CN117738669A - 一种深海采矿水力输送中继站及水力提升采矿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种深海采矿水力输送中继站及水力提升采矿系统。深海采矿水力输送中继站，包括：料仓和进料管；所述料仓包括上料仓和下料仓，所述上料仓设置有固定挡板，所述上料仓和下料仓之间设置有滑动挡板；所述滑动挡板和固定挡板将料仓分隔成独立的注入空间和沉降空间，所述滑动挡板与料仓滑动连接并能绕料仓的中心轴转动，使注入空间和沉降空间交替改变；所述进料管包括分别接入注入空间和沉降空间的注入管，其中，接入所述注入空间的注入管处于打开状态。通过本发明可减少仓内堵塞和矿石溢出，实现连续均匀给料，并且对结构耐压要求低、对环境友好。

Description

一种深海采矿水力输送中继站及水力提升采矿系统

技术领域

本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种深海采矿水力输送中继站及水力提升采矿系统。

背景技术

海底矿产赋存于数千米水深的海底，开采技术和环保要求极高，至今尚未形成商业化开采。集矿机—水力提升采矿系统被公认为是最有应用前景的采矿系统。水力提升采矿系统是通过一根垂直提升管道借助流体上升动力将海底集矿机采集的结核提升到海面采矿船上。水面部分包括采矿船和水力提升系统；水下部分包括集矿机、中继站、连接集矿机与中继站的柔性管。其中，中继站设计主要分为封闭式结构与顶部开放式结构。

封闭式中继站正常工作时不存在矿石溢出问题，但仓内过压风险与堵塞风险高，对结构的耐压强度要求高，易导致系统失效，进而破坏整个管道系统。而现有的开放式中继站顶部位置设置小开口或筛网，矿浆从进料口输入料仓，其中的矿石沉积在仓底，绝大部分海水通过料仓顶端开口排出。但是，进料口喷出的矿浆持续冲击料仓底部沉降的矿石，使底部沉积的小粒径矿石(称为穿网矿石)随冲击水流穿过筛网，矿石溢出量较大，对环境影响大；仓内持续的上升水流，使仓内一部分矿石(称为截留矿石)在溢出水流的作用下被筛网截留，造成堵孔，不断累积，存在料仓堵网风险。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种深海采矿水力输送中继站，以减少仓内堵塞和矿石溢出。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种深海采矿水力输送中继站，包括：料仓和进料管；所述料仓包括上料仓和下料仓，所述上料仓设置有固定挡板，所述上料仓和下料仓之间设置有滑动挡板；所述滑动挡板和固定挡板将料仓分隔成独立的注入空间和沉降空间，所述滑动挡板与料仓滑动连接并能绕料仓的中心轴转动，使注入空间和沉降空间交替改变；所述进料管包括分别接入注入空间和沉降空间的注入管，其中，接入所述注入空间的注入管处于打开状态。

可选的，所述料仓上设置有过滤筛网，所述进料管包括第一注入管和第二注入管，所述第一注入管和第二注入管穿过所述过滤筛网后分别接入所述注入空间和沉降空间内，所述第一注入管上设置有第一电控阀门，所述第二注入管上设置有第二电控阀门。

可选的，所述注入空间由滑动挡板、固定挡板、过滤筛网和上料仓仓壁围成，所述沉降空间由滑动挡板、固定挡板、过滤筛网、上料仓仓壁和下料仓仓壁围成。

可选的，所述上料仓为圆筒形，所述下料仓为锥筒形，锥筒形下料仓具有大端和小端，下料仓的小端位于大端的下侧，下料仓的大端与上料仓连接，且下料仓大端的直径与上料仓的直径相等。

可选的，所述料仓下侧设置有给料机，所述给料机包括壳体和叶轮，所述壳体位于所述下料仓的下侧，且与下料仓相通，所述叶轮转动安装在所述壳体内，且位于壳体与下料仓连通口的下侧。

