CN116575918B - 深海采矿方法及该方法所用的采矿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海采矿方法及该方法所用的采矿系统，采矿系统包括一台或以上的矿物采集车、一台或以上的矿物收集车、矿物采集车水面母船、矿物收集车水面母船、中继站。采矿方法是矿物采集车及矿物采集车支持母船先行在采矿区域作业，将平铺在海底的矿物收集至采矿车储料箱中，后按照一定规律将矿物再次排入海底，完成一定量的作业后，矿物采集车撤离该采矿区域，矿物收集车及其母船进入该区域将按照规律排布在海底的矿物堆收集至水面母船。本发明具有采矿效率高、功能划分明确、安全性和可靠性高、适应性强、适用于大规模商业化开采等优点。

Description

深海采矿方法及该方法所用的采矿系统

技术领域

本发明涉及水下采矿技术领域，尤其是一种深海采矿方法及该方法所用的采矿系统。

背景技术

当前社会对电池金属的需求日益增加。位于海底的多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等矿物富含多种稀有金属元素，同时这些深海矿物的储量和品位远超陆地。深海矿产资源开发再次受到广泛的关注，深海采矿正处于从勘探向商业化开采的转变阶段。

目前，较为流行的深海采矿系统一般由水面支持母船、矿物提升系统、采集系统等组成。采集系统由单台或多台采矿车组成，采矿车在海底采集矿物，通过管道将其输送到矿物提升系统的中继站内；再由中继站通过气力或是输送泵提升至水面母船；矿物在水面母船经过脱水等工序处理后由运输船搬运至陆地提炼。

商业化的深海矿物开采系统一般要求产能达到400～500吨/小时，而在自然环境下形成的海底矿物丰度较低。导致采集系统在设计时，或采用多台采矿车同时在海底作业将矿物通过多条管道输送至中继站提升系统，或采用单台采矿车，但其宽度尺寸较大导致单台采矿车的尺度和重量都非常巨大。对于前一种方案来说，多台带管道采矿车在同一矿区作业极易造成管道相互缠绕的风险；对于后一种方案来说，布放和回收大吨位的单台采矿车增加了整套系统的风险。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深海采矿方法及该方法所用的采矿系统，采集车和收集车之间相互独立，采集车在采集过程中同时排矿，收集车将规律堆放的矿石收取，从而减少管道缠绕、单辆小车负载过大的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种深海采矿方法，利用采矿系统进行开采收集，包括如下步骤：

采矿系统到达矿区，单个采集车在其工作区域内先定起始点，从起始点开始直线行走，行走过程中采集矿物，并将矿物暂存在车内，

矿物存储到预期量后，采集车停止行走，并在停止处排矿，

采集车继续行走，重复行走、停止、排矿的过程，直至行走路径覆盖整个工作区域；每次排矿量相等，所排出的矿物阵列在工作区域内，

采矿系统采集完成后，撤离至下一个工作区域，收集系统进入完成采集的工作区域，沿矿物阵列路径行走，完成矿物收集。

作为上述技术方案的进一步改进：

采集车的采集路径包括两种行走模式：

单次行走模式：

采集车单次行走的路径覆盖整个矿区，

重复行走模式：

采集车将矿区分为若干个工作区域，单次行走覆盖一个工作区域；单个工作区域完成作业后，平移至相邻工作区域重复采收。

采集车的运动路径包括：

直线段，确定该次采集的工作区域的宽度，

回转段，位于直线段的前进端，回转后的采集车位于上一段直线段的止点，采集车再次直线行走，所得路径平贴在上一段直线段上。

回转段设置为圆弧形，回转段以相邻两直线段的止点、起点为圆周上靠近的两点。

回转段包括从直线段的止点继续直线延伸的第一回转段、从第一回转段止点开始凸向第一回转段的第二回转段、连接第二回转段与第二个直线段之间的第三回转段；第二回转段、第三回转段均凸向第一回转段。

回转段包括：

倾斜预备段，从第一条直线段的止点引出，指向工作区域的长度方向，

弧形转向段，从倾斜预备段的止点引出，转向至靠近第二条直线段终止，

弧形过渡段，从弧形转向段的止点引出，与弧形转向段的凸出方向相反；弧形过渡段的止点即为第二条直线段的起点。

倾斜预备段、弧形转向段、弧形过渡段、第二条直线段之间均相切。

弧形转向段的直径与弧形过渡段的直径相等。

一种深海采矿方法所用的采矿系统，包括相互独立的采集系统、收集系统，

所述采集系统包括水下运作的采集车、与采集车连接的采集母船，采集车、采集母船之间通过线缆连接；采集母船带有动力输配控制系统，

所述收集系统包括水下运作的收集车、与收集车连接的收集母船，收集车、收集母船之间通过管路连接有中继站；收集母船带有水面矿物处理系统、转运系统和动力输配控制系统。

作为上述技术方案的进一步改进：

采集车带有舱门，舱内矿物的重力作用于舱门上；

采集车的车尾处内设矿物存储箱，矿物存储箱的底壁斜向下指向车尾后地面，舱门的初始状态竖直封闭矿物存储箱。

本发明的有益效果如下：

本发明具有采矿效率高、功能划分明确、安全性和可靠性高、适应性强、适用于大规模商业化开采等优点。可有效应用于海底多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物及深海稀土等资源的开采。

