深海采礦技術(shù)

1、深海采礦技術(shù)深海采礦技術(shù)深海采礦技術(shù)深海采礦技術(shù)結(jié)核賦存在結(jié)核賦存在4000400060006000米深的洋底，開采過程米深的洋底，開采過程必須全部實現(xiàn)遙測遙控；必須全部實現(xiàn)遙測遙控； 洋底地形地貌相當(dāng)復(fù)雜，洋底表層為剪切強度洋底地形地貌相當(dāng)復(fù)雜，洋底表層為剪切強度僅僅03Kpa03Kpa的軟泥層，并有海底洋流的影響；的軟泥層，并有海底洋流的影響；整個采礦系統(tǒng)是在復(fù)雜的海洋氣象和海洋環(huán)境整個采礦系統(tǒng)是在復(fù)雜的海洋氣象和海洋環(huán)境下作業(yè)，必須進行準(zhǔn)確系統(tǒng)的導(dǎo)航定位和保持下作業(yè)，必須進行準(zhǔn)確系統(tǒng)的導(dǎo)航定位和保持整個系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定；整個系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定； 在高壓條件下的密封、絕緣技術(shù)難度很大；在高壓條件

2、下的密封、絕緣技術(shù)難度很大； 整個系統(tǒng)各組成單元的聯(lián)接裝置必須保證可靠整個系統(tǒng)各組成單元的聯(lián)接裝置必須保證可靠而快速的聯(lián)接和拆卸；而快速的聯(lián)接和拆卸；保證軟管內(nèi)礦石輸送通暢是一個非常重要而復(fù)保證軟管內(nèi)礦石輸送通暢是一個非常重要而復(fù)雜的問題雜的問題 ； 整個系統(tǒng)的可靠性要求極高，能及時診斷和自整個系統(tǒng)的可靠性要求極高，能及時診斷和自處理處理 ； 環(huán)境保護問題環(huán)境保護問題 。 按產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，從按產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，從5000-6000米的深米的深海底，將多金屬結(jié)核連續(xù)、高效地采集海底，將多金屬結(jié)核連續(xù)、高效地采集并輸送到海面采礦船上；并輸送到海面采礦船上； 開采系統(tǒng)和設(shè)備不但技術(shù)上可行，而開采系統(tǒng)和設(shè)

3、備不但技術(shù)上可行，而且具有高度的可靠性、先進性和經(jīng)濟且具有高度的可靠性、先進性和經(jīng)濟性。性。用拖網(wǎng)型的集礦機收集，用管道提升；用拖網(wǎng)型的集礦機收集，用管道提升； 用鏟斗狀集礦機收集，用繩子或鋼纜用鏟斗狀集礦機收集，用繩子或鋼纜將鏟斗拉上來；將鏟斗拉上來；用拖網(wǎng)型的集礦機收集，用集礦機自用拖網(wǎng)型的集礦機收集，用集礦機自身的浮力將之運至海面身的浮力將之運至海面 。 海底拖撬采礦系統(tǒng)海底拖撬采礦系統(tǒng) 單船式連續(xù)繩斗式采礦單船式連續(xù)繩斗式采礦 雙船式連續(xù)繩斗式采礦系統(tǒng)雙船式連續(xù)繩斗式采礦系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)備簡單、易于操作、維系統(tǒng)設(shè)備簡單、易于操作、維修方便、投資小、投產(chǎn)快等。修方便、投資小、投產(chǎn)快等。優(yōu)點：

