[发明专利]水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法

说明书

本发明公开了一种水力式海底多金属结核矿石采集机构，包括安装于海底采矿驱动装备顶部的蓄矿料仓，蓄矿料仓顶部设置有高压蓄水容器，高压蓄水容器前端连通有一顺时针放倒的L型刚性输水弯道，刚性输水弯道末端沿其宽度方向设置有多个高压射流喷嘴；海底采矿驱动装备前端设置有向前下方延伸的弧形导流板，导流板末端通过扰动滚轮驱动连杆连接土层扰动轮，土层扰动轮通过转动装置与海底采矿驱动装备的动力机构相连；刚性输水弯道和土层扰动轮的宽度均接近于蓄矿料仓的宽度。本发明还公开了利用该机构的采集方法，其充分考虑到多金属结核赋存条件的特殊性，充分利用海底富水环境，有效率高、环境扰动小、集矿密度大和工作稳定可靠、耗能小。

技术领域

本发明涉及一种海底采矿设备，尤其是一种水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法。

背景技术

随着我国机械、建筑、航天等领域的发展，我国钴、铜、镍等战略金属资源的需求量日益增长。由于陆地资源的不断枯竭，位于深海的矿产资源逐步走入了人们的视野，经深海探测表明，海底有丰富的多金属结核、多金属硫化物以及富钴结壳等固体矿石资源，这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属，总储存量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍，这些资源都具有极大的商业开采价值，因此开发深海资源是发展壮大我国各领域的必要支撑。

多金属结核赋存于水深数千米深的海底土层，所在的海洋环境极其特殊，主要表现为海底压力极高、海底沉积的土层底质十分稀软、剪切强度极差；其次，结核矿石赋存在海底表层或次表层稀软沉积物上，粒径大小不一、埋深程度不同；因此矿产资源的开发必须依赖海底采矿的装备及技术。

首先，目前国际最有商业前景、最普遍的深海多金属结核开采技术，主要利用海底集矿车蓄集矿石，再利用海底输送技术将矿石提升到海面的采矿船上，整个采集系统中将赋存环境极为特殊的多金属结核采集起来是需要重点突破的领域。基于对海底沉积土层环境及多金属结核矿物研究，目前主要存在两种集矿装备，一种是机械式，即运用采矿戽斗，开采时矿车的牵引机带动绳索， 使戽斗不断地在海底拖过，挖取多金属结核至集矿车料仓内并提升到船上。另一种是水力式，即利用喷嘴高速射流剥离矿石，并使大量矿石和部分沉积物悬浮，进而利用水力的抽吸作用裹挟矿石通过输送通道至蓄矿料仓内。上述两种方式均进行过海上试验，从原理上均可实现采集。

现有技术下，机械式集矿装备存在若干缺点，一方面，由于多金属结核矿物粒径大小不均，受现有装备的限制，造成开采效率极低；另一方面，受到深海海底地形环境复杂、动力不足的限制，各类机械部件经冲击后易损坏，在深海条件下的维修和更换部件均非常困难。传统水力式采集装备，虽然受深海地形影响较小，但也存在许多不足，水力条件要求苛刻、耗能大、对海底环境扰动大、采集矿石中泥沙含量多等，都成为传统水力式采集的阻碍。

中国专利CN 205679411 U公开了一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统，包括模拟水槽、机架、储矿仓、机械齿式输送带、输送带驱动电机、支撑架、水泵、喷水管、高压水射流喷嘴、连接板和牵引装置，所述的储矿仓固定于机架上，所述的机械齿式输送带通过支撑架安装于机架上并位于整个试验系统前进方向的一端，且机械齿式输送带前端的输送方向为由下至上，所述的连接板一端连接于机械齿式输送带后端的最高处，另一端延伸至储矿仓内以使锰结核矿进入储矿仓中，输送带驱动电机设置于机械齿式输送带上并驱动机械齿式输送带运动，所述的喷水管一端为吸水头，另一端为高压水射流喷嘴，喷水管固定于机械齿式输送带上，高压水射流喷嘴设置于机械齿式输送带前端的最低处，牵引装置设置于模拟水槽上并连接和驱动机架运动，所述的模拟水槽内灌装有盐水，底部铺设有模拟海底沉积物，模拟海底沉积物上放置有模拟多金属结核矿石。该实用新型专利公开了一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统，主要用于室内模拟试验，不能应用于实际深海多金属采集。此外该专利虽能有效提升赋存于海底沉积物中的矿石，但采集过程中需要水泵持续提供高压水流，未能充分利用海底高压水，能耗大幅提升；机械齿式输送带的运转也耗费大量能源。该专利的储矿仓为简单收集装置，高压水射流剥离矿石的过程中会裹挟大量泥沙进入储矿仓，进而导致储矿仓收集效率过低。