深海采礦技術(shù)課件

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)1海洋采礦的技術(shù)難度海洋采礦的技術(shù)難度2工藝過程

集礦機(jī)將賦存在大面積洋底的結(jié)核采集起來，經(jīng)過脫泥、破碎、經(jīng)軟管輸送到水下中間平臺(tái)的中繼料倉里，然后由給料機(jī)將結(jié)核給入揚(yáng)礦主管道，由提升泵將其提升到洋面采礦船上。

工藝過程 3技術(shù)難度

結(jié)核賦存在4000～6000米深的洋底，開采過程必須全部實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控；洋底地形地貌相當(dāng)復(fù)雜，洋底表層為剪切強(qiáng)度僅0~3Kpa的軟泥層，并有海底洋流的影響；

整個(gè)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(jìn)行準(zhǔn)確系統(tǒng)的導(dǎo)航定位和保持整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；

技術(shù)難度結(jié)核賦存在4000～6000米深的洋底，開采過程必4技術(shù)難度

在高壓條件下的密封、絕緣技術(shù)難度很大；整個(gè)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；保證軟管內(nèi)礦石輸送通暢是一個(gè)非常重要而復(fù)雜的問題；整個(gè)系統(tǒng)的可靠性要求極高，能及時(shí)診斷和自處理；環(huán)境保護(hù)問題。

技術(shù)難度在高壓條件下的密封、絕緣技術(shù)難度很大；5深海多金屬結(jié)核的

開采系統(tǒng)

深海多金屬結(jié)核的

開采系統(tǒng)6結(jié)核開采的基本任務(wù)

按產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，從5000-6000米的深海底，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；

開采系統(tǒng)和設(shè)備不但技術(shù)上可行，而且具有高度的可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)核開采的基本任務(wù)開采系統(tǒng)和設(shè)備不但技術(shù)上可行，而且具有高7結(jié)核開采技術(shù)方案

用拖網(wǎng)型的集礦機(jī)收集，用管道提升；

用鏟斗狀集礦機(jī)收集，用繩子或鋼纜將鏟斗拉上來；用拖網(wǎng)型的集礦機(jī)收集，用集礦機(jī)自身的浮力將之運(yùn)至海面。結(jié)核開采技術(shù)方案用鏟斗狀集礦機(jī)收集，用繩子或鋼纜將鏟斗拉8海底拖撬系統(tǒng)

海底拖撬采礦系統(tǒng)

海底拖撬系統(tǒng)海底拖撬采礦系統(tǒng)9連續(xù)鏈斗采礦系統(tǒng)(CLB)

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)連續(xù)鏈斗采礦系統(tǒng)(CLB)單船式連續(xù)繩斗式采礦10連續(xù)鏈斗采礦系統(tǒng)(CLB)

系統(tǒng)設(shè)備簡單、易于操作、維修方便、投資小、投產(chǎn)快等。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：采礦效率和資源回收率低、作業(yè)受地形條件影響大、繩索易纏結(jié)等。連續(xù)鏈斗采礦系統(tǒng)(CLB)系統(tǒng)設(shè)備簡單、易于操作、維修方便11自動(dòng)穿梭式采礦車采礦系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代，法國對(duì)自動(dòng)穿梭式采礦車系統(tǒng)進(jìn)行了研究嘗試。自動(dòng)穿梭式采礦車采礦系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，法國對(duì)自動(dòng)穿12自動(dòng)穿梭式采礦車采礦系統(tǒng)

設(shè)備獨(dú)立、靈活性好，采集效率較高，回采損失小，能大幅度提高結(jié)核產(chǎn)量。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：要求非常先進(jìn)的設(shè)備制作技術(shù)和遙控技術(shù)，造價(jià)很高，開發(fā)難度較大。自動(dòng)穿梭式采礦車采礦系統(tǒng)設(shè)備獨(dú)立、靈活性好，采集效率較高，13

組成：集礦機(jī)輸送軟管中間礦倉剛性揚(yáng)礦管采礦船集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)組成：集礦機(jī)集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)14

組成：集礦機(jī)輸送軟管中間礦倉剛性揚(yáng)礦管采礦船組成：集礦機(jī)15

作業(yè)過程集礦機(jī)在海底采集結(jié)核(能自動(dòng)行走或由采礦船經(jīng)剛性管道拖拽行走)，采集的結(jié)核在集礦機(jī)內(nèi)清洗脫泥和破碎后，經(jīng)軟管輸送到連接于剛性揚(yáng)礦管下端的中間礦倉，然后結(jié)核在剛性管道中以漿體形式被揚(yáng)送到海面采礦船上。

集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)作業(yè)過程集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)16

分類水力提升氣力提升輕介質(zhì)提升集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)分類集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)17

