1、深海采矿技术深海采矿技术深海采矿技术深海采矿技术结核赋存在结核赋存在4000400060006000米深的洋底，开采过程米深的洋底，开采过程必须全部实现遥测遥控；必须全部实现遥测遥控； 洋底地形地貌相当复杂，洋底表层为剪切强度洋底地形地貌相当复杂，洋底表层为剪切强度仅仅03Kpa03Kpa的软泥层，并有海底洋流的影响；的软泥层，并有海底洋流的影响；整个采矿系统是在复杂的海洋气象和海洋环境整个采矿系统是在复杂的海洋气象和海洋环境下作业，必须进行准确系统的导航定位和保持下作业，必须进行准确系统的导航定位和保持整个系统的动态稳定；整个系统的动态稳定； 在高压条件下的密封、绝缘技术难度很大；在高压条件
2、下的密封、绝缘技术难度很大； 整个系统各组成单元的联接装置必须保证可靠整个系统各组成单元的联接装置必须保证可靠而快速的联接和拆卸；而快速的联接和拆卸；保证软管内矿石输送通畅是一个非常重要而复保证软管内矿石输送通畅是一个非常重要而复杂的问题杂的问题 ； 整个系统的可靠性要求极高，能及时诊断和自整个系统的可靠性要求极高，能及时诊断和自处理处理 ； 环境保护问题环境保护问题 。 按产业生产规模，从按产业生产规模，从5000-6000米的深米的深海底，将多金属结核连续、高效地采集海底，将多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上；并输送到海面采矿船上； 开采系统和设备不但技术上可行，而开采系统和设
3、备不但技术上可行，而且具有高度的可靠性、先进性和经济且具有高度的可靠性、先进性和经济性。性。用拖网型的集矿机收集，用管道提升；用拖网型的集矿机收集，用管道提升； 用铲斗状集矿机收集，用绳子或钢缆用铲斗状集矿机收集，用绳子或钢缆将铲斗拉上来；将铲斗拉上来；用拖网型的集矿机收集，用集矿机自用拖网型的集矿机收集，用集矿机自身的浮力将之运至海面身的浮力将之运至海面 。 海底拖撬采矿系统海底拖撬采矿系统 单船式连续绳斗式采矿单船式连续绳斗式采矿 双船式连续绳斗式采矿系统双船式连续绳斗式采矿系统 系统设备简单、易于操作、维系统设备简单、易于操作、维修方便、投资小、投产快等。修方便、投资小、投产快等。优点：
4、优点：缺点：缺点：采矿效率和资源回收率低、作采矿效率和资源回收率低、作业受地形条件影响大、绳索易业受地形条件影响大、绳索易缠结等。缠结等。 20世纪世纪80年年代，法国对自动代，法国对自动穿梭式采矿车系穿梭式采矿车系统进行了研究尝统进行了研究尝试。试。 设备独立、灵活性好，采集效设备独立、灵活性好，采集效率较高，回采损失小，能大幅率较高，回采损失小，能大幅度提高结核产量。度提高结核产量。优点：优点：缺点：缺点：要求非常先进的设备制作技术要求非常先进的设备制作技术和遥控技术，造价很高，开发和遥控技术，造价很高，开发难度较大。难度较大。 组成：集矿机组成：集矿机输送软管输送软管中间矿仓中间矿仓刚性
5、扬矿管刚性扬矿管采矿船采矿船 组成：集矿机组成：集矿机输送软管输送软管中间矿仓中间矿仓刚性扬矿管刚性扬矿管采矿船采矿船 作业过程作业过程 集矿机在海底采集结核集矿机在海底采集结核(能自动行走能自动行走或由采矿船经刚性管道拖拽行走或由采矿船经刚性管道拖拽行走)，采集，采集的结核在集矿机内清洗脱泥和破碎后，的结核在集矿机内清洗脱泥和破碎后，经软管输送到连接于刚性扬矿管下端的经软管输送到连接于刚性扬矿管下端的中间矿仓，然后结核在刚性管道中以浆中间矿仓，然后结核在刚性管道中以浆体形式被扬送到海面采矿船上。体形式被扬送到海面采矿船上。 分类分类水力提升水力提升气力提升气力提升轻介质提升轻介质提升 履带式
