深海采矿技术

扬矿系统 工作原理
利用潜水电泵的动 力在管线内外产生 压差，形成海水在 管线内的上升流， 把结核提升至洋面。
扬矿硬管
扬矿硬管包括中间 舱、扬矿管道、管 接头、潜水电泵、 升沉补偿装置、船 面输送管道和结核 分离及海水排放管。
扬矿管结构
管接头 结构
国外扬矿管线技术数据
扬 矿 管 名 称 技术参数 内径(mm) 外径(mm) OMI 海 试 扬 矿 管线 215~224 245 OMA 海 试 扬 矿 管线 160~241 178~298 OMCO 海 试 扬 矿管线 150 450 日 本 设 计 海 试 扬 矿 管 线 148~226 168~298 Preussag 红 海 海 试 扬 矿 管线 127 法 国 商 业 设 计 扬 矿 管 线 382 406
气力扬升系统
扬矿方法和工艺
射流泵提升 优点：扬矿扬矿管道中无运动件、工艺简 单 缺点：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 还会进一步下降。
射流式提升法 1.水泵 2.喷嘴 3. 固液两相流气固液 三相流
扬矿方法和工艺
轻介质浮子提升 问题：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 子难于注入扬矿管道和高压破损，不能重 复使用。
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 性。
结核开采技术方案
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 将铲斗拉上来； 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 。
海底拖撬系统
海底拖撬采矿系统
连续链斗采矿系统(CLB)
单船式连续绳斗式采矿
集矿机
集矿方法类型
集矿机
集矿机的分类
水利式采集器
机械式采集器
混合式采集器
集矿机
海底行走车
• • • • • •
滑板型(Stcd Type) 车轮型(Wheel Type) 挂链式驱动型(Hanging Chain Type) 履带式无轨道型(Caterpiller Type) 螺旋推进叶轮型(Archimedean Screw Type) 机械行走型(Mechanical Leg Type)
集矿机采集路线
集矿机与扬矿管道结合 的流体提升采矿系统
采矿船
集矿机
组成
实验用集矿机外观图
集矿机
组成
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 碍物； 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 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 或异物； 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、颠簸等作用力时，起 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 入沉积物；
扬矿子系统
扬矿子系统的功能：
能抵抗由于船体摇摆，水柱运动产生的 不稳定状态； 能抵抗由于集矿机遇到地形变化时对管 道产生的影响； 能够支撑其自身及安装于其上的各种仪 器设备的重量。
扬矿方法和工艺
空气泵提升 优点：扬矿扬矿管道中无运动件、工艺简 单可靠可行的显著优点 缺点：扬矿效率较低，最大不超过20%。
采矿系统的组成
采矿体系的组成及功能
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； 扬矿子系统：将采集的结核矿石经管道提升到 海面采矿船； 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 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； 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。
集矿机
行走装置类型
集矿机
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： (1)室内水槽试验； (2浅海试验； (3)深海试验； (4)中间试验。 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 检验和修正的作用。
集矿机
集矿机一般需进行以下试验
深海采矿技术
海洋采矿的技术难度
工艺过程
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
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
提升到洋面采矿船上。
技术难度
结核赋存在4000～6000米深的洋底，开采过程 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 仅0~3Kpa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 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；
优点：设备独立、灵活性好，采集效 率较高，回采损失小，能大幅 度提高结核产量。 缺点：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。
集矿机与扬矿管道 结合的流体提升采 矿系统
组成：集矿机 输送软管 中间矿仓 刚性扬矿管 采矿船
组成：集矿机 输送软管 中间矿仓 刚性扬矿管 采矿船
思考题
• 分析深海采矿的技术难度 • 三种深海采矿系统的组成,工作过程及优 缺点 • 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 • 扬矿子系统的功能
中间矿舱
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 计参数下运行，并为水下设备提供安 装平台。 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 压系统等主要部件组成。
采用框架式结构
软管输送系统