可选的，所述给料机的下侧设置有出料管，所述出料管与所述给料机的壳体连通，出料管包括连接端和自由端，所述连接端位于顶部，所述自由端位于底部，出料管的连接端与提升硬管连通，出料管的自由端与海水连通。

可选的，所述上料仓和下料仓之间设置有挡板滑轨，所述滑动挡板包括第一滑动挡板和第二滑动挡板，所述第一滑动挡板和第二滑动挡板均滑动安装在所述挡板滑轨上，且所述第一滑动挡板和第二滑动挡板的转动方向相反。

可选的，所述第一滑动挡板从下到上依次包括第一轮辐式齿轮、中层梁和第一挡板；所述第二滑动挡板从下到上包括第二轮辐式齿轮和第二挡板，其中第一轮辐式齿轮位于第二轮辐式齿轮的底部，且第一轮辐式齿轮的直径小于第二轮辐式齿轮的直径，所述第一挡板和第二挡板位于同一水平面上。

可选的，还包括电控驱动装置，所述电控驱动装置包括驱动电机、联轴器、第一齿轮和第二齿轮，所述驱动电机通过联轴器连接第一齿轮，所述第一齿轮分别与第二齿轮和第二轮辐式齿轮啮合，所述第二齿轮与所述第一轮辐式齿轮啮合。

本发明实施例还提供了一种水力提升采矿系统，包括输送软管、提升硬管和如上所述的深海采矿水力输送中继站，中继站位于输送软管和提升硬管中间。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的深海采矿水力提升中继站在料仓内设有固定挡板和滑动挡板，使中继站分隔成两个独立空间，在中继站工作时，可以交替运行，避免进料管的矿浆流对下料仓处沉积矿石的冲击，减少矿石的上升及溢出；上料仓的其中一个子空间交替与下料仓共同形成沉降空间，料仓的交替转换不会影响给料的连续性，同时使堵网的截留矿石有充足的沉降时间沉降至下料仓处，并且沉降时此空间内没有上升水流，矿石颗粒沉降效率高，筛网堵网风险小。相比于现有技术，本发明的深海采矿水力输送中继站可以有效减少过滤筛网处堵塞风险，减少过滤筛网处矿石的溢出，实现连续均匀给料，对结构耐压性要求较低，有较好的安全性，对环境更友好。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的中继站整体示意图；

图2是本发明实施例的上料仓内部结构示意图；

图3是本发明实施例的第一滑动挡板分层结构示意图；

图4是本发明实施例的第二滑动挡板分层结构示意图；

图5是本发明实施例的电控驱动装置齿轮组件结构示意图；

图6是本发明实施例的滑动挡板与电控驱动装置啮合示意图；

图7是本发明实施例的滑动挡板运动过程示意图；

图8是本发明实施例的给料机示意图；

图9是本发明实施例的给料机内部结构示意图；

图中：1、进料管；2-1、第一电控阀门；2-2、第二电控阀门；3、上料仓；3-1、过滤筛网；3-2、固定挡板；3-3、第一滑动挡板；3-3-1、第一轮辐式齿轮；3-3-2、中层梁；3-3-3、第一挡板；3-4、第二滑动挡板；3-4-1、第二轮辐式齿轮；3-4-2、第二挡板；3-5、挡板滑轨；3-6、电控驱动装置；3-6-1、驱动电机；3-6-2、联轴器；3-6-3、第一齿轮；3-6-4、第二齿轮；4、下料仓；5、给料机；5-1、叶轮；5-2、壳体；6、出料管；6-1、自由端；6-2、连接端；

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者为一体结构；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语在本发明的具体含义。

