CN212508304U - 一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统，包括水面采矿辅助船、浮力重力差垂直提升装置、矿石装载作业区、矿石卸载作业区、压载物装载作业区、压载物卸载作业区和海底支撑基础；水面采矿辅助船搭载浮力重力差垂直提升装置，在水面采矿辅助船内包括设有矿石卸载作业区、压载物装载作业区、矿石初筛装置工作区和压载物储备舱，在海床的上方设有矿石装载作业区和压载物卸载作业区。本实用新型中所采用的垂直提升系统成本低，结构简单，布放流程方便，矿物输运效率高，对海洋环境污染小，且适用于各种水深海底矿物的提升作业，且不依赖于高能动力设备，节能环保。

Description

一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统

技术领域：

本实用新型涉及一种涉及深海采矿装备的技术领域，尤其涉及一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统。

背景技术：

我国南海水域蕴藏着丰富的金属及非金属矿物，然而这些矿物多分布于水深超5000米的海域的深海海床中，大水深作业也因此成为深海采矿面临的巨大挑战。目前的深海采矿系统一般包括海面的采矿辅助船，海底的采矿车以及连接二者的垂直输运系统。传统上，海底采矿车从海床上收集矿石，矿石进而被粉碎，泵入垂直输运系统。该垂直输运系统通常含有立管，所采集的矿石和海水混合物经由立管，从海底被竖向运输至海面上的采矿辅助船中。传统的提升系统一般为液压式或者气举式。液压式提升系统中沿着立管不同深度，设有多个采用离心举升泵的升压站，以保持立管内部压力。气举系统中，压缩气体被注入到中间深度，矿石固体因此可以通过气体/液体/固体三相混合物被举升。

到目前为止，仍不存在实尺规模的深海采矿作业。特别是传统竖向运输系统的低效率和高成本，且随着水深的增加越来越复杂的情况下，其在水深超过6000米后能否有效工作仍未知。因此，亟需研发更为高效、稳定、经济的竖向运输系统，可以将深海矿石运输至海面。基于此，有必要提供一种结构简单，成本低，适用于大水深作业的高效节能的深海采矿系统。同时应考虑深海采矿系统对环境造成的污染情况，提供一种节能环保的深海采矿系统。

高强度低密度耐压固体浮力材料是现代深潜技术的重要组成部分，它可以保证潜器的净浮力，增加潜器的有效荷载。固体浮力材料一般以树脂为基体，是深海开发装置的重要配置材料,主要应用在海军舰艇、水下平台、深海探测设备、深水设备的保护罩、水下管道连接和电缆牵引等方面，能为深海水下作业装置提供净浮力，在水下起到浮力补偿的作用。随着研究人员对水深6000-11000米的深海水域的研究，水下潜水器及载人潜水器技术逐步发展。该类设备采用浮力材料和配重压载，通过无动力上浮技术实现深潜器的下沉和上浮。借用该类技术进行深海采矿作业的连续提升，以克服传统深海采矿提升系统的上述局限性。

实用新型内容：

为了克服现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种高效节能、环保、适用于多水深采矿的、低成本深海采矿系统，以解决目前传统的、依赖泵式提升系统的水下采矿系统在深海采矿中所面临的高能耗、低效率、高成本及环境污染问题。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统，包括水面采矿辅助船、浮力重力差垂直提升装置、矿石装载作业区、矿石卸载作业区、压载物装载作业区、压载物卸载作业区和海底支撑基础；其中，水面采矿辅助船搭载浮力重力差垂直提升装置，在水面采矿辅助船内包括设有矿石卸载作业区、压载物装载作业区、矿石初筛装置工作区和压载物储备舱，在海床的上方设有矿石装载作业区和压载物卸载作业区。

在一个实施例中，所述浮力重力差垂直提升装置包括一组由钢缆组成的闭环系统，在钢缆上固定搭载多个设有浮力材料块的矿车；当矿车空载时，每个矿车在海水中的总浮力大于其重力。

在一个实施例中，所述闭环系统呈“口”字型，在“口”字型的四个角上设有滑轮，其中两只为支撑滑轮，设在所述水面采矿辅助船上；另外两只为固定滑轮，设在海床上，所述钢缆通过两只支撑滑轮和两只固定滑轮。

