CN117514178A - 一种深海浮力采矿系统 - Google Patents

Abstract

一种深海浮力采矿系统，包含母船，浮球，吊具，回填箱，矿料箱；其特征在于：所述浮球，其外部为金属壳，金属壳内部设有气囊，金属壳二端均设有端口，其中一端端口为气囊的气门嘴出口端，并与气囊的气门嘴密封连接；另一端为油口；所述浮球外部至少设有一只吊耳；所述回填箱、矿料箱悬挂在吊耳上。从而克服现有深海采矿系统，利用管道、物料泵和提升泵在提升矿浆时产生的二个主要问题，1、提升上来的海底泥浆，会污染环境；2、大块矿石不能提升至母船，造成海底矿产资源浪费问题，实现绿色采矿，保护海底矿产资源。

Description

一种深海浮力采矿系统

技术领域

本发明属于深海采矿设备技术领域，具体涉及一种深海浮力采矿系统

背景技术

海底富含大量的锰结核、多金属硫化物、富钴结核等矿产资源，还有大量的稀有金属，开发海底矿产资源成为支撑未来经济、工业、科技发展的重要力量。

深海采矿一般以海面母船作为系统的支撑平台，在船舶底部的管船连接装置下面，连接矿浆提升立管直至距离海底几百米处，提升立管顶端与管船连接装置相连，提升立管底端连接有提升泵组、软管、海底采矿车等。采矿车在海底进行作业，将采集的矿浆由物料泵通过软管输送至提升泵组的进口，再由提升泵组通过提升立管将矿浆输送至海面母船。

由于矿浆中含有大量的海底泥浆，这些海底泥浆随同矿料一起，被物料泵、提升泵输送至母船；由于海底泥浆成分复杂，且含盐量高，一旦进入商业化开采，大量的海底泥浆堆放陆地，将会对陆地产生严重的环境污染。

此外，海底矿浆中还含有一些较大的矿物结核，一方面，受矿浆的提升管道直径限制，装不下特别大的大块矿物结核；另一方面，物料泵、提升泵一般是使用离心泵或柱塞泵，受输送泵功能限制，大块矿物结核在经过离心泵、柱塞泵时，会对离心泵、柱塞泵的泵体等主要零件产生严重磨损、变形，从而导致离心泵、柱塞泵失效；因此大块矿石不能通过管道输送的方式运送至母船，将被丢弃在海底，造成海底矿产资源浪费。

综上所述，利用物料泵、提升泵和管道提升矿浆，主要产生二个问题，1、提升上来的海底泥浆，在陆地上堆放会造成环境污染；2、大块矿石不能提升至母船，将造成海底矿产资源浪费。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有深海采矿系统，利用管道、物料泵和提升泵在提升矿浆时产生的二个主要问题，1、提升上来的海底泥浆，会污染环境；2、大块矿石不能提升至母船，造成海底矿产资源浪费问题；发明一种深海浮力采矿系统，弥补现有深海采矿系统的不足，实现绿色采矿，避免对环境造成污染，以及浪费海底矿产资源。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现。

一种深海浮力采矿系统，包含母船，浮球，吊具，回填箱，矿料箱；其特征在于：所述浮球，其外部为金属壳，金属壳内部设有气囊，金属壳二端均设有端口，其中一端端口为气囊的气门嘴出口端，并与气囊的气门嘴密封连接；另一端为油口；所述浮球外部至少设有一只吊耳；所述回填箱、矿料箱悬挂在吊耳上。

