CN113107493B - 一种吸压混合非接触式深海采矿系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种吸压混合非接触式深海采矿系统及其工作方法。它包括至少一个采矿车、至少一个增压站、至少一个转运车、ROV、充电桩、扬矿硬管、收集船、运输船，在收集船上设有负压仓，一设置在收集船上的空气泵通过管路与负压仓相连通设置，所述负压仓通过输送软管与运输船的运输仓相连通设置，在收集船上设有扬矿硬管，扬矿硬管的上端与收集船的负压仓相连通。它解决当前各种深海采矿方案存在的采矿效率低下、可靠性差、污染严重等技术问题，能够有效提高深海采矿的采矿效率，可连续性进行采矿，提高了设备运行的安全性，延长采矿设备的使用寿命，同时避免对环境造成污染，解决了现有技术中存在的问题。

Description

一种吸压混合非接触式深海采矿系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种吸压混合非接触式深海采矿系统及其工作方法。

背景技术

工业化以来，随着人们对资源的不断开采，陆地上的资源逐渐枯竭。而海洋中蕴含丰富的矿物资源，特别是深海海底存在多金属结核、多金属硫化物等多种矿物，具有极高的开采价值。但深海矿物的开采需要克服海底高压力、海底至海面长距离输送、海底矿物分布分散难以采集、环境污染严重等诸多问题。因此，研究一种可以在深海高效采集矿物，并进行长距离输送，同时对环境友好的深海采矿设备与方法，是实现深海矿物开采不可或缺的重要手段之一。

当前已有的深海采矿方法主要有连续链斗法、深海运载器法、多级泵管道提升法等，但这些采矿方法均存在诸多问题：

首先，使用连续链斗法采矿效率较低，链斗携带矿料后自重较大，拖动沉重的链斗功耗极大，并且铁链极容易发生缠绕，从而影响设备的正常运行；

其次，使用深海运载器法在采矿时，单次采矿量较小，而运载器携带矿料后需要频繁的上浮与下沉，其采矿工作效率低下，并且运载器成本昂贵，采矿成本高昂；

另外，使用多级泵管道提升法需要在管道上串联多个提升泵，泵叶与矿料直接接触，破坏了矿料的完整性同时也磨损了扇叶，降低了矿料的输送效率，缩短了提升泵的使用寿命。而在提升管上串联多个提升泵增大了管道受力的载荷，对于管道的稳定性构成较大的影响。并且，提升泵压力有限，而提升的矿料中含有了大量的深海底层废水，不仅大大降低了矿料的提升效率，还使提升的废水对环境造成污染。

发明内容

本发明提供了一种吸压混合非接触式深海采矿系统及其工作方法，它解决当前各种深海采矿方案存在的采矿效率低下、可靠性差、污染严重等技术问题，能够有效提高深海采矿的采矿效率，可连续性进行采矿，提高了设备运行的安全性，延长采矿设备的使用寿命，同时避免对环境造成污染，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之一所采用的技术方案是：

一种吸压混合非接触式深海采矿系统，包括至少一个采矿车、至少一个增压站、至少一个转运车、ROV、充电桩、扬矿硬管、收集船、运输船，在收集船上设有负压仓，一设置在收集船上的空气泵通过管路与负压仓相连通设置，所述负压仓通过输送软管与运输船的运输仓相连通设置，在收集船上设有扬矿硬管，扬矿硬管的上端与收集船的负压仓相连通，其下端向下穿出收集船与设置在海底的增压站相连，所述收集船通过光电复合缆与海底的采矿车、充电桩相连，所述ROV通过脐带缆与收集船相连接。

优选的，所述采矿车包括设置在采矿车内的储料罐，一采矿车输料口通过连接管道与采矿车的储料罐相连通。

优选的，所述转运车包括设置在转运车内的矿仓，一设置在转运车内的矿浆泵，其出料端与矿仓相连通设置，其进料端与可动输料管相连，在转运车内设有蓄电池，蓄电池经导线与设置在转运车外侧的充电插头相连，所述矿浆泵经导线与蓄电池相连。

优选的，所述ROV包括环境监测传感器，在ROV一侧设有水下机械手。

优选的，所述增压站包括海水腔与输送腔，且输送腔的直径小于海水腔的直径，在增压站内设有活塞，所述活塞包括活动卡接在海水腔内的下活塞，在下活塞上设有活动卡接在输送腔内的上活塞，在增压站一侧设有海水泵，所述海水泵经进水管与海水腔下部相连通，在进水管上设有第一海水阀，在海水腔下部一侧设有出水管，在出水管上设有第二海水阀，在海水腔上部一侧设有排水管，在排水管上设有第三海水阀；在输送腔一侧设有增压站输料口，增压站输料口通过输料管与输送腔相连通设置，在输料管上设有第一矿浆阀，所述扬矿硬管穿过增压站的输送腔与其相连通设置，在靠增压站一侧的扬矿硬管上设有第二矿浆阀。