本发明中，采矿车和收集车相互独立作业，区别于常规的收集车连接在采矿车上的结构，本发明中采矿车采矿完成后，收集车统一收集。收集速度大于采矿速度，便于收集车高效吸收已堆放的阵列矿物。

本发明中，采矿车的采集路径要求能够覆盖地面，同时要求尽量减少重叠区域、降低拐弯难度，因此本发明中提供一种多段式拼接的采集路径，能够增大段与段之间的夹角、降低采集车的拐弯难度，从而便于采集车顺利行走、采矿。

附图说明

图1为本发明在作业过程中的原理示意图。

图2为本发明的采集车结构示意图，图中采集车处于采集状态。

图3为本发明的采集车结构示意图，图中采集车处于排矿状态。

图4为本发明中采集车的一种行走路径。

图5为本发明中采集车的第二种行走路径。

图6为本发明中采集车的第三种行走路径。

图7为本发明的第三种采集路径长距离挖矿路径示意图。

图8为本发明的第三种采集路径、收集路径示意图。

图9为本发明中第三种采集路径对应的收集路径单独示意图。

其中：1、采集系统；2、收集系统；3、采集路径；4、收集路径；

101、采集车；102、采集母船；103、采集悬浮补偿段；104、舱门；105、矿物存储箱；

201、收集车；202、收集母船；203、中继站；204、收集悬浮补偿段；

301、直线段；302、第一回转段；303、第二回转段；304、第三回转段；305、倾斜预备段；306、弧形转向段；307、弧形过渡段。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图9所示，本实施例的深海采矿方法，利用采矿系统进行开采收集，包括如下步骤：

采矿系统到达矿区，单个采集车101在其工作区域内先定起始点，从起始点开始直线行走，行走过程中采集矿物，并将矿物暂存在车内，

矿物存储到预期量后，采集车101停止行走，并在停止处排矿，

采集车101继续行走，重复行走、停止、排矿的过程，直至行走路径覆盖整个工作区域；每次排矿量相等，所排出的矿物阵列在工作区域内，

采矿系统采集完成后，撤离至下一个工作区域，收集系统2进入完成采集的工作区域，沿矿物阵列路径行走，完成矿物收集。

采集车101的采集路径3包括两种行走模式：

单次行走模式：

采集车101单次行走的路径覆盖整个矿区，

重复行走模式：

采集车101将矿区分为若干个工作区域，单次行走覆盖一个工作区域；单个工作区域完成作业后，平移至相邻工作区域重复采收。

采集车101的运动路径包括：

直线段301，确定该次采集的工作区域的宽度，

回转段，位于直线段301的前进端，回转后的采集车101位于上一段直线段301的止点，采集车101再次直线行走，所得路径平贴在上一段直线段301上。

回转段设置为圆弧形，回转段以相邻两直线段301的止点、起点为圆周上靠近的两点。

回转段包括从直线段301的止点继续直线延伸的第一回转段302、从第一回转段302止点开始凸向第一回转段302的第二回转段303、连接第二回转段303与第二个直线段301之间的第三回转段304；第二回转段303、第三回转段304均凸向第一回转段302。

回转段包括：

倾斜预备段305，从第一条直线段301的止点引出，指向工作区域的长度方向，

弧形转向段306，从倾斜预备段305的止点引出，转向至靠近第二条直线段301终止，

弧形过渡段307，从弧形转向段306的止点引出，与弧形转向段306的凸出方向相反；弧形过渡段307的止点即为第二条直线段301的起点。

倾斜预备段305、弧形转向段306、弧形过渡段307、第二条直线段301之间均相切。

弧形转向段306的直径与弧形过渡段307的直径相等。

本实施例的深海采矿方法所用的采矿系统，包括相互独立的采集系统1、收集系统2，

采集系统1包括水下运作的采集车101、与采集车101连接的采集母船102，采集车101、采集母船102之间通过线缆连接；采集母船102带有动力输配控制系统，

收集系统2包括水下运作的收集车201、与收集车201连接的收集母船202，收集车201、收集母船202之间通过管路连接有中继站203；收集母船202带有水面矿物处理系统、转运系统和动力输配控制系统。

