CN113047841B - 多金属结核非连续链斗式深海采矿系统 - Google Patents

Abstract

多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，所述采矿系统包括：水上作业单元，所述水上作业单元包括相配合设置的作业母船、动力平台和带多个链轮的运输船；水下提升链斗单元，所述水下提升链斗单元包括设置在运输船链轮上的链式绳缆，在链式绳缆上设有链斗和传感器，以监测链式绳缆的受力情况，在链式绳缆的底部还设有海底支撑；海底操作单元，所述海底操作单元包括设置在海底的多个采矿车；电气控制单元，所述电气控制单元包括充电桩和控制器，在控制器内设有监测单元和通信单元，所述监测单元集成于充电桩，所述通信单元集成于充电桩，所述通信单元包括水声通信和光电复合缆，所述充电桩与采矿车电气连接。

Description

多金属结核非连续链斗式深海采矿系统

技术领域：

本发明涉及多金属结核非连续链斗式深海采矿系统。

背景技术：

矿物资源，又名矿产资源，是指经过地质成矿作用而形成的，天然赋存于地壳内部或地表，埋藏于地下或出露于地表，呈固态、液态或气态的，并具有开发利用价值的矿物或有用元素的集合体。

近年来，随着经济的发展，陆地矿产资源已难以满足人类对矿产资源的需求，因此人类需要探索新的矿产资源供给方式。海底蕴含着丰富的矿产资源，合理的开采海洋矿产资源有助于解决陆地矿产资源供给不足的问题；多金属结核富含锰、铁、镍等几十种元素，是一种极具经济价值的矿产资源，多处在四千米至六千米的深海区域。海洋环境复杂、海底生态环境脆弱，海底矿物的采集，采集后的矿物的运输等都对深海采矿技术提出了很大的挑战。

目前，世界各国采矿提升方式大多采用管道进行提升，管道结构固定难度大，不方便安装、运输与回收，也对管道及输送泵的设计提出了巨大的挑战；深海采矿环境复杂，过长的管道会承受复杂的风、浪、流等海洋环境载荷，对安全作业提出巨大挑战；海面作业船与海底采矿车拖曳运动引起复杂的升沉作用，结合过长的提升管道，难以实现多采矿车的协同作业；管道提升系统造价昂贵，极端海洋环境下，难以实现提升管道的快速回收，废弃会照成极大经济损失，影响开采效率。

已有的连续绳斗提升式深海采矿系统，依赖于绳斗自重与绳缆的拖曳将多金属结核从海底铲起，采集效率和资源回收效率低，且对海底环境的影响大；并且缺乏张紧装置，面对复杂的风、浪、流等海洋载荷以及海面作业船的升沉、拖曳，易引起绳缆的缠连，从而造成采矿系统性能不稳定、经济性较差。

发明内容：

本发明实施例提供了多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，结构设计合理，基于电气控制和机械组件相结合的具体结构，能够避免多金属结核的破碎过程，保证水上作业单元及水下提升链斗单元的安全，成本低廉、能耗较小，设置有张紧装置，可以很好的适应复杂的风、浪、流等海洋载荷以及海面作业船的升沉、拖曳，避免出现绳缆缠连的现象，环保性好，同时还提升了系统整体的采集效率和资源回收效率，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，所述采矿系统包括：

水上作业单元，所述水上作业单元用于提供动力和进行控制信息的交互，所述水上作业单元包括相配合设置的作业母船、动力平台和带多个链轮的运输船；

水下提升链斗单元，所述水下提升链斗单元用于将深海矿物提升至运输船，所述水下提升链斗单元包括设置在运输船链轮上的链式绳缆，在链式绳缆上设有链斗和传感器，以监测链式绳缆的受力情况，在链式绳缆的底部还设有海底支撑；

海底操作单元，所述海底操作单元用于在海底进行采矿作用，所述海底操作单元包括设置在海底的多个采矿车；

电气控制单元，所述电气控制单元用于为采矿车进行供电及与作业母船建立通讯，以获取电能和控制信息，所述电气控制单元包括充电桩和控制器，在控制器内设有监测单元和通信单元，所述监测单元集成于充电桩，用于监测海底环境和采矿车的故障；所述通信单元集成于充电桩，用于保证数据和控制信息的有效传输，所述通信单元包括水声通信和光电复合缆，所述充电桩与采矿车电气连接，并通过水声通信将控制信息传输至采矿车，所述控制器通过光电复合缆和动力平台与作业母船相连；