深海采矿水力输送：利用不同深度上的矿浆泵/清水泵/射流泵，将海底集矿机采集的结核矿石和海水混合通过垂直提升管道提升到海面采矿船上。

中继站：深海采矿系统主要包括采矿船、测控系统、扬矿管道输送系统、海底集矿机和运输支持子系统组成。其中，输送系统包括硬管、软管和中继站。中继站主要功能是储存来自海底集矿机的结核，以均匀速度向提升系统供矿，避免提升系统出现堵塞或流量波动。中继站由储矿仓、给料机、液压泵站、电力与测控单元及其附件和机架等组成。

矿浆：海水与矿石结核的混合物。

正如背景技术所介绍的，现有的开放式中继站顶部位置设置小开口或筛网，矿石溢出量较大，对环境影响大；仓内截留矿石造成料仓堵网风险。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可减少仓内堵塞和矿石溢出、给料连续性好，对结构耐压要求低、环境友好的深海采矿水力输送中继站。

实施例1

如图1所示，本发明一实施例中提出了一种深海采矿水力输送中继站，包括：料仓和进料管1；所述料仓包括上料仓3和下料仓4，所述上料仓3设置有固定挡板3-2，如图1所示，所述固定挡板3-2布置在上料仓3的中间，将上料仓3分隔成左右两个独立空间。所述上料仓3和下料仓4之间设置有滑动挡板，所述滑动挡板和固定挡板3-2将整个料仓分隔成独立的注入空间和沉降空间，在本实施例中，注入空间即为上料仓3空间的一半，沉降空间为上料仓3的另一半加上下料仓4空间。所述滑动挡板与料仓滑动连接并能绕料仓的中心轴转动，使注入空间和沉降空间交替改变。即当滑动挡板转动到左侧时，上料仓3的左侧即为注入空间，上料仓3的右侧和下料仓4空间构成沉降空间；当滑动挡板转动到右侧时，上料仓3的右侧即为注入空间，上料仓3的左侧和下料仓4空间构成沉降空间。

所述进料管1包括分别接入注入空间和沉降空间的注入管，其中，接入所述注入空间的注入管处于打开状态，接入沉降空间的注入管处于关闭状态。在下一阶段，滑动挡板转动到另一侧时，注入空间和沉降空间转变，两个注入管的开、闭状态也随之变换。

本发明通过固定挡板3-2和滑动挡板将整个料仓分隔成注入空间和沉降空间两个子空间，而且通过对滑动挡板的控制，使注入空间和沉降空间交替转变，进料管1在进入中继站上料仓3时一分为二，交替向两个子空间内注入矿浆。在中继站工作时，可以交替运行，避免进料管1的矿浆流对下料仓4处沉积矿石的冲击，减少矿石的上升及溢出；而且下料仓4始终属于沉降空间，料仓的交替转换不会影响给料的连续性，交替运行的料仓，使堵网的截留矿石有充足的沉降时间沉降至下料仓4处，并且沉降时此空间内没有上升水流，矿石颗粒沉降效率高，筛网堵网风险小。相比于现有技术，本发明的深海采矿水力输送中继站可以有效减少过滤筛网3-1处堵塞风险，减少过滤筛网3-1处矿石的溢出,给料连续性好，对结构耐压性要求较低，有较好的安全性，对环境更友好。

所述料仓上设置有过滤筛网3-1，所述进料管1包括第一注入管和第二注入管，所述第一注入管和第二注入管穿过所述过滤筛网3-1后分别接入所述注入空间和沉降空间内，所述第一注入管上设置有第一电控阀门2-1，所述第二注入管上设置有第二电控阀门2-2，通过第一电控阀门2-1和第二电控阀门2-2的开、闭，分时交替向两个空间注入矿浆。

在本实施例中所述注入空间由水平布置的滑动挡板、垂直布置的固定挡板3-2、过滤筛网3-1和上料仓3仓壁围成，所述沉降空间由水平布置的滑动挡板、竖直布置的固定挡板3-2、对侧的过滤筛网3-1、对侧的上料仓3仓壁和下料仓4仓壁围成。当然可以理解的，也可以将整个料仓分隔成多个空间，多个空间中至少包括一个用于注入矿浆的注入空间和至少一个用于沉降矿石的沉降空间。

