深海多金属结核区域富集装备系统及运行方法
阅读说明：本技术 深海多金属结核区域富集装备系统及运行方法 (Deep-sea polymetallic nodule area enrichment equipment system and operation method ) 是由 陈旭光 牛小东 陈力铭 金小栋 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深海多金属结核区域富集装备系统,包括中控集矿机构,中控集矿机构通过悬挂控制机构与电驱式独立采集机构连接,悬挂控制机构设置于电驱式独立采集机构上；当系统处于集矿区域时,悬挂控制机构收紧线缆,使得电驱式独立采集机构提升依附在中控集矿机构的四个顶角,由中控集矿机构控制富集装备系统行走；当系统处于矿产富集区域时,悬挂控制机构放出线缆,电驱式独立采集机构由中控集矿机构的四周向外部行走,按指定采集路径进行区域采集。本发明还公开了该系统的运行方法。本发明能灵活布控采矿区域,进行全方位、多地形、多区域采集,在减小对海洋环境扰动的前提下,极大地提高多金属结核的富集效率,并实现对矿石品质的评估。(The invention discloses a deep sea polymetallic nodule region enrichment equipment system which comprises a central control ore collecting mechanism, wherein the central control ore collecting mechanism is connected with an electrically-driven independent acquisition mechanism through a suspension control mechanism, and the suspension control mechanism is arranged on the electrically-driven independent acquisition mechanism; when the system is in the ore collecting area, the suspension control mechanism tightens the cable, so that the electrically-driven independent collecting mechanism lifts four top corners attached to the central control ore collecting mechanism, and the central control ore collecting mechanism controls the enrichment equipment system to travel; when the system is in a mineral enrichment area, the suspension control mechanism discharges a cable, the electrically-driven independent collection mechanism walks outwards from the periphery of the central control mineral collection mechanism, and area collection is carried out according to a specified collection path. The invention also discloses an operation method of the system. The invention can flexibly control the mining area, carry out all-dimensional, multi-terrain and multi-area acquisition, greatly improve the enrichment efficiency of multi-metal nodules on the premise of reducing disturbance to marine environment, and realize the evaluation of ore quality.)