优选的，所述充电桩包括桩体和设置在桩体上的若干个充电插座。

优选的，还包括设置在海底的若干个水下潜标，所述水下潜标包括潜标本体，在潜标本体底部设有系泊链，在潜标本体上设有水声通讯装置，所述水声通讯装置可与采矿车、转运车以及ROV进行通讯。

优选的，在海面以下的各根光电复合缆上沿其长度间隔设有若干个浮球。

优选的，包括以下步骤：

步骤1：在海底指定作业区域的边界布放水下潜标；

步骤2：将采矿车、转运车、增压站、扬矿硬管、光电复合缆及ROV下放至作业区域，并将充电桩下放至工作区域之外；

步骤3：采矿车在规划好的作业区域内开采矿料，并储存于采矿车的储料罐中；

步骤4：待采矿车的储料罐内满载时，转运车驶向该满载的采矿车，将可动输料管与采矿车输料口对接，将采矿车储料罐内的矿料抽取至转运车的矿仓内；

步骤5：待转运车的矿仓满载后，转运车驶向增压站，将可动输料管与增压站输料口对接，将转运车矿仓内矿料输送至增压站的输送腔内；

步骤6：待增压站的输送腔满载后，启动增压站的海水泵，并同时启动收集船上的空气泵，将矿料从扬矿硬管内输送至收集船的负压仓内；

步骤7：待收集船的负压仓满载后，将负压仓内的矿料通过输送软管输送至运输船的运输仓内；

步骤8：若转运车的蓄电池电量较低时，则使其驶离工作区域，并驶向充电桩，将转运车的充电插头与充电桩的充电插座连接，为转运车充电。

本发明的有益效果体现在：

本发明采用上述结构，具有结构设计合理，采用多台采矿车、转运车、水下增压站协同作业，提升了整套系统的工作效率；转运车自带蓄电池可无缆工作，避免了水下过多线缆发生交缠，提高了作业的安全性；在增压站中，利用不等径的活塞，提高了运输压力，同时活塞隔离了矿浆和海水泵，提高了输送效率，延长了海水泵的使用寿命；使用水上辅助负压的方式进行矿物的输送，大大提高了输送效率，也无需在管道上添加矿浆泵或中继站，简化了减少不必要的设备，在延长设备使用寿命的同时，也避免对环境造成污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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。在所有附图中，类似的元件或部件一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部件并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的结构示意图。

图2为采矿车的结构示意图。

图3为转运车的结构示意图。

图4为增压站的结构示意图。

图5为ROV的结构示意图。

图6为充电桩的结构示意图。

图7为水下潜标结构示意图。

图8为本发明的原理结构示意图。

图中，1、采矿车；2、增压站；3、转运车；4、ROV；5、充电桩；501、桩体；502、充电插座；6、扬矿硬管；7、收集船；8、运输船；9、负压仓；10、空气泵；11、输送软管；12、运输仓；13、水下潜标；1301、潜标本体；1302、系泊链；1303、水声通讯装置；14、光电复合缆；15、脐带缆；16、储料罐；17、采矿车输料口；18、连接管道；19、矿仓；20、矿浆泵；21、可动输料管；22、蓄电池；23、充电插头；24、环境监测传感器；25、水下机械手；26、海水腔；27、输送腔；28、活塞；2801、下活塞；2802、上活塞；29、海水泵；30、进水管；31、第一海水阀；32、出水管；33、第二海水阀；34、排水管；35、第三海水阀；36、增压站输料口；37、输料管；38、第一矿浆阀；39、第二矿浆阀；40、浮球。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，用于更加清楚地说明本发明的技术方案，仅以示意方式说明本发明的基本结构，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-8中所示，一种吸压混合非接触式深海采矿系统，包括至少一个采矿车1、至少一个增压站2、至少一个转运车3、ROV4、充电桩5、扬矿硬管6、收集船7、运输船8，在收集船7上设有负压仓9，一设置在收集船7上的空气泵10通过管路与负压仓9相连通设置，所述负压仓9通过输送软管11与运输船8的运输仓12相连通设置，在收集船7上设有扬矿硬管6，扬矿硬管6的上端与收集船7的负压仓9相连通，其下端向下穿出收集船7与设置在海底的增压站2相连，所述收集船7通过光电复合缆14与海底的采矿车1、充电桩5相连，所述ROV4通过脐带缆15与收集船7相连接。

