（机械设计及理论专业论文）深海钴结壳螺旋滚筒切削采集法的理论及实验研究.pdf

中南大学博士学位论文 摘要 占地球面积7 1 的海洋，是大自然留给人类社会最宝贵的财富，是人类拥有的巨大的 资源宝库。当今世界越来越重视海洋资源的开发利用，许多国家已经把开发利用海洋资源作 为基本国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时代”大 洋采矿是海洋高科技的前沿，资源开发的“制高点”。 深海富钴结壳是一种生长在水深5 0 0 3 0 0 0 m 平坦海山坡上，富含有钴、银、铜、金、 铂、锑及稀土元素的多金属矿石，其中多种元素的含量均超过陆地上的矿蒇。髓着陆地矿产 资源的日趋枯竭和人类对海洋的认识日益深化，大洋钴结壳资源已成为世界各国瞩目的2 1 世纪具有商业开发前景的战略资源。根据专家预测，本世纪中叶就有可能进入钻结壳商业开 采的阶段。 为正确把握国际海底区域资源研究开发形势，稳步推进我国国际海底资源开发事业，中 国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国际海底区域研究开发“十五”计划和国际 海底区域研究开发“十五”立项指南中均将“钴结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 一0 1 ) 和“钴 结壳采集模型机关键技术及装备研究”( d y l 0 5 0 3 0 2 ) 立为开发研究的重点项目。 本论文就是在这种背景和形势下，从理论上对钴结壳深海采矿技术进行技术论证和可行 性分析，寻求深海采集富钻结壳资源较好的技术路线和采矿方案。作者在查阅丈量文献的基 础上，综合分析了国内外钴结壳资源开发技术研究的现状以及未来的发展趋势，论证了我国 开展深海富钴结壳资源的开发研究的必要性和迫切性；借鉴大洋锰结核开发研究的经验和成 果，成功地将现代化采煤的理论和方法应用到深海富钴结壳的开发研究上，通过对比分析认 为：采用“海底自行履带式采矿车( 螺旋滚筒式采矿头) 水力吸引集矿装置管道扬 矿系统”的钴结壳开采技术方案在我国不仅是可行的，而且是最经济、最快速的，可以说是 目前最佳的方案选择。 作者从断裂力学和岩石力学的观点出发，分析了钴结壳在螺旋滚筒式切削刀具作用下的 破碎机理，通过对螺旋滚筒运动特性的研究，建立了其截齿运动的运动学方程，通过计算机 仿真得出：螺旋滚筒式工作机构切削钴结壳时，切屑的形状是“镰刀”的一部分，并推导出 了这种切屑的平均切屑厚度的近似计算方法；然后根据深海开采钴结壳的特殊的工作条件， 分析了螺旋滚筒截齿平均载荷的计算方法，以及在设计过程中参数的选择依据，建立了螺旋 滚筒平均能量消耗的数学模型。 作者根据螺旋滚筒式切削头切削钴结壳的粒度特性方程，对开采钴结壳期望的粒度组成 进行了分析和计算。为了克服了螺旋滚筒传统设计方法无法直接预测切削效果的缺陷，作者 还编制了专门绘制截齿排列与切削图分析的计算机软件，提高了设计水平，缩短了设计周期， 为螺旋滚筒切削头的设计提供了一种新方法。 作者建立了螺旋滚筒载荷波动的数学模型，编制了专门计算螺旋滚筒载荷及其波动性 指标的计算机程序，为校验和优化设计的螺旋滚筒式切削头提供了方便。 最后根据上述研究，作者设计制造了螺旋滚筒采掘头模拟实验台，并对其进行了实验 研究，通过实验测试证明，实验结果与设计结果吻合良好，达到了预期的理论研究的目的。 本论文分析并研究了螺旋滚筒式截齿切削法在深海开采钴结壳过程中所面临的实际问 题，并根据钻结壳开采的具体条件，根据相关的科学技术和研究成果，在理论上探讨了深海 钴结壳开采采矿头的设计方案，为在本世纪中叶实现钴结壳的商业化开采进行了技术上的储 各和理论上的论证。 虽然本论文中螺旋滚筒式切削头的设计是专门针对大洋富钴结壳采集进行的，但其中的 中南大学博士学位论文 一些设计思想和方法( 或稍做调整) 仍然可以借鉴到其它海洋资源的开发和有关的切削头设 计上。因此，不论从经济效益和维护国家海洋权益的政策方针角度上看，本论文不仅对开发 大洋钴结壳等矿产资源具有十分重要的意义，同时它也为传统的螺旋滚筒式切削头设计提供 了一种新的设计方法和有力的手段。 关键词：大洋矿产深海采矿钻结壳螺旋滚筒切削头 2 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t o c e a n ，w h i c hc o v e r e do u re a r t ha l m o s t7 1 w a st h em o s tv a l u e dw e a l t ha n d r e s o u r c et r e a s u r yo f h u m a n b e i n g sg i v e nb yt h en a t u r e t o d a ye x p l o i t i n ga n du s i n gt h e o c e a nr e s o u r c e si s a t t a c h i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ot h ew o r l d ，a n dh a sb e e n t a k e na sab a s i cn a t i o n a lp o l i c yb ym