4、優(yōu)點：缺點：缺點：采礦效率和資源回收率低、作采礦效率和資源回收率低、作業(yè)受地形條件影響大、繩索易業(yè)受地形條件影響大、繩索易纏結(jié)等。纏結(jié)等。 20世紀(jì)世紀(jì)80年年代，法國對自動代，法國對自動穿梭式采礦車系穿梭式采礦車系統(tǒng)進行了研究嘗統(tǒng)進行了研究嘗試。試。 設(shè)備獨立、靈活性好，采集效設(shè)備獨立、靈活性好，采集效率較高，回采損失小，能大幅率較高，回采損失小，能大幅度提高結(jié)核產(chǎn)量。度提高結(jié)核產(chǎn)量。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：要求非常先進的設(shè)備制作技術(shù)要求非常先進的設(shè)備制作技術(shù)和遙控技術(shù)，造價很高，開發(fā)和遙控技術(shù)，造價很高，開發(fā)難度較大。難度較大。 組成：集礦機組成：集礦機輸送軟管輸送軟管中間礦倉中間礦倉剛性

5、揚礦管剛性揚礦管采礦船采礦船 組成：集礦機組成：集礦機輸送軟管輸送軟管中間礦倉中間礦倉剛性揚礦管剛性揚礦管采礦船采礦船 作業(yè)過程作業(yè)過程 集礦機在海底采集結(jié)核集礦機在海底采集結(jié)核(能自動行走能自動行走或由采礦船經(jīng)剛性管道拖拽行走或由采礦船經(jīng)剛性管道拖拽行走)，采集，采集的結(jié)核在集礦機內(nèi)清洗脫泥和破碎后，的結(jié)核在集礦機內(nèi)清洗脫泥和破碎后，經(jīng)軟管輸送到連接于剛性揚礦管下端的經(jīng)軟管輸送到連接于剛性揚礦管下端的中間礦倉，然后結(jié)核在剛性管道中以漿中間礦倉，然后結(jié)核在剛性管道中以漿體形式被揚送到海面采礦船上。體形式被揚送到海面采礦船上。 分類分類水力提升水力提升氣力提升氣力提升輕介質(zhì)提升輕介質(zhì)提升 履帶式

6、集礦機履帶式集礦機 水下采礦航行器水下采礦航行器 系統(tǒng)生產(chǎn)能力系統(tǒng)生產(chǎn)能力 年產(chǎn)量：干結(jié)核年產(chǎn)量：干結(jié)核3106t 年限：年限：20年連續(xù)開采年連續(xù)開采 富礦面積：富礦面積：2104 km2區(qū)域區(qū)域 系統(tǒng)日、小時生產(chǎn)能力系統(tǒng)日、小時生產(chǎn)能力 每年有效工作日：每年有效工作日：250d/a 每天效作業(yè)時間：每天效作業(yè)時間：20h 日額定產(chǎn)量：日額定產(chǎn)量：6000t/d 小時額定產(chǎn)量：小時額定產(chǎn)量：300t/h 集礦機：在海底采集結(jié)核礦石，并進行初處理，集礦機：在海底采集結(jié)核礦石，并進行初處理，向揚礦子系統(tǒng)供礦；向揚礦子系統(tǒng)供礦；揚礦子系統(tǒng)：將采集的結(jié)核礦石經(jīng)管道提升到揚礦子系統(tǒng)：將采集的結(jié)核礦石經(jīng)

7、管道提升到海面采礦船；海面采礦船；監(jiān)控子系統(tǒng)：定位、作業(yè)控制和管理；監(jiān)控子系統(tǒng)：定位、作業(yè)控制和管理；采礦船：深海采礦作業(yè)平臺，為海下設(shè)備提供采礦船：深海采礦作業(yè)平臺，為海下設(shè)備提供支承、動力、設(shè)備存放和維修，同時完成結(jié)核支承、動力、設(shè)備存放和維修，同時完成結(jié)核礦石貯存和向運輸船轉(zhuǎn)運；礦石貯存和向運輸船轉(zhuǎn)運；運輸支持子系統(tǒng)：將結(jié)核礦石運輸?shù)娇诎?，向運輸支持子系統(tǒng)：將結(jié)核礦石運輸?shù)娇诎?，向采礦船供應(yīng)補給品及人員輪班。采礦船供應(yīng)補給品及人員輪班。 集礦機采集路線集礦機采集路線 采礦船采礦船 組成組成 實驗用集礦機外觀圖實驗用集礦機外觀圖 組成組成 行進裝置：具有支持和行進功能，集礦機在海底的運動，