优选的，所述采矿车1包括设置在采矿车1内的储料罐16，一采矿车输料口17通过连接管道18与采矿车1的储料罐16相连通。

优选的，所述转运车3包括设置在转运车3内的矿仓19，一设置在转运车3内的矿浆泵20，其出料端与矿仓19相连通设置，其进料端与可动输料管21相连，在转运车3内设有蓄电池22，蓄电池22经导线与设置在转运车3外侧的充电插头23相连，所述矿浆泵20经导线与蓄电池22相连。其蓄电池22为转运车3提供电力，使转运车3在无电缆的条件下持续工作，避免转运车3在运输过程中线路交叉，从根本上杜绝了电缆缠绕问题的发生；其矿浆泵20为双向泵，使矿料被吸入矿仓19或者从矿仓19向外抽出；设置在转运车3的充电插头23可连接至充电桩5的充电插座502，为转运车3的蓄电池22及时充电。

优选的，所述ROV4包括环境监测传感器24，在ROV4一侧设有水下机械手25。ROV4，即遥控无人潜水器，是用于水下观察、检查和施工的水下机器人，使用ROV4对作业设备的工作状态与环境数据进行实时监测，一旦造成污染泄露即可发现并停止工作，有利于保护环境。

优选的，所述增压站2包括海水腔26与输送腔27，且输送腔27的直径小于海水腔26的直径，在增压站2内设有活塞28，所述活塞28包括活动卡接在海水腔26内的下活塞2801，在下活塞2801上设有活动卡接在输送腔27内的上活塞2802，在增压站2一侧设有海水泵29，所述海水泵29经进水管30与海水腔26下部相连通，在进水管30上设有第一海水阀31，在海水腔26下部一侧设有出水管32，在出水管32上设有第二海水阀33，在海水腔26上部一侧设有排水管34，在排水管34上设有第三海水阀35；在输送腔27一侧设有增压站输料口36，增压站输料口36通过输料管37与输送腔27相连通设置，在输料管37上设有第一矿浆阀38，所述扬矿硬管6穿过增压站2的输送腔27与其相连通设置，在靠增压站2一侧的扬矿硬管6上设有第二矿浆阀39。

增压站2的工作过程为：当转运车3向增压站2中输送矿料时，使转运车3的可动输料管21对接在增压站2的增压站输料口36上，开启第二海水阀33与第三海水阀35，关闭第二矿浆阀39与第一海水阀31。然后，开启转运车3内的矿浆泵20，将转运车3矿仓19内的矿料输送至增压站2的输送腔27内，并使活塞38向下移动，在输送腔27满载后，关闭第二海水阀33，并开启第一海水阀31与第二矿浆阀39，启动海水泵29，将海水压入海水腔26，随着海水不断注入海水腔26，进而使活塞28向上移动，由于海水腔26内下活塞2801直径大于输送腔27内上活塞2802的直径，故使输送腔27内可以产生更高的压力，达到增压效果，在压力的作用下矿料通过扬矿硬管6输送至收集船8的负压仓9内。在增压站2工作的同时，启动空气泵10工作，将负压仓9内的空气抽出，使负压仓9内形成负压，辅助增压站2将矿料提升至负压仓9内。

优选的，所述充电桩5包括桩体501和设置在桩体501上的若干个充电插座502。

优选的，还包括设置在海底的若干个水下潜标13，所述水下潜标13包括潜标本体1301，在潜标本体1301底部设有系泊链1302，在潜标本体1301上设有水声通讯装置1303，所述水声通讯装置1303可与采矿车1、转运车3以及ROV4进行通讯。水声通讯装置1303是一项在水下收发信息的技术，常见的水声通信方法是采用扩频通信技术，如CDMA等。水声通讯装置1303的水声通信的工作原理是将文字、语音、图像等信息，通过电发送机转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器又将电信号转换为声信号。

优选的，在海面以下的各根光电复合缆14上沿其长度间隔设有若干个浮球40。保证各根光电复合缆14在浮球40的作用下，保持向上的曲线状态，防止光电复合缆14落在海底，造成线路交叉，影响采矿车1的行进。

优选的，包括以下步骤：

步骤1：在海底指定作业区域的边界布放水下潜标13；

步骤2：将采矿车1、转运车3、增压站2、扬矿硬管6、光电复合缆14及ROV4下放至作业区域，并将充电桩5下放至工作区域之外；

步骤3：采矿车1在规划好的作业区域内开采矿料，并储存于采矿车1的储料罐16中；

步骤4：待采矿车1的储料罐16内满载时，转运车3驶向该满载的采矿车1，将可动输料管21与采矿车输料口17对接，将采矿车1储料罐16内的矿料抽取至转运车3的矿仓19内；