a n yc o u n t r i e s ；s o m ef a m o u sp o l i t i c i a n sa n d e c o n o m i s t sa l lp r e d i c t e d ：“2l c e n t u r yw i l lb et h ea g eo fo c e a ne c o n o m y o c e a n i c m i n i n gw a st h ef o r e l a n do fo c e a nh i g h t e c h a n dt h e p i o n e e r - s p o t f o r e x p l o i t i n g r e s o u r c e s d e e p s e ac o b a l te n r i c h i n g c r u s ti sa p o l y m e t a l l i cm i n e r a lw i d e l ys p r e a d e da tf l a t s e a m o u n t sr a n g e df r o m5h u n d r e dt o3t h o u s a n dm e t e r s ，w h i c hw a sa b u n d a n tw i t h c o b a l t ，a r g e n t i n e ，c o p p e r , g o l d ，p l a t i n u m ，a n t i m o n y , l a n t h a n u ma n ds oo n ，a n dt h e g r o s so f a 1 0 to f e l e m e n t si ni te x c e e di to f t h e l a n d a l o n gw i t hl a n dm i n e r a lr e s o u r c e s u s e du pb yh u m a nb e i n g sa n dw eu n d e r s t o o dt h eo c e a nm o r ea n dm o r e ，0 c e a n i c c o b a l tc r u s tr e s o u r c eh a sb e e nac o m m e r c i a lf o r e g r o u n ds t r a t e g i c a l l yr e s o u r c ei n2 1 c e n t u r yw h i c hw a sf o c u s e dt h ei n t e m a t i o n a la t t e n t i o nu p o n b a s e do ns o m ee x p e r t s f o r e c a s t ，i nt h em i d d l eo f t h i sc e n t u r yc o b a l tc r u s t sc o m m e r c i a la n dc o m i c a lm i n i n g w o u l db ep o s s i b l e ， b e c a u s eo fo u rc a p a b i l i t yo f e x p l o i t i n ga n dd e v e l o p i n gt h eo c e a n w a sn o ta sw e l l a st h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a n do u ri n v e s t m e n tw a sr a t h e rl i t t l e ，c a r r y i n go u ta1 0 to f p r a c t i c a lm o d e le x a m i n a t i o n sw h i c h n e e dm u c hm o n e yi no c e a nw o u l db eo u to ft h e q u e s t i o n ，w em u s tt a k i n gu s eo f t h et e c h n o l o g yo fm o d e m s i m u l a t i o n ，s i m u l a t i n ga l l t h ec o u r s eo fd e e ps e ar e s o u r c e s e x p l o i t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ek e ye q u i p m e n t ， i m p r o v i n gt h er e s e a r c he 街c i e n c ya n dp a c eo fd e e ps e ar e s o u r c e se x p l o i t i n g a n d d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , r e d u c i n gt h er i s ka n dd e p r e s s i n g t h ei n v e s t m e n