技术领域
本发明涉及一种深海采矿作业技术，尤其是一种深海多金属结核区域富集装备系统及运行方法。
背景技术
随着世界经济的高速发展，日渐枯竭的陆地矿产资源逐渐无法满足人们的需要，占地球表面积71％的海洋资源越来越受到各国的重视。海洋中蕴含着丰富的矿产资源和生物资源，海底主要的矿产资源主要有多金属硫化物、多金属结核和富钴结壳。其中，多金属结核含有锰、铜、镍和钴等76种金属元素，多赋存于水深3000-6000m深的海底，且仅赋存于海底0-25cm表层稀软土中，开采环境恶劣，其大多呈面式分散分布，面富集程度约6-10 kg/m2，赋存土体抗剪强度低（0-6kPa），承载能力差，且极易受到扰动。
然而，目前的开采方式存在诸多问题：由于海底环境的特殊性和复杂性，目前的海底采矿车形式和集矿方式对地形适应能力和越障能力较差，不利于多区域、多地形开展采矿工作，极大地提高了采集多金属结核的难度，使得多金属结核富集效率低下；不科学的路径规划和区域划分，导致采矿车工作时对海底土体环境造成较大扰动，形成的羽状流会对海洋生态环境造成污染破坏；对矿区多金属结核的分布情况、覆盖率、粒径、品质等评估不完全不利于采矿工作进一步开展。因此，合理规划采集路径和开采方式，提高多金属结核富集效率，提高海底采矿车对地形的适应能力，采取一种多地形、多区域条件下的采集方式，并实现对矿区多金属结核的有效评估，同时尽可能地减小对深海土体的扰动，保护海底矿区生态平衡，提高海底矿产资源采集效率成为亟待解决的难题。
中国专利申请CN 111577288 A公开了一种深海多金属结核近底拖曳采矿系统及方法，本系统包括水面支持船舶、水下近底采矿平台、海底采集系统；水面支持船舶上的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；本方法为：由水下近底采矿平台将高压水送到海底采集系统内，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。
中国专利申请CN109973096 A公开了一种深海多金属结核矿采矿作业系统，提矿立管系统包括提矿立管和泥浆泵；提矿立管的顶端和采矿平台连接，提矿立管的底端通过万向节和坐底式矿物接驳处理中心相连；坐底式矿物接驳处理中心内部设置有多自由度平台，多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，废料库出口和新料库入口处的上输送带和下输送带的端部通过采矿机器人相衔接；多自由度平台的正下方相对应设置有多个扇形采矿区域，采矿机器人在扇形采矿区域内运行作业。
中国专利申请CN 113047841 A公开一种多金属结核非连续链斗式深海采矿系统，所述采矿系统包括：水上作业单元，所述水上作业单元包括相配合设置的作业母船、动力平台和带多个链轮的运输船；水下提升链斗单元，所述水下提升链斗单元包括设置在运输船链轮上的链式绳缆，在链式绳缆上设有链斗和传感器，以监测链式绳缆的受力情况，在链式绳缆的底部还设有海底支撑；海底操作单元，所述海底操作单元包括设置在海底的多个采矿车；电气控制单元，所述电气控制单元包括充电桩和控制器，在控制器内设有监测单元和通信单元，所述监测单元集成于充电桩，所述通信单元集成于充电桩，所述通信单元包括水声通信和光电复合缆，所述充电桩与采矿车电气连接。
中国专利申请CN 105840197 A公开了一种CN 105840197 A深海多金属结核的开采系统，其包括集矿子系统、扬矿子系统以及对所述集矿子系统进行操作控制的控制系统，其中，所述集矿子系统包括海底采矿机器人、脐带缆和储矿槽，所述扬矿子系统包括潜污泵、扬矿软管、开采平台以及位于开采平台上的至少一台分离器，所述扬矿软管的两端分别与所述集矿子系统和所述潜污泵相连，所述潜污泵通过管道与所述分离器的液相出口相连；其中，所述潜污泵位于水深160-300米处。
上述专利申请没有设计采矿头的样式、功能方面的详细设计，仅仅是提到矿车是具有采矿功能的集矿装置，对于矿区的形状没有适应性，无法提高集矿效率，降低漏采率。对于矿区的生态保护方面并未提及，这种链斗式集矿系统对于底质的扰动十分巨大，严重时会形成凹陷，影响矿车行走，同时最重要的是会形成大面积的羽状流，这会引起海底生物的大量死亡，严重时会引起物种灭绝。
发明内容