在一个实施例中，所述闭环系统的一侧为矿车下降工作区，另一侧为矿车上升工作区。

在一个实施例中，所述闭环系统的顶部设有矿车水上作业区，其底部设有矿车水下作业区；矿车水上作业区设在两个所述的支撑滑轮之间，由所述矿石卸载区和所述压载物装载区组成；

矿车水下作业区设在两个所述的固定滑轮之间，由所述压载物卸载区和所述矿石装载区组成。

在一个实施例中，在所述矿车水上作业区和所述矿车水下作业区内，控制每个所述矿车中加载的矿石或压载物的重量；其中，所述矿车上升工作区的所述矿车在海水中的浮力大于其总重力，所述矿车自然上升；所述矿车下降工作区的所述矿车在海水中的总重力大于其浮力，所述矿车自然下降；所述闭环系统在浮力重力差的作用下连续转动，实现海底矿石的连续运送。

在一个实施例中，所述矿车水上作业区包含所述压载物装载区和所述矿石卸载区；所述矿车出水面后，先在所述矿石卸载区释放矿石，然后通过所述压载物装载区时添加压载物，进而通过所述支撑滑轮后到达所述矿车下降工作区。

在一个实施例中，所述矿石初筛装置工作区与所述矿石卸载区相连，所述矿石初筛装置工作区中产生的初级矿渣可制作成压载物，初筛后的矿石通过运输船运走；所述压载物储备舱储备各类压载物，并与所述压载物装载区相连。

在一个实施例中，所述矿车水下作业区包含所述压载物卸载区和所述矿石装载区：所述矿车抵达海底后，先在所述压载物卸载区释放压载物，然后在所述矿石装载区添加矿石，所述矿石装载区为矿石储放区域，通过所述矿车收集来自采矿区的矿石。

在一个实施例中，所述矿车下降工作区的每个所述矿车含有压载物，其水中总重力大于浮力，所述矿车自然下降；当所述矿车接近海底时，通过所述固定滑轮到达所述矿车水下作业区。

在一个实施例中，所有矿车为钢制箱型装置，所述矿车以相同或不同间距固定在所述钢缆上。

在一个实施例中，所述浮力材料块为高强度低密度的耐压材料，为所述矿车提供净浮力，当空载时每个所述矿车在海水中的总浮力大于其重力，总浮力和重力的两者之差越大，每个所述矿车在海底能装载的矿石愈多。

在一个实施例中，所述压载物是矿石处理后的矿渣，或者陆地石块，或者通过环保论证的海底填埋物；当卸载到海底的所述压载物可进行填埋处理。

在一个实施例中，所述钢缆为复线钢缆，包含一条或多条所述钢缆，所述钢缆之间设置矿车搭载结构，所述矿车通过搭载结构固定在所述钢缆上，矿车搭载结构位于所述闭环系统的外侧。

在一个实施例中，所述钢缆通过所述水面辅助船和所述固定滑轮后呈张紧状态。

在一个实施例中，所述固定滑轮通过所述海底支撑基础安装在所述海床上进行固定，所述海底支撑基础为桩基础或导管架基础；根据所述的矿车水下作业区的跨度设置多个所述海底支撑基础及所述固定滑轮来保证该区域工作的稳定性。

在一个实施例中，所述水面采矿辅助船上设置所述浮力重力差垂直提升装置与动力系统及控制系统相联，用以控制所述钢缆和所述矿车的运动速度。

本实用新型的主要有益效果是：

(1)本实用新型提供了一种新型的、无泵式的深海采矿垂直提升系统，成本低、能耗小、噪音小、扬尘小，克服了海底采矿目前广泛采用的泵式提升系统在深海大水深采矿作业中的低效率、高成本、高耗能、高噪音、大扬尘等缺陷。

(2)本实用新型中所采用的垂直提升系统成本低，结构简单，布放流程方便，矿物输运效率高，对海洋环境污染小，且适用于各种水深海底矿物的提升作业，且不依赖于高能动力设备，节能环保。

(3)本实用新型中所采用的压载物可以采用矿石处理后的矿渣，或者陆地石块，或通过环保论证的海底填埋物，节能环保，成本降低。

附图说明：

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了本实用新型一实施例中，一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统的主视图。