ti nd e e ps e a m i n i n g t h ed i s s e r t a t i o nw a si u s ta tt h i sp o s i t i o na n dc o n d i t i o n ，o nt h eb a s e so ft a k i n g t e c h n o l o g i c a ld e m o n s t r a t i o no f c o b a l tc r u s tc o l l e c t i o ni nd e e ps e aa n dt h ea n a l y s i so f i t sf e a s i b i l i t y , 1 0 0 k i n gf o rae c o n o m i c a la n de 伍c i e n tm e t h o do rt e c h n o l o g i c a lr o u t et o c o l l e c tt h ec o b a l t e n r i c h i n gc r u s ti nd e e ps e a o nt h eb a s e so fc o n s u l t i n gal o to f r e f e r e n c e s ，a u t h o ra n a l y z e dt h es t a t u sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n di nt h ef u t u r eo ft h e c o b a l tc r u s tr e s o u r c e sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ，p r o v e d t h e n e c e s s a r y a n d i m m a n e n c y t os t a r tu pd e e p s e ac o b a l t e n r i c h i n gc r u s te x p l o i t i n ga n dr e s e a r c h ；t a k i n g u s eo ft h ee x p e r i e n c e sa n da c h i e v e m e n t si ne x p l o i t i n go c e a nm a n g a n e s en o d u l e ， a u t h o rs u c c e s s f u l l ya p p l i e dt h em e t h o d sa n dt h e o r i e so fm o d e mc o a lm i n i n gi n t o d e e p s e ac o b a l t e n r i c h i n gc r e s te x p l o i t i n ga n dr e s e a r c h ，c o n t r a s t e da n dt h o u g h t t h a ti t w a sn o to n l yaf e a s i b l es c e n a r i o ，b u ta l s ot h em o s te c o n o m i c a la n dm a y b eb et h em o s t o p t i m a lt e c h n o l o g i c a ls c h e m et oe x p l o i tc o b a l tc r u s t a t p r e s e n tc o n d i t i o n ，a p p l y i n g “s e a b e dc a t e r p i l l e r t y p em i n i n gv e h i c l ep r o v i d e di t so w n p r o p u l s i o n ( c o n s i s t i n go f a s e r i e so fs p i r a ld r u mm i n i n gh e a d s 卜h y d m u l i cs u c t i o ns y s t e m - - p i p e l i n e l i f t s y s t e m f i r s to fa l lt h ea u t h o ri nt h ev i e wo fr o c k sc r a c k e dp r i n c i p l e ，a n a l y z e dt h e c r a c k e dp r i n c i p l eo fc o b a l tc r u s ta p p l y i n gs p i r a ld r u mt y p ec u t t i n gh e a d ，b u i l tu pi t s c u t t e r sk i n e t i ce q u a t i o na n dt h o u g h t ，o nt h ec o u r s eo f s p i r a ld r u mc u t t i n gc o b a l tc r u s t ， 中南大学博士学位论文 t h et