本发明的目的是解决海底采矿车适应地形能力差，导致对深海多金属结核的富集效率低下、环境扰动大、品质评估不完全等问题，提供一种深海多金属结核区域富集装备系统及运行方法，该装备体系能灵活布控采矿区域，进行全方位、多地形、多区域采集，在减小对海洋环境扰动的前提下，极大地提高多金属结核的富集效率，并实现对矿石品质的评估。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种深海多金属结核区域富集装备系统，包括中控集矿机构和电驱式独立采矿机构。中控集矿机构通过悬挂控制机构与电驱式独立采集机构连接，悬挂控制机构设置于电驱式独立采集机构上；当所述系统处于集矿区域时，悬挂控制机构收紧线缆，使得电驱式独立采集机构提升依附在中控集矿机构的四个顶角，由中控集矿机构控制富集装备系统行走，同时四个电驱式独立采矿机构的行驶速度通过自身的速度控制器与中控集矿机构的行驶速度相适配；当所述系统处于矿产富集区域时，悬挂控制机构放出线缆，电驱式独立采集机构接收到行走指令由中控集矿机构的四周向外部行走，按指定采集路径进行区域采集。
所述中控集矿机构为具有外罩的行走履带装置，其内部分别设置有中控系统、耐高压电机驱动系统、总集矿仓和输矿系统，所述中控系统具有通讯、导航、总控功能，用于实现与科考船的通讯及富集装备整体的导航定位，既可通过液压装置控制所述中控集矿机构主体的履带升降、底盘高度，又可以通过水下信号传输装置控制所述各电驱式集矿装备的行走方位、路线和车体速度。
所述耐高压电机驱动系统由耐压壳体保护，负责提供所述富集装备所需动力。耐高压电机驱动系统构造和功能与平常履带车中的电机驱动系统无异。
所述总集矿仓可分区储藏采集到的矿物。
输矿系统由总输矿管和分输矿管组成：所述分输矿管设置有连接口，可接收来自各电驱式独立采集机构采集的多金属结核矿，最终汇集至总集矿仓；所述总输矿管的作用是将总集矿仓中的矿物向上传输至水面科考船，总输矿管中的结核矿提升装置与正常设计的提升装置无异。
所述的电驱式独立采集机构由四个框架式矿车构成，每一个框架式矿车上部为透空式框架车体，下部为行走履带装置。行走履带装置由每个框架式矿车配置的耐高压电机驱动机构控制其行走、转向。在上部框架四角设置有平行线缆及相应的线缆控制器，控制线缆的收缩。
所述电驱式独立采集机构的内部主体结构为线缆铲斗式分层筛网集矿头，顶部安装有电机驱动机构用以控制集矿头沿着线缆移动，并且控制集矿头上的横向振动装置产生轻微低频的横向振动。集矿头中设置有储矿槽用于临时储存采集到的矿石。
所述线缆铲斗式分层筛网集矿头通过平行线缆及线缆控制器悬挂于所述框架式车体内部，其中，所述线缆控制器起到对所述线缆铲斗式分层筛网集矿头的升降、移动及倾角控制。所述线缆铲斗式分层筛网集矿头类似于铲斗构造，其前端为锋利铲齿结构，其中部为多层筛网结构，顶部为横向振动装置。
在所述多层筛网结构中设置有三层筛孔，每层筛网孔径由上而下一次减小，孔径的变化范围需要多金属结核矿的最大粒径和最小粒径进行调整设计，根据《深海固体矿产资源开发》中所提及的多金属结核粒径分布数据，第一层筛网的孔径大小为75mm，第二层筛网孔径为55mm,第三层筛网的孔径为30mm。
所述横向振动装置受电机驱动机构控制，可使所述线缆铲斗式分层筛网集矿头在框架式车体的横向方向上进行低频振动，将多金属结核从稀软海床底质中采集并完成洗矿工作。在高效筛分采集多金属结核的同时减小对海底环境的扰动，最大程度减小羽状流的产生。所述线缆铲斗式分层筛网集矿头不仅起到分离多金属结核与稀软海底土的作用，而且对采集到的矿石粒径进行了进一步筛分和清洗，有效把控矿石的品质。
所述的悬挂控制机构样式为钢结构，其中设置有电动磁吸控制装置和线缆收放控制装置。电动磁吸控制装置与电驱式独立采集机构上的悬挂装置中的磁吸装置相互配合，控制着中控集矿机构与电驱式独立采集机构的固定与分离。线缆收放控制装置中配置耐压电机与线缆卷线器，控制着线缆的收缩与伸长以控制四个框架式矿车的释放与回收。线缆的收放速度与所述框架式矿车的移动速度相适应，目的是使所述线缆铲斗式分层筛网集矿头与所述框架式矿车同步移动，并实现对所述框架式矿车的轨迹控制。
本发明还提供一种深海多金属结核区域富集装备系统的运行方法，包括如下步骤：
中控集矿机构接收水下中继站的行走指令，在中控集矿机构内部的耐高压电机驱动系统的驱动下，行驶到富藏多金属结核的区域；此过程中，四个框架式矿车悬挂依附在中控集矿机构四个顶角；