6、集矿机履带式集矿机 水下采矿航行器水下采矿航行器 系统生产能力系统生产能力 年产量：干结核年产量：干结核3106t 年限：年限：20年连续开采年连续开采 富矿面积：富矿面积：2104 km2区域区域 系统日、小时生产能力系统日、小时生产能力 每年有效工作日：每年有效工作日：250d/a 每天效作业时间：每天效作业时间：20h 日额定产量：日额定产量：6000t/d 小时额定产量：小时额定产量：300t/h 集矿机：在海底采集结核矿石，并进行初处理，集矿机：在海底采集结核矿石，并进行初处理，向扬矿子系统供矿；向扬矿子系统供矿；扬矿子系统：将采集的结核矿石经管道提升到扬矿子系统：将采集的结核矿石经
7、管道提升到海面采矿船；海面采矿船；监控子系统：定位、作业控制和管理；监控子系统：定位、作业控制和管理；采矿船：深海采矿作业平台，为海下设备提供采矿船：深海采矿作业平台，为海下设备提供支承、动力、设备存放和维修，同时完成结核支承、动力、设备存放和维修，同时完成结核矿石贮存和向运输船转运；矿石贮存和向运输船转运；运输支持子系统：将结核矿石运输到口岸，向运输支持子系统：将结核矿石运输到口岸，向采矿船供应补给品及人员轮班。采矿船供应补给品及人员轮班。 集矿机采集路线集矿机采集路线 采矿船采矿船 组成组成 实验用集矿机外观图实验用集矿机外观图 组成组成 行进装置：具有支持和行进功能，集矿机在海底的运动，
8、必须考虑行进装置：具有支持和行进功能，集矿机在海底的运动，必须考虑沉积物的承载力或剪切力。集矿机应能处理一定的斜坡以及小的障沉积物的承载力或剪切力。集矿机应能处理一定的斜坡以及小的障碍物；碍物；集矿装置：在海底拾收锰结核或吸取锰结核集矿装置：在海底拾收锰结核或吸取锰结核-沉积物混合物，集矿沉积物混合物，集矿装置是集矿机的核心；装置是集矿机的核心；分选装置：洗去沉积物和结核细小微粒，有的还可拒绝大颗粒结核分选装置：洗去沉积物和结核细小微粒，有的还可拒绝大颗粒结核或异物；或异物；碎矿装置：将结核粉碎到适于提升的粒径；碎矿装置：将结核粉碎到适于提升的粒径；稳定装置：又称稳定片，当集矿机受到翻转、颠簸
9、等作用力时，起稳定装置：又称稳定片，当集矿机受到翻转、颠簸等作用力时，起到稳定作用；到稳定作用； 漂浮装置：减小集矿机与海底之间的相互作用力，防止集矿机深陷漂浮装置：减小集矿机与海底之间的相互作用力，防止集矿机深陷入沉积物；入沉积物； 组成组成 给料机构和收集仓：给料机构协助提升，收集仓暂存结核。给料机构和收集仓：给料机构协助提升，收集仓暂存结核。机架：一方面支承装在集矿机上的机器，同时缓和着底、离底机架：一方面支承装在集矿机上的机器，同时缓和着底、离底时的冲击。另外当集矿机入库、操作和海底拖航时，机架具有时的冲击。另外当集矿机入库、操作和海底拖航时，机架具有承载这些负荷的能力。承载这些负荷的
10、能力。电力、检测控制装置：电力装置由潜水马达、水中变压器、水电力、检测控制装置：电力装置由潜水马达、水中变压器、水中分电箱、电动机操作柜组成，体积小、重量轻并可靠，检测中分电箱、电动机操作柜组成，体积小、重量轻并可靠，检测控制装置由船上控制台和各种水中传感器组成，监视集矿机各控制装置由船上控制台和各种水中传感器组成，监视集矿机各装置的工作性能；装置的工作性能；液压装置：在集矿机内装有一阀门，当发生堵塞时以迅速排除液压装置：在集矿机内装有一阀门，当发生堵塞时以迅速排除堵塞，另外还有一阀门用于调整集矿量，液压装置主要控制这堵塞，另外还有一阀门用于调整集矿量，液压装置主要控制这两个阀门工作。两个阀门