y p eo f f r a g m e n tm o u l d b ea p a r to f “r e a p i n g ”，a n dc o n c l u d e dt h ea p p r o x i m a t e l y c a l c u l a t ee q u a t i o nf o ri t s a v e r a g et h i c k n e s s ；t h e na u t h o ra c c o r d i n gt ot h ee s p e c i a l w o r k i n gc o n d i t i o no fe x p l o i t i n gc o b a l tc r u s ti nd e e ps e a ，a n a l y z e dt h ec a l c u l a t e m e t h o do ft h ec u t t e r s a v e r a g e1 0 a do fs p i r a ld r u m a n dt h er e a s o no fc h o o s i n gt h e p a r a m e t e r si nd e s i g n i n g ，b u i l tu pt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f t h es p i r a ld r u m sa v e r a g e e n e r g yw a s t i n g a tt h es a m et i m et h ea u t h o ra c c o r d i n gt ot h ef r a g m e n tc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no f c o b a l tc r u s tc r a c k e db y s p i r a lr o l l e r , a n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h ef r a g m e n tp e r c e n to f c o b a l tc r u s t i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g et h a ti tc o u l dn o td i r e c t l yf o r e c a s tt h e c u t t i n ge f f e c ti nt h es p i r a ld r u mt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，a u t h o re s p e c i a l l yw r o t e s o m ec o m p u t e r p r o g r a m st op r o t r a c tt h ec u t t e ra r r a n g e m e n ta n da n a l y z ec u t t i n gc h a r t ， p r o m o t e dt h e l e v e la n ds h o r t e dt h e c y c l eo fd e s i g n p r o v i d e dan e wm e t h o df o r d e s i g n i n gs p i r a ld r u mt y p ec u t t i n g h e a d f i n a l l ya u t h o rb u i l tu pt h ef l u c t u a t i n g1 0 a d sm a t h e m a t i c sm o d e lo fs p i r a ld r u m w r o t et h ec o m p u t e r p r o g r a mt oc a l c u l a t et h el o a do fs p i r a ld r u ma n di t sf l u c t u a n c e ， m a d ei tal i t t l ec o n v e n i e n tt ov e r i f ya n d o p t i m i z et h es p i r a ld r u m h lt h i sd i s s e r t a t i o n a u t h o r a n a l y z e dt h ep r a c t i c a lp r o b l e m si n t h ec o u r s eo f a p p l y i n gi n c i s i n gt o c u ta n dc o l l e c tc o b a l tc r u s ti nd e e ps e a ，a tt h es a m et i m e ，t h e a l l t h o rc o m p l i e dw i t ht h ec o n d i t i o no f e x p l o i t i n gc o b a l tc r u s t ，u s i n gf o rr e f