TWI521134B - 用於海底採礦工具的吸嘴 - Google Patents

Description

用於海底採礦工具的吸嘴

本發明係關於一種用於海底採礦工具的吸嘴，該海底採礦工具經設計以對海床上之沈積層進行採礦。

在WO 2010/000289中，提供一種用於採礦及處理海床沈積物之方法及裝置。該裝置由用於橫越海床行進之覆帶式載具組成，該覆帶式載具攪亂沈積物。載具包括吸入系統，該吸入系統用以回收攪亂之沈積物。本發明描述一種用於該採礦工具之吸入系統的吸嘴。

US 4,232,903描述一種用於開採錳團塊之海洋採礦系統。海底採礦載具由阿基米德螺旋抽水機(Archimedes screws)推進。載具使用礦叉及輸送機系統拾取團塊，該等團塊接著經沖洗、壓碎且經由升流管傳遞至水面船隻。

已知挖泥操作之各種挖掘工具用於開採諸如，砂、淤泥或礫石之材料。通常，此類材料用耙頭回收，該耙頭安裝於耙吸式挖泥船(trailing suction hopper dredger)上。順著拉動耙頭且自挖泥船後面吸取材料。此情況適合用於相對淺的水深及沈積層能夠支撐挖泥船之重量之處。對於較軟沈積層而言，需要安裝在載具前方之吸嘴，以使得吸嘴可向前推入沈積層中。此舉藉由使用之推進系統限制攪亂沈積物。

本發明旨在提供一種新吸嘴，該吸嘴用以輔助回收較軟材料，諸如，腐泥及球石(cocolith)，對於較軟材料，使用耙頭是不合適的。吸嘴已經設計以提供對來自海床之多層沈積物的有效提取，該等多層沈積物相對薄但大面積延伸。在某些區域中，存在各種沈積物，該等沈積物之水含量、流動性、密度及在鄰近區域中攪亂與吸入後保持一定形狀的能力彼此不同。舉例而言，可能存在非常不穩定之球石層以及腐泥層與礦物泥層。為回收這些層，攪亂沈積物、混合沈積物與海水以提供淤漿及吸入淤漿是必要的，該淤漿由腐泥、球石及大約10%礦物泥組成。

本發明提供一種安裝於海底採礦工具之前方且待推入沈積物中之吸嘴，該吸嘴包含中空主體，該中空主體具有入口開口及出口開口，其中該主體自入口開口朝向出口開口收斂，入口開口具有下唇及上唇，且其中上唇包含伸出部分，該伸出部分相對於下唇向前且向上地伸出，以在入口開口上方形成頂篷。

當吸嘴推至載具之前面時，吸嘴之此配置非常適合回收較軟材料。超出下唇之上唇的突出部減少嘴掘入海床之趨勢，而伸出之上唇提供用於迅速存取自由水以輔助淤漿之形成。

吸嘴較佳地進一步包含複數個導板，該複數個導板橫越入口開口之寬度間隔且自上唇伸出部分向下地伸出至下唇。在使用中，該等導板幫助吸嘴移動穿過海床且越 過障礙物，且該等導板充當粗濾器以防止大件物體進入嘴。導板在朝向出口之方向上可具有非常小的尺寸，以使得該等導板幾乎與棒材一樣。然而，較佳地，導板朝向出口開口延伸至少超過下唇。