潜标，所述潜标用于对海底周围环境进行监测。

所述链轮为多自由度链轮，所述链轮可随船的运动自动调节链轮角度，以防止链式绳缆发生扭转缠绕和脱链现象。

在海底支撑上设有载重块，所述载重块用于提供足够的张紧力。

在海底支撑内集成多种传感器，以检测链斗的收集情况，链式绳缆的受力情况；在监测单元和采矿车之间设有多个数据传输接口，以在充电的同时完成数据的传输。

所述采矿车的供电方式为无线充电。

所述海底支撑的数量为2个，并与监测单元构成三点定位，保证采矿车、充电桩和链斗连接定位的准确性。

所述潜标的数量为多个，均布在海底。

在采矿车内配置有可倾倒收集器，以将深海矿物倾倒至链斗中。

本发明采用上述结构，通过水上作业单元为水下提升链斗单元提供动力和进行控制信息的交互，以保证深海矿物提升的准确性；通过水下提升链斗单元的链斗和传感器来监测链式绳缆的受力情况，配合链式绳缆底部的海底支撑，从而使提升工作效率；通过电气控制单元为采矿车进行供电及与作业母船建立通讯，以获取电能和控制信息；能够将海底采矿与水下提升矿物分阶段执行，非连续链斗式提升方式避免了多金属结核的破碎过程，进一步避免了管道提升式多金属结核矿物提升复杂的固液两相流问题；充电桩集成了监测系统可实现海底环境的监测，以及矿车故障预警处理，提高装置的可靠性；充电桩集成了通信系统，水声通信保证了作业母船控制信息及时的传递至采矿车，数据传输接口保证了数据量过大情况下数据的可靠、有效传输，有效避免数据的丢失；采矿车由充电桩以间断式充电的方式提供动力，同时配备多个充电接口，提高了矿车充电效率；采用多台矿车协同作业，相较连续链斗式采矿系统，提高了采矿效率，且海底环境更加友好。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，具有安全可靠、实用高效的优点。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的作业流程示意图。

图3为本发明的采矿车运行路径示意图。

图中，1、作业母船，2、链轮，3、运输船，4、链式绳缆，5、链斗，6、传感器，7、海底支撑，8、采矿车，9、充电桩，10、控制器，11、光电复合缆，12、动力平台，13、潜标。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-3中所示，多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，所述采矿系统包括：

水上作业单元，所述水上作业单元用于提供动力和进行控制信息的交互，所述水上作业单元包括相配合设置的作业母船1、动力平台12和带多个链轮2的运输船3；

水下提升链斗单元，所述水下提升链斗单元用于将深海矿物提升至运输船3，所述水下提升链斗单元包括设置在运输船3链轮2上的链式绳缆4，在链式绳缆4上设有链斗5和传感器6，以监测链式绳缆4的受力情况，在链式绳缆4的底部还设有海底支撑7；

海底操作单元，所述海底操作单元用于在海底进行采矿作用，所述海底操作单元包括设置在海底的多个采矿车8；

电气控制单元，所述电气控制单元用于为采矿车8进行供电及与作业母船1建立通讯，以获取电能和控制信息，所述电气控制单元包括充电桩9和控制器10，在控制器10内设有监测单元和通信单元，所述监测单元集成于充电桩9，用于监测海底环境和采矿车8的故障；所述通信单元集成于充电桩9，用于保证数据和控制信息的有效传输，所述通信单元包括水声通信和光电复合缆11，所述充电桩9与采矿车8电气连接，并通过水声通信将控制信息传输至采矿车8，所述控制器通过光电复合缆11和动力平台12与作业母船1相连；