所述上料仓3和下料仓4可以为相同形状，也可以为不同形状，可以为圆筒形、方筒形或者锥筒形等各种形状。本实施例中如图1所示，所述上料仓3为圆筒形，所述下料仓4为锥筒形，锥筒形下料仓4具有大端和小端，下料仓4的小端位于大端的下侧，即上大下小，下料仓4的大端与上料仓3连接，且下料仓4大端的直径与上料仓3的直径相等。

如图1所示，料仓的外壁上设置有驱动装置，上料仓3和下料仓4之间设置有挡板滑轨3-5，滑动挡板在挡板滑轨3-5上转动。在本实施中驱动装置采用现有技术即可，只要能驱动滑动挡板转动实现注入空间和沉降空间两个空间的交替变换即可。

进一步的，在所述料仓下侧设置有给料机5，所述给料机5包括壳体5-2和叶轮5-1，所述壳体5-2位于所述下料仓4的下侧，且与下料仓4相通，如图8、图9所示，所述叶轮5-1转动安装在所述壳体5-2内，且位于壳体5-2与下料仓4连通口的下侧。所述给料机5的下侧设置有出料管6，所述出料管6与所述给料机5的壳体5-2连通，如图1所示，出料管6包括连接端6-2和自由端6-1，所述连接端6-2位于顶部，所述自由端6-1位于底部，出料管6的连接端6-2与提升硬管连通，出料管6的自由端6-1与海水连通。

给料机5位于下料仓4与出料管6之间，给料机5包括叶轮5-1、壳体5-2和两侧的密封端盖，叶轮5-1以一定速度旋转，矿石依次落入叶轮5-1的格腔中，矿石随着叶轮5-1的转动进入出料管6，实现均匀给料。出料管6自由端6-1一侧为海水补充口与紧急排放口，用于管内过压或提升系统故障时排放提升管内结核，避免堵管。

本发明的所述固定挡板3-2将上料仓3分隔成两个子空间，进料管1在进入中继站上料仓3时一分为二，在电控阀门的控制下交替向两个上料仓3子空间注入矿浆。位于上料仓3与下料仓4之间的滑动挡板将上下料仓4分隔，使水平放置的滑动挡板、垂直放置的固定挡板3-2、上料仓3仓壁、过滤筛网3-1等四部分结构共同组成一个相对独立的空间。滑动挡板可通过电控驱动装置3-6沿挡板滑轨3-5移动，使固定挡板3-2两侧随着滑动挡板的移动交替在上料仓3一侧内形成注入空间，同时，对侧形成过滤筛网3-1、上料仓3仓壁、垂直放置的固定挡板3-2、水平布置的滑动挡板、下料仓4等共同组成相对的独立的沉降空间。给料机5位于下料仓4与出料管6之间，矿石依次落入叶轮5-1的格腔中，矿石随着叶轮5-1的转动进入出料管6，实现长时间连续均匀给料。

上述中继站的工作过程：

在进料管1向独立子空间注入矿浆时，滑动挡板滑动至进料管1电控阀门开启一侧，此时注入的矿浆只在滑动挡板、固定挡板3-2、上料仓3仓壁、过滤筛网3-1等四部分组成的相对独立的注入空间中流动，此上料仓3内独立空间中，大粒径矿石沉降至注入空间下部即滑动挡板上，小粒径矿石在上升水流的带动下随水流移动至过滤筛网3-1处，其中较小的随水流溢出至中继站外(穿网矿石)，较大的被过滤筛网3-1截留(截留矿石)，无法顺利通过造成堵网；同时，对侧电控阀门关闭处的上料仓3空间与下料仓4贯通，上一时间段内注入上料仓3的矿浆中的矿石颗粒自由沉降，包括过滤筛网3-1处的截留矿石，最终沉降至给料机5的旋转叶轮5-1的隔腔中，通过给定转速的叶轮5-1输送至给料机5底部的出料管6，以均匀速度向提升系统供矿。在提升硬管中的扬矿泵的抽吸作用下，矿石随海水从出料管6提升到提升硬管中。出料管6自由端6-1一侧为海水补充口与紧急排放口，用于管内过压或提升系统故障时排放提升管内结核，避免堵管。