履帶式集礦機(jī)水下采礦航行器

履帶式集礦機(jī)水下采礦航行器18多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)基本參數(shù)

系統(tǒng)生產(chǎn)能力年產(chǎn)量：干結(jié)核3×106t年限：20年連續(xù)開采富礦面積：2×104km2區(qū)域系統(tǒng)日、小時(shí)生產(chǎn)能力每年有效工作日：250d/a每天效作業(yè)時(shí)間：20h日額定產(chǎn)量：6000t/d小時(shí)額定產(chǎn)量：300t/h多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)基本參數(shù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力19采礦系統(tǒng)的組成采礦系統(tǒng)的組成20采礦體系的組成及功能

集礦機(jī)：在海底采集結(jié)核礦石，并進(jìn)行初處理，向揚(yáng)礦子系統(tǒng)供礦；揚(yáng)礦子系統(tǒng)：將采集的結(jié)核礦石經(jīng)管道提升到海面采礦船；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(tái)，為海下設(shè)備提供支承、動(dòng)力、設(shè)備存放和維修，同時(shí)完成結(jié)核礦石貯存和向運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)；運(yùn)輸支持子系統(tǒng)：將結(jié)核礦石運(yùn)輸?shù)娇诎?，向采礦船供應(yīng)補(bǔ)給品及人員輪班。采礦體系的組成及功能集礦機(jī)：在海底采集結(jié)核礦石，并進(jìn)行初處21

集礦機(jī)采集路線

集礦機(jī)采集路線22集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)集礦機(jī)與揚(yáng)礦管道結(jié)合的流體提升采礦系統(tǒng)23

24

采礦船采礦船25

集礦機(jī)組成

實(shí)驗(yàn)用集礦機(jī)外觀圖

集礦機(jī)組成實(shí)驗(yàn)用集礦機(jī)外觀圖26

集礦機(jī)組成

行進(jìn)裝置：具有支持和行進(jìn)功能，集礦機(jī)在海底的運(yùn)動(dòng)，必須考慮沉積物的承載力或剪切力。集礦機(jī)應(yīng)能處理一定的斜坡以及小的障礙物；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，集礦裝置是集礦機(jī)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)核或異物；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(jī)受到翻轉(zhuǎn)、顛簸等作用力時(shí)，起到穩(wěn)定作用；

漂浮裝置：減小集礦機(jī)與海底之間的相互作用力，防止集礦機(jī)深陷入沉積物；集礦機(jī)組成行進(jìn)裝置：具有支持和行進(jìn)功能，集礦機(jī)在海底的運(yùn)27

集礦機(jī)組成

給料機(jī)構(gòu)和收集倉：給料機(jī)構(gòu)協(xié)助提升，收集倉暫存結(jié)核。機(jī)架：一方面支承裝在集礦機(jī)上的機(jī)器，同時(shí)緩和著底、離底時(shí)的沖擊。另外當(dāng)集礦機(jī)入庫、操作和海底拖航時(shí)，機(jī)架具有承載這些負(fù)荷的能力。電力、檢測(cè)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(dòng)機(jī)操作柜組成，體積小、重量輕并可靠，檢測(cè)控制裝置由船上控制臺(tái)和各種水中傳感器組成，監(jiān)視集礦機(jī)各裝置的工作性能；液壓裝置：在集礦機(jī)內(nèi)裝有一閥門，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)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兩個(gè)閥門工作。

集礦機(jī)組成給料機(jī)構(gòu)和收集倉：給料機(jī)構(gòu)協(xié)助提升，收集倉暫存28

集礦機(jī)集礦方法類型

集礦機(jī)集礦方法類型29

集礦機(jī)集礦機(jī)的分類水利式采集器

機(jī)械式采集器

混合式采集器

集礦機(jī)集礦機(jī)的分類水利式采集器30

集礦機(jī)海底行走車滑板型(StcdType)車輪型(WheelType)掛鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)型(HangingChainType)履帶式無軌道型(CaterpillerType)螺旋推進(jìn)葉輪型(ArchimedeanScrewType)機(jī)械行走型(MechanicalLegType)集礦機(jī)海底行走車滑板型(StcdType)31

集礦機(jī)行走裝置類型集礦機(jī)行走裝置類型32

集礦機(jī)集礦技術(shù)的試驗(yàn)研究國外集礦技術(shù)的試驗(yàn)研究主要包括如下幾個(gè)階段：(1)室內(nèi)水槽試驗(yàn)；(2淺海試驗(yàn)；(3)深海試驗(yàn)；(4)中間試驗(yàn)。室內(nèi)水槽試驗(yàn)最為關(guān)鍵，滿足主要工作要求的集礦機(jī)模型在此階段產(chǎn)生，其它各階段試驗(yàn)主要起到檢驗(yàn)和修正的作用。集礦機(jī)集礦技術(shù)的試驗(yàn)研究國外集礦技術(shù)的試驗(yàn)研究主要包括如下33