e r e n c eo f 0 t h e rt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s a n a l y z e dt h et h e o r e t i c a ld e s i g ns c h e m e o fc o b a l tc r u s tc o l l e c t i o nh e a d ，i no r d e rt or e a l i z e dt h em i s s i o no fe c o n o m i c a lm i n i n g c o b a l tc r u s ti nt h em i d d i eo ft h i sc e n t u r yd e v e l o p e dt h et e c h n o l o g yd e p o s i t e da n d t h e o r e t i c a lr e a s o n i n g ，s oa st oa s s u r et h a tw ew o u l dt a k eaa d v a n t a g e dp o s i t i o no nt h e n e w c o m p e t i t i o nf o ri n t e m a t i o n a ls c a b e d r e s o u r c e s a l t h o u g ht h ed e s i g no fc u t t i n gh e a di nt h i sd i s s e r t a t i o nw a ss p e c i a l l yf o c u s e do n t h eo c e a nc o b a l tc r u s tc o l l e c t i o n ，s o m ei d e a sa n dm e t h o d s ( o ra d j u s t e ds l i g h t l 们a l s o c o u l db et a k e nu s eo fd e v e l o p i n ga n de x p l o i t i n gs o m eo t h e ro c e a nr e s o u r c e so rt o d e s i g n o t h e r c u t t i n gh e a d , t h ec o m p u t e rp r o g r a m o v e r c o m et h e p r o b l e m a n d i n c o n v e n i e n c eo fd r u m m i n gc u t t i n gc h a r ti nt h ec o u r s eo fd e s i g no fs p i r a ld r u m ， p r o v i d i n ga n e wm e t h o dt od e s i g nt h es p i r a ld r u m s ot h i sd i s s e r t a t i o nw o u l dn o to n l yt a k eg r e a ti m p o r t a n c ei ne x p l o i t i n go c e a n c o b a l tc r u s tm i n e r a lr e s o u r c e s ，a n df o u n dab e t t e rb a s ef o ro u rc o u n t r yt oo f f i c i a l l y s t a r t u pt h eo c e a nc o b a l t e n r i c h i n 【gc r u s td e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h ，b u ta l s op r o v i d ea n e wm e t h o df o rt h ed e s i g no f c u t t i n gh e a d o f s p i r a ld r u m k e yw a r d s ：o c e a n i cm i n e r a l s ；d e e p - s e am i n i n g ，c o b a l t c r u s t ；s p i r a ld r u m ；c u t t i n g h e a d 2 中南大学博士学位论文 第一章绪论 第一节课题研究背景和深海采矿的特点 一、研究背景 覆盖地球表面7 1 的海洋，是人类拥有的巨大的资源宝库。不用说海洋的生物资源、 丰富的海底石油和天然气、海洋潮汛能、波浪能、海洋热能以及盐度差能等”、3 “9 “2 ”， 光是锰钻结核的储量，据不完全估计，整个大洋底估计就达3 万亿吨，仅太平洋就有1 7 万 亿吨，其中含有镍1 6 4 亿吨，铜8 8 亿吨，钴5 8 亿吨，锰4 0 0 0 亿吨，这些金属可供全世界 使用几百年以上m 2 “、7 2 、”、7 6 7 7 7 8 “、9 7 9 8 ”1 2 2 “”。钴结壳含量目前尚没有完 全调查清楚，但据已调查的结果来看，太平洋、大西洋和印度洋中都分布有大量的钴结壳矿 藏。