8、必須考慮行進裝置：具有支持和行進功能，集礦機在海底的運動，必須考慮沉積物的承載力或剪切力。集礦機應(yīng)能處理一定的斜坡以及小的障沉積物的承載力或剪切力。集礦機應(yīng)能處理一定的斜坡以及小的障礙物；礙物；集礦裝置：在海底拾收錳結(jié)核或吸取錳結(jié)核集礦裝置：在海底拾收錳結(jié)核或吸取錳結(jié)核-沉積物混合物，集礦沉積物混合物，集礦裝置是集礦機的核心；裝置是集礦機的核心；分選裝置：洗去沉積物和結(jié)核細(xì)小微粒，有的還可拒絕大顆粒結(jié)核分選裝置：洗去沉積物和結(jié)核細(xì)小微粒，有的還可拒絕大顆粒結(jié)核或異物；或異物；碎礦裝置：將結(jié)核粉碎到適于提升的粒徑；碎礦裝置：將結(jié)核粉碎到適于提升的粒徑；穩(wěn)定裝置：又稱穩(wěn)定片，當(dāng)集礦機受到翻轉(zhuǎn)、顛簸

9、等作用力時，起穩(wěn)定裝置：又稱穩(wěn)定片，當(dāng)集礦機受到翻轉(zhuǎn)、顛簸等作用力時，起到穩(wěn)定作用；到穩(wěn)定作用； 漂浮裝置：減小集礦機與海底之間的相互作用力，防止集礦機深陷漂浮裝置：減小集礦機與海底之間的相互作用力，防止集礦機深陷入沉積物；入沉積物； 組成組成 給料機構(gòu)和收集倉：給料機構(gòu)協(xié)助提升，收集倉暫存結(jié)核。給料機構(gòu)和收集倉：給料機構(gòu)協(xié)助提升，收集倉暫存結(jié)核。機架：一方面支承裝在集礦機上的機器，同時緩和著底、離底機架：一方面支承裝在集礦機上的機器，同時緩和著底、離底時的沖擊。另外當(dāng)集礦機入庫、操作和海底拖航時，機架具有時的沖擊。另外當(dāng)集礦機入庫、操作和海底拖航時，機架具有承載這些負(fù)荷的能力。承載這些負(fù)荷的

10、能力。電力、檢測控制裝置：電力裝置由潛水馬達(dá)、水中變壓器、水電力、檢測控制裝置：電力裝置由潛水馬達(dá)、水中變壓器、水中分電箱、電動機操作柜組成，體積小、重量輕并可靠，檢測中分電箱、電動機操作柜組成，體積小、重量輕并可靠，檢測控制裝置由船上控制臺和各種水中傳感器組成，監(jiān)視集礦機各控制裝置由船上控制臺和各種水中傳感器組成，監(jiān)視集礦機各裝置的工作性能；裝置的工作性能；液壓裝置：在集礦機內(nèi)裝有一閥門，當(dāng)發(fā)生堵塞時以迅速排除液壓裝置：在集礦機內(nèi)裝有一閥門，當(dāng)發(fā)生堵塞時以迅速排除堵塞，另外還有一閥門用于調(diào)整集礦量，液壓裝置主要控制這堵塞，另外還有一閥門用于調(diào)整集礦量，液壓裝置主要控制這兩個閥門工作。兩個閥門

