CN212317991U - 一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，包括水面支持船舶、水下近底采矿平台、海底采集系统；水面支持船舶的月台位置处设有塔吊，塔吊上吊装有主扬矿管道，主扬矿管道的下端与水下近底采矿平台相接，水下近底采矿平台通过拖拽管道与海底采集系统相连接，海底采集系统包括多组相互铰接的水力式采集单元，多组水力式采集单元组成宽幅采集头；本实用新型解决采集系统动力不足问题和微地形适应能力基础上，可以大幅提升采集头的宽度，提高采矿效率。

Description

一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统

技术领域

本实用新型涉及一种系统，尤其涉及一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，属于深海多金属结核开采技术与设备领域。

背景技术

深海蕴藏着丰富的矿产资源，特别是蕴藏有一些陆地比较稀有的金属资源。随着陆地资源逐渐枯竭和海洋技术的高速发展，越来越多的国家将资源开发的方向转向了深海，特别是近年来部分国家加快了深海多金属结核资源商业开发技术研发进度，制定了2035年进行商业开发的目标，使得深海多金属结核开采受到广大的关注。

深海多金属结核资源开采系统的核心问题是如何最高效率地将赋存在海底稀软沉积物上的矿石采集、提升到海面。目前已有的深海多金属结核采矿方案基本形式是海面有采矿支持母船，采矿支持母船布放一台履带式或雪橇自行式采矿机到海底，在采矿机和海面支持母船之间通过泵和管道组成的扬矿系统连接，采集的矿物通过扬矿系统输送到海面的母船。然而，该方案对于深海多金属结核开采的不利之处有，主要表现在：

(1)稀软沉积物抗剪强度低，自行式采矿车牵引力受限，动力不足而不利于行走，尤其是坡度较大的地形不利于自行式采矿车工作，使回采区域受到较大限制；

(2)多金属结核属于面矿类型，丰度较低，每平米仅有10-20公斤，现有自行式采矿车由于动力问题单次采矿宽度有限，采矿能力和规模很难大幅提升，因而采矿效率较低；

(3)现有采集头采用一字排开布局形式，对于采矿宽度内微地形的变化适应能力不足，可能降低回采率。

实用新型内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，包括水面支持船舶，它还包括水下近底采矿平台、海底采集系统；水面支持船舶的月池位置处设有塔吊，塔吊吊装有主扬矿管道，主扬矿管道的下端与水下近底采矿平台相接，水下近底采矿平台通过拖拽管道与海底采集系统相连接，海底采集系统包括多组相互铰接的水力式采集单元，多组水力式采集单元组成宽幅采集头；

由水下近底采矿平台将高压水送到海底采集系统的水力式采集单元内，进行高压水射流式采集矿石，并由水下近底采矿平台将矿石抽吸回，再由水下近底采矿平台将矿石送到主扬矿管道内，使矿石被提升至海面的水面支持船舶上。

进一步地，水下近底采矿平台包括采矿平台本体、动力系统、高压水系统、泵吸系统、储料给料系统、通讯定位系统、监测系统；

采矿平台本体上设置有上连接头及下连接头，上连接头用于连接主扬矿管道，下连接头用于连接海底采集系统；动力系统安装在采矿平台本体上，驱动水下近底采矿平台前进及转动；高压水系统通过高压水管连通海底采集系统，为海底采集系统供给高压水；泵吸系统通过输送管道连通海底采集系统，从海底采集系统处抽吸矿石；储料给料系统包括储料罐、位于储料罐下方并与储料罐相连通的给料机，所述储料罐与泵吸系统相连通，接收泵吸系统送来的矿石，给料机连接主扬矿管道，将矿石送到主扬矿管道中；通讯定位系统为水下平台通讯和超基线定位系统，用于确定水面支持船舶、水下近底采矿平台以及海底采集系统的相对位置及其姿态；监测系统监测海底微地形和矿石赋予条件。

进一步地，海底采集系统还包括高压水管、输送管道、采集本体框架及采集系统监控设备，水力式采集单元、采集系统监控设备均安装在采集本体框架上；

高压水管、输送管道在顶端位置处共同罩设有主接口，主接口连接采矿平台本体的下连接头；输送管道连通有多条分支输送管道，分支输送管道延伸至水力式采集单元内并形成矿石吸入口，高压水管连通有多条分支高压水管，分支高压水管的底端延伸至水力式采集单元内并分成两条分支，一条分支连通有前射流喷嘴、另一条分支连通有后射流喷嘴，前射流喷嘴、后射流喷嘴分别位于矿石吸入口的前后两侧。

