动力学相关公式(1)，按照采矿区底砂粒径相关参数计算所需射流流速，深海底砂起动流速约为结核起动流速的10％-20％。

其中：V为底砂、结核起动流速；γ_s为底砂颗粒、结核重度；γ为海水重度；g为重力加速度；d为底砂颗粒、结核的中值粒径；h为海底水深。

所述采集机构包括链割收集带和阻砂底托板，链割收集带包括传送带和固定在传送带表面的齿状凸块，齿状凸块的纵向截面呈长方形，齿状凸块布满传送带表面且相邻的齿状凸块之间留有收集结核的间隔，齿状凸块、传动带和蓄矿料仓的宽度均相同，链割收集带的前端斜向下伸入装置前端的土体中、后端伸入蓄矿料仓内部，链割收集带伸入蓄矿料仓内部的部分占其整体部分的1/6-1/4，便于将齿状凸块间隔中的结核沿传送带输送至蓄矿料仓中。

所述阻砂底托板为顶端固定在蓄矿料仓前侧面处的L型板，阻砂底托板位于链割收集带下方且两者之间留有间隔，防止链割收集带向下倾斜时两者产生碰撞。

所述蓄矿料仓后端底面处开有排水口，排水口与外部的排水管连接，排水口上方设有将排水口完全覆盖的滤网，滤网上安装有抽水泵，抽水泵的出水口朝向排水管设置，抽水泵开启后向蓄矿料仓外部排水，使蓄矿料仓内部形成负压环境，进一步提高装置的收集效率。

利用上述射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置的采集方法，包括如下步骤：

S1.将本采集装置利用履带驱动至海底采矿区，停止移动；

S2.蓄水容器中初始状态为密闭空间，且内部充满空气；此时打开进水直筒处的止水阀，由于蓄水容器与外部环境存在压强差，迫使蓄水容器外的海水通过进水直筒进入蓄水容器中，又根据连通器原理，海水自动充满整个容器；

S3.海水充满容器后，关闭止水阀，此时与蓄水容器相连的第一增压泵开始运转，增大容器内的压强，从而产生产生高压射流水流，水流经喷头斜向下喷射，喷出的水流扰动海底平面多金属结核矿石附存层，使结核从土层中剥离；同时浊液腔处的第二增压泵工作，高浓度的浊液和海水分别沿伸缩金属管进入泥沙絮凝浊流喷射板，经挡流板处的混合形成低浓度的浊液，并自第一圆形通孔竖直向下喷出，有效防止羽状流的生成；

S4.蓄矿料仓尾部的抽水泵开启，使蓄矿料仓内部形成负压空间，此时链割收集带开始工作，传送带逆时针旋转，齿状凸块的间隙将结合裹挟至蓄矿料仓；

S5.当该采矿区的作业完成后，关闭止水阀，利用履带将装置移动至下一采矿区，重复步骤S2-S4直至开采作业完毕。

本发明的有益效果是：

1.本发明充分考虑海底多金属结核的赋存环境，采取射流冲刷与机械式采矿相结合的采集方式，充分利用了射流冲坑机理，实现能够对深海海底多金属结核矿石进行有效剥离。

2.本发明充分利用海底富水环境，高压喷头喷吸水体均来自于海洋，且其耗能低；且本发明充分考虑到多金属结核矿石采集时的不易观察性，通过对其表面的土体进行射流冲刷，使其暴露出来，增加了采矿时对矿石的暴露率，并且使多金属结核矿石更易被剥离采集，增加了采集效率。

3.本发明采用的射流流速远低于常规射流结核的射流流速，降低采集过程中底砂悬浮及羽状流污染。且被采集的金属结核中泥砂含量低，减少了采矿车内砂-矿分离及尾矿处理的工作量，源头上降低了由尾矿处理引发羽状流问题的概率，且通过泥沙絮凝浊流减少了羽状流的产生，提升了海底采矿作业的环境友好度。

