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1、海洋采矿的技术难度海洋采矿的技术难度工艺过程工艺过程集矿机将赋存在大面积洋底的结核采集矿机将赋存在大面积洋底的结核采集起来，经过脱泥、破碎、经软管输送到集起来，经过脱泥、破碎、经软管输送到水下中间平台的中继料仓里，然后由给料水下中间平台的中继料仓里，然后由给料机将结核给入扬矿主管道，由提升泵将其机将结核给入扬矿主管道，由提升泵将其提升到洋面采矿船上。提升到洋面采矿船上。 技术难度技术难度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
2、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； 技术难度技术难度在高压条件下的密封、绝缘技术难度很大；在高压条件下的密封、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
3、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。 深海多金属结核的深海多金属结核的开采系统开采系统结核开采的基本任务结核开采的基本任务按产业生产规模，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。结核开结核开采技术方案采技术方案用拖网型的集矿机收集，用管道提升；用拖网
4、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。海底拖撬系统海底拖撬系统 海底拖撬采矿系统海底拖撬采矿系统连续链斗采矿系统连续链斗采矿系统(CLB) 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连续链斗采矿系统连续链斗采矿系统(CLB) 系系统统设设备备简简单单、易易于于操操作作、维维修方便、投资小、投产快等。修方便、投资小、投产快等。优点：优点：缺点：缺点：采矿效率和资源
5、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。自动穿梭式采矿车采矿系统自动穿梭式采矿车采矿系统 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。自动穿梭式采矿车采矿系统自动穿梭式采矿车采矿系统 设设备备独独立立、灵灵活活性性好好，采采集集效效率率较较高高，回回采采损损失失小小，能能大大幅幅度提高结核产量。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
6、：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集矿机与扬矿管道集矿机与扬矿管道结合的流体提升采结合的流体提升采矿系统矿系统 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
7、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。集矿机与扬矿管道结合的流体提升采集矿机与扬矿管道结合的流体提升采矿系统矿系统 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集矿机与扬矿管集矿机与扬矿管道结合的流体提道结合的流体提升采矿系统升采矿系统 履带式集矿机履带式集矿机 水下采矿航行器水下采矿航行器多金属结核开采系统基本参数多金属结核开采系统基本参数 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：2104km2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：2
8、50d/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采矿系统的组成采矿系统的组成采矿体系的组成及功能采矿体系的组成及功能 集集矿矿机机：在在海海底底采采集集结结核核矿矿石石，并并进进行行初初处处理理，向扬矿子系统供矿；向扬矿子系统供矿；扬扬矿矿子子系系统统：将将采采集集的的结结核核矿矿石石经经管管道道提提升升到到海面采矿船；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；采采矿矿船船：深深海海采采矿矿作作业业平平台台，为为海海下下设设备备提提供供支支承承、动动力力、设设备备存存放放和和维维
9、修修，同同时时完完成成结结核核矿石贮存和向运输船转运；矿石贮存和向运输船转运；运运输输支支持持子子系系统统：将将结结核核矿矿石石运运输输到到口口岸岸，向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集矿机与扬矿管道结合集矿机与扬矿管道结合的流体提升采矿系统的流体提升采矿系统 采矿船采矿船 集矿机集矿机组成组成实验用集矿机外观图实验用集矿机外观图 集矿机集矿机组成组成行行进进装装置置：具具有有支支持持和和行行进进功功能能，集集矿矿机机在在海海底底的的运运动动，必必须须考考虑虑沉沉积积物物的的承承载载力力或或剪剪切切力力。集集矿矿机机应应能能处处理理一一定
10、定的的斜斜坡坡以以及及小小的的障障碍物；碍物；集集矿矿装装置置：在在海海底底拾拾收收锰锰结结核核或或吸吸取取锰锰结结核核-沉沉积积物物混混合合物物，集集矿矿装装置是集矿机的核心；置是集矿机的核心；分分选选装装置置：洗洗去去沉沉积积物物和和结结核核细细小小微微粒粒，有有的的还还可可拒拒绝绝大大颗颗粒粒结结核核或异物；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；稳稳定定装装置置：又又称称稳稳定定片片，当当集集矿矿机机受受到到翻翻转转、颠颠簸簸等等作作用用力力时时，起起到稳定作用；到稳定作用；漂漂浮浮装装置置：减减小小集集矿矿机机与与海海底底之之间间的的相相互
11、互作作用用力力，防防止止集集矿矿机机深深陷陷入沉积物；入沉积物； 集矿机集矿机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。机机架架：一一方方面面支支承承装装在在集集矿矿机机上上的的机机器器，同同时时缓缓和和着着底底、离离底底时时的的冲冲击击。另另外外当当集集矿矿机机入入库库、操操作作和和海海底底拖拖航航时时，机机架架具具有有承载这些负荷的能力。承载这些负荷的能力。电电力力、检检测测控控制制装装置置：电电力力装装置置由由潜潜水水马马达达、水水中中变变压压器器、水水中中分分电电箱箱、电电动动机机操操作作柜柜组组成成，体体积积小小、
