CN113775340B - 一种多金属结核环形轨道采集系统及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多金属结核环形轨道采集系统及采集方法。包括环形轨道（1）、透空集矿头（2）、运输装置（3）；所述透空集矿头（2）为多个，沿所述环形轨道（1）运动；所述透空集矿头（2）包括碾轮（4）、集矿槽（5）、插入齿板（6）、筛分齿板（7）、电机控制装置（8）、液压推杆（9）；所述透空集矿头（2）为开口状壳体，电机控制装置（8）控制液压推杆（9）将矿物推送到集矿槽（5）中；沿环形轨道（1）分布设置有多个运输装置（3）。本发明具有能够减少海底集矿扰动、保护环境、集矿率高、分级采矿、使用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及海洋矿产资源开采设备领域，尤其涉及一种多金属结核环形轨道采集系统及采集方法。
背景技术
深海海底蕴含丰富的多金属结核以及钴结壳等固体矿石资源，已探明的储量达数百亿吨，开发深海矿产资源是解决全球资源、能源紧缺问题的重要方向。但是，深海洋底多金属结核资源赋存环境恶劣，多金属结核资源呈面式分布，面富集程度约6~10 kg/m2，赋存分散，且仅赋存于海底0~25cm表层稀软土中，赋存土体抗剪强度低（0~6kPa），承载能力差，且极易受到扰动。
目前，比较主流的深海固体矿产资源开采工艺是，利用海底集矿车采集矿石，再利用管道将矿石提升到水面采矿船上。现有的多金属结核采集装置采矿车主要为传统车辆式布局，即外形主要为长方体，车上部为摄像与自动驾驶装置，车下部为履带行走装置，车前端为结核采集装置，这样的布局在实际工作中，往往造成车前端结核采集装置采集结核时激起的扬尘。例如，公开号为CN111894594 A的中国专利申请公开了一种集成式深海采矿车，包括车架和行走机构，其特征在于：所述车架上集成设置有截割装置、收集装置、水力旋流器、料仓和提升装置，所述截割装置包括截割头、动臂、支架和液压缸，所述截割头安装在动臂的一端，截割头通过驱动装置驱动转动，所述动臂的另一端与支架的顶部铰接，所述液压缸的活塞杆与动臂的中部相连，缸筒铰接于支架的底部；所述收集装置包括依次连通的吸矿室、硬管、软管和离心泵，所述吸矿室设置在切割头内部，所述离心泵的出料端与水力旋流器连通，所述水力旋流器通过管道与料仓连通。
但是，现有的采矿装置容易产生扰动，会大大降低土体的承载性能以及矿石的采集成功率和效率，对海洋自然环境和生态平衡产生不利影响。有研究表明，开采四五千米水深处的锰结核，按现有技术水平，日采集5000吨结核的装置每天搅起的沉积物数量可达104立方米。大量被搅起的沉积物在重力和海流的作用下重新沉降以及搅动后有害金属的重新分配或释放必然对海底鱼类及其它生物和海洋环境产生明显的破坏作用。并且采矿过程中形成的羽状流会引起表层生物窒息死亡，破坏矿区的生态平衡，引起物种灭绝。因此，同时保证土体承载能力、矿石高采集率以及矿区生态环境安全是十分重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种多金属结核环形轨道采集系统及采集方法，能够解决现有的海底稀软土质集矿车集矿效率地下以及矿区生态环境保护等问题。
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种多金属结核环形轨道采集系统，包括环形轨道、透空集矿头、运输装置；
所述透空集矿头为多个，沿所述环形轨道运动；
所述透空集矿头包括碾轮、集矿槽、插入齿板、筛分齿板、电机控制装置、液压推杆；所述透空集矿头为开口状壳体，所述插入齿板位于所述透空集矿头前部，所述筛分齿板位于所述透空集矿头内部，所述碾轮位于所述透空集矿头后部，所述集矿槽设置在靠近环形轨道一侧，电机控制装置控制液压推杆将矿物推送到集矿槽中；沿环形轨道分布设置有多个运输装置，可以将集矿槽中的矿物运输到集矿车的分级存储舱内。