图2揭示了本实用新型一实施例中，一种基于浮力重力差垂直提升装置中复线钢缆和矿车的侧视图。

在图示中：1.水面采矿辅助船，2.浮力重力差垂直提升装置，3.压载物卸载区，4.矿石装载区,5.海底支撑基础，6.矿石初筛装置工作区,7.压载物储备舱,8.矿车水上作业区，9.水下下降工作区，10.水下上升工作区，11.矿车水下作业区，12.固定滑轮，13.复线钢缆，14.矿车搭载装置，15.矿车， 16.浮力材料块，17.压载物装载区，18.矿石卸载区，19.压载物，20.矿石。

具体实施方式：

参考图1并结合图2，在本实用新型的实施例中的一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统主要包括水面采矿辅助船1，浮力重力差垂直提升装置2，压载物卸载区3，矿石装载区4，海底支撑基础5。水面采矿辅助船1搭载连续提升装置2，同时包含矿石初筛装置工作区6 和压载物储备舱7，以及其它海洋工程辅助装备；连续提升装置2为“口”字形系统，上部位于水面采矿辅助船1舱体内，为矿车水上作业区8，左侧为矿车下降工作区9，右侧为矿车上升工作区10，底部为矿车水下作业区11；矿车水下作业区11包含压载物卸载区3和矿石装载区4。8-11四个区域的四个角点位置分别为固定滑轮12，海床处滑轮由海底支撑基础5 提供支撑。可通过固定滑轮的复线钢缆13均呈张紧状态，钢缆上固定连接矿车搭载装置14和矿车15，矿车附有浮力材料块16。矿车水上作业区8 包含压载物装载区17和矿石卸载区18。压载物装载区17连接压载物储备舱7，矿石卸载区18连接矿石初筛装置工作区6。

在矿车水上作业区8和矿车水下作业区11两区域，通过适当控制每个矿车加载的矿石或者压载物重量，使得矿车上升工作区的矿车在海水中的浮力略大于其总重力，因而自然上升；而矿车下降工作区的矿车在海水中的总重力略大于其浮力，因而自然下降；从而该提升装置在浮力重力差的作用下可自动地连续转动，实现海底矿石的连续提升。浮力重力差垂直提升装置2工作时，首先在矿车水上作业区8，空载矿车15通过压载物装载区17时，矿车15中被添加压载物19，通过水面辅助船1左侧滑轮12后，到达矿车下降工作区9后竖向下降，到达海床左侧滑轮12后，进入矿车水下作业区11，经由压载物卸载区3后，矿车15中的压载物19被卸载，经由矿石装载区4时被装载矿石20，其运动至海床右侧滑轮12后，进入矿车上升工作区10，矿车被逐步提升至水面采矿辅助船1，通过矿石卸载区 18时，矿车15中的矿石20被卸载，空载矿车15到压载物装载区17时，矿车15中被添加压载物19，进入循环。

本实用新型提供一种适用于深海大水深矿区的海底采矿系统，是一种新型的采用无泵式垂直提升系统的深海采矿系统；该系统成本低、耗能小、噪音低、结构简单、设计方便。解决了海底采矿广泛使用的泵式提升系统在大水深采矿作业中的低效率、高成本、高耗能、高噪音和大扬尘的问题；其垂直提升系统结构简单、成本低、布放流程方便、运输效率高，对海洋环境污染小，适用于深海各种水深区域采矿作业；该系统不依赖于高能动力设备，节能环保；所采用的压载物多样环保，降低了深海采矿作业的成本。

需要说明的是，本实用新型的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本实用新型的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本实用新型的保护范围。此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本实用新型的具体实施例。显然本实用新型不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本实用新型公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于浮力重力差垂直提升装置的节能深海采矿系统，其特征在于：包括水面采矿辅助船、浮力重力差垂直提升装置、矿石装载作业区、矿石卸载作业区、压载物装载作业区、压载物卸载作业区和海底支撑基础；

其中，水面采矿辅助船搭载浮力重力差垂直提升装置，在水面采矿辅助船内包括设有矿石卸载作业区、压载物装载作业区、矿石初筛装置工作区和压载物储备舱，在海床的上方设有矿石装载作业区和压载物卸载作业区。