本发明的目的还可以通过以下技术解决措施来进一步实现。

所述母船上设有缆绳牵连浮球。

所述吊耳设置在金属壳的外部；所述吊耳上连接着吊具，回填箱使用第一吊具，矿料箱使用第二吊具；

所述回填箱使用第一吊具，矿料箱使用第二吊具与浮球连成整体，一起沉海时，回填箱的底部比矿料箱底部低h米。

所述第一吊具下还设有自控挂钩，回填箱上设有吊装绳，吊装绳悬挂在自控挂钩上，自控挂钩吊装负载后，自控挂钩闭合；所述自控挂钩的打开，由第二吊具受力大小控制。

所述自控挂钩为机械式结构也可以为电控结构。

所述气囊本体为可膨胀，可收缩，高强度的弹性材质。

所述气囊，内部填充高压气体。

所述金属壳内、气囊外的储液腔，填充高压矿物油。

所述母船上，设有物料吊和缆车。

有益效果

本发明一种深海浮力采矿系统，利用浮球，将深海管道采集的海底泥浆，通过回填箱，重新回填海底采矿区，同时，将海底采集的无法通过管道输送的大块矿石，通过矿料箱从海底运送至母船。不仅避免了通过管道采集的海底泥浆对陆地造成污染，同时，将海底泥浆回填至海底采矿区，也减少了对海底采矿区的扰动，实现绿色采矿；此外还能够将丢弃在海底的大块矿石，利用浮球和矿料箱重新捡拾回来，避免资源浪费。

本发明浮球，采用双层结构，即在浮球外层金属壳的内部，还设置了一层气囊，气囊是用来填充高压气体，如高压氦气，由于大气环境和海底环境的温度都远远高于该气体的液化温度，因此，气囊中气体在高压环境下不能被液化，利用气体比重小，降低浮球的自重，提高浮球运输矿石的能力；储液腔利用气囊为压缩体，填充高压矿物油，一方面简化了提高金属壳内部压力操作，另一方面利用金属壳内外部的压力平衡，可以提高金属壳在海底的耐压等级，减轻金属壳的自重。

本发明将浮球、回填箱、矿料箱等组成的海洋水下运输系统一起沉海时，回填箱的底部比矿料箱底部低h米，h取值一般为0.5米，取值太大，矿料箱在海底装填矿料不方便，取值太小，矿料箱底部容易与海床接触；当回填箱克服浮球的浮力，下沉至海底，与海床接触，矿料箱在浮球浮力的影响下，一直悬浮在水中，通过遥控海底矿车，给矿料箱不断加载矿石，且在整个装载矿料的过程中，矿料箱底部始终不会沉入到海底海床，矿料箱随着矿石不断增加，第二吊具承受浮球的拉力也在不断增大，由于浮球的最大向上运载力是一定的，因此回填箱第一吊具上承受的浮球拉力将减小，在回填箱第一吊具承受的拉力减小到设计拉力时，回填箱第一吊具下的自控挂钩将自动打开，回填箱与浮球解除了约束，停留在海底；同时，浮球失去回填箱的约束，带着矿料箱随即上浮，直至海面，再利用母船上的物料吊将矿料箱提到母船。通过回填箱第一吊具下的自控挂钩设置的自动卸载功能，不仅可以将回填箱从浮球上解除约束，停留海底，还可以自动限制矿料箱的矿石装载量，避免矿料箱因过载，无法上浮的问题。

本发明母船上设置的缆绳牵连浮球，目的是用来约束浮球，下沉和上浮的位置，避免浮球在大海中失控，影响工作效率。

本发明采用海底泥浆重力将浮球带入海底，在母船缆绳控制下，海底泥浆被定点回填至海底采矿区；同时，利用浮球将海底大块矿石通过矿料箱，自动运送至海面，全程无需外部动力。本发明在同一时刻，用机械方式能够实现：自动卸载回填箱、自动控制矿料箱的矿石装载量、浮球带着矿料箱自动上浮等功能。

附图说明

图1为一种深海浮力采矿系统示意图；

图2为本发明浮球10的结构示意图；

图3为本发明自控挂钩40利用锚链为连接件的示意图。

图4为本发明自控挂钩40利用双连杆为连接件的示意图。

图中：10、浮球，11、气门嘴，12、气囊，14、金属壳，15、储液腔，16、油口，17、吊耳；21、物料吊，22、缆绳，23、缆车，24、母船；31、第二吊具，32、撑杆，33、矿料箱，34、第一吊具，35、回填箱，351、吊装绳；40、自控挂钩，401、A铰链，402、B铰链，403、C铰链，404、D铰链，405、第一挂钩杆，406、第二挂钩杆，407、压簧，408、第一连杆，409、第二连杆，410、锚链。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