进一步地，水下近底采矿平台距离海底的高度h在20-50m之间。

本实用新型公开了一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，通过水下近底自推式采矿平台拖曳海底采集系统，避免海底采集系统在松软沉积物上行走动力不足的问题，同时水下近底采矿平台可以自行推进，使主扬矿管道上下端保持同步运动，减少主扬矿管道的弯曲应力，改善整个采矿系统的力学特性。柔性连接的水力式采集单元更好的适应海底微地形的变化，提高回采率，在解决采集系统动力不足问题和微地形适应能力基础上，可以大幅提升采集头的宽度，提高采矿效率。

附图说明

图1为本实用新型的整体系统组成示意图。

图2为图1中水下近底采矿平台的组成示意视图。

图3为图1中海底采集系统的侧示图。

图4为图3海底采集系统的后视图。

图中：1、水面支持船舶；2、水下近底采矿平台；3、海底采集系统；4、主扬矿管道；5、采矿平台本体；6、动力系统；7、高压水系统；8、泵吸系统；9、储料给料系统；10、通讯定位系统；11、监测系统；12、上连接头； 13、下连接头；14、塔吊；15、水利式采集单元；16、高压水管；17、输送管道；18、采集系统监控设备；19、采集本体框架；20、接口；21、矿石吸入口；22、前射流喷嘴；23、后射流喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，如图1所示，包括水面支持船舶 1，还包括水下近底采矿平台2及海底采集系统3；

其中，水面支持船舶1与主扬矿管道4采用现有的采油平台和输油管道技术，水面支持船舶1作为海面采矿船，在船体中间的月池位置处设有塔吊14，塔吊14吊装主扬矿管道4，由主扬矿管道4将矿石提升到水面支持船舶1上；

主扬矿管道4的下端则与到水下近底采矿平台2连接，由水下近底采矿平台 2抽吸海底采集系统3采集到的矿石，并将矿石送入到主扬矿管道4内；同时，水下近底采矿平台2通过拖拽管道与海底采集系统3相连接，在采矿过程中，由水下近底采矿平台2拖拽海底采集系统3运动；

海底采集系统3包括多组相互铰接的水力式采集单元15，由于采用铰接的方式连接，相邻的水力式采集单元能够在上下方向相对位移或实现转动，能够更好的适应海底微小地形的变化，在水下近底采矿平台2拖拽时，水力式采集单元贴底作业，避免凹陷处离地加大而使矿石捕捉困难，还可避免凸出指出采集头插入沉积物中而无法采集矿石。并且，多组水力式采集单元组成宽幅采集头，大大提高了采矿效率。

通过水面支持船舶1、水下近底采矿平台2、海底采集系统3闪着协调工作，构成本实用新型的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，解决了稀软沉积物行走机构动力不足。同时，解决了采集系统不能适应地形变化的问题，通过宽幅采集头提高单次采集矿石的宽度，提高采矿能力。

进一步地，如图2所示，水下近底采矿平台2包括采矿平台本体5、动力系统6、高压水系统7、泵吸系统8、储料给料系统9、通讯定位系统10及监测系统 11；

其中，采矿平台本体5为装置主体，高压水系统7、泵吸系统8、储料给料系统9等均安装在采矿平台本体5上；在采矿平台本体5顶端设置有上连接头 12，上连接头12用于与主扬矿管道4的下端连接，两者采用铰接的方式实现连接，使得水面支持船舶1与水下近底采矿平台2同步运动过程中，主扬矿管道4 可承受垂直拉力，不会产生扭矩，而对主扬矿管道4造成不必要的损失；并且，为进一步减小主扬矿管道4承受的拉力，采矿平台本体5采用浮力材料，尽可能有效减少水下近底采矿平台2的水下重量；同时，采矿平台本体5的下端还设置有下连接头13，下连接头13用于连接海底采集系统3。

动力系统6安装在采矿平台本体5上，驱动水下近底采矿平台2前进及转动，动力系统6除了动力机构(如电机)外，还包括两个主推进螺旋桨和两个侧推进螺旋桨(左右舷各一个)；主推进螺旋桨位于正后方，可以使水下近底采矿平台2在水下向前移动，实现水下近底采矿平台2的自推进，以便于随水面支持船舶1同步前进，使主扬矿管道4的上下端保持同步运动，减少主扬矿管道 4的弯曲应力；侧推进螺旋桨位于两侧，可以帮助水下近底采矿平台2左右转动。