到达指定区域后，悬挂控制机构首先将四个框架式矿车下放到海床，并释放框架式矿车尾部的悬挂连接装置与中控集矿机构的连接，悬挂控制机构控制线缆的伸长，使得四个框架式矿车沿中控集矿机构对角线方向向外缘行走，针对不同区域调节不同的布控形状，直至四个框架式矿车到达此轮采集区域最外缘的指定初始位置；
多金属结核的采集工作开始后，将利用线缆铲斗式分层筛网集矿头进行集矿、洗矿并筛分，将多金属结核矿石与裹挟在上面的沉积物进行初步分离、清洗，并对多金属结核矿石的粒径进行筛分，筛分好的不同粒径的矿石将暂时储存在所述储矿槽，通过分输矿管分批次输送到中控集矿机构的总集矿仓内；
四个框架式矿车通过上方的平行线缆和线缆控制器自适应地形，沿顺时针方向按指定行走路径行走并采集，悬挂控制机构同步控制线缆的收缩，使得四个框架式矿车由外圈向内圈移动，有外向内实现全区域采集；
最终四个框架式矿车回到中控集矿机构四周，此时已完成了对该区域全方位采集工作，接着中控集矿机构携带四个框架式矿车行进到下一指定区域开展下一轮开采工作。
本发明可在矿区总区域内，根据采集区域地形的特殊性调动所述电驱式独立采集机构，可以通过调动框架式矿车的数量、布设初始位置，达到根据地形布控区域的形状的目的，如三角形、菱形、平行四边形、梯形等区域形状。
相比现有的深海多金属结核区域富集装备或者系统，本发明的优势在于，提出一种深海多金属结核区域富集装备系统，相比现有专利技术中采用圆形采集区域布控的技术特点，本发明可针对矿区采用灵活布控区域、由外向内采集的方式，通过所述电驱式独立采集机构对矿区进行全方位、多区域、多地形的收集，地形适应能力强、采集效率高；相比现有专利技术中采用水力式集矿方式、机械式集矿方式或者是水利-机械复合式集矿方式对表层沉积物扰动性大，采集中、后环节产生海底表层以上大区域，大纵向跨度的羽状流导致矿区生态破坏、物种灭绝等缺点，本发明通过筛网微小振动将矿石从赋存层中剥离出来，控制羽状流的发生区域且减少了羽状流的产生量，且较大程度上降低了对赋存层的扰动，保证了海底表层的承载性能。本发明相比于原有的海底集矿装备及方法，更环保、高效、节能、可靠。
附图说明
图1为本发明整体三维视图；
图2为本发明的中控集矿机构三维视图；
图3为本发明的电驱式独立采集机构三维视图；
图4为本发明的线缆铲斗式分层筛网集矿头三维视图；
图5为本发明的布控及集矿过程俯视图；
图6为本发明的布控范围调整俯视图；
图中：1-中控集矿机构、2-总输矿管、3-悬挂控制机构、4-电驱式独立采集机构、5-线缆、6-线缆铲斗式分层筛网集矿头、7-信号传输装置、8-行走履带装置、9-线缆控制器、10-轨道轮、11-电机驱动机构、12-悬挂连接装置、13-框架式矿车、14-横向振动装置、15-表层盖板、16-多层筛网结构、17-储矿槽、18-铲齿、19-框架式矿车移动方向、20-线缆铲斗式分层筛网集矿头移动方向、21电驱式独立采集机构重新布控方向、22-电驱式独立采集机构重新布控后位置、23-线缆重新布控后位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-图6所示，深海多金属结核区域富集装备系统，包括中控集矿机构1，中控集矿机构1通过悬挂控制机构3实现与电驱式独立采集机构4的连接，悬挂控制机构3分别设置于中控集矿机构1的四角上，与电驱式独立采集机构1相连，实现中控集矿机构1连接控制电驱式独立集矿机构4的效果；当所述系统处于集矿区域时，悬挂控制机构3收紧线缆，使得电驱式独立采集机构4提升依附在中控集矿机构1的四个顶角，由中控集矿机构1控制富集装备系统行走；当所述系统处于矿产富集区域时，悬挂控制机构3放出线缆，电驱式独立采集机构4由中控集矿机构的四周向外部行走，按指定采集路径进行区域采集。
悬挂控制机构3为钢结构构造，其中设置有电动磁吸控制装置和线缆收放控制装置。电动磁吸控制装置与电驱式独立采集机构4上的悬挂装置中的磁吸装置相互配合，控制着中控集矿机构1与电驱式独立采集机构1的固定与分离。线缆收放控制装置中配置耐压电机与线缆卷线器，控制着线缆的收缩与伸长以控制四个框架式矿车的释放与回收。线缆的收放速度与所述框架式矿车的移动速度相适应，目的是使线缆铲斗式分层筛网集矿头6与框架式矿车13同步移动，并实现对框架式矿车13的轨迹控制。