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
双船式连续绳斗式采矿系统
连续链斗采矿系统(CLB)
优点：系统设备简单、易于操作、维 修方便、投资小、投产快等。 缺点：采矿效率和资源回收率低、作 业受地形条件影响大、绳索易 缠结等。
自动穿梭式采矿车采矿系统
20世纪80年 代，法国对自动 穿梭式采矿车系 统进行了研究尝 试。
自动穿梭式采矿车采矿系统
集矿机
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。 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 承载这些负荷的能力。 电力、检测控制装置：电力装置由潜水马达、水中变压器、水 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 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 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。
扬矿潜水泵
采用两台6级潜水电泵作业，泵型为混 流泵，总扬程为600m水柱。
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 沉、纵摇、横摇的补偿。 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 低扬管承受的环境载荷，保证作业安 全。
被动式补偿，升沉补偿采用油缸-蓄能 器-气库模式。
轻介质液体提升法 浮子提升法 1.泵 2.轻介质液体 1.泵 2.介质+浮子 3固、液浮子 3固、液轻介质混合体 4.分离器 混合体 4.分离器
扬矿方法和工艺
清水泵提升 优点：结核不通过泵，减少泵的磨损，扬 矿效率高。 缺点：需要实现洋底的高压给料，给料装 置复杂，可靠性差。
清水泵(潜水泵)提升 1. 潜水泵 2.固液两相流
分类 水力提升 气力提升 轻介质提升
履带式集矿机
水下采矿航行器
多金属结核开采系统基本参数
系统生产能力
年产量：干结核3×106t
年限：20年连续开采
富矿面积：2×104 km2区域
系统日、小时生产能力 每年有效工作日：250d/a 每天效作业时间：20h 日额定产量：6000t/d
小时额定产量：300t/h
软管输送系统
功能： 1 输送多金属结核； 2 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； 3 在集矿作业时，有效隔离来自采矿船 -中间舱的扰动； 4 软管充当集矿机下放及回收中的起重 缆索和挂钩； 5 悬挂水下电缆。
6.4 深海采矿技术的现状
• • • • • • • • 美国 日本 法国 英国 德国 意大利 俄罗斯 中国
每节长(m)
总长(m) 钢级 屈服强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 联接方式
11
5250 S135 931 1000 螺纹
11
4422 P110 774 879 螺 纹 与 卡环
30
5000 高 强 度 纲
12
5160 高 强 度 纲 2200
27
4800 高 强 度 纲
螺纹
螺纹
快 速 接 头
A.集矿性能
①集矿性能 ②破碎、供给性能
B. 运动性能
①水中稳定性能 ②着底、离底性能
③海底拖航性能
集矿机
长沙矿山院设计制造的集矿机
集矿机
长沙矿冶院设计制造的集矿机
扬矿子系统
环境基础数据
平均风速：8m/s 海浪：6级海况，浪高5m，周期10s 4级海况，浪高2.5m，周期10s 海面洋流速度：1.7m/s；海底最大：0.15m/s 海面水温：22~30.2 ℃，平均28.2 ℃；海底 ：1~4 ℃ 海水密度：表层1022kg/m3 ，5000m深 1052kg /m3 ，平均1037kg /m3
技术难度
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 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 杂的问题 ；
整个系统的可靠性要求极高，能及时诊断和自
处理 ；
环境保护问题 。
深海多金属结核的 开采系统
结核开采的基本任务
按产业生产规模，从5000-6000米的深 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；
重介质管道提升法 1.水泵 2.给矿机 3固、液两相流
管道戽斗提升
ห้องสมุดไป่ตู้
矿浆泵提升扬 矿系统的组成
软管 软管输送泵 中间舱 给料机 提升管 两台多级潜水电泵 洋面输送管道和 海水溢流排放管道
扬矿系统 工作过程
集矿机采集的锰结核由 软管和软管输送泵输送 至中间矿仓经给料机缎 带入提升管道，通过两 台多级潜水电泵扬至洋 面采矿船上，输往船舱 并在船舱中沉降，海水 脱泥后经溢流排放管缺 口排入海中。
扬矿方法和工艺
矿浆泵提升 优点：工艺简单、工作可靠。提升能力大、 效率高达50%，被认为是最有应用前景的 扬矿方法。 问题：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。 技术关键：研制出寿命长、符合扬要求的 高压矿浆泵。
水力泵扬升系统(引自OMI)
气举式提升法 1.空压机 2.固液两相流 3.气、固、液三相流 4.注气管
集矿机与扬矿管道结合的流体提升 采矿系统
作业过程 集矿机在海底采集结核(能自动行走 或由采矿船经刚性管道拖拽行走)，采集 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 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。
集矿机与扬矿管 道结合的流体提 升采矿系统
扬矿子系统
扬矿技术参数
扬矿能力：30t/h(干结核)，43t/h (湿结核) 扬矿体积浓度：5%~10% 结核提升粒径：≤50mm 1.7m/s；海底最大：0.15m/s 矿区水深：4900~5200m，管线长5000m 系统扬矿效率：≥50%
扬矿子系统
扬矿子系统的功能：
泵升或抽吸矿浆； 控制矿浆的流动； 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 力； 连接集矿子系统电缆和通讯线的支撑 物；