高压水系统7通过高压水管16连通海底采集系统3，由高压水系统7抽吸海水，并为为海底采集系统3供给高压水；泵吸系统8通过输送管道17连通海底采集系统3，泵吸系统8从海底采集系统3处抽吸矿石并将矿石送给储料给料系统 9；储料给料系统9包括储料罐、位于储料罐下方并与储料罐相连通的给料机，储料罐与泵吸系统8相连通，接收泵吸系统8送来的矿石，给料机连接主扬矿管道4，将矿石送到主扬矿管道4中；

通讯定位系统10为水下平台通讯和超基线定位系统，通讯定位系统10是深海多金属结核资源开采过程中常用的系统，可以精准的确定水面支持船舶1、水下近底采矿平台2以及海底采集系统3的相对位置及其姿态；监测系统11监测海底微地形和矿石赋予条件，以便分析评估整个采矿系统的工作状态、主扬矿管道4的变形情况等。监测系统11也是深海多金属结核资源开采过程中常用的系统，监测海底微地形和矿石赋予条件，采用声呐获取海底微地形和地貌图像，基于图像分析技术反演海底微地形和地貌特征，生产三维地形图可矿石粒径分布与丰度变化。

此外，水下近底采矿平台2距离海底的高度h一般在20-50m之间，具体的设置高度根据矿区海底地形条件确定，一般离底高度应超过海底最高山峰，避免采矿移动时水下近底采矿平台被山体阻挡；并且，水下近底采矿平台2的采矿平台本体5的外形类似于潜艇，以便减小运动时的阻力。

对于水下近底采矿平台2与海底采集系统3，两者除了通过拖拽管道相连接的同时，还通过高压水管16、输送管道17相互连通，由水下近底采矿平台2内的高压水系统7将高压水通过高压水管16送到海底采集系统3的水力式采集单元 15内，进行高压水射流式采集矿石；由水下近底采矿平台2的泵吸系统8将矿石抽吸回，并通过输送管道17运输，再由泵吸系统8将矿石送到储料给料系统9，通过储料给料系统9的给料机将矿石送到主扬矿管道4内，使矿石被提升至海面的水面支持船舶1上，从而完成才给过程；

其中，高压水管16、输送管道17均属于海底采集系统3，海底采集系统3还包括采集本体框架19及采集系统监控设备18，如图3所示，水力式采集单元 15、采集系统监控设备18均安装在采集本体框架19上；

采集系统监控设备18为深海多金属结核资源开采过程中常用的装置，通常采用摄像头等图像采集设备，时刻监控海底情况；水力式采集单元15采用水力式采集头，在本实用新型中将水力式采集单元成组设置，以5个采集单元为一组为例，可将4-6组组装在一起，由于每个水力式采集单元的宽度在1-2米，从而组成20-30米宽的采集头，大幅采集头大大提高了采集效率；并且，相邻的采集单元直间相铰接，能够在上下方向上发生相对位移或者实现转动，更好的适应海底微地形的变化。

同时，高压水管16、输送管道17为配合多组水力式采集单元15，输送管道 17连通有多条分支输送管道，高压水管16也连通有多条分支高压水管，通过分支的管路，实现高压水线、输送线的一一对应；其中，分支输送管道延伸至水力式采集单元15内并形成矿石吸入口21，分支高压水管的底端延伸至水力式采集单元15内并分成两条分支，一条分支连通有前射流喷嘴22、另一条分支连通有后射流喷嘴22，前射流喷嘴22、后射流喷嘴22分别位于矿石吸入口21的前后两侧；从而利用前后两排喷嘴射流破土，将矿石从沉积物中剥离悬浮，再利用曲板形成COANDA效应(康达效应)，将沉积物中的矿石送入到矿石吸入口21 处，实现矿石的抽吸。这种贴底作业的方式类似于脱网，但可以将矿石从沉积物中剥离出来，并源源不断采集上来，送到近底采矿平台。

此外，高压水管16、输送管道17在顶端位置处共同罩设有主接口20，主接口20连接采矿平台本体5的下连接头13，以便于高压水管16、输送管道17与水下近底采矿平台2的连通。