如图2所示，中控集矿机构1为具有外罩的行走履带装置8，其内部分别设置有中控系统、耐高压电机驱动系统、总集矿仓和输矿系统，中控系统具有通讯、导航、总控功能，用于实现与科考船的通讯及富集装备整体的导航定位，中控系统既可通过控制所述耐高压电机驱动系统，使所述电机驱动系统中的液压装置调节改变，最终实现对所述中控集矿机构1主体的履带升降、转向、底盘高度的控制，又可以通过水下信号传输装置7控制所述各电驱式集矿装备的行走方位、路线和车体速度。
耐高压电机驱动系统由耐压壳体保护，负责提供所述富集装备所需动力，所述耐高压电机驱动系统构造和功能与常规履带车中的电机驱动系统无异。
总集矿仓可分区储藏采集到的矿物。输矿系统由总输矿管2和分输矿管组成：分输矿管设置有连接口，可吸附传输来自各电驱式独立采集机构4采集的多金属结核矿，最终汇集至总集矿仓；总输矿管2的作用是将总集矿仓中的矿物向上传输至水面科考船，总输矿管2中的结核矿提升装置设计参考常规扬矿管，如采用离心泵多级提升的技术方案。分输矿管与总输矿管2配合运作，从而实现稳定高效和低能耗的矿物水力提升。
如图3所示，电驱式独立采集机构4由四个框架式矿车构成，每一个框架式矿车上部为透空框架式矿车13，下部为行走履带装置8。行走履带装置8由每个框架式矿车配置的耐高压电机驱动机构11控制其行走、转向。在上部框架四角设置有平行线缆5、轨道轮10及相应的线缆控制器9，控制线缆的收缩。
电驱式独立采集机构4的内部主体结构为线缆铲斗式分层筛网集矿头6，顶部安装有电机驱动机构11和悬挂连接装置12。电机驱动机构11用以控制集矿头沿着线缆移动，并且控制集矿头上的横向振动装置14产生轻微低频的横向振动。集矿头6中设置有储矿槽17用于临时储存采集到的矿石。
如图4所示，线缆铲斗式分层筛网集矿头6通过平行线缆5及线缆控制器9悬挂于框架式车体13内部，其中，线缆控制器9起到对线缆铲斗式分层筛网集矿头6的升降、移动及倾角控制。线缆铲斗式分层筛网集矿头6类似于铲斗构造，其前端为锋利铲齿18结构，其中部为多层筛网结构16，顶部为横向振动装置14。
在多层筛网结构16中设置有三层筛孔，最上层为表层盖板15，每层筛网孔径由上而下依次减小，孔径的设计范围参考多金属结核矿的最大粒径和最小粒径进行调整设计，根据《深海固体矿产资源开发》中所提及的多金属结核粒径分布数据，第一层筛网的孔径大小为75mm，第二层筛网孔径为55mm，第三层筛网的孔径为30mm。
横向振动装置14受电机驱动机构11控制，可使线缆铲斗式分层筛网集矿头6在框架式车体13的横向方向上进行低频振动，将多金属结核从稀软海床底质中采集并完成洗矿工作。在高效筛分采集多金属结核的同时减小对海底环境的扰动，最大程度减小羽状流的产生。线缆铲斗式分层筛网集矿头6不仅起到分离多金属结核与稀软海底土的作用，而且对采集到的矿石粒径进行了进一步筛分和清洗，有效把控矿石的品质。
如图5、6所示，深海多金属结核区域富集装备系统的运行方法，包括：
中控集矿机构1接收水下中继站的行走指令，在中控集矿机构1内部的耐高压电机驱动系统的驱动下，行驶到富藏多金属结核的区域；此过程中，四个框架式矿车13悬挂依附在中控集矿机构1四个顶角；
到达指定区域后，悬挂控制机构3首先将四个框架式矿车下放到海床，并释放框架式矿车尾部的悬挂连接装置12与中控集矿机构1的连接，悬挂控制机构3控制线缆的伸长，使得四个框架式矿车13沿中控集矿机构对角线方向向外缘行走，针对不同区域调节不同的布控形状，直至四个框架式矿车13到达此轮采集区域最外缘的指定初始位置；
多金属结核的采集工作开始后，将利用线缆铲斗式分层筛网集矿头6进行集矿、洗矿并筛分，将多金属结核矿石与裹挟在上面的沉积物进行初步分离、清洗，并对多金属结核矿石的粒径进行筛分，筛分好的不同粒径的矿石将暂时储存在储矿槽17，通过分输矿管分批次输送到中控集矿机构1的总集矿仓内；
四个框架式矿车13通过上方的平行线缆5和线缆控制器9自适应地形，沿顺时针方向按指定行走路径行走并采集，悬挂控制机构3同步控制线缆的收缩，使得四个框架式矿车13由外圈向内圈移动，有外向内实现全区域采集；
最终四个框架式矿车13回到中控集矿机构1四周，此时已完成了对该区域全方位采集工作，接着中控集矿机构1携带四个框架式矿车13行进到下一指定区域开展下一轮开采工作。
本发明可在矿区总区域内，根据采集区域地形的特殊性调动所述电驱式独立采集机构，可以通过调动框架式矿车的数量、布设初始位置，达到根据地形布控区域的形状的目的，如三角形、菱形、平行四边形、梯形等区域形状。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种地质勘探用防塌陷装置及其方法