滑塊可形成於下唇之底面上。此舉分散吸嘴之重量且幫助減少下唇掘入表面之趨勢。

在一個實例中，入口開口為矩形的。或者，入口開口可為梯形的，該入口開口自下唇朝向上唇變窄。此舉改良回收沈積物之效率。

較佳地，吸嘴進一步包含在主體上入口開口之下游的閥，該閥可操作以選擇性地提供進入主體之另一個入口開口。以此方式，可調節吸入之材料的稠度。

吸嘴亦可包含一或更多個噴嘴，該一或更多個噴嘴用於提供流體噴射，該等流體噴射幫助打碎沈積物及使沈積物淤漿化。一或更多個噴嘴可位於上唇伸出部分上及/或位於下唇上。

在一個實例中，入口開口具有10 m之最大寬度及0.35 m之最大高度。當吸嘴意在用於具有約1.5 m厚之沈積層的位置時，該等尺寸是特別適合的。

本發明亦提供一種海底採礦工具，該海底採礦工具包含海底載具，該海底載具包括如上所述之吸嘴，該吸嘴安裝於載具之前方。

較佳地，吸嘴樞轉地連接至載具，且採礦工具可進一步包含構件，該構件用以調整吸嘴相對於載具之位置。 此調整構件可為一或多個液壓缸。

吸嘴之出口開口可藉由撓性管連接至載具上之吸入系統。

有利地，海底採礦工具可進一步包含偵測系統，該偵測系統用於偵測待採礦之不同沈積層、偵測障礙物及監視工具之路徑。

偵測系統可包含安裝於框架上之至少一個感測器，該至少一個感測器在吸嘴之上方及前方延伸，同時該感測器或每一感測器經設置以向下地面向沈積物。

偵測系統較佳地進一步包含至少一個感測器，該至少一個感測器經設置以向前地面向用於路徑及障礙物偵測之該工具的行進方向。

第1圖至第6圖中圖示根據本發明之一個實施例，與海底採礦工具一起使用之吸嘴10。吸嘴10意欲安裝於海底載具前方，以使得在使用中，吸嘴10可向前推入沈積層中且以水平吸入來吸入沈積物。此舉被認為是比垂直地吸入材料更有效的。

吸嘴10由中空主體12組成，該中空主體12通常為扁平錐體的形式。因此，在平視圖中，吸嘴10通常為三角形的，以提供前方的寬入口開口14至後方的窄出口開口16之收斂。最佳地如第3a圖中所見，彎曲主體12，以使得入口開口14與出口開口16彼此不處於同一位準。 在使用中，入口開口14在最低處，且出口開口在最高處。

出口開口16連接至吸管18。在使用中，沈積物被吸入入口開口14中、向上穿過中空主體12且穿出出口開口16進入吸管18中。出口開口16較佳地為圓形的，以便連接至形成吸管18的管路。

如第2圖中自前方看，入口開口14可為寬、淺的矩形形狀。然而，更佳地，入口開口14為寬、淺的梯形形狀，該入口開口14沿自身下唇20為最寬且朝向上唇22稍微變窄。

上唇22具有伸出部分22a，該伸出部分22a自入口開口14向前且向上地伸出以在入口開口14上方及前方形成擴口頂篷。此舉將沈積物引向入口開口14，以及自沈積物上方吸入水以輔助淤漿形成。一系列板或肋24自上唇伸出部分22a之面向下之表面伸出。該等板或肋24加固上唇伸出部分22a，且，當吸嘴10移動橫越海床時，該等板或肋24用作導板，如以下進一步論述。

導板24向下延伸以延伸穿過入口開口14，從而形成穿過開口之障礙物以防止較大物件進入吸嘴10。

吸嘴10之尺寸將取決於待回收之沈積物之性質。在典型實例中，對於具有深度介於約0.4 m與1.5 m之間的沈積層而言，用於吸嘴10之可行尺寸如下且如第1圖與第5圖中所示：吸嘴寬度：10 m

吸嘴高度：1.7 m(至上唇伸出部分22a之自由邊)

入口開口高度：0.3 m(自下唇垂直向上至嘴之頂面之尺寸)

出口開口直徑：0.95 m

上唇伸出部分相對於水平面之角度：50°

吸嘴從前至後之長度：5 m

導板間隔：0.3 m

應瞭解，該等尺寸不為限制，而是僅僅展示一個可能的實例。

吸嘴10可由焊接軟鋼形成。外部加強肋25可焊接至吸嘴10以加固吸嘴10且避免負壓所致的內爆。

最佳如第6圖中所見，用於提供水噴射之噴嘴26可提供在吸嘴10之上唇伸出部分22a及/或下唇20上。噴嘴26將水噴射引向沈積物以幫助打碎沈積物且將沈積物混合成淤漿。

滑塊28可提供在下唇20之底面上。當運載吸嘴10之載具行進時，此舉提供光滑表面以越過海床。滑塊28分散吸嘴10之重量以避免下唇20掘入表面。滑塊28之角度可(例如)藉由液壓缸調整。