实施例2

本实施例中滑动挡板为两片，并给出了相应的滑动结构及驱动装置。具体的，如图1、图2所示，所述上料仓3和下料仓4之间设置有挡板滑轨3-5，所述滑动挡板包括第一滑动挡板3-3和第二滑动挡板3-4，所述第一滑动挡板3-3和第二滑动挡板3-4均滑动安装在所述挡板滑轨3-5上，且所述第一滑动挡板3-3和第二滑动挡板3-4的转动方向相反。相比于单片滑动挡板转动实现两个独立空间的切换，本实施例通过两片滑动挡板的反向转动实现两个独立空间的切换，切换速度更快，提高了中继站的工作效率。

进一步的，如图3、图4所示，所述第一滑动挡板3-3从下到上依次包括第一轮辐式齿轮3-3-1、中层梁3-3-2和第一挡板3-3-3，所述第二滑动挡板3-4从下到上包括第二轮辐式齿轮3-4-1和第二挡板3-4-2，如图6所示，第一轮辐式齿轮3-3-1位于第二轮辐式齿轮3-4-1的底部，且第一轮辐式齿轮3-3-1的直径小于第二轮辐式齿轮3-4-1的直径，而且，通过中层梁3-3-2的设置使所述第一挡板3-3-3和第二挡板3-4-2位于同一水平面上。

如图5所示，所述电控驱动装置3-6包括驱动电机3-6-1、联轴器3-6-2、第一齿轮3-6-3和第二齿轮3-6-4，如图6所示，所述驱动电机3-6-1通过联轴器3-6-2连接第一齿轮3-6-3，所述第一齿轮3-6-3分别与第二齿轮3-6-4和第二轮辐式齿轮3-4-1啮合，所述第二齿轮3-6-4与所述第一轮辐式齿轮3-3-1啮合。滑动挡板在电控驱动装置3-6的驱动下沿挡板滑轨3-5移动，使固定挡板3-2两侧随着滑动挡板的移动交替在上料仓3一侧内形成独立空间。

具体的，第一滑动挡板3-3分为三层结构，从下至上依次为第一轮辐式齿轮3-3-1、中层梁3-3-2、第一挡板3-3-3；第二滑动挡板3-4为双层结构，从下至上依次为第二轮辐式齿轮3-4-1、第二挡板3-4-2。第二轮辐式齿轮3-4-1的直径大于第一轮辐式齿轮3-3-1，第二轮辐式齿轮3-4-1堆叠于第一轮辐式齿轮3-3-1上方。

电控驱动装置3-6内设置驱动电机3-6-1，通过联轴器3-6-2连接第一齿轮3-6-3，第一齿轮3-6-3与第二挡板3-4-2底部的第二轮辐式齿轮3-4-1啮合；同时，第一齿轮3-6-3与第二齿轮3-6-4啮合，第二齿轮3-6-4与第一挡板3-3-3底部的第一轮辐式齿轮3-3-1啮合，如图7所示，实现第一滑动挡板3-3与第二滑动挡板3-4的异向转动。通过电控驱动装置3-6齿轮组件和滑动挡板轮辐式齿轮的配合，实现了滑动挡板在挡板滑轨3-5内的运动，实现滑动挡板对上料仓3内两侧空间与下料仓4空间的隔断。