潜标13，所述潜标13用于对海底周围环境进行监测。

所述链轮2为多自由度链轮，所述链轮2可随船的运动自动调节链轮2角度，以防止链式绳缆4发生扭转缠绕和脱链现象。

在海底支撑7上设有载重块，所述载重块用于提供足够的张紧力。

在海底支撑7内集成多种传感器，以检测链斗5的收集情况，链式绳缆4的受力情况；在监测单元和采矿车8之间设有多个数据传输接口，以在充电的同时完成数据的传输。

所述采矿车8的供电方式为无线充电。

所述海底支撑7的数量为2个，并与监测单元构成三点定位，保证采矿车8、充电桩9和链斗5连接定位的准确性。

所述潜标13的数量为多个，均布在海底。

在采矿车8内配置有可倾倒收集器，以将深海矿物倾倒至链斗5中。

本发明实施例中的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统的工作原理为：基于电气控制和机械组件相结合的具体结构，能够避免多金属结核的破碎过程，保证水上作业单元及水下提升链斗单元的安全，成本低廉、能耗较小，设置有张紧装置，可以很好的适应复杂的风、浪、流等海洋载荷以及海面作业船的升沉、拖曳，避免出现绳缆缠连的现象，环保性好，同时还提升了系统整体的采集效率和资源回收效率，解决了海底采矿广泛使用的泵式提升系统在大水深采矿作业中的高成本、高耗能的问题，避免了其矿物破碎及固液两相流问题。

在整体系统中，该系统结构简单、成本低、维护方便、耗能小；解决了海底采矿广泛使用的泵式提升装置在大水深采矿作业中的高成本、高耗能的问题，避免了其矿物破碎及固液两相流问题，解决了连续绳斗式采集效率与资源回收效率低，绳缆易缠连的问题；其提升系统结构简单、成本低、布放流程方便、运输效率高，对海洋环境污染小，适用于深海各种水深区域采矿作业；该系统不依赖于高能动力设备，节能环保，所采用的压载物多样环保，降低了深海采矿作业的成本。

与现有技术相对比，本发明实施例中的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统的优点在于非连续式海底采矿系统可将海底采矿与水下提升矿物分阶段执行，非连续链斗式提升方式避免了多金属结核的破碎过程，进一步避免了管道提升式多金属结核矿物提升复杂的固液两相流问题。

相较于管道提升式矿物运输系统，本方案结构简单、维护方便、成本低、便于制造安装，遇到极端海况时可考虑利用将链式绳缆4与作业母船1断开，保证水上作业单元、水下提升链斗单元及海底操作单元的安全，且无法回收的经济损失相较管道更小。

优选的，在充电桩9上集成了监测单元和通信单元，可实现海底环境的监测，以及矿车故障预警处理，提高装置的可靠性；在通信单元内设有水声通信和光电复合缆11，水声通信保证了作业母船1控制信息及时的传递至采矿车8，光电复合缆11和动力平台12将作业母船1和控制器相连接通信。

优选的，在监测单元和采矿车之间设有多个数据传输接口，以在充电的同时完成数据的传输，数据传输接口保证了数据量过大情况下数据的可靠、有效传输，有效避免数据的丢失。

优选的，采矿车8由充电桩9以间断式充电的方式提供动力，同时配备多个充电接口，提高了矿车充电效率；采用多台采矿车8协同作业，相较连续链斗式采矿系统，提高了采矿效率，且海底环境更加友好；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矿产资源的开采。

优选的，采矿车8的供电采用无线充电，采矿车配备可倾倒收集器，收集完成可移动至链斗5附近将矿物倾倒至链斗5中，并且采矿车8内置多种传感器，负责监测采矿车8的工作状况以及充电过程；多金属结核的采集、矿物的卸载以及矿车的功能为并行过程，以实现海底采矿、链斗下放、卸载以及充电过程的近似连续作业，提升系统工作效率。

在水上作业单元中，是作业母船1和运输船3进行作业，作业母船1负责通过光电复合缆11为动力平台12及海底充电桩9进行供电以及与监测单元和通信单元实现信息的交换，运输船3负责对水下提升链斗单元进行供能，并将深海矿物进行提升转运；运输船3还可以通过链轮2对链式绳缆4进行张紧，链轮2为多自由度链轮，可随运输船3的运动自动调整链轮2角度，防止发生扭转缠绕和脱链的现象。