11、工作。 集礦方法類型集礦方法類型 集礦機的分類集礦機的分類水利式采集器水利式采集器 機械式采集器機械式采集器 混合式采集器混合式采集器 海底行走車海底行走車滑板型滑板型(Stcd Type)車輪型車輪型(Wheel Type)掛鏈?zhǔn)津?qū)動型掛鏈?zhǔn)津?qū)動型(Hanging Chain Type)履帶式無軌道型履帶式無軌道型(Caterpiller Type)螺旋推進葉輪型螺旋推進葉輪型(Archimedean Screw Type)機械行走型機械行走型(Mechanical Leg Type) 行走裝置類型行走裝置類型 集礦技術(shù)的試驗研究集礦技術(shù)的試驗研究國外集礦技術(shù)的試驗研究主要包括如下幾個階段：

12、國外集礦技術(shù)的試驗研究主要包括如下幾個階段： (1)室內(nèi)水槽試驗；室內(nèi)水槽試驗； (2淺海試驗；淺海試驗； (3)深海試驗；深海試驗； (4)中間試驗。中間試驗。 室內(nèi)水槽試驗最為關(guān)鍵，滿足主要工作要求的集室內(nèi)水槽試驗最為關(guān)鍵，滿足主要工作要求的集礦機模型在此階段產(chǎn)生，其它各階段試驗主要起到礦機模型在此階段產(chǎn)生，其它各階段試驗主要起到檢驗和修正的作用。檢驗和修正的作用。 集礦機一般需進行以下試驗集礦機一般需進行以下試驗 A.集礦性能集礦性能集礦性能集礦性能破碎、供給性能破碎、供給性能B. 運動性能運動性能水中穩(wěn)定性能水中穩(wěn)定性能著底、離底性能著底、離底性能海底拖航性能海底拖航性能 長沙礦山院設(shè)

13、計制造的集礦機長沙礦山院設(shè)計制造的集礦機 長沙礦冶院設(shè)計制造的集礦機長沙礦冶院設(shè)計制造的集礦機 環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平均風(fēng)速：平均風(fēng)速：8m/s海浪：海浪：6級海況，浪高級海況，浪高5m，周期，周期10s 4級海況，浪高級海況，浪高2.5m，周期，周期10s海面洋流速度：海面洋流速度：1.7m/s；海底最大：；海底最大：0.15m/s海面水溫：海面水溫：2230.2 ，平均，平均28.2 ；海底；海底：14 海水密度：表層海水密度：表層1022kg/m3 ，5000m深深1052kg /m3 ，平均，平均1037kg /m3 揚礦技術(shù)參數(shù)揚礦技術(shù)參數(shù)揚礦能力：揚礦能力：30t/h(干結(jié)核干

14、結(jié)核)，43t/h (濕結(jié)核濕結(jié)核)揚礦體積濃度：揚礦體積濃度：5%10%結(jié)核提升粒徑：結(jié)核提升粒徑：50mm50mm1.7m/s；海底最大：；海底最大：0.15m/s礦區(qū)水深：礦區(qū)水深：49005200m，管線長，管線長5000m系統(tǒng)揚礦效率：系統(tǒng)揚礦效率：50% 揚礦子系統(tǒng)的功能：揚礦子系統(tǒng)的功能：泵升或抽吸礦漿；泵升或抽吸礦漿；控制礦漿的流動；控制礦漿的流動；作為礦漿的導(dǎo)管集礦機連接；作為礦漿的導(dǎo)管集礦機連接；若用拖拽集礦機，為集礦機提供前進若用拖拽集礦機，為集礦機提供前進力；力；連接集礦子系統(tǒng)電纜和通訊線的支撐連接集礦子系統(tǒng)電纜和通訊線的支撐物；物； 揚礦子系統(tǒng)的功能：揚礦子系統(tǒng)的功能