本发明中所述的“左、右、上、下、前、后”的含义指的是阅读者正对附图1时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，阅读者的上边即为上，阅读者的下边即为下，阅读者前方纸里的面为前，阅读者正对的面为后，而非对本发明的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

实施例1

如图1、图2所示，一种深海浮力采矿系统，设有母船24、浮球10；在母船24上设有缆车23，物料吊21；缆车23利用缆绳22对浮球10进行牵引控制，浮球10上设有4只吊耳17，浮球10利用吊耳17和第一吊具34、自控挂钩40悬挂回填箱35上的吊装绳351，利用吊耳17和第二吊具31悬挂矿料箱33；回填箱35为一次性木质全封闭箱体，也就是说，每只回填箱35只使用一次，为避免污染海洋环境，回填箱35也可以使用其它能够自然降解，且无污染的材料，如纸质箱；回填箱35下海时，其内部装满海底泥浆，且其重量超过浮球10的在海里的最大向上运载力，矿料箱33下海时为空箱；利用物料吊21将浮球10、回填箱35、矿料箱33等组成的海洋水下运输系统吊装下海；浮球10在回填箱35等重力牵引下，下沉至海底，回填箱35箱底与海床接触，由于矿料箱33的箱底比回填箱35的箱底高出约0.5米，因此，矿料箱33一直悬浮在水中；通过海上遥控，海底矿车为矿料箱33装载矿石，随着矿料箱33装载矿石不断增加，浮球10通过第二吊具31对矿料箱33的牵引力也逐步增大；由于浮球10的最大向上总运载力一定，因此浮球10通过第一吊具34、自控挂钩40对回填箱35的吊装绳351的牵引力逐步下降，当该牵引力下降到自控挂钩40的设计值时，自控挂钩40自动打开，回填箱35上吊装绳351自动从自控挂钩40上脱落，解除了与浮球10的连接，回填箱35停留在海底；此时，矿料箱33浮在水中，因其重量小于浮球10的最大承载力，因此浮球10带着矿料箱33自动上浮至海面，由物料吊21将矿料箱33上的矿石卸至母船24。利用自控挂钩40自动脱落，不仅解决了在海底自动释放回填箱35，同时还控制了矿料箱33的装载量，避免矿料箱33装载过量，无法自动上浮的难题。

浮球10采用双层结构，浮球10的外层为金属壳14，内部设置一层气囊12；金属壳14二端均设有端口，其中金属壳14的一端端口为气囊12的气门嘴11出口端，并与气门嘴11密封连接，气门嘴11是为气囊12填充和释放高压气体，气囊12本体的为可膨胀，可收缩，高强度的橡胶气囊，气囊12内填充的高压气体为氦气，气囊12也可以填充其它高压气体，如氮气等，由于大气温度和海洋温度都远远高于氦气的液化温度，因此氦气在高压下仍然为气态，不能被液化，利用气体比重小，降低浮球的自重，提高浮球运输矿石的能力。

浮球10另一端为油口16，为金属壳14内储液腔15填充和释放高压油；储液腔15利用气囊12可压缩性，填充高压油为矿物油，如液压油、汽油等，其比重比水的比重轻，一方面简化了提高金属壳14内部的压力操作，另一方面通过对金属壳14内部提前施加预应力，利用金属壳14内外部的压力平衡，提高金属壳14在海底的耐压等级，减薄金属壳的厚度，从而减轻浮球10的自重；金属壳14的外部设有四只吊耳17，上部二只吊耳17连接缆绳22，以及为物料吊21吊钩提供吊位；下部二只吊耳17分别连接第一吊具34和第二吊具31，本实施例第一吊具34和第二吊具31也为锚链，也可以为缆绳，为避免第一吊具34和第二吊具31互相缠绕，在第一吊具34和第二吊具31之间设有二根撑杆32。