12、重重量量轻轻并并可可靠靠，检检测测控控制制装装置置由由船船上上控控制制台台和和各各种种水水中中传传感感器器组组成成，监监视视集集矿矿机机各各装置的工作性能；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。两个阀门工作。 集矿机集矿机集矿方法类型集矿方法类型 集矿机集矿机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 集矿机集矿机海底行走车海底行走车滑
13、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) 集矿机集矿机行走装置类型行走装置类型 集矿机集矿机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：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)
14、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。 集矿机集矿机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 集矿机集矿机 长沙矿山院设计制造的集矿机长沙矿山院设计制造的集矿机 集矿机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 扬矿子系统扬矿
15、子系统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10s4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 扬矿子系统扬矿子系统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
16、：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% 扬矿子系统扬矿子系统扬矿子系统的功能：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； 扬矿子系统扬矿子系统扬矿子系统的功能：扬矿子系统的功能：能抵抗由于船体摇摆，水柱运动产生的能抵抗由于
17、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。 扬矿方法和工艺扬矿方法和工艺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扬矿方法和工艺扬矿方法和工艺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
18、道中无运动件、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.固固液液两两相相流流气气固固液液三相流三相流 扬矿方法和工艺扬矿方法和工艺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
19、介质液体提升法1.泵泵2.轻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.介介质质+浮浮子子3固固、液液浮浮子子混合体混合体4.分离器分离器 扬矿方法和工艺扬矿方法和工艺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 扬矿方法和工艺扬矿方法和工艺矿浆泵提升矿浆泵提升优点：工艺简单、工作可靠。
20、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50%，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。技技术术关关键键：研研制制出出寿寿命命长长、符符合合扬扬要要求求的的高压矿浆泵。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
21、固、液两相流管道戽斗提升管道戽斗提升 矿浆泵提升扬矿浆泵提升扬矿系统的组成矿系统的组成软管软管软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 扬矿系统扬矿系统工作过程工作过程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
22、入海中。口排入海中。 扬矿系统扬矿系统工作原理工作原理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。 扬矿硬管扬矿硬管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。扬矿管结构扬矿管结构管接头管接头结构结构国外扬矿管线技术数据国外扬矿管线技术数据扬扬 矿矿管管名名 称称技术参数技术参数OMI海海试试 扬扬 矿矿管线管线OMA海海试试
23、 扬扬 矿矿管线管线OMCO海海 试试 扬扬矿管线矿管线日日 本本 设设计计 海海 试试扬扬 矿矿 管管线线Preussag红红 海海 海海试试 扬扬 矿矿管线管线法法 国国 商商业业 设设 计计扬扬 矿矿 管管线线内径内径(mm)215224160241150148226382外径外径(mm)245178298450168298127406每节长每节长(m)1111301227总长总长(m)525044225000516022004800钢级钢级S135P110高高 强强 度度纲纲高高 强强 度度纲纲高高 强强 度度纲纲屈屈 服服 强强 度度(MPa)931774抗抗 拉拉 强强 度度(MP
24、a)1000879联接方式联接方式螺纹螺纹螺螺 纹纹 与与卡环卡环螺纹螺纹螺纹螺纹快快 速速 接接头头扬矿潜水泵扬矿潜水泵采用两台采用两台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。升沉补偿装置升沉补偿装置升沉补偿装置升沉补偿装置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。
25、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。中间矿舱中间矿舱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软管输送系统软管输送系统构成：输送泵、软管、浮力装置和与集构成：输送泵、
26、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软管输送系统软管输送系统功能：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