采集车101带有舱门104，舱内矿物的重力作用于舱门104上；

采集车101的车尾处内设矿物存储箱105，矿物存储箱105的底壁斜向下指向车尾后地面，舱门104的初始状态竖直封闭矿物存储箱105。

本发明的具体结构及工作原理如下：

如图1所示，深海采矿需要采集系统1和收集系统2，采集系统1采集完成后，收集系统2将采集得到的矿物吸收存储。

本发明的采集系统1和收集系统2相互独立，采集车101、收集车201各自有对应的采集母船102和收集母船202。采集时，采集车101在水下蛇形往复行走，每行走一段距离，将该段距离所采的矿物排在水底，排出的矿物阵列式摆放，便于收集车201收集。

为了实现便于及时排矿的目标，如图2和图3所示，在采集车101的尾部设置底面为斜面的矿物存储箱105，矿物存储箱105的口部设有舱门104。舱门104打开时，舱门104的顶部铰接在矿物存储箱105上方，如图3所示，底部摆动打开，矿物在自重作用下落在地面上。

本发明中，舱门104竖直设置。不水平设置的原因是：虽然水平设置也能满足底部排矿的目的，但是由于在水下，舱门104会同时受到水压和内部矿物的挤压，水平布置的舱门104在同等深度，想要开合，所受压力会更大，且关闭时还要克服自身重力因素，设计难度、制造成本均有所增加。

参考图1，采集母船102、采集车101之间有采集悬浮补偿段103；收集母船202、收集车201之间有收集悬浮补偿段204。悬浮补偿段能够在采集车101或收集车201运动时，提供与母船之间能够相对位移的距离。

如图4-图6所示，为采集车101的采集路径3。本发明一共提供三种行走路径。

如图4所示，为本发明的一种可采用的采集路径3。包括直线段301、位于直线段301端部的回转段。一整条路径由直线段301-回转段-直线段301间隔组成。这一种实施方式中，回转段为圆形，相邻两条直线段301的同侧端点为回转段的两端，即回转段的圆弧向相互靠近的两点。相邻的两条直线段301相互贴近，减少矿物遗漏，但这也造成了回转段处行车难度较大的问题。

如图5所示，在图4所示的采集路径3基础上，进行改进。图3所示的路径需要采集车101在行驶过直线段301或回转段后立即拐弯，拐弯角度大，难度高。图4中所示的路径，将原本的一整段圆弧改为三段，分别是沿着直线段301继续前进的直线型第一回转段302，直线行驶没有难度；第二回转段303从第一回转段302的止点开始，反向拐弯，第二回转段303的圆弧直径大于图3中的回转段圆弧直径，相对来说拐弯难度降低。第三回转段304同样是反向拐弯，但由于与第二回转段303之间的夹角趋于60°，因此拐弯难度也有所降低。

图6公开了本发明的优选采集路径3。与图4、图5的路径区别在于，图6的回转段，从第一条直线段301的止点开始，到第二条直线段301的起点，依次包括：

倾斜预备段305、弧形转向段306、弧形过渡段307。

以图6中方位为例，即俯视角度，在第一条直线段301的止点，倾斜向上形成倾斜预备段305。倾斜预备段305与直线段301之间的夹角为钝角，与直线段301延长线之间的夹角为锐角。这一段倾斜预备段305的作用是为后续的弧形转向段306提供转向弧度。

弧形转向段306与倾斜预备段305相切，拐回直线段301处，拐过大半个圆弧后，与弧形过渡段307相接。弧形转向段306、弧形过渡段307的直径相等，降低由于直径变化造成的拐弯难度。弧形过渡段307的弧线长度小于弧形转向段306的弧线长度。

弧形过渡段307与凸出的弧形转向段306不同，是内凹结构，弧形过渡段307的凸出方向朝向倾斜预备段305。弧形过渡段307与第二条直线段301相切，第二条直线段301平贴第一条直线段301。第二条直线段301的止点同样方式形成第二次回转。

图6中还展示了矿物堆的位置，即直线段301止点排矿一次，回转段排矿一次，排矿点在俯视图中呈两排竖直排列。即如图7所示，在直线段301的两端堆放有矿物。矿物形成两排，如图8和图9所示，收集车201的运动路径即为图中“n”形剖面线处。

上述的三种采矿路径，在后续的路径经过已采矿路径部分时，采矿车停止采矿，即图中剖面线位置。以防止采矿车在无矿区空转。

上述几种采集路径3，直线段301的长度正好满足挖够一次排矿量的需求。如有需要，也可以拉长直线段301的长度，在直线段301上设计多处排矿点。只需要满足每次排矿量相等即可。但回转段通常设计为一段回转段满足挖够一次排矿量的需求。如果回转段太长，则容易造成回转段内所围成的区域采矿不完全、有残留的问题。