其中，仅太平洋西部火山构造隆起带上，钴结壳的贮量即达到数亿吨，夏威夷群岛 约翰斯顿环礁专属经济区内有3 亿吨以上，麦哲伦海山数亿吨，中太平洋海山、马绍尔群岛、 南太平洋法属波利尼西亚群岛、莱思群岛、库克岛等群岛的钴结壳贮量也非常巨大”4 “、“、 ”“1 “。不但如此，海洋里还有大量的资源未被发现、开发和利用，有一些资源甚至还远 远超过陆地同类资源的储量，还有一些可再生的资源甚至是取之不尽，用之不竭的【2 “8 ” 9 8 1 。 人类开发利用海洋已经有几千年的历史。但是，在本世纪六十年代以前，人类开发利用 的范围很小，主要是兴渔盐之利，行舟楫之便，可以称之为传统的海洋开发阶段。f 1 2 】 直到1 9 6 0 年，美国和德国先后利用深潜器把人送到地球上最深的海沟一一马里亚纳海 沟的万米洋底，揭开了人类向深海进军的序幕：同年，美国开始用气象卫星观测海洋，向卫 星海洋学迈出了第一步口“”、9 ”。 当今世界越来越重视海洋资源的开发利用，许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本 国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时代”【1 、2 1 “”】。 这不是对海洋经济在未来社会的地位和作用的夸张，而是揭示了今后世界经济发展的一个总 趋势。 物质资料生产是人类社会存在河发展的先决条件，近几十年来，世界人口猛增，导致食 物、能源、原材料消耗的急剧增加，使资源日趋短缺和枯竭。因此，世界各国尤其是发达国 家把注意力转向海洋，向海洋获取资源，开发和利用海洋资源是人类社会发展需求新资源的 必然趋势。 根据专家预测，本世纪中叶有可能进入钴结壳商业开采阶段“2 “8 1 3 1 “。我国人口 众多，矿产资源人均占有量远低于世界人均水平，陆地铜、镍、钴、锰4 种金属的工业储 量远远不能满足国民经济建设的需要【l2 “8 。“”】。根据地矿部和原有色总公司向国家提交 的我国主要有色矿产资源对2 0 1 0 年国民经济建设保证程度论证报告( 1 9 9 6 ) ，对铝、铜、 铅、锌、钨、钼、镍、锑、钴、稀土、银和铂族金属等1 3 种矿产资源保证程度划分为4 类， 如表1 1 所示”： 表l 一12 0 1 0 年1 3 中有色金属资源保证程度分类表 类型资源保证程度金属名称解决途经 1 短缺钴和铂族金属进口解决 2 不能保证铜、镍、银铜要长期进口补缺 3 基本保证 铝 4 可以保证，并有铅、锌、钨、钼、 部分出口锑、锡、稀土 从表中可以看出，到2 0 1 0 后，我国主要有色金属矿产资源保证程度将相当紧张，资源 中南大学博士学位论文 形势严峻。然而，国民经济发展中9 5 的能源和8 0 的工业原料都来自矿产资源即 ，它对 整个国民经济持续、稳定和协调发展有着全局性的重大影响。 面对大洋多金属结核开发的严峻形势和陆地资源严重短缺的突出矛盾，我国也加快了深 海资源领域的研究开发工作。从8 0 年代起，我国派多批次海洋考察船对太平洋海域的资源， 尤其是锰结核资源进行了考察和勘查。并于1 9 9 0 年8 月2 2 日虬“中国大洋矿产资源研究 开发协会”的名义，向联台国海底管理筹委会提出了矿区申请，并将大洋多金属结核资源开 发作为国家长远发展项目给予专项投资12 ”9 7 9 8 ”】。1 9 9 9 年3 月5 日，我国在广 阔的太平洋海底最终圈定了一块7 5 万km 2 的“战略金属资源基地”m 2 1 3 17 2 7 37 8 ” 9 9 1 。 为正确把握国际海底区域资源研究开发形势，维护我国海洋权益，稳步推进我国国际海 底资源开发事业，中国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国际海底区域研究开发“十 五”计划和国际海底区域研究开发“十五”立项指南中均将“钴结壳资源评价与研究” ( d y l 0 5 0 1 ) 和“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”( d y l 0 5 0 3 - 0 2 ) 立为开发研究的 重点项目。1 1 ”。 二、深海采矿的特点m 2 “8 ”。9 8 1 ”、1 0 8 】 海洋是一个连续的水体，它的环境条件和陆地截然不同；海洋永不停息的运动着，海面 以下每增加i o 米永深就要增加一个大气压，海水中缺乏供人呼吸的养气，海水有很强的腐 蚀性。海洋里有很多种资源，总量很大而相对浓度很小，种类很多而目前能开发利用的很少。 经济价值高，但开发投资很大。因此，深海采矿相对于陆地采矿有很多新的特点： 1 、水下采集系统由于高压、低温、腐蚀性和缺氧，在深海底实现人工操作比较困难， 因此必需设计可靠性高，并有一定采矿效率的无人驾驶采集海底资源的系统，采集所需的矿 产资源： 2 、输送系统或扬矿系统将海底采集系统获得的矿产资源从几千米深的海底高效地运送 到海面上的运输船，矿物输送系统也是必不可少和非常关键的【1 ”】； 3 、遥测遥控系统高精度的遥测遥控技术是深海资源开发可行的基础与一定采集率的保 证，包括海底定位、测量等尖端的探测技术体系，如差分全球定位( d g p s ) 、超短基线长 基线水下定位、惯性导航和动力定位、多波束精密条幅探测技术以及它们的综合集成技术。 