11、工作。 集矿方法类型集矿方法类型 集矿机的分类集矿机的分类水利式采集器水利式采集器 机械式采集器机械式采集器 混合式采集器混合式采集器 海底行走车海底行走车滑板型滑板型(Stcd Type)车轮型车轮型(Wheel Type)挂链式驱动型挂链式驱动型(Hanging Chain Type)履带式无轨道型履带式无轨道型(Caterpiller Type)螺旋推进叶轮型螺旋推进叶轮型(Archimedean Screw Type)机械行走型机械行走型(Mechanical Leg Type) 行走装置类型行走装置类型 集矿技术的试验研究集矿技术的试验研究国外集矿技术的试验研究主要包括如下几个阶段：
12、国外集矿技术的试验研究主要包括如下几个阶段： (1)室内水槽试验；室内水槽试验； (2浅海试验；浅海试验； (3)深海试验；深海试验； (4)中间试验。中间试验。 室内水槽试验最为关键，满足主要工作要求的集室内水槽试验最为关键，满足主要工作要求的集矿机模型在此阶段产生，其它各阶段试验主要起到矿机模型在此阶段产生，其它各阶段试验主要起到检验和修正的作用。检验和修正的作用。 集矿机一般需进行以下试验集矿机一般需进行以下试验 A.集矿性能集矿性能集矿性能集矿性能破碎、供给性能破碎、供给性能B. 运动性能运动性能水中稳定性能水中稳定性能着底、离底性能着底、离底性能海底拖航性能海底拖航性能 长沙矿山院设
13、计制造的集矿机长沙矿山院设计制造的集矿机 长沙矿冶院设计制造的集矿机长沙矿冶院设计制造的集矿机 环境基础数据环境基础数据平均风速：平均风速：8m/s海浪：海浪：6级海况，浪高级海况，浪高5m，周期，周期10s 4级海况，浪高级海况，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海面水温：海面水温：2230.2 ，平均，平均28.2 ；海底；海底：14 海水密度：表层海水密度：表层1022kg/m3 ，5000m深深1052kg /m3 ，平均，平均1037kg /m3 扬矿技术参数扬矿技术参数扬矿能力：扬矿能力：30t/h(干结核干
14、结核)，43t/h (湿结核湿结核)扬矿体积浓度：扬矿体积浓度：5%10%结核提升粒径：结核提升粒径：50mm50mm1.7m/s；海底最大：；海底最大：0.15m/s矿区水深：矿区水深：49005200m，管线长，管线长5000m系统扬矿效率：系统扬矿效率：50% 扬矿子系统的功能：扬矿子系统的功能：泵升或抽吸矿浆；泵升或抽吸矿浆；控制矿浆的流动；控制矿浆的流动；作为矿浆的导管集矿机连接；作为矿浆的导管集矿机连接；若用拖拽集矿机，为集矿机提供前进若用拖拽集矿机，为集矿机提供前进力；力；连接集矿子系统电缆和通讯线的支撑连接集矿子系统电缆和通讯线的支撑物；物； 扬矿子系统的功能：扬矿子系统的功能