优选的，所述筛分齿板具有多个，互相平行设置，且间距可调，可以根据矿区矿物粒径分布情况进行调整布置。
优选的，通过调整所述筛分齿板的倾斜度来调节间距。
优选的，所述碾轮可以根据矿区土层情况，通过碾轮调节装置来调节高度。
优选的，透空集矿头与环形轨道之间设置有转动提升控制装置。
本发明还提供一种利用上述多金属结核环形轨道采集系统的采集方法，其步骤如下：
（1）将所述多金属结核环形轨道采集系统安装在集矿车（未示出）上，到达矿物采集区域；
（2）多个透空集矿头沿环形轨道依次排列，通过转动提升控制装置将透空集矿头放下，透空集矿头前端的插入齿板插入海底矿物赋存层一定深度，深度需根据矿区的多金属结核主要赋存深度确定；
（3）第一个透空集矿头开始沿环形轨道朝着透空集矿头转动方向运动，土体以及多金属结核在经过内部的筛分齿板时，粒径大于筛分齿板间隔的多金属结核矿物被留下，而粒径小于筛分齿板间隔的矿物以及土体则会穿过筛分齿板并被后部的碾轮压实；透空集矿头收集到一定量的矿物后，电机控制装置控制液压推杆将矿物推送到集矿槽中；
（4）每间隔一段时间，第二个透空集矿头直至最后一个透空集矿头依次出发，按照同样的步骤完成矿物采集；各个透空集矿头的筛分齿板的间距依次减小；
（5）集矿槽存满后，将矿物通过相应的运输装置运输至集矿车的分级存储舱内；
（6）通过转动提升控制装置提升透空集矿头，集矿车带动多金属结核环形轨道采集系统移动到新的采集区域，重复上述采集步骤。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明的总体结构能够保证海底集矿时仅有极低的扰动性，可以防止集矿后产生的羽状流，保护矿区的生态环境。
2、本发明采有多个透空集矿头，可以保证集矿车的高集矿率，且其筛分齿板的间距可调，各个透空集矿头的间距不同，能够在采集过程中对矿物分级，便于后期的加工处理。
3、本发明的透空集矿头设置有碾轮，能够保证采集后的表层土体具有一定的承载性能，防止集矿车发生沉陷。
4、本装置适用范围广，可以根据实地水深、土质情况匹配多种形式的集矿车使用。
附图说明
图1为本发明装置整体三维示意图。
图2为本发明装置俯视图。
图3为透空集矿头整体三维视图。
图4为透空集矿头正视图。
图5为透空集矿头工作示意图一。
图6为本发明工作示意图。
图7为机械式透空集矿头工作示意图二。
附图标记列表：1-环形轨道、2-透空集矿头、3-运输装置、4-碾轮、5-集矿槽、6-插入齿板、7-筛分齿板、8-电机控制装置、9-液压推杆、10-多金属结核矿、11-碾轮调节装置、12-转动提升控制装置、13-透空集矿头提升方向、14-透空集矿头转动方向、15-海底表层稀软沉积物。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合附图对本发明的优选实施方案进行详细的说明。
如图1-7所示，一种多金属结核环形轨道采集系统，包括环形轨道1、透空集矿头2、运输装置3，所述透空集矿头2包括碾轮4、集矿槽5、插入齿板6、筛分齿板7、电机控制装置8、液压推杆9。所述透空集矿头2为多个，沿所述环形轨道1运动，所述透空集矿头2为开口状壳体，所述插入齿板6位于所述透空集矿头2前部，所述筛分齿板7位于所述透空集矿头2内部，所述碾轮4位于所述透空集矿头2后部，所述集矿槽5设置在靠近环形轨道1一侧，电机控制装置8控制液压推杆9将矿物推送到集矿槽5中。
所述筛分齿板7具有多个，互相平行设置，且间距可调。具体可以通过调整所述筛分齿板7的倾斜度来调节间距大小。透空集矿头具有多个，可以保证集矿车的高集矿率，且其筛分齿板的间距可调，各个透空集矿头的筛分齿板的间距不同，能够在采集过程中对矿物分级，便于后期的加工处理。各集矿头筛分齿板的间距降低梯度需要根据矿区中多金属结核的粒径范围确定。