附图说明

图1是本发明射流冲刷的原理示意图；

图2是装置结构示意图；

图3是装置的侧视图；

图4是装置使用时示意图；

图5是喷头结构示意图；

图6是链割收集带结构示意图；

图7是泥沙絮凝浊流喷射板结构示意图；

其中，1.进水直筒；2.止水阀；3.喷头；4.伸缩金属杆；5.泥沙絮凝浊流喷射板；6.蓄水容器；7.蓄矿料仓；8.履带；9.链割收集带；10.阻砂底托板。

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7所示，射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，包括履带8和安装在履带8顶部的蓄矿料仓7，蓄矿料仓7顶端固定有长方形蓄水容器6，蓄水容器6顶面固定有与其连通的进水直筒1，进水直筒1为竖向设置的圆筒且其中段设有止水阀2，止水阀2用于控制外部环境中洁净海水的进入；蓄水容器6的前后两端还各设有一块泥沙絮凝浊流喷射板5，每个泥沙絮凝浊流喷射板5均通过两根伸缩金属管4与蓄水容器6固定连接，伸缩金属管4内部中空且两端连接处分别与泥沙絮凝浊流喷射板5和蓄水容器6连通；伸缩金属管4的内径均匀减小，伸缩金属管4与蓄水容器6连接处内径大、与泥沙絮凝浊流喷射板5连接处内径小，利用伸缩金属管4内径的变化，对泥沙絮凝浊流喷射板5处流速进行控制；所述蓄水容器6内部固定有隔板，隔板竖向设置且沿装置行进方向将蓄水容器6内部分割为左右两个独立的空腔，其中与进水直筒1连通的空腔为海水腔、另一侧空腔为浊液腔，海水腔侧面连接有第一增压泵，浊液腔的底部开有进液口、侧面连接有第二增压泵，蓄水容器6处的伸缩金属管4分别自蓄水容器6向泥沙絮凝浊流喷射板5输送洁净海水和浊液。

泥沙絮凝浊流喷射板5为扁平空心长方体，泥沙絮凝浊流喷射板5的底面开有至少24个均匀分布的第一圆形通孔，泥沙絮凝浊流喷射板5内还设有一块长方形挡流板，挡流板竖向设置且其面积与泥沙絮凝浊流喷射板5内部竖向截面面积相同，挡流板设置在泥沙絮凝浊流喷射板5内部前侧距离前侧面2cm-5cm处，挡流板中心位置开有第二圆形通孔，利用挡流板的阻挡作用将进入泥沙絮凝浊流喷射板5的洁净海水和储备在浊液腔中的高浓度浊液混合，形成低浓度的浊液，便于克服浊液腔容量有限的限制，将高浓度浊液经海水稀释形成实际工作时所需的低浓度浊液，有效减少高浓度浊液的灌注次数，提高装置的作业效率。

蓄水容器6前端还设有剥离机构，剥离机构包括喷头3，喷头3的尾端通过能360°旋转的轴连接至蓄水容器6中海水腔的前端，喷头3共设有四个且横向均匀分布，使用时将喷头3调整至斜向下方向并控制流速小于结核起动速度且大于底砂起动速度。

蓄矿料仓7后端底面处开有排水口，排水口与外部的排水管连接，排水口上方设有将排水口完全覆盖的滤网，滤网上安装有抽水泵，抽水泵的出水口朝向排水管设置，抽水泵开启后向蓄矿料仓7外部排水，使蓄矿料仓7内部形成负压环境，进一步提高装置的收集效率。蓄矿料仓7的前端设有采集机构，采集机构包括链割收集带9和阻砂底托板10，链割收集带9包括传送带和固定在传送带表面的齿状凸块，齿状凸块的纵向截面呈长方形，齿状凸块布满传送带表面且相邻的齿状凸块之间留有收集结核的间隔，齿状凸块、传动带和蓄矿料仓7的宽度均相同，链割收集带9的前端斜向下伸入装置前端的土体中、后端伸入蓄矿料仓7内部，链割收集带9伸入蓄矿料仓7内部的部分占其整体部分的1/6-1/4，便于将齿状凸块间隔中的结核沿传送带输送至蓄矿料仓7中；阻砂底托板10为顶端固定在蓄矿料仓7前侧面处的L型板，阻砂底托板10位于链割收集带9下方且两者之间留有间隔，防止链割收集带9向下倾斜时两者产生碰撞。

利用上述射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置的采集方法，包括如下步骤：

S1.将本采集装置利用履带8驱动至海底采矿区，停止移动；

S2.蓄水容器6中初始状态为密闭空间，且内部充满空气；此时打开进水直筒1处的止水阀2，由于蓄水容器6与外部环境存在压强差，迫使蓄水容器6外的海水通过进水直筒1进入蓄水容器6中，又根据连通器原理，海水自动充满整个容器；

S3.海水充满容器后，关闭止水阀2，此时与蓄水容器相连的第一增压泵开始运转，从而产生高压射流水流，水流经喷头3斜向下喷射，喷出的水流扰动海底平面多金属结核矿石附存层，使结核从土层中剥离；同时浊液腔处的第二增压泵工作，高浓度的浊液和海水分别沿伸缩金属管4进入泥沙絮凝浊流喷射板5，经挡流板处的混合形成低浓度的浊液，并自第一圆形通孔竖直向下喷出，有效防止羽状流的生成；

S4.蓄矿料仓7尾部的抽水泵开启，使蓄矿料仓7内部形成负压空间，此时链割收集带9开始工作，传送带逆时针旋转，齿状凸块的间隙将结合裹挟至蓄矿料仓7；

S5.当该采矿区的作业完成后，关闭止水阀2，利用履带8将装置移动至下一采矿区，重复步骤S2-S4直至开采作业完毕。

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 (8)

1.一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，包括履带和安装在履带顶部的蓄矿料仓，其特征是，所述蓄矿料仓顶端固定有长方体形蓄水容器、蓄矿料仓的前端设有采集机构，蓄水容器的前后两端各设有一块泥沙絮凝浊流喷射板，每个泥沙絮凝浊流喷射板均通过两根伸缩金属管与蓄水容器固定连接，伸缩金属管内部中空且两端连接处分别与泥沙絮凝浊流喷射板和蓄水容器连通；蓄水容器前端还设有剥离机构；