15、：能抵抗由于船體搖擺，水柱運動產(chǎn)生的能抵抗由于船體搖擺，水柱運動產(chǎn)生的不穩(wěn)定狀態(tài)；不穩(wěn)定狀態(tài)；能抵抗由于集礦機遇到地形變化時對管能抵抗由于集礦機遇到地形變化時對管道產(chǎn)生的影響；道產(chǎn)生的影響；能夠支撐其自身及安裝于其上的各種儀能夠支撐其自身及安裝于其上的各種儀器設(shè)備的重量。器設(shè)備的重量。 空氣泵提升空氣泵提升優(yōu)點：優(yōu)點：揚礦揚礦管道中無運動件、工藝簡揚礦揚礦管道中無運動件、工藝簡單可靠可行的顯著優(yōu)點單可靠可行的顯著優(yōu)點缺點：揚礦效率較低，最大不超過缺點：揚礦效率較低，最大不超過20%20%。氣力揚升系統(tǒng)氣力揚升系統(tǒng) 射流泵提升射流泵提升優(yōu)點：優(yōu)點：揚礦揚礦管道中無運動件、工藝簡揚礦揚礦管道中無運

16、動件、工藝簡單單缺點：缺點：揚礦效率較低，最大不超過揚礦效率較低，最大不超過10%，而且需要多級射流泵串聯(lián)作業(yè)，其總效率而且需要多級射流泵串聯(lián)作業(yè)，其總效率還會進一步下降。還會進一步下降。射流式提升法射流式提升法1.水泵水泵 2.噴嘴噴嘴 3. 固液兩相流氣固液固液兩相流氣固液三相流三相流 輕介質(zhì)浮子提升輕介質(zhì)浮子提升問題：問題：由于壓縮空氣膨脹和液體輕介質(zhì)難由于壓縮空氣膨脹和液體輕介質(zhì)難于與清水分離的缺點，但存在著輕介質(zhì)浮于與清水分離的缺點，但存在著輕介質(zhì)浮子難于注入揚礦管道和高壓破損，不能重子難于注入揚礦管道和高壓破損，不能重復(fù)使用。復(fù)使用。輕介質(zhì)液體提升法輕介質(zhì)液體提升法1.泵泵 2.輕

17、介質(zhì)液體輕介質(zhì)液體 3固、液輕介質(zhì)混合體固、液輕介質(zhì)混合體 4.分離器分離器浮子提升法浮子提升法1.泵泵 2.介質(zhì)介質(zhì)+浮子浮子 3固、液浮子固、液浮子混合體混合體 4.分離器分離器 清水泵提升清水泵提升優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)核不通過泵，減少泵的磨損，揚結(jié)核不通過泵，減少泵的磨損，揚礦效率高。礦效率高。缺點：需要實現(xiàn)洋底的高壓給料，給料裝缺點：需要實現(xiàn)洋底的高壓給料，給料裝置復(fù)雜，可靠性差。置復(fù)雜，可靠性差。清水泵清水泵(潛水泵潛水泵)提升提升1. 潛水泵潛水泵 2.固液兩相流固液兩相流 礦漿泵提升礦漿泵提升優(yōu)點：工藝簡單、工作可靠。提升能力大、優(yōu)點：工藝簡單、工作可靠。提升能力大、效率高達(dá)效率高達(dá)5

18、0%，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的揚礦方法。揚礦方法。問題：問題：結(jié)核通過泵會造成泵的磨損及結(jié)核結(jié)核通過泵會造成泵的磨損及結(jié)核的粉化，但磨損和粉化都不嚴(yán)重。的粉化，但磨損和粉化都不嚴(yán)重。技術(shù)關(guān)鍵：研制出壽命長、符合揚要求的技術(shù)關(guān)鍵：研制出壽命長、符合揚要求的高壓礦漿泵。高壓礦漿泵。水力泵揚升系統(tǒng)水力泵揚升系統(tǒng)(引自引自O(shè)MI) 氣舉式提升法氣舉式提升法1.空壓機空壓機 2.固液兩相流固液兩相流 3.氣、固、液三相流氣、固、液三相流 4.注氣管注氣管 重介質(zhì)管道提升法重介質(zhì)管道提升法1.水泵水泵 2.給礦機給礦機 3固、液兩相流固、液兩相流 管道戽斗提升管道戽斗提升 軟管軟管軟