如采用直线段301上多次排矿的路径，则所得到的矿物堆是矩阵状，收集车201按照蛇形路劲，将矩阵式的矿物堆收集完成。

在大面积的矿区作业时，可以有两种操作方式。一是让直线段301的长度覆盖矿区的一条侧边长度，蛇形盘绕的采矿路径，即母船的行进距离覆盖矿区的另一条侧边长度，这样一次行走覆盖整个矿区。所得到的矿物堆为矩阵式。每行、每列均有多堆矿物。

另一种方式是将矿区分成多个工作区域，每个工作区域的宽度为：满足挖够一次排矿量的需求的直线距离。工作区域的长度可以是矿区长度的部分，也可以延长至与矿区长度相等。一个工作区域挖矿完成后，采矿系统平移至另一工作区域内开始采收。

本发明将采矿、收矿相互独立设计，在减小两者之间互相受限的前提下，能够让采收所得的矿物直接、简单地阵列在地上，收集车201的收集工作相较于传统的管道接收等方式，也大大降低了难度、设备精度要求，在水下的活动范围更大、操作更灵活。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种深海采矿方法，其特征在于，利用采矿系统进行开采收集，包括如下步骤：

采矿系统到达矿区，单个采集车(101)在其工作区域内先定起始点，从起始点开始直线行走，行走过程中采集矿物，并将矿物暂存在车内，

矿物存储到预期量后，采集车(101)停止行走，并在停止处排矿，

采集车(101)继续行走，重复行走、停止、排矿的过程，直至行走路径覆盖整个工作区域；每次排矿量相等，所排出的矿物阵列在工作区域内，

采矿系统采集完成后，撤离至下一个工作区域，收集系统(2)进入完成采集的工作区域，沿矿物阵列路径行走，完成矿物收集；

采集车(101)的采集路径(3)包括两种行走模式：

单次行走模式：

采集车(101)单次行走的路径覆盖整个矿区，

重复行走模式：

采集车(101)将矿区分为若干个工作区域，单次行走覆盖一个工作区域；单个工作区域完成作业后，平移至相邻工作区域重复采收，

采集车(101)的运动路径包括：

直线段(301)，确定采集的工作区域的宽度，

回转段，位于直线段(301)的前进端，回转后的采集车(101)位于上一段直线段(301)的止点，采集车(101)再次直线行走，所得路径平贴在上一段直线段(301)上；

采集车(101)带有舱门(104)，舱内矿物的重力作用于舱门(104)上；

采集车(101)的车尾处内设矿物存储箱(105)，矿物存储箱(105)的底壁斜向下指向车尾后地面，舱门(104)的初始状态竖直封闭矿物存储箱(105)。

2.如权利要求1所述的深海采矿方法，其特征在于：回转段设置为圆弧形，回转段以相邻两直线段(301)的止点、起点为圆周上靠近的两点。

3.如权利要求1所述的深海采矿方法，其特征在于：回转段包括从直线段(301)的止点继续直线延伸的第一回转段(302)、从第一回转段(302)止点开始凸向第一回转段(302)的第二回转段(303)、连接第二回转段(303)与第二个直线段(301)之间的第三回转段(304)；第二回转段(303)、第三回转段(304)均凸向第一回转段(302)。

4.如权利要求1所述的深海采矿方法，其特征在于：回转段包括：

倾斜预备段(305)，从第一条直线段(301)的止点引出，指向工作区域的长度方向，

弧形转向段(306)，从倾斜预备段(305)的止点引出，转向至靠近第二条直线段(301)终止，

弧形过渡段(307)，从弧形转向段(306)的止点引出，与弧形转向段(306)的凸出方向相反；弧形过渡段(307)的止点即为第二条直线段(301)的起点。

5.如权利要求4所述的深海采矿方法，其特征在于：倾斜预备段(305)、弧形转向段(306)、弧形过渡段(307)、第二条直线段(301)之间均相切。

6.如权利要求4所述的深海采矿方法，其特征在于：弧形转向段(306)的直径与弧形过渡段(307)的直径相等。

7.一种权利要求1所述的深海采矿方法所用的采矿系统，其特征在于，包括相互独立的采集系统(1)、收集系统(2)，

所述采集系统(1)包括水下运作的采集车(101)、与采集车(101)连接的采集母船(102)，采集车(101)、采集母船(102)之间通过线缆连接；采集母船(102)带有动力输配控制系统，

所述收集系统(2)包括水下运作的收集车(201)、与收集车(201)连接的收集母船(202)，收集车(201)、收集母船(202)之间通过管路连接有中继站(203)；收集母船(202)带有水面矿物处理系统、转运系统和动力输配控制系统。