所述蓄水容器顶面固定有与其连通的进水直筒，进水直筒为竖向设置的圆筒且其中段设有止水阀；

所述蓄水容器内部固定有隔板，隔板竖向设置且沿装置行进方向将蓄水容器内部分割为左右两个独立的空腔，其中与进水直筒连通的空腔为海水腔、另一侧空腔为浊液腔，海水腔侧面连接有第一增压泵，浊液腔的底部开有进液口、侧面连接有第二增压泵，蓄水容器处的伸缩金属管分别自蓄水容器向泥沙絮凝浊流喷射板输送洁净海水和浊液。

2.如权利要求1所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述泥沙絮凝浊流喷射板为扁平空心长方体，泥沙絮凝浊流喷射板的底面开有至少24个均匀分布的第一圆形通孔，泥沙絮凝浊流喷射板内还设有一块长方形挡流板，挡流板竖向设置且其面积与泥沙絮凝浊流喷射板内部竖向截面面积相同，挡流板设置在泥沙絮凝浊流喷射板内部前侧距离前侧面2cm-5cm处，挡流板中心位置开有第二圆形通孔，利用挡流板的阻挡作用将进入泥沙絮凝浊流喷射板的洁净海水和储备在浊液腔中的高浓度浊液混合，形成低浓度的浊液。

3.如权利要求1所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述伸缩金属管的内径均匀减小，伸缩金属管与蓄水容器连接处内径大、与泥沙絮凝浊流喷射板连接处内径小。

4.如权利要求1所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述剥离机构包括喷头，喷头的尾端通过能360°旋转的轴连接至蓄水容器中海水腔的前端，喷头共设有四个且横向均匀分布，使用时将喷头调整至斜向下方向并控制流速大于底砂起动速度且小于结核起动速度，根据泥沙动力学相关公式（1），按照采矿区底砂粒径相关参数计算所需射流流速，深海底砂起动流速约为结核起动流速的10%-20%：

（1）

其中：V为底砂、结核起动流速；

为底砂颗粒、结核重度；

为海水重度；g为重力加速度；d为底砂颗粒、结核的中值粒径；h为海底水深。

5.如权利要求1所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述采集机构包括链割收集带和阻砂底托板，链割收集带包括传送带和固定在传送带表面的齿状凸块，齿状凸块的纵向截面呈长方形，齿状凸块布满传送带表面且相邻的齿状凸块之间留有收集结核的间隔，齿状凸块、传动带和蓄矿料仓的宽度均相同，链割收集带的前端斜向下伸入装置前端的土体中、后端伸入蓄矿料仓内部，链割收集带伸入蓄矿料仓内部的部分占其整体部分的1/6-1/4。

6.如权利要求5所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述阻砂底托板为顶端固定在蓄矿料仓前侧面处的L型板，阻砂底托板位于链割收集带下方且两者之间留有间隔，防止链割收集带向下倾斜时两者产生碰撞。

7.如权利要求5所述的射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置，其特征是，所述蓄矿料仓后端底面处开有排水口，排水口与外部的排水管连接，排水口上方设有将排水口完全覆盖的滤网，滤网上安装有抽水泵，抽水泵的出水口朝向排水管设置，抽水泵开启后向蓄矿料仓外部排水，使蓄矿料仓内部形成负压环境，进一步提高装置的收集效率。

8.利用权利要求1-7任一项所述射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置的采集方法，其特征是，包括如下步骤：

S1.将本采集装置利用履带驱动至海底采矿区，停止移动；

S2.蓄水容器中初始状态为密闭空间，且内部充满空气；此时打开进水直筒处的止水阀，由于蓄水容器与外部环境存在压强差，迫使蓄水容器外的海水通过进水直筒进入蓄水容器中，又根据连通器原理，海水自动充满整个容器；

S3.海水充满容器后，关闭止水阀，此时与蓄水容器相连的第一增压泵开始运转，增大容器内的压强，从而产生高压射流水流，水流经喷头斜向下喷射，喷出的水流扰动海底平面多金属结核矿石附存层，使结核从土层中剥离；同时浊液腔处的第二增压泵工作，高浓度的浊液和海水分别沿伸缩金属管进入泥沙絮凝浊流喷射板，经挡流板处的混合形成低浓度的浊液，并自第一圆形通孔竖直向下喷出，有效防止羽状流的生成；

S4.蓄矿料仓尾部的抽水泵开启，使蓄矿料仓内部形成负压空间，此时链割收集带开始工作，传送带逆时针旋转，齿状凸块的间隙将结核裹挟至蓄矿料仓；

S5.当该采矿区的作业完成后，关闭止水阀，利用履带将装置移动至下一采矿区，重复步骤S2-S4直至开采作业完毕。

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