19、管輸送泵軟管輸送泵中間艙中間艙給料機給料機提升管提升管兩臺多級潛水電泵兩臺多級潛水電泵洋面輸送管道和洋面輸送管道和海水溢流排放管道海水溢流排放管道 集礦機采集的錳結(jié)核由集礦機采集的錳結(jié)核由軟管和軟管輸送泵輸送軟管和軟管輸送泵輸送至中間礦倉經(jīng)給料機緞至中間礦倉經(jīng)給料機緞帶入提升管道，通過兩帶入提升管道，通過兩臺多級潛水電泵揚至洋臺多級潛水電泵揚至洋面采礦船上，輸往船艙面采礦船上，輸往船艙并在船艙中沉降，海水并在船艙中沉降，海水脫泥后經(jīng)溢流排放管缺脫泥后經(jīng)溢流排放管缺口排入海中?？谂湃牒Ｖ小?利用潛水電泵的動利用潛水電泵的動力在管線內(nèi)外產(chǎn)生力在管線內(nèi)外產(chǎn)生壓差，形成海水在壓差，形成海水在管線內(nèi)的上

20、升流，管線內(nèi)的上升流，把結(jié)核提升至洋面。把結(jié)核提升至洋面。 揚礦硬管包括中間揚礦硬管包括中間艙、揚礦管道、管艙、揚礦管道、管接頭、潛水電泵、接頭、潛水電泵、升沉補償裝置、船升沉補償裝置、船面輸送管道和結(jié)核面輸送管道和結(jié)核分離及海水排放管。分離及海水排放管。 國外揚礦管線技術(shù)數(shù)據(jù)國外揚礦管線技術(shù)數(shù)據(jù) 揚 礦揚 礦管管名 稱名 稱技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)O M I 海海試 揚 礦試 揚 礦管線管線OMA海海試 揚 礦試 揚 礦管線管線O M C O海 試 揚海 試 揚礦管線礦管線日 本 設(shè)日 本 設(shè)計 海 試計 海 試揚 礦 管揚 礦 管線線Preussag紅 海 海紅 海 海試 揚 礦試 揚 礦管線管線

21、法 國 商法 國 商業(yè) 設(shè) 計業(yè) 設(shè) 計揚 礦 管揚 礦 管線線內(nèi)徑內(nèi)徑(mm)215224160241150148226 382外徑外徑(mm)245178298450168298127406每節(jié)長每節(jié)長(m)11113012 27總長總長(m)525044225000516022004800鋼級鋼級S135P110高 強 度高 強 度綱綱高 強 度高 強 度綱綱 高 強 度高 強 度綱綱屈 服 強 度屈 服 強 度(MPa)931774 抗 拉 強 度抗 拉 強 度(MPa)1000879 聯(lián)接方式聯(lián)接方式螺紋螺紋螺 紋 與螺 紋 與卡環(huán)卡環(huán)螺紋螺紋螺紋螺紋 快 速 接快 速 接頭頭采用兩臺采用兩臺6 6級潛水電泵作業(yè)，泵型為混級潛水電泵作業(yè)，泵型為混流泵，總揚程為流泵，總揚程為600m600m水柱。水柱。具有三維空間補償能力，進行上下升具有三維空間補償能力，進行上下升沉、縱搖、橫搖的補償。沉、縱搖、橫搖的補償。緩沖和減小海洋海浪、海流、拖航產(chǎn)緩沖和減小海洋海浪、海流、拖航產(chǎn)生的船的運動對揚礦系統(tǒng)的影響，降生的船的運動對揚礦系統(tǒng)的影響，降低揚管承受的環(huán)境載荷，保證作業(yè)安低揚管承受的環(huán)境載荷，保證作業(yè)安全。全。被動式補償，升沉補償采用油缸被動式補償，