集礦機(jī)集礦機(jī)一般需進(jìn)行以下試驗(yàn)

A.集礦性能①集礦性能②破碎、供給性能B.運(yùn)動(dòng)性能①水中穩(wěn)定性能②著底、離底性能③海底拖航性能

集礦機(jī)集礦機(jī)一般需進(jìn)行以下試驗(yàn)A.集礦性能34

集礦機(jī)

長沙礦山院設(shè)計(jì)制造的集礦機(jī)

集礦機(jī)長沙礦山院設(shè)計(jì)制造的集礦機(jī)35

集礦機(jī)長沙礦冶院設(shè)計(jì)制造的集礦機(jī)

集礦機(jī)長沙礦冶院設(shè)計(jì)制造的集礦機(jī)36

揚(yáng)礦子系統(tǒng)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平均風(fēng)速：8m/s海浪：6級(jí)海況，浪高5m，周期10s4級(jí)海況，浪高2.5m，周期10s海面洋流速度：1.7m/s；海底最大：0.15m/s海面水溫：22~30.2℃，平均28.2℃；海底：1~4℃海水密度：表層1022kg/m3，5000m深1052kg/m3，平均1037kg/m3

揚(yáng)礦子系統(tǒng)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平均風(fēng)速：8m/s37

揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦技術(shù)參數(shù)揚(yáng)礦能力：30t/h(干結(jié)核)，43t/h(濕結(jié)核)揚(yáng)礦體積濃度：5%~10%結(jié)核提升粒徑：≤50mm1.7m/s；海底最大：0.15m/s礦區(qū)水深：4900~5200m，管線長5000m系統(tǒng)揚(yáng)礦效率：≥50%揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦技術(shù)參數(shù)揚(yáng)礦能力：30t/h(干結(jié)核)，4338

揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦子系統(tǒng)的功能：泵升或抽吸礦漿；

控制礦漿的流動(dòng)；

作為礦漿的導(dǎo)管集礦機(jī)連接；若用拖拽集礦機(jī)，為集礦機(jī)提供前進(jìn)力；連接集礦子系統(tǒng)電纜和通訊線的支撐物；揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦子系統(tǒng)的功能：泵升或抽吸礦漿；

控制礦漿的流39

揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦子系統(tǒng)的功能：能抵抗由于船體搖擺，水柱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定狀態(tài)；能抵抗由于集礦機(jī)遇到地形變化時(shí)對(duì)管道產(chǎn)生的影響；

能夠支撐其自身及安裝于其上的各種儀器設(shè)備的重量。

揚(yáng)礦子系統(tǒng)揚(yáng)礦子系統(tǒng)的功能：能抵抗由于船體搖擺，水柱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)40

揚(yáng)礦方法和工藝

空氣泵提升優(yōu)點(diǎn)：揚(yáng)礦揚(yáng)礦管道中無運(yùn)動(dòng)件、工藝簡單可靠可行的顯著優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：揚(yáng)礦效率較低，最大不超過20%。揚(yáng)礦方法和工藝空氣泵提升優(yōu)點(diǎn)：揚(yáng)礦揚(yáng)礦管道中無運(yùn)動(dòng)件、工41氣力揚(yáng)升系統(tǒng)

氣力揚(yáng)升系統(tǒng)42

揚(yáng)礦方法和工藝

射流泵提升優(yōu)點(diǎn)：揚(yáng)礦揚(yáng)礦管道中無運(yùn)動(dòng)件、工藝簡單缺點(diǎn)：揚(yáng)礦效率較低，最大不超過10%，而且需要多級(jí)射流泵串聯(lián)作業(yè)，其總效率還會(huì)進(jìn)一步下降。揚(yáng)礦方法和工藝射流泵提升優(yōu)點(diǎn)：揚(yáng)礦揚(yáng)礦管道中無運(yùn)動(dòng)件、工43射流式提升法1.水泵2.噴嘴3.固液兩相流氣固液三相流

射流式提升法44

揚(yáng)礦方法和工藝

輕介質(zhì)浮子提升問題：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(diǎn)，但存在著輕介質(zhì)浮子難于注入揚(yáng)礦管道和高壓破損，不能重復(fù)使用。揚(yáng)礦方法和工藝輕介質(zhì)浮子提升問題：由于壓縮空氣膨脹和液體45輕介質(zhì)液體提升法1.泵2.輕介質(zhì)液體3固、液輕介質(zhì)混合體4.分離器浮子提升法1.泵2.介質(zhì)+浮子3固、液浮子混合體4.分離器輕介質(zhì)液體提升法浮子提升法46