在水下提升链斗单元中，通过链式绳缆4进行提升，通过链轮2及海底支撑7进行张紧防止缠绕，链式绳缆4上连接链斗5及传感器6，通过链斗5将采矿车中的矿物提升转运至运输船3，传感器6负责监控链式绳缆4受力防止绳缆断裂并实现作业环境的监测。

优选的，链式绳缆4为连续式，在作业时为非连续式，链式绳缆4一边为空链斗一边为满载链斗，通过运输船下放空链斗，海底采矿车8对链斗5进行填充，矿物填充时链式绳缆4停止运动，填充完成后链式绳缆4将完成集矿链斗5进行提升，同时下放相应数量空链斗，从而完成采矿动作。

进一步的，海底支撑7上集成传感器，负责检测链斗收集情况，绳缆受力情况以及海底工作环境的监测。

在采矿车8动作过程中，由两个海底支撑7和控制器10内的监测单元构成三点定位结构，保证采矿车8与充电桩9、链斗5连接定位的准确性；潜标13的数量为多个，均布在海底内，正常工作时起到工作区域的规划以及环境监测作用。

特别说明的是，在动力平台12内置有电源和定位装置，在紧急状况和极端海况下可以断开作业母船1和动力平台12的连接，同时，绳缆脱离运输船3并挂载轻质浮力块。动力平台12依靠自身电源保持运转，为安全环境下作业母船1的返回提供定位服务，实现海底作业系统与水上工作系统的重新连接。

综上所述，本发明实施例中的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统解决了海底采矿广泛使用的泵式提升系统在大水深采矿作业中的高成本、高耗能的问题，避免了其矿物破碎及固液两相流问题；解决了连续绳斗式采集效率与资源回收效率低，绳缆易缠连的问题；其提升单元结构简单、成本低、布放流程方便、运输效率高，对海洋环境污染小，适用于深海各种水深区域采矿作业；该系统不依赖于高能动力设备，节能环保，所采用的压载物多样环保，降低了深海采矿作业的成本。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，其特征在于，所述采矿系统包括：

水上作业单元，所述水上作业单元用于提供动力和进行控制信息的交互，所述水上作业单元包括相配合设置的作业母船、动力平台和带多个链轮的运输船；

水下提升链斗单元，所述水下提升链斗单元用于将深海矿物提升至运输船，所述水下提升链斗单元包括设置在运输船链轮上的链式绳缆，在链式绳缆上设有链斗和传感器，以监测链式绳缆的受力情况，在链式绳缆的底部还设有海底支撑；

海底操作单元，所述海底操作单元用于在海底进行采矿作用，所述海底操作单元包括设置在海底的多个采矿车；

电气控制单元，所述电气控制单元用于为采矿车进行供电及与作业母船建立通讯，以获取电能和控制信息，所述电气控制单元包括充电桩和控制器，在控制器内设有监测单元和通信单元，所述监测单元集成于充电桩，用于监测海底环境和采矿车的故障；所述通信单元集成于充电桩，用于保证数据和控制信息的有效传输，所述通信单元包括水声通信和光电复合缆，所述充电桩与采矿车电气连接，并通过水声通信将控制信息传输至采矿车，所述控制器通过光电复合缆和动力平台与作业母船相连；

潜标，所述潜标用于对海底周围环境进行监测；

所述链轮为多自由度链轮，所述链轮可随船的运动自动调节链轮角度，以防止链式绳缆发生扭转缠绕和脱链现象；

在海底支撑上设有载重块，所述载重块用于提供足够的张紧力；

在海底支撑内集成多种传感器，以检测链斗的收集情况，链式绳缆的受力情况；在监测单元和采矿车之间设有多个数据传输接口，以在充电的同时完成数据的传输；

所述海底支撑的数量为2个，并与监测单元构成三点定位，保证采矿车、充电桩和链斗连接定位的准确性。

2.根据权利要求1所述的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，其特征在于：所述采矿车的供电方式为无线充电。

3.根据权利要求1所述的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，其特征在于：所述潜标的数量为多个，均布在海底。

4.根据权利要求1所述的多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，其特征在于：在采矿车内配置有可倾倒收集器，以将深海矿物倾倒至链斗中。

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