所述碾轮4可以根据矿区土层情况，通过碾轮调节装置11来调节高度。由于设置有碾轮，能够保证采集后的表层土体具有一定的承载性能，防止集矿车发生沉陷。同时，减少了扰动性，可以防止集矿后产生的羽状流，保护矿区的生态环境。
沿环形轨道分布设置有多个运输装置3，例如，传动带，可以将集矿槽中的矿物运输到集矿车的分级存储舱内。
透空集矿头2与环形轨道之间设置有转动提升控制装置12，可以实现透空集矿头2的提升、下降的控制。
本采集系统采用的动力系统、控制系统采用本领域常规的技术即可完成，不再一一赘述。
利用上述多金属结核环形轨道采集系统的采集方法，其步骤如下：
（1）将所述多金属结核环形轨道采集系统安装在集矿车上，到达矿物采集区域；
（2）多个透空集矿头2沿环形轨道1依次紧密排列，通过转动提升控制装置12将透空集矿头2放下，透空集矿头前端的插入齿板6插入海底矿物赋存层15一定深度，深度需根据矿区的多金属结核主要赋存深度确定；
（3）第一个透空集矿头2开始沿环形轨道1朝着透空集矿头转动方向14运动，土体以及多金属结核在经过内部的筛分齿板7时，粒径大于筛分齿板间隔的多金属结核矿物被留下，而粒径小于筛分齿板间隔的矿物以及土体则会穿过筛分齿板7并被后部的碾轮4压实；透空集矿头2收集到一定量的矿物后，电机控制装置8控制液压推杆9将矿物推送到集矿槽5中。
（4）每间隔一段时间，第二个透空集矿头2直至最后一个透空集矿头2依次出发，按照同样的步骤完成矿物采集；各个透空集矿头2的筛分齿板7的间距依次减小；
（5）集矿槽5存满后，将矿物通过相应的运输装置3运输至集矿车的分级存储舱内；
（6）通过转动提升控制装置12提升透空集矿头2，集矿车带动多金属结核环形轨道采集系统移动到新的采集区域，重复上述采集步骤。
本装置适用范围广，可以根据实地水深、土质情况匹配多种形式的集矿车使用。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种多金属结核环形轨道采集系统，包括环形轨道（1）、透空集矿头（2）、运输装置（3）；
所述多金属结核环形轨道采集系统安装在海底集矿车上；
所述透空集矿头（2）为多个，沿所述环形轨道（1）运动；
所述透空集矿头（2）包括碾轮（4）、集矿槽（5）、插入齿板（6）、筛分齿板（7）、电机控制装置（8）、液压推杆（9）；所述透空集矿头（2）为开口状壳体，所述插入齿板（6）位于所述透空集矿头（2）前部，所述筛分齿板（7）位于所述透空集矿头（2）内部，所述碾轮（4）位于所述透空集矿头（2）后部，所述集矿槽（5）设置在靠近环形轨道（1）一侧，电机控制装置（8）控制液压推杆（9）将矿物推送到集矿槽（5）中；
沿环形轨道（1）分布设置有多个运输装置（3），将集矿槽中的矿物运输到集矿车的分级存储舱内。
2.根据权利要求1所述的一种多金属结核环形轨道采集系统，其特征在于，所述筛分齿板（7）具有多个，互相平行设置，且间距可调。
3.根据权利要求2所述的一种多金属结核环形轨道采集系统，其特征在于，通过调整所述筛分齿板（7）的倾斜度来调节间距。
4.根据权利要求1所述的一种多金属结核环形轨道采集系统，其特征在于，所述碾轮（4）连接有碾轮调节装置（11）。
5.根据权利要求1所述的一种多金属结核环形轨道采集系统，其特征在于，透空集矿头（2）与环形轨道之间设置有转动提升控制装置（12）。
6.一种利用权利要求1-5之一所述的多金属结核环形轨道采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
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