实施例2

一种机械式海洋采矿自控装置，包含浮球、回填箱，矿料箱、第一吊具、第二吊具，其特征在于：所述回填箱与第一吊具之间，设有自控挂钩；所述自控挂钩包含二根“7”字形挂钩杆，即第一挂钩杆、第二挂钩杆；第一挂钩杆与第二挂钩杆的“7”字头向下，左右交叉，端头相对成钳形，下端二“7”字头为钳口，交叉点铰链连接，该铰链记为：A铰链；所述第二挂钩杆与第一挂钩杆之间，A铰链的上部，设有压簧；所述第二挂钩杆与第一挂钩杆之间的上端头，设有连接件；所述第一吊具连接在连接件中间。

所述压簧，可以设置为二根压簧，或二根以上压簧并联使用。

所述连接件为锚链，且第二挂钩杆与第一挂钩杆之间的上端头之间连接的锚链长度可调节。

所述连接件还可以为：在第一挂钩杆的上端头设有第一连杆，并利用C铰链将第一挂钩杆的上端头与第一连杆的一端铰链连接；在第二挂钩杆的上端头设有第二连杆，并利用B铰链将第二挂钩杆的上端头与第二连杆的一端铰链连接；再利用D铰链将第一连杆与第二连杆的另一端铰链连接。

所述第一连杆上设有不少于三只铰链孔，所述第二连杆铰链孔与第一连杆铰链孔数量、大小、位置相同。

所述第一吊具连接在D铰链轴上。

其它与实施例1相同。

一种机械式海洋采矿自控装置，利用钳形结构，将回填箱上的吊装绳放置在钳口内，利用外力将钳口夹紧，并将自控挂钩上的连接件——锚链(或第一连杆与第二连杆上D铰链轴)与第一吊具进行固定连接，当物料吊将浮球、回填箱、矿料箱等组成的海洋水下运输系统吊起后，第一挂钩杆与第二挂钩杆组成的钳形上端头受到连接件的夹紧力，在克服压簧的反作用力下，钳口自动闭合，再去除第一挂钩杆与第二挂钩杆上的外力，物料吊将浮球、回填箱、矿料箱等组成的海洋水下运输系统放入大海，在回填箱、矿料箱等重力作用下，克服浮球的浮力下沉，直至回填箱箱底沉入海底的海床，自控挂钩与第一吊具在浮球的浮力牵引下，仍然钳住回填箱上的吊装绳，由于矿料箱的箱底比回填箱的箱底高出约0.5米，因此，矿料箱悬浮在水中；海底矿车在遥控下，给矿料箱装填矿石块，随着给矿料箱装填的矿石块越来越多，牵引矿料箱的第二吊具受到的浮球拉力也越来越大，由于浮球的最大向上运载力一定，因此，自控挂钩与第一吊具受到浮球拉力越来越小，第一吊具对第一挂钩杆与第二挂钩杆的上端头施加的夹紧力也越来越小，当该夹紧力小到一定值时，压簧的弹力将克服第一吊具对第一挂钩杆与第二挂钩杆的上端连接件的夹紧力，钳口将自动打开，回填箱上的吊装绳从钳口自动掉落，回填箱停留在海底，实现回填箱海底回填；同时浮球由于失去回填箱的约束，将自动带着矿料箱上浮海面，实现矿石浮力运输。

此外，浮球的浮力、自控挂钩的压簧弹性系数一旦设计制造完成，将不能改变，为了更加精确地控制自控挂钩的脱钩夹紧力，本发明通过调整连接件长度，从而改变第一吊具对第一挂钩杆与第二挂钩杆的上端施加的夹紧力；在有限范围内，调整矿料箱的额定载重量，当矿料箱达到该额定载重量时，自控挂钩将自动卸载回填箱，同时矿料箱自动上浮。