在滑塊28之後面，可提供一或更多個閥30，以允許自由水進入吸嘴10。以此方式，淤漿之稠度可調節並最佳化以便吸入系統有效的工作。亦可提供真空洩壓閥，以防吸嘴10被阻塞且在下游形成真空。

如第9圖中所示，在使用中，吸嘴10可安裝在海底採礦工具之前方，該海底採礦工具為具有動力構件(例如， 覆帶車或阿基米德螺旋抽水機)33之載具32(示意性地圖示)之形式，該動力構件允許載具32橫越海床行進。吸嘴10較佳地藉由兩個樞轉臂自載具32懸置以允許相對運動，該等樞轉臂以鉸鏈連接方式連接至載具。吸嘴10之出口開口16連接至載具32上之吸管18。較佳地，吸管18為允許吸嘴10相對於載具32之某種自由運動的撓性軟管。撓性軟管可具有鋼支撐環，且可提供壓蓋19以允許吸嘴10軸向地轉動以在操作期間跟隨沈積物。

例如，可藉由液壓缸34提供用於吸嘴10之主動高度調整。一旦吸嘴10停留在海床上，液壓缸34可液壓釋放，且吸嘴10將被動地設定自身高度，從而將吸嘴10的重量運載於滑塊28上。

為控制載具32且決定用於主動高度調整之最佳高度，載具32提供有實時偵測系統。該實時偵測系統採取若干感測器之形式，該等感測器安裝於載具前方之收放式框架上。感測器針對多個目標(即，偵測表面下方及載具之直接周圍環境中之待避讓的物體)掃描載具前方的土壤，以確保遵循正確的路徑且決定沈積物之深度以反饋至吸嘴之高度調整。

第9圖至第11圖圖示偵測系統54之實例，第10圖及第11圖僅為示意性形式的。收放式框架56向前延伸且在吸嘴10上方延伸。在此實例中，六個俯視感測器58及六個前視感測器60安裝於框架56上。兩端處之俯視感測器58具有較窄之波束角62，例如大約15°，而在兩 端處之俯視感測器58之間的四個感測器58具有較寬波束角64，例如大約39°。感測器58安裝於海床上方約3米處，以確保感測器58獲得對橫越吸嘴10之整個寬度之全覆蓋。感測器58亦位於吸嘴10之上唇伸出部分22a之前方約3.2米處，以提供吸嘴10之金屬與寬內波束64之波束涵蓋面之間的約2米的間隙，從而確保自載具自身之吸嘴10不獲取信號。該等尺寸僅為示例性的而非限制性的。

俯視感測器58可使用低頻掃描來產生淤漿層之底部的特徵曲線。此舉產生隨載具32前方之深度的土壤原位密度變化圖。該等隨深度之密度變化決定層之間(例如，待提取之腐泥層與未提取之礦物泥層之間)的轉移。由感測器58產生之圖圖示可被挖掘之土壤高度，且此圖決定吸嘴位置及載具速度。舉例來說，嘴在待提取之材料的薄區域處升起，以便僅提取感興趣之層，且嘴之速度提高，以便以更少時間收穫此較薄層。

六個前視感測器60監視載具32之路徑，以確保該路徑平行且靠近先前通路，及偵測海床上之大障礙物。

用於密度偵測之俯視感測器58可為以下類型中之一種類型：(i)伽馬傳輸式感測器，該等伽馬傳輸式感測器通常以藉由信源與偵測器之間的媒介的伽馬輻射之吸收為基礎；(ii)超音波聲音反射感測器，該等超音波聲音反射感 測器記錄由媒介與感測器之間的聲阻抗之差異引起的信號反射；(iii)淺地層剖面儀，該等淺地層剖面儀放置於距離海床一定距離(通常為幾米)處且記錄由海床之密度差異引起的信號反射；及(iv)光學回散射感測器，該等光學回散射感測器通常以非常低之密度範圍(大約g/m³)工作，諸如，濁度感測器。