要想保证采集系统在海底能够正常的工作，获得较高的开采效率，必需有一整套精确度非常 高的遥测遥控系统，在作业过程中，工作人员借助遥测遥控系统定位并指挥、调度海底采集 系统，对它实行在线状态监测【9 1j ： 4 、水面辅助支持系统包括进行海底采矿所必需的设备、仪器、动力装置、定位系统、 导航系统、临时矿仓以及医疗、保险、提供工作人员住宿等的设施【1 ”】。 由此可见，深海采矿是一个多专业技术单元的集合体，是跨学科、跨部门的事业，结构 复杂，门类多，层次多，综合性强，需要声、机、电、液、材料、信息等专业人员的密切合 作和协调攻关。 第二节深海多金属结核资源的研究开发现状 目前，国内外深海矿产资源的开发研究热点主要集中在多金属结核和富钴结壳开发两个 方面。 深海多金属结核首次发现于1 8 7 3 年，主要呈浸染状分布于水深4 0 0 0 - 5 5 0 0 米的深海沉 积物表面，覆盖率以5 0 - 8 0 为主，最高可达9 0 ，沉积物主要为硅质软泥、硅质粘土。 中南大学博士学位论文 结核本身则主要呈球状、椭球状、菜花状、板状等产出；大小相差悬殊，以直径2 6 c m 者 居多。富钴结壳主要呈层状、板状产在最低含氧带( o m l ) 之下，碳酸盐补偿线( c c d ) 以上，水深1 5 0 0 3 0 0 0 米的海山上。周围无沉积物，直接产在海山斜坡和山崖的基岩上， 厚度多为2 3 c m ，分布范围达几百平方公里。m 2 18 ”9 6 9 7 ”、9 9 】 一、采矿系统方案”。9 6 在过去二、三十年的研究开发过程中，一些国家提出并试验过多种开采方案，主要有以 下几种m 2 18 、3 17 98 07 7 、7 87 2 7 3 9 2 9 6 、9 ”。 1 、l 连续绳斗式( clb ) 开采系统p 1 剐 这种系统起源于日本，美国、法国和英国也进行过研究。其基本原理是在一根绳索上每 隔2 5 5 0 m 连结一个挖斗，绳子两端分别固定在采矿船船首和船尾的卷扬机上( 单船式) 或两只船上( 双船式) 。对于单船，空斗从船尾放下去，将半装满的铲斗从船尾收上来。对 于双船空斗从一条船放下去，半装满的铲斗从另一条收上来，通过采矿船低速航行的拖曳作 用和绳、斗组成的无极绳采集环路在海底连续运转，实现多金属结核的采集和提升。 1 、2 自动穿梭式采矿车采矿系统p “”1 该系统由多台自动穿梭式采矿车进行矿石的采集和提升。采矿车能在海中自由运行并深 潜到海底，下水前采矿车装满压舱物，然后自动潜入海底采集多金属结核。采满后，弃掉压 舱物，上浮到一个半潜式的水下平台，把多金属结核卸在平台上，然后再装上压舱物重新潜 入海底。 这种系统的最大优点是设备独立、灵活性好，采集效率高，回采损失小，能大幅度提高 多金属结核产量。主要缺点是要求非常先进的设备制作技术和遥控技术，造价很高，开发难 度较大，因而暂时被搁置下来，作为今后第二代深海采矿技术考虑。 1 、3 集矿机加管道输送采矿系统【9 “”】 该系统由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船等组成。集矿机在海底采集多 金属结核，采集的多金属结核在集矿机内清洗脱泥后，经软管输送到连接于刚性扬矿管下端 的中间矿仓，然后多金属结核经扬矿管扬送到海面的采矿船上。集矿机有自动行走式和拖曳 式两种形式。扬矿方式有水力提升、气力提升和轻介质提升3 种。水力提升系统用串接于扬 矿管道中间的潜水矿浆泵作为动力装置，将中间矿仓内的多金属结核矿浆吸入管道泵送到采 矿船上。气力提升系统则以压缩空气作为动力，在扬矿管道的一定深度处通入压缩空气，园 混入压缩空气后的矿浆的比重小于管外海水的比重，利用管内外的压差。便能将多金属结核 扬送到海面。轻介质提升系统是以比重小于1 的轻介质( 固体和液体) 代替压缩空气作为扬 送多金属结核矿浆的载体，其原理与气力提升相同。 二、主要设备研究m 2 “”9 2 9 6 、9 7 2 、1 集矿机【1 9 6 9 7 ”、1 1 9 】 集矿机的功能应包括行走、多金属结核采集、结核与沉积物初步分离等。按其行走方式 可分为拖曳和自行走式两种n9 6 、9 7 “7 “8 “9 1 。 拖曳式是采矿船通过扬矿管拖动集矿机行走。行走装置由滑板、水中稳定翼及浮力箱组 成。滑板为减轻海底拖航时接地压力，同时确保海底拖航时安全行走。水中稳定翼是在集矿 机下降和收起时稳定集矿机姿势的装置。浮力箱与滑板一样，一方面可减轻其接地压力，同 时在海底拖航时可降低重心位置，防止倒转。拖曳式由于集矿机经扬矿管拖动，控制困难， 目前国际上基本上已经不太研究了【l ”】。 自行走式集矿机的类型很多，主要有滑板式( sl edtype ) 、轮式( wheelt ype ) 、挂链驱动式( hangi ngchai1 1type ) 、履带无轨道式( cater p illertype ) 、阿基米德螺旋式( archir oedeansc rewty pe ) 等类 型。就深海多金属结核开采的经验而言，履带式与螺旋推进型可能更合适，以下就国际上自 3 中南大学博士学位论文 行走式集矿机研究作简要叙述【1 “”】。 意大利在o m a 试验基础上进行改进，1 9 8 i 1 9 8 3 年研制出新一代组合式履带车，采 用吸扬式水力集矿，并在出口处增设隔筛网，以防堵管。 法国自1 9 8 0 年开始海底遥控车采矿系统的研究开发，遥控车由集矿机构，自行推进机 构，浮力控制和压载四大部分组成。