为了提高压簧的响应速度，本发明使用多根压簧并联使用，从而减小压簧中的阻尼，提高压簧的响应速度。

如图3所示，自控挂钩40利用锚链410为连接件的示意图，自控挂钩40设有二根“7”字形挂钩杆，即第一挂钩杆405、第二挂钩杆406；第一挂钩杆405与第二挂钩杆406的“7”字头向下，左右交叉，端头相对，成镜像分布，交叉点铰链连接成钳形，该铰链记为：A铰链401，下端二“7”字头相对形成钳口，用来挂载回填箱35的吊装绳351；在第一挂钩杆405与第二挂钩杆406之间，A铰链的上部，设有压簧407，压簧407使用二根并联使用，在相同的弹性下，由于双压簧比单压簧的阻尼小，因此提高了压簧的响应速度；在第一挂钩杆405与第二挂钩杆406之间的上端头，使用锚链410作为连接件，锚链410的长度可调，第一吊具34连接在锚链410的中间，通过调整锚链410长度，在有限范围内，可以调整第一挂钩杆405与第二挂钩杆406对压簧407施加的夹紧力大小，从而更加精确地调整自控挂钩40中，打开自控挂钩40钳口，矿料箱33所需最少加载量。

此外，如图4所示，自控挂钩40利用双连杆为连接件的示意图，第一挂钩杆405的上端头设有第一连杆408，并利用C铰链403将第一挂钩杆405的上端头与第一连杆408的一端铰链连接；第二挂钩杆406的上端头设有第二连杆409，并利用B铰链402将第二挂钩杆406的上端头与第二连杆409的一端铰链连接；利用D铰链404将第一连杆408与第二连杆409的另一端铰链连接；第一连杆408中B铰链与D铰链之间距离、与第二连杆409中C铰链与D铰链之间距离的相同，且第一连杆408、第二连杆409上设有多只位置相同的铰链孔，使得第一连杆408、第二连杆409上安装的铰链间距可调；第一吊具34连接在D铰链404的轴上；通过调整第一连杆408、第二连杆长度409上铰链间离，在有限范围内，可以调整第一挂钩杆405与第二挂钩杆406对压簧407施加的夹紧力大小，从而更加精确地调整自控挂钩40中，打开自控挂钩40钳口，矿料箱33所需最少加载量。

Claims (10)

1.一种深海浮力采矿系统，包含母船，浮球，吊具，回填箱，矿料箱；其特征在于：所述浮球，其外部为金属壳，金属壳内部设有气囊，金属壳二端均设有端口，其中一端端口为气囊的气门嘴出口端，并与气囊的气门嘴密封连接；另一端为油口；所述浮球外部至少设有一只吊耳；所述回填箱、矿料箱悬挂在吊耳上。

2.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述母船上设有缆绳牵连浮球。

3.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述吊耳设置在金属壳的外部；所述吊耳上连接着吊具，回填箱使用第一吊具，矿料箱使用第二吊具。

4.根据权利要求3所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述回填箱使用第一吊具，矿料箱使用第二吊具与浮球连成整体，一起沉海时，回填箱的底部比矿料箱底部低h米。

5.根据权利要求4所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述第一吊具下还设有自控挂钩，回填箱上设有吊装绳，吊装绳悬挂在自控挂钩上，自控挂钩吊装负载后，自控挂钩闭合；所述自控挂钩的打开，由第二吊具受力大小控制。

6.根据权利要求5所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述自控挂钩为机械式结构或为电控结构。

7.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述气囊本体为可膨胀，可收缩，高强度的弹性材质。

8.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述气囊，内部填充高压气体。

9.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述金属壳内、气囊外的储液腔，填充高压矿物油。

10.根据权利要求1所述的一种深海浮力采矿系统，其特征在于：所述母船上，设有物料吊和缆车。