用於載具路徑及障礙物成像之前視感測器60可為以下類型中之一種類型：(i)視訊成像感測器，該等視訊成像感測器使用具有光譜之光源，該光譜與偵測器(例如，CCD)之感光光譜匹配；及(ii)螢光式感測器，該等螢光式感測器使用具有在偵測器之感光窗之外的波長的光源，且，儘管僅用於螢光材料，但該等螢光式感測器可具有比標準照明高得多之信號雜訊比。

吸管18自身連接至安裝於載具32上之其他管路，該管路通向升流管系統36以將淤漿傳送至表面，如WO 2010/000289中所揭示。例如，藉由具有電動馬達之離心式抽泥泵提供吸力。申請人之共同未決申請(代理人之參考號：P113711GB00)中可找到關於垂直傳輸系統之進一步細節，該垂直傳輸系統用於將淤漿傳輸至表面。此外，申請人之共同未決申請(代理人之參考號： P113707GB00)描述採礦模型，該採礦模型可由載具32採用。

當載具32向前行進時，吸嘴10向前推進，同時滑塊28允許吸嘴10沿海床平穩地滑動。當載具32移動時，沈積層被有效地推入吸嘴10中。上唇伸出部分22a易於將沈積物及自由水轉移且引向入口開口14。導板24幫助打碎沈積物且易於向上推進吸嘴10，以使得吸嘴10越過任何大障礙物40(諸如較重泥塊或岩石)，該等障礙物不能打碎且不能或不應進入吸入系統。在吸嘴10之重量的情況下，較小的重物可藉由滑塊28簡單地推入載具32之下的軟泥中。

泵及適當管路42向噴嘴26提供水以形成水噴射。該管路亦包括撓性連接件44，以允許安裝於吸嘴10上之部分與安裝於載具32上之部分之間的相對運動。由噴嘴26提供之水噴射施加沖蝕力以鬆釋及混合沈積物與自由水，以便淤漿化沈積物且允許沈積物由吸嘴10吸入。

由於吸嘴10之有限寬度，故在區域中之沈積物回收通常藉由進行一系列海底載具32之平行橫貫來完成，從而形成穿過沈積層48之一系列通路46。對於最佳吸入有效性而言，吸嘴10以超過吸嘴10之全寬的標稱厚度吸入沈積層48是很重要的。若鄰近通路46(該通路46已被橫貫)之吸嘴10的側面未被沈積物全部覆蓋，且因而大量水容納於吸嘴10之該部分中，則此舉可能被禁止。因此，通路46之間留有沈積物之脊50(如第7圖中所示) 時是較佳的。

然而，隨著脊50之寬度的增加，沈積物之回收效率迅速下降。因此，為改良效率，吸嘴10之入口開口14較佳地為上文提及之寬、淺梯形形狀。如第8a至第8d圖中所圖示，隨著吸嘴10穿過沈積層48，吸嘴10在每一側留下具有突出部分52之無障礙通路46，最佳如第8b圖中所見。該等突出部分52將易於崩塌至無障礙通路46中，如第8c圖。所得形狀與入口開口14之邊緣處之形狀大致匹配，以使得在下一通道中，如第8d圖中所圖示，材料之崩塌部分可納入入口開口14中以避免在鄰近通路46之間留下材料脊50。因此，最大化沈積物之回收。