实施例3

基于实施例1和实施例2的深海采矿水力输送中继站，本实施例还提供了一种水力提升采矿系统，主要由海底集矿机、矿浆输送软管、中继站、扬矿泵、提升硬管、水面采矿船等组成。所述中继站为顶部开放式结构，顶部与外部海水通过大面积筛网贯通。所述中继站位于输送软管和提升硬管中间，中继站通过进料管1连接输送软管，通过出料管6连接提升硬管。提升硬管上设置有若干个扬矿泵，扬矿泵的抽吸作用使中继站出料管6内形成负压，使给料机5均匀送出的矿石随海水从出料管6提升到提升硬管中。由于上述中继站具有上述技术效果，则采用该中继站的水力提升采矿系统的技术效果请参考上述实施例。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种深海采矿水力输送中继站，其特征在于，包括：料仓和进料管；

所述料仓包括上料仓和下料仓，所述上料仓设置有固定挡板，所述上料仓和下料仓之间设置有滑动挡板；所述滑动挡板和固定挡板将料仓分隔成独立的注入空间和沉降空间，所述滑动挡板与料仓滑动连接并能绕料仓的中心轴转动，使注入空间和沉降空间交替改变；

所述进料管包括分别接入注入空间和沉降空间的注入管，其中，接入所述注入空间的注入管处于打开状态。

2.如权利要求1所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述料仓上设置有过滤筛网，所述进料管包括第一注入管和第二注入管，所述第一注入管和第二注入管穿过所述过滤筛网后分别接入所述注入空间和沉降空间内，所述第一注入管上设置有第一电控阀门，所述第二注入管上设置有第二电控阀门。

3.如权利要求2所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述注入空间由滑动挡板、固定挡板、过滤筛网和上料仓仓壁围成，所述沉降空间由滑动挡板、固定挡板、过滤筛网、上料仓仓壁和下料仓仓壁围成。

4.如权利要求1所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述上料仓为圆筒形，所述下料仓为锥筒形，锥筒形下料仓具有大端和小端，下料仓的小端位于大端的下侧，下料仓的大端与上料仓连接，且下料仓大端的直径与上料仓的直径相等。

5.如权利要求1所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述料仓下侧设置有给料机，所述给料机包括壳体和叶轮，所述壳体位于所述下料仓的下侧，且与下料仓相通，所述叶轮转动安装在所述壳体内，且位于壳体与下料仓连通口的下侧。

6.如权利要求5所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述给料机的下侧设置有出料管，所述出料管与所述给料机的壳体连通，出料管包括连接端和自由端，所述连接端位于顶部，所述自由端位于底部，出料管的连接端与提升硬管连通，出料管的自由端与海水连通。

7.如权利要求1所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述上料仓和下料仓之间设置有挡板滑轨，所述滑动挡板包括第一滑动挡板和第二滑动挡板，所述第一滑动挡板和第二滑动挡板均滑动安装在所述挡板滑轨上，且所述第一滑动挡板和第二滑动挡板的转动方向相反。

8.如权利要求7所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，所述第一滑动挡板从下到上依次包括第一轮辐式齿轮、中层梁和第一挡板；所述第二滑动挡板从下到上包括第二轮辐式齿轮和第二挡板，其中第一轮辐式齿轮位于第二轮辐式齿轮的底部，且第一轮辐式齿轮的直径小于第二轮辐式齿轮的直径，所述第一挡板和第二挡板位于同一水平面上。

9.如权利要求8所述的深海采矿水力输送中继站，其特征在于，还包括电控驱动装置，所述电控驱动装置包括驱动电机、联轴器、第一齿轮和第二齿轮，所述驱动电机通过联轴器连接第一齿轮，所述第一齿轮分别与第二齿轮和第二轮辐式齿轮啮合，所述第二齿轮与所述第一轮辐式齿轮啮合。

10.一种水力提升采矿系统，其特征在于，包括输送软管、提升硬管和如权利要求1-9任一项所述的深海采矿水力输送中继站，中继站位于输送软管和提升硬管中间。