15、：能抵抗由于船体摇摆，水柱运动产生的能抵抗由于船体摇摆，水柱运动产生的不稳定状态；不稳定状态；能抵抗由于集矿机遇到地形变化时对管能抵抗由于集矿机遇到地形变化时对管道产生的影响；道产生的影响；能够支撑其自身及安装于其上的各种仪能够支撑其自身及安装于其上的各种仪器设备的重量。器设备的重量。 空气泵提升空气泵提升优点：优点：扬矿扬矿管道中无运动件、工艺简扬矿扬矿管道中无运动件、工艺简单可靠可行的显著优点单可靠可行的显著优点缺点：扬矿效率较低，最大不超过缺点：扬矿效率较低，最大不超过20%20%。气力扬升系统气力扬升系统 射流泵提升射流泵提升优点：优点：扬矿扬矿管道中无运动件、工艺简扬矿扬矿管道中无运
16、动件、工艺简单单缺点：缺点：扬矿效率较低，最大不超过扬矿效率较低，最大不超过10%，而且需要多级射流泵串联作业，其总效率而且需要多级射流泵串联作业，其总效率还会进一步下降。还会进一步下降。射流式提升法射流式提升法1.水泵水泵 2.喷嘴喷嘴 3. 固液两相流气固液固液两相流气固液三相流三相流 轻介质浮子提升轻介质浮子提升问题：问题：由于压缩空气膨胀和液体轻介质难由于压缩空气膨胀和液体轻介质难于与清水分离的缺点，但存在着轻介质浮于与清水分离的缺点，但存在着轻介质浮子难于注入扬矿管道和高压破损，不能重子难于注入扬矿管道和高压破损，不能重复使用。复使用。轻介质液体提升法轻介质液体提升法1.泵泵 2.轻
17、介质液体轻介质液体 3固、液轻介质混合体固、液轻介质混合体 4.分离器分离器浮子提升法浮子提升法1.泵泵 2.介质介质+浮子浮子 3固、液浮子固、液浮子混合体混合体 4.分离器分离器 清水泵提升清水泵提升优点：优点：结核不通过泵，减少泵的磨损，扬结核不通过泵，减少泵的磨损，扬矿效率高。矿效率高。缺点：需要实现洋底的高压给料，给料装缺点：需要实现洋底的高压给料，给料装置复杂，可靠性差。置复杂，可靠性差。清水泵清水泵(潜水泵潜水泵)提升提升1. 潜水泵潜水泵 2.固液两相流固液两相流 矿浆泵提升矿浆泵提升优点：工艺简单、工作可靠。提升能力大、优点：工艺简单、工作可靠。提升能力大、效率高达效率高达5
18、0%，被认为是最有应用前景的，被认为是最有应用前景的扬矿方法。扬矿方法。问题：问题：结核通过泵会造成泵的磨损及结核结核通过泵会造成泵的磨损及结核的粉化，但磨损和粉化都不严重。的粉化，但磨损和粉化都不严重。技术关键：研制出寿命长、符合扬要求的技术关键：研制出寿命长、符合扬要求的高压矿浆泵。高压矿浆泵。水力泵扬升系统水力泵扬升系统(引自引自OMI) 气举式提升法气举式提升法1.空压机空压机 2.固液两相流固液两相流 3.气、固、液三相流气、固、液三相流 4.注气管注气管 重介质管道提升法重介质管道提升法1.水泵水泵 2.给矿机给矿机 3固、液两相流固、液两相流 管道戽斗提升管道戽斗提升 软管软管软
19、管输送泵软管输送泵中间舱中间舱给料机给料机提升管提升管两台多级潜水电泵两台多级潜水电泵洋面输送管道和洋面输送管道和海水溢流排放管道海水溢流排放管道 集矿机采集的锰结核由集矿机采集的锰结核由软管和软管输送泵输送软管和软管输送泵输送至中间矿仓经给料机缎至中间矿仓经给料机缎带入提升管道，通过两带入提升管道，通过两台多级潜水电泵扬至洋台多级潜水电泵扬至洋面采矿船上，输往船舱面采矿船上，输往船舱并在船舱中沉降，海水并在船舱中沉降，海水脱泥后经溢流排放管缺脱泥后经溢流排放管缺口排入海中。口排入海中。 利用潜水电泵的动利用潜水电泵的动力在管线内外产生力在管线内外产生压差，形成海水在压差，形成海水在管线内的上