该系统技术复杂，投资大，且难以满足工业开采规模的 要求，因此1 9 8 3 年停止了该系统的研究。至1 9 8 9 年完成了生产能力为6 0 0t h 的集矿机、 提升矿浆泵、双船体半潜式采矿平台组成的1 5 0 万t 干结核采矿系统的设计。设计开采深度 5 0 0 0 m ，4 台矿浆泵安装在9 0 0 1 2 0 0 m 处，每台泵6 级，扬矿能力5 0 0t h ，提升浓度1 2 。 1 _ 0 4 1 德国自1 9 7 2 年开始海洋采矿技术研究，主要研究单位有th btis 公司、柏林水利 工程与船舶研究所和汉诺威大学等。经过2 0 多年的实验研究，在水力式和复台式集矿机构， 自行式履带车的研究方面很有成就，至1 9 9 3 年已研制出两种第二代集矿机。 1 9 7 8 年，美国海洋管理财团在太平洋矿区按1 4 1 5 工业生产规模进行了海上采矿中 间试验并获成功，从而奠定了流体提升采矿法的技术基础 1 ”“”1 1 ”。 该采矿法最大特点是配备了自行遥控集矿机，具有较好的机动灵活性，能避开海底障碍 物与不利地形，实现大规模、高效采矿。 2 、2 扬矿系统f 1 1 1 5 】 扬矿系统主要由主管道、软管、提升泵、中继仓等组成。由于自重及泵组中继仓等重力 的作用，扬矿管承受很大的轴向载荷，同时受海流海浪作用产生横向偏移及纵向振动。扬矿 管上部承受最大载荷，为减少其受力，一般扬矿管上部外径放大，向下分成几段，外径逐渐 减小。 日本对泵组成中继仓吸振器的扬矿系统进行了研究并认为泵组吸振器的作用与中继仓 吸振器的作用相比非常小。美国chung 等人研究一种有推力控制的深海采矿铰接式管道 系统。5 0 0 0 多米的铰接式管道系统与中继仓的二维编转和三维运动可通过弹性按头、轴向 阻尼器和管道底端的中继仓得到控制，并进一步安装的推力器，控制管道的横向偏移。 矿浆泵是扬矿系统中重要的部件，omi 财团海试时是由德国ksb 股份公司覆姆堡潜 水泵厂提供的。主要参数：流量5 0 0 m 3 ，h ，扬程2 6 5 m ，工作电压4 0 0 0 v 。功率8 0 0 0k w ， 两台泵分别单独供电船上起动可以克服大功率、高压电机水下启动技术难题。电缆外径为 4 7 m 1 2 1 ，最小曲率半径7 5 0 m m 拉断力12t 。 三、深海试采情况m 21 8 1 3 1 7 2 7 3 。“9 2 9 6 、9 7 1 3 、l 国际财团海洋管理公司o mi ( oc ean managementinc ) 于1 9 7 8 年在太平洋进行了多金属结核的试采活动。试采系统的采矿能力约3 0t h ，扬矿高度5 0 0 0 m ，采矿到了1 0 0 0t 结核。整个采矿系统由3 部分组成：深海采矿船sedc 0 4 4 5 ： 5 0 0 0 m 长扬矿管道；结核集矿机。采矿船由se dc 0 4 4 5 号改造，船长1 3 5 m ，宽2 i m ， 排水量1 4 0 0 0t ，特别加装提升塔架，内有高精度重载荷升降机构，提升速度l l 2 0 m m i n ，扬矿管通过万向接头支撑在低摩擦支撑座上，支承座坐在升降补偿器上。 扬矿子系统主要由扬矿管、软管、提升泵等组成。试验分别采用水力提升和气力提升2 种方案，水力提升采用两台矿浆泵。第1 台在海面以一f8 7 5 m 处，第2 台在9 1 0 m 处。矿浆 泵是由德国ksb 股份公司覆姆堡潜水泵厂提供的。主要参数：流量5 00 m 3 h ，扬程26 5 r n ，x i _ 作电压4 0 0 0 v ，功率8 0 0 0kw ，两台泵分别单独供电。船上起动可以克服大功率高 压电机水下启动技术难题。电缆外径为4 7 m m ，最小曲率半径7 5 0 m m ，拉断力1 2t 。气 力提升系统试验结果表明：其效率仅为2 0 ，难以用于工业生产。 集矿机采用拖曳行走方式由采矿船通过扬矿管牵引行走。集矿方式有两种：一是水力 式集矿，二是机械式集矿。集矿能力为3 0t h 。行走速度为0 5 i m s 。 4 中南大学博士学位论文 3 、2 国际财团海洋采矿公司om a ( o c e anmjningassociat e ) j - 1 9 7 7 年、1 9 7 8 年h j 拖曳式集矿机试验了气力提升系统。他们采用了个日产1 2 0 0t 的系统 获得了5 0 0 t 结核。 3 、3 国际财团海洋物产公司0m co ( oc e anmine r alscof i rpany ) 于1 9 7 7 年1 1 月由美国、荷兰的公司组成。试验了带遥控自进式集矿机f 采用阿基米德螺旋 驱动行走) 和气力提升系统。 3 、4 肯尼柯特财团( kcon ) 于1 9 7 1 年1 月由美国、英国、加拿大和日本的公司联合 组成。1 9 7 4 年下半年和1 9 7 5 年早些时候试验了拖曳式集矿机，没有进行系统试验。 3 、5 日本白1 9 6 7 年开始进行clb 采矿系统的开发1 9 7 0 年在南太平洋水深3 7 6 9 m 的海域进行了海上采矿试验，法国af ernod 集团参加了系统试验 3 、4 。尽管试验取 得了成功，但由于该系统对海底复杂的地形适应性较差，铲斗在海底无法控制，采矿效率极 低，难以满足工业开采的要求，7 0 年代末己被放弃。1 9 8 3 年日本转入集矿机加管道输送采 矿系统的