对于本实用新型所公开的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，其采矿方法具体为：

高压水系统7通过高压水管16向前射流喷嘴22、后射流喷嘴22送入高压水并喷出射流水，水力式采集单元15利用射流破土，将矿石从海底沉积物中剥离悬浮，再利用COANDA效应，将悬浮出来的矿石送入到矿石吸入口21，此时，在泵吸系统8的作用下，矿石被吸入到输送管道17内，进而被送入到储料给料系统9的储料罐内，再通过储料给料系统9的给料机将矿石送到主扬矿管道4，由主扬矿管道4将矿石提升至海面的水面支持船舶1，从而完成整个采矿过程。

本实用新型所公开的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，与现有技术相比，有益效果如下：

(1)通过水下近底自推式采矿平台拖曳海底采集系统，避免稀软沉积物抗剪强度低，无法为履带式采矿车或其他形式行走底盘提供足够牵引力的问题；

(2)水下近底采矿平台可以利用螺旋桨自行推进，使主扬矿管道上下端保持同步运动，减少主扬矿管底端位置偏移过大而使弯曲应力过载的风险，减少主扬矿管弯曲应力，改善整个采矿系统的力学特性；

(3)多组采集单元柔性并联，更好适应海底微地形的变化，提高回采率，解决了传统的采集系统不能适应地形变化的问题；

(4)在解决采集系统动力不足问题和微地形适应能力基础上，大幅提升采集头的宽度，提高采矿效率。

上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统，包括水面支持船舶(1)，其特征在于：它还包括水下近底采矿平台(2)、海底采集系统(3)；所述水面支持船舶(1)的月池位置处设有塔吊(14)，塔吊(14)吊装有主扬矿管道(4)，主扬矿管道(4)的下端与水下近底采矿平台(2)相接，水下近底采矿平台(2)通过拖拽管道与海底采集系统(3)相连接，所述海底采集系统(3)包括多组相互铰接的水力式采集单元(15)，多组水力式采集单元组成宽幅采集头。

2.根据权利要求1所述的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，其特征在于：所述水下近底采矿平台(2)包括采矿平台本体(5)、动力系统(6)、高压水系统(7)、泵吸系统(8)、储料给料系统(9)、通讯定位系统(10)、监测系统(11)；

所述采矿平台本体(5)上设置有上连接头(12)及下连接头(13)，上连接头(12)用于连接主扬矿管道(4)，下连接头(13)用于连接海底采集系统(3)；所述动力系统(6)安装在采矿平台本体(5)上，驱动水下近底采矿平台(2)前进及转动；所述高压水系统(7)通过高压水管(16)连通海底采集系统(3)，为海底采集系统(3)供给高压水；所述泵吸系统(8)通过输送管道(17)连通海底采集系统(3)，从海底采集系统(3)处抽吸矿石；所述储料给料系统(9)包括储料罐、位于储料罐下方并与储料罐相连通的给料机，所述储料罐与泵吸系统(8)相连通，接收泵吸系统(8)送来的矿石，所述给料机连接主扬矿管道(4)，将矿石送到主扬矿管道(4)中；所述通讯定位系统(10)为水下平台通讯和超基线定位系统，用于确定水面支持船舶(1)、水下近底采矿平台(2)以及海底采集系统(3)的相对位置及其姿态；所述监测系统(11)监测海底微地形和矿石赋予条件。

3.根据权利要求2所述的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，其特征在于：所述海底采集系统(3)还包括高压水管(16)、输送管道(17)、采集本体框架(19)及采集系统监控设备(18)，水力式采集单元(15)、采集系统监控设备(18)均安装在采集本体框架(19)上；

所述高压水管(16)、输送管道(17)在顶端位置处共同罩设有主接口(20)，主接口(20)连接采矿平台本体(5)的下连接头(13)；所述输送管道(17)连通有多条分支输送管道，分支输送管道延伸至水力式采集单元(15)内并形成矿石吸入口(21)，所述高压水管(16)连通有多条分支高压水管，分支高压水管的底端延伸至水力式采集单元(15)内并分成两条分支，一条分支连通有前射流喷嘴(22)、另一条分支连通有后射流喷嘴(23)，前射流喷嘴(22)、后射流喷嘴(23)分别位于矿石吸入口(21)的前后两侧。

4.根据权利要求3所述的深海多金属结核近底拖曳采矿系统，其特征在于：所述水下近底采矿平台(2)距离海底的高度h在20-50m之间。

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