2.根据权利要求1所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述浮力重力差垂直提升装置包括一组由钢缆组成的闭环系统，在钢缆上固定搭载多个设有浮力材料块的矿车；当矿车空载时，每个矿车在海水中的总浮力大于其重力。

3.根据权利要求2所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述闭环系统呈“口”字型，在“口”字型的四个角上设有滑轮，其中两只为支撑滑轮，设在所述水面采矿辅助船上；另外两只为固定滑轮，设在海床上，所述钢缆通过两只支撑滑轮和两只固定滑轮。

4.根据权利要求3所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述闭环系统的一侧为矿车下降工作区，另一侧为矿车上升工作区。

5.根据权利要求4所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述闭环系统的顶部设有矿车水上作业区，其底部设有矿车水下作业区；

矿车水上作业区设在两个所述的支撑滑轮之间，由矿石卸载区和压载物装载区组成；

矿车水下作业区设在两个所述的固定滑轮之间，由压载物卸载区和矿石装载区组成。

6.根据权利要求5所述的节能深海采矿系统，其特征在于：在所述矿车水上作业区和所述矿车水下作业区内，控制每个所述矿车中加载的矿石或压载物的重量；其中，

所述矿车上升工作区的所述矿车在海水中的浮力大于其总重力，所述矿车自然上升；所述矿车下降工作区的所述矿车在海水中的总重力大于其浮力，所述矿车自然下降；所述闭环系统在浮力重力差的作用下连续转动，实现海底矿石的连续运送。

7.根据权利要求6所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述矿车水上作业区包含所述压载物装载区和所述矿石卸载区；所述矿车出水面后，先在所述矿石卸载区释放矿石，然后通过所述压载物装载区时添加压载物，进而通过所述支撑滑轮后到达所述矿车下降工作区。

8.根据权利要求7所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述矿石初筛装置工作区与所述矿石卸载区相连，所述矿石初筛装置工作区中产生的初级矿渣可制作成压载物，初筛后的矿石通过运输船运走；所述压载物储备舱储备各类压载物，并与所述压载物装载区相连。

9.根据权利要求6-8中任一所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述矿车水下作业区包含所述压载物卸载区和所述矿石装载区：所述矿车抵达海底后，先在所述压载物卸载区释放压载物，然后在所述矿石装载区添加矿石，所述矿石装载区为矿石储放区域，通过所述矿车收集来自采矿区的矿石。

10.根据权利要求9所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述矿车下降工作区的每个所述矿车含有压载物，其水中总重力大于浮力，所述矿车自然下降；当所述矿车接近海底时，通过所述固定滑轮到达所述矿车水下作业区。

11.根据权利要求10所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所有矿车为钢制箱型装置，所述矿车以相同或不同间距固定在所述钢缆上。

12.根据权利要求11所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述浮力材料块为高强度低密度的耐压材料，为所述矿车提供净浮力，当空载时每个所述矿车在海水中的总浮力大于其重力，总浮力和重力的两者之差越大，每个所述矿车在海底能装载的矿石愈多。

13.根据权利要求12所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述压载物是矿石处理后的矿渣，或者陆地石块，或者通过环保论证的海底填埋物；

当卸载到海底的所述压载物可进行填埋处理。

14.根据权利要求13所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述钢缆为复线钢缆，包含一条或多条所述钢缆，所述钢缆之间设置矿车搭载结构，所述矿车通过搭载结构固定在所述钢缆上，矿车搭载结构位于所述闭环系统的外侧。

15.根据权利要求14所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述钢缆通过水面辅助船和所述固定滑轮后呈张紧状态。

16.根据权利要求15所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述固定滑轮通过所述海底支撑基础安装在所述海床上进行固定，所述海底支撑基础为桩基础或导管架基础；根据所述的矿车水下作业区的跨度设置多个所述海底支撑基础及所述固定滑轮来保证该区域工作的稳定性。

17.根据权利要求16所述的节能深海采矿系统，其特征在于：所述水面采矿辅助船上设置所述浮力重力差垂直提升装置与动力系统及控制系统相联，用以控制所述钢缆和所述矿车的运动速度。

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