10‧‧‧吸嘴

12‧‧‧中空主體

14‧‧‧入口開口

16‧‧‧出口開口

18‧‧‧吸管

19‧‧‧壓蓋

20‧‧‧下唇

22‧‧‧上唇

22a‧‧‧伸出部分

24‧‧‧板/肋

25‧‧‧外部加強肋

26‧‧‧噴嘴

28‧‧‧滑塊

30‧‧‧閥

32‧‧‧載具

34‧‧‧液壓缸

33‧‧‧動力構件

36‧‧‧升流管系統

40‧‧‧障礙物

42‧‧‧管路

44‧‧‧撓性連接件

46‧‧‧通路

48‧‧‧沈積層

50‧‧‧脊

52‧‧‧突出部分

54‧‧‧偵測系統

56‧‧‧框架

58‧‧‧俯視感測器

60‧‧‧前視感測器

62‧‧‧波束角

64‧‧‧波束角

現將藉由實例僅參考附隨圖式來詳細描述本發明，其中：第1圖為根據本發明之一個實施例之吸嘴的平視圖；第2圖為圖1之吸嘴之前視圖；第3a圖至第3d圖為分別沿線A-A、線B-B、線C-C及線D-D之第1圖及第2圖之剖視圖；第4圖為第1圖之吸嘴之前方透視圖；第5圖為圖4之吸嘴之側視中剖面圖；第6圖為吸嘴之示意性截面側視圖；第7圖圖示當吸嘴之一個實施例穿過沈積層時，該沈積層之示意性截面圖； 第8a圖至第8d圖圖示當吸嘴之另一實施例穿過沈積層時，該沈積層之示意性截面圖；第9圖為海底採礦工具之透視圖，其中吸嘴安裝於該海底採礦工具上；第10圖為部分海底採礦載具之示意性前視圖，其中偵測系統之部分安裝於該海底採礦載具上；及第11圖為第9圖之示意性平視圖。

10‧‧‧吸嘴

12‧‧‧中空主體

18‧‧‧吸管

22a‧‧‧伸出部分

24‧‧‧板/肋

25‧‧‧外部加強肋

34‧‧‧液壓缸

Claims (17)

1. 一種安裝於一海底採礦工具之前方且待推入沈積物中之吸嘴，該吸嘴包含一中空主體，該中空主體具有一入口開口及一出口開口，其中該主體自該入口開口朝向該出口開口收斂，該入口開口具有一下唇及一上唇，且其中該上唇包含一伸出部分，該伸出部分相對於該下唇向前且向上地伸出，以在該入口開口上方形成一頂篷，其中該吸嘴進一步包含：一閥，該閥位於該主體上該入口開口之下游，該閥可操作以選擇性地提供進入該主體之另一個入口開口。
2. 如請求項1所述之吸嘴，該吸嘴進一步包含複數個導板，該複數個導板橫越該入口開口之寬度隔開且自該上唇伸出部分向下地伸出至該下唇。
3. 如請求項1或請求項2所述之吸嘴，該吸嘴進一步包含一滑塊，該滑塊形成於該下唇之底面上。
4. 如請求項1或請求項2所述之吸嘴，其中該入口開口為矩形的。
5. 如請求項1或請求項2所述之吸嘴，其中該入口開口為梯形的，從而自該下唇朝向該上唇變窄。
6. 如請求項1或請求項2所述之吸嘴，該吸嘴進一步包含一或多個噴嘴，該一或多個噴嘴用於提供流體噴射。
7. 如請求項6所述之吸嘴，其中一或多個噴嘴位於該上唇伸出部分上。
8. 如請求項6所述之吸嘴，其中一或多個噴嘴位於該下唇上。
9. 如請求項1或請求項2所述之吸嘴，其中該入口開口具有一10m之最大寬度及一0.35m之最大高度。
10. 一種海底採礦工具，該海底採礦工具包含一海底載具，該海底載具包括如請求項1至9中任一項所述的一吸嘴，該吸嘴安裝在該載具的前方。
11. 如請求項10所述之海底採礦工具，其中該吸嘴樞轉地連接至該載具。
12. 如請求項11所述之海底採礦工具，該海底採礦工具進一步包含構件，該構件用以調整該吸嘴相對於該載具之位置。
13. 如請求項12所述之海底採礦工具，其中用以調整該吸嘴相對於該載具之該位置的該構件包含一或多個液壓缸。
14. 如請求項10至13中任一項所述之海底採礦工具，其中該吸嘴之該出口開口藉由一撓性管連接至該載具上之一吸入系統。
15. 如請求項10至13中任一項所述之海底採礦工具，該海底採礦工具進一步包含一偵測系統，該偵測系統用於偵測待採礦之不同沈積層、偵測障礙物及監視該工具之路徑。
16. 如請求項15所述之海底採礦工具，其中該偵測系統包含安裝於一框架上之至少一個感測器，該至少一個感測 器在該吸嘴之上方及前方延伸，該感測器或每一感測器經設置以向下地面向該沈積物。
17. 如請求項15所述之海底採礦工具，該海底採礦工具進一步包含至少一個感測器，該至少一個感測器經設置以向前地面向用於路徑及障礙物偵測之該工具的行進方向。