[发明专利]射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法

说明书

本发明公开了一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离‑采集装置及其采集方法，装置包括履带和安装在履带顶部的蓄矿料仓，所述蓄矿料仓顶端固定有长方体形蓄水容器、蓄矿料仓的前端设有采集机构，蓄水容器的前后两端各设有一块泥沙絮凝浊流喷射板，每个泥沙絮凝浊流喷射板均通过两根伸缩金属管与蓄水容器固定连接，伸缩金属管内部中空且两端连接处分别与泥沙絮凝浊流喷射板和蓄水容器连通。本发明充分考虑到多金属结核矿石采集时的不易观察性，使被采集的金属结核中泥砂含量低，减少了砂‑矿分离及尾矿处理的工作量，源头上降低了由尾矿处理引发羽状流问题的概率，且通过泥沙絮凝浊流减少了羽状流的产生，提升了海底采矿作业的环境友好度。

技术领域

本发明涉及海底采矿装置技术领域，具体涉及一种射流冲刷式海底半埋结核的剥离-采集装置及其采集方法。

背景技术

随着我国机械、建筑、航天等领域的发展，铜、钴、锰等战略金属资源的需求量日益增长。由于陆地资源的不断枯竭，位于深海的矿产资源逐步走入了人们的视野，海底稀有金属矿物的总储存量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。我国目前对铜钴锰等资源的对外进口依存度都已超过50％。战略金属资源紧缺将成为我国长期面对的重要问题

多金属结核又称锰结核，系由包围核心的铁、锰氢氧化物壳层组成的核形石。多金属结核是人类摆脱资源危机的重要依托。其总量达3万亿吨，蕴藏了地球上99.9％锰钴铜镍；此外分布面积广，仅C-C区达200多万平方公里，是陆地最大矿床一万倍，其中我国资源区近20万平方公里。深海多金属结核资源开发可有效解决我国未来百年资源需求。

深海洋底中多金属结核资源赋存环境极其特殊：首先是4000-6000m海底超高压的特殊，其次是结核资源的分布形式呈面式分布，面富集程度约6～10kg/m²，由于仅赋存于海底0～25cm表层稀软土中，有的处于全埋状态，也有的处于半埋或全露的状态，而且粒径差异较大，大的直径达近十厘米，小的仅有几厘米。因此其开采方式特殊，这就给资源的规模开采带来巨大难度，在人类采矿史上尚属首见。如何将这些矿石高效的采集上来，是集矿车面临的一个重要难题。

目前国际上最普遍的深海多金属结核开采技术，主要利用海底采矿车蓄集矿石，再利用海底输送技术将矿石提升到海面的采矿船上，整个采集系统中将赋存环境极为特殊的多金属结核采集起来是需要重点突破的领域。基于对海底沉积土层环境及多金属结核矿物研究，目前主要存在两种集矿装备，一种是机械式，即运用采矿戽斗，开采时矿车的牵引机带动绳索，使戽斗不断地在海底拖过，挖取多金属结核至集矿车料仓内并提升到船上。另一种是水力式，即利用喷嘴高速射流剥离矿石，并使大量矿石和部分沉积物悬浮，进而利用水力的抽吸作用裹挟矿石通过输送通道至蓄矿料仓内。上述两种方式均进行过海上试验，从原理上均可实现采集。但上述两类开采方式都存在各自弊端：水力式开采应充分考虑海底高压力水力环境，系统复杂不易控制；而机械式开采其机械部件也常常被大直径矿石卡住，并且机械式采集任意零部件损坏在海底极端深部环境下都无法及时维修，导致开采效率极低。

采矿车在海底的移动不仅搅起海底物质，而且当其向海底下挖时大量的沉积物等颗粒物质也会被搅起，此外，进入采矿车的非结核物质中的96％～98％将从结核中分离出来并返回海底，它们将在距海底50m左右的水层中形成悬浮物质絮状层。较小的颗粒物质则随着底层流扩散而形成底层羽状流，对底层生物产生较大的影响，尤其是影响浮游植物的光合作用、浮游动物和游泳动物的摄食、呼吸、生长等重要功能及代谢作用，严重时可能导致它们的死亡率上升，破坏海底生态环境。如中国专利CN 110966006 A、CN 111022055 A、CN 109026008 A、CN 107701190 A、CN 106907154 A，上述专利均公开了适用于海底作业的采矿装置，其中有些装置也巧妙地运用了水力进行采矿作业，但上述装置均未针对采集过程中有可能产生的底层羽状流进行有效防护或解决，因此，急需一种既能对半埋结核有效采集，又能兼顾保护海底环境的采矿装置来满足实际生产的需求。

发明内容