步骤5：待转运车3的矿仓19满载后，转运车驶向增压站2，将可动输料管21与增压站输料口36对接，将转运车3矿仓19内矿料输送至增压站2的输送27腔内；

步骤6：待增压站2的输送腔27满载后，启动增压站2的海水泵29，并同时启动收集船7上的空气泵10，将矿料从扬矿硬管6内输送至收集船7的负压仓9内；

步骤7：待收集船7的负压仓9满载后，将负压仓9内的矿料通过输送软管11输送至运输船8的运输仓12内；

步骤8：若转运车3的蓄电池22电量较低时，则使其驶离工作区域，并驶向充电桩5，将转运车3的充电插头23与充电桩5的充电插座502连接，为转运车3充电。

通过使用本系统，可以完美解决当前各种深海采矿方案存在的采矿效率低下、可靠性差、污染严重等技术问题，能够有效提高深海采矿的采矿效率，可连续性进行采矿，提高了设备运行的安全性，延长采矿设备的使用寿命，同时避免对环境造成污染，解决了现有技术中存在的问题。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中；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 (9)

1.一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：包括至少一个采矿车、至少一个增压站、至少一个转运车、ROV、充电桩、扬矿硬管、收集船、运输船，在收集船上设有负压仓，一设置在收集船上的空气泵通过管路与负压仓相连通设置，所述负压仓通过输送软管与运输船的运输仓相连通设置，在收集船上设有扬矿硬管，扬矿硬管的上端与收集船的负压仓相连通，其下端向下穿出收集船与设置在海底的增压站相连，所述收集船通过光电复合缆与海底的采矿车、充电桩相连，所述ROV通过脐带缆与收集船相连接。

2.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：所述采矿车包括设置在采矿车内的储料罐，一采矿车输料口通过连接管道与采矿车的储料罐相连通。

3.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：所述转运车包括设置在转运车内的矿仓，一设置在转运车内的矿浆泵，其出料端与矿仓相连通设置，其进料端与可动输料管相连，在转运车内设有蓄电池，蓄电池经导线与设置在转运车外侧的充电插头相连，所述矿浆泵经导线与蓄电池相连。

4.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：所述ROV包括环境监测传感器，在ROV一侧设有水下机械手。

5.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：所述增压站包括海水腔与输送腔，且输送腔的直径小于海水腔的直径，在增压站内设有活塞，所述活塞包括活动卡接在海水腔内的下活塞，在下活塞上设有活动卡接在输送腔内的上活塞，在增压站一侧设有海水泵，所述海水泵经进水管与海水腔下部相连通，在进水管上设有第一海水阀，在海水腔下部一侧设有出水管，在出水管上设有第二海水阀，在海水腔上部一侧设有排水管，在排水管上设有第三海水阀；在输送腔一侧设有增压站输料口，增压站输料口通过输料管与输送腔相连通设置，在输料管上设有第一矿浆阀，所述扬矿硬管穿过增压站的输送腔与其相连通设置，在靠增压站一侧的扬矿硬管上设有第二矿浆阀。

6.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：所述充电桩包括桩体和设置在桩体上的若干个充电插座。

7.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：还包括设置在海底的若干个水下潜标，所述水下潜标包括潜标本体，在潜标本体底部设有系泊链，在潜标本体上设有水声通讯装置，所述水声通讯装置可与采矿车、转运车以及ROV进行通讯。

8.根据权利要求1所述的一种吸压混合非接触式深海采矿系统，其特征在于：在海面以下的各根光电复合缆上沿其长度间隔设有若干个浮球。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的吸压混合非接触式深海采矿系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在海底指定作业区域的边界布放水下潜标；

步骤2：将采矿车、转运车、增压站、扬矿硬管、光电复合缆及ROV下放至作业区域，并将充电桩下放至工作区域之外；

步骤3：采矿车在规划好的作业区域内开采矿料，并储存于采矿车的储料罐中；

步骤4：待采矿车的储料罐内满载时，转运车驶向该满载的采矿车，将可动输料管与采矿车输料口对接，将采矿车储料罐内的矿料抽取至转运车的矿仓内；

步骤5：待转运车的矿仓满载后，转运车驶向增压站，将可动输料管与增压站输料口对接，将转运车矿仓内矿料输送至增压站的输送腔内；

步骤6：待增压站的输送腔满载后，启动增压站的海水泵，并同时启动收集船上的空气泵，将矿料从扬矿硬管内输送至收集船的负压仓内；

步骤7：待收集船的负压仓满载后，将负压仓内的矿料通过输送软管输送至运输船的运输仓内；

步骤8：若转运车的蓄电池电量较低时，则使其驶离工作区域，并驶向充电桩，将转运车的充电插头与充电桩的充电插座连接，为转运车充电。

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