揚(yáng)礦方法和工藝

清水泵提升優(yōu)點(diǎn)：結(jié)核不通過泵，減少泵的磨損，揚(yáng)礦效率高。缺點(diǎn)：需要實(shí)現(xiàn)洋底的高壓給料，給料裝置復(fù)雜，可靠性差。揚(yáng)礦方法和工藝清水泵提升優(yōu)點(diǎn)：結(jié)核不通過泵，減少泵的磨損47清水泵(潛水泵)提升1.潛水泵2.固液兩相流清水泵(潛水泵)提升48

揚(yáng)礦方法和工藝

礦漿泵提升優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、工作可靠。提升能力大、效率高達(dá)50%，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的揚(yáng)礦方法。問題：結(jié)核通過泵會(huì)造成泵的磨損及結(jié)核的粉化，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(yáng)要求的高壓礦漿泵。揚(yáng)礦方法和工藝礦漿泵提升優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、工作可靠。提升49水力泵揚(yáng)升系統(tǒng)(引自O(shè)MI)水力泵揚(yáng)升系統(tǒng)(引自O(shè)MI)50氣舉式提升法1.空壓機(jī)

2.固液兩相流

3.氣、固、液三相流

4.注氣管

氣舉式提升法51重介質(zhì)管道提升法1.水泵2.給礦機(jī)

3固、液兩相流

管道戽斗提升重介質(zhì)管道提升法管道戽斗提升52

礦漿泵提升揚(yáng)礦系統(tǒng)的組成

軟管軟管輸送泵中間艙給料機(jī)提升管兩臺(tái)多級(jí)潛水電泵洋面輸送管道和海水溢流排放管道

礦漿泵提升揚(yáng)礦系統(tǒng)的組成軟管53

揚(yáng)礦系統(tǒng)

工作過程

集礦機(jī)采集的錳結(jié)核由軟管和軟管輸送泵輸送至中間礦倉經(jīng)給料機(jī)緞帶入提升管道，通過兩臺(tái)多級(jí)潛水電泵揚(yáng)至洋面采礦船上，輸往船艙并在船艙中沉降，海水脫泥后經(jīng)溢流排放管缺口排入海中。揚(yáng)礦系統(tǒng)

工作過程集礦機(jī)采集的錳結(jié)核由軟管和軟管輸送泵輸54

揚(yáng)礦系統(tǒng)

工作原理

利用潛水電泵的動(dòng)力在管線內(nèi)外產(chǎn)生壓差，形成海水在管線內(nèi)的上升流，把結(jié)核提升至洋面。揚(yáng)礦系統(tǒng)

工作原理利用潛水電泵的動(dòng)力在管線內(nèi)外產(chǎn)生壓差，55揚(yáng)礦硬管

揚(yáng)礦硬管包括中間艙、揚(yáng)礦管道、管接頭、潛水電泵、升沉補(bǔ)償裝置、船面輸送管道和結(jié)核分離及海水排放管。揚(yáng)礦硬管揚(yáng)礦硬管包括中間艙、揚(yáng)礦管道、管接頭、潛水電泵、升56揚(yáng)礦管結(jié)構(gòu)揚(yáng)礦管結(jié)構(gòu)57管接頭結(jié)構(gòu)管接頭結(jié)構(gòu)58

國外揚(yáng)礦管線技術(shù)數(shù)據(jù)

揚(yáng)礦管名稱技術(shù)參數(shù)OMI海試揚(yáng)礦管線OMA海試揚(yáng)礦管線OMCO海試揚(yáng)礦管線日本設(shè)計(jì)海試揚(yáng)礦管線Preussag紅海海試揚(yáng)礦管線法國商業(yè)設(shè)計(jì)揚(yáng)礦管線內(nèi)徑(mm)215~224160~241150148~226

382外徑(mm)245178~298450168~298127406每節(jié)長(m)11113012

27總長(m)525044225000516022004800鋼級(jí)S135P110高強(qiáng)度綱高強(qiáng)度綱

高強(qiáng)度綱屈服強(qiáng)度(MPa)931774

抗拉強(qiáng)度(MPa)1000879

聯(lián)接方式螺紋螺紋與卡環(huán)螺紋螺紋

快速接頭

國外揚(yáng)礦管線技術(shù)數(shù)據(jù)揚(yáng)礦管OMI海試揚(yáng)礦管線OMA海試59揚(yáng)礦潛水泵采用兩臺(tái)6級(jí)潛水電泵作業(yè)，泵型為混流泵，總揚(yáng)程為600m水柱。揚(yáng)礦潛水泵采用兩臺(tái)6級(jí)潛水電泵作業(yè)，泵型為混流泵，總揚(yáng)程為660升沉補(bǔ)償裝置升沉補(bǔ)償裝置61升沉補(bǔ)償裝置具有三維空間補(bǔ)償能力，進(jìn)行上下升沉、縱