20、升流，管线内的上升流，把结核提升至洋面。把结核提升至洋面。 扬矿硬管包括中间扬矿硬管包括中间舱、扬矿管道、管舱、扬矿管道、管接头、潜水电泵、接头、潜水电泵、升沉补偿装置、船升沉补偿装置、船面输送管道和结核面输送管道和结核分离及海水排放管。分离及海水排放管。 国外扬矿管线技术数据国外扬矿管线技术数据 扬 矿扬 矿管管名 称名 称技术参数技术参数O M I 海海试 扬 矿试 扬 矿管线管线OMA海海试 扬 矿试 扬 矿管线管线O M C O海 试 扬海 试 扬矿管线矿管线日 本 设日 本 设计 海 试计 海 试扬 矿 管扬 矿 管线线Preussag红 海 海红 海 海试 扬 矿试 扬 矿管线管线
21、法 国 商法 国 商业 设 计业 设 计扬 矿 管扬 矿 管线线内径内径(mm)215224160241150148226 382外径外径(mm)245178298450168298127406每节长每节长(m)11113012 27总长总长(m)525044225000516022004800钢级钢级S135P110高 强 度高 强 度纲纲高 强 度高 强 度纲纲 高 强 度高 强 度纲纲屈 服 强 度屈 服 强 度(MPa)931774 抗 拉 强 度抗 拉 强 度(MPa)1000879 联接方式联接方式螺纹螺纹螺 纹 与螺 纹 与卡环卡环螺纹螺纹螺纹螺纹 快 速 接快 速 接头头采用两
22、台采用两台6 6级潜水电泵作业，泵型为混级潜水电泵作业，泵型为混流泵，总扬程为流泵，总扬程为600m600m水柱。水柱。具有三维空间补偿能力，进行上下升具有三维空间补偿能力，进行上下升沉、纵摇、横摇的补偿。沉、纵摇、横摇的补偿。缓冲和减小海洋海浪、海流、拖航产缓冲和减小海洋海浪、海流、拖航产生的船的运动对扬矿系统的影响，降生的船的运动对扬矿系统的影响，降低扬管承受的环境载荷，保证作业安低扬管承受的环境载荷，保证作业安全。全。被动式补偿，升沉补偿采用油缸被动式补偿，升沉补偿采用油缸- -蓄能蓄能器器- -气库模式。气库模式。缓解集矿机结核采集量的变化对扬矿缓解集矿机结核采集量的变化对扬矿作业的影
23、响，保证扬矿系统稳定在设作业的影响，保证扬矿系统稳定在设计参数下运行，并为水下设备提供安计参数下运行，并为水下设备提供安装平台。装平台。由摆动联接装置、框架、仓体、给料由摆动联接装置、框架、仓体、给料机、紧急排矿阀、设备安装平台、液机、紧急排矿阀、设备安装平台、液压系统等主要部件组成。压系统等主要部件组成。采用框架式结构采用框架式结构构成：输送泵、软管、浮力装置和与集构成：输送泵、软管、浮力装置和与集矿机及中间舱的连接机构等矿机及中间舱的连接机构等功能：功能： 1 1 输送多金属结核；输送多金属结核； 2 2 通过软管的变形和位移，保证集矿机通过软管的变形和位移，保证集矿机有一定的相对自由行驶
24、的活动区域；有一定的相对自由行驶的活动区域； 3 3 在集矿作业时，有效隔离来自采矿船在集矿作业时，有效隔离来自采矿船- -中间舱的扰动；中间舱的扰动； 4 4 软管充当集矿机下放及回收中的起重软管充当集矿机下放及回收中的起重缆索和挂钩；缆索和挂钩； 5 5 悬挂水下电缆。悬挂水下电缆。6.4 6.4 深海采矿技术的现状深海采矿技术的现状 美国美国 日本日本 法国法国 英国英国 德国德国 意大利意大利 俄罗斯俄罗斯 中国中国 思考题思考题 分析深海采矿的技术难度分析深海采矿的技术难度 三种深海采矿系统的组成三种深海采矿系统的组成, ,工作过程及优工作过程及优缺点缺点 集矿技术的试验研究包括哪几个阶段，集矿技术的试验研究包括哪几个阶段，哪个阶段最关键，为什么哪个阶段最关键，为什么 扬矿子系统的功能扬矿子系统的功能
