本發(fā)明涉及水下采礦設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)及開采方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋是人類可持續(xù)發(fā)展所需要的能源、礦物和生物的戰(zhàn)略資源基地，其中，蘊藏多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等豐富的礦產(chǎn)資源和生物資源，是日益枯竭的陸地資源的可靠接替。

海洋礦產(chǎn)資源開采技術(shù)最早開始于上世紀(jì)70年代，由于工業(yè)的迅猛發(fā)展，對資源的需求日益膨脹，各國開始以多金屬結(jié)核為主要開采對象，進(jìn)行大量并具有一定規(guī)模的海洋礦產(chǎn)資源開采海試試驗。多金屬結(jié)核賦存于3000-6000m左右深的海底，要開采就必須要有可行的采礦系統(tǒng)。因此世界各國均把發(fā)展可靠的采礦系統(tǒng)放在優(yōu)先位置，并對此進(jìn)行了大量的試驗研究，有的甚至還進(jìn)行了深海中試采礦試驗。從二十世紀(jì)六十年代末至今，國際上已開發(fā)和試驗了的大洋采礦系統(tǒng)主要分為連續(xù)繩斗（CLB）采礦系統(tǒng)，海底遙控車采礦系統(tǒng)（穿梭艇式采礦系統(tǒng)）和流體提升式采礦系統(tǒng)。

流體提升采礦系統(tǒng)是目前國內(nèi)外研究最多的一種采礦系統(tǒng)，其一般由集礦子系統(tǒng)、管道提升子系統(tǒng)及水面支持子系統(tǒng)等組成。在該系統(tǒng)中，在采集技術(shù)上開發(fā)了水力式、機械式和復(fù)合式采集頭，在行走技術(shù)方面有拖曳式和自行式，自行式的主要驅(qū)動方式有阿基米德螺旋式、履帶式等；在提升方面，對水力提升和氣力提升進(jìn)行了研究，研制出了深潛電泵；監(jiān)控系統(tǒng)，主要是針對海底集礦子系統(tǒng)作業(yè)過程進(jìn)行測控；水面支持子系統(tǒng)，大多是采用科考船、鉆探船或打撈船來改裝。這些采礦系統(tǒng)通過一系列的深海采礦海試，獲得了較多的多金屬結(jié)核樣品，驗證了深海采礦技術(shù)上的可行性，打通了深海采礦系統(tǒng)的流程。

但以上采礦系統(tǒng)并不成熟，其可靠性、穩(wěn)定性均得不到保障，經(jīng)濟(jì)性則更差。作業(yè)時，采礦船拖曳水下系統(tǒng)進(jìn)行水下礦產(chǎn)資源的采集。采礦設(shè)備安裝時，需按順序?qū)⒓V車、輸送軟管、中間艙、揚礦泵、輸送立管逐級布放安裝，這種安裝方式對管道要求極高，且每一功能塊不可拆卸，難以維護(hù)，各系統(tǒng)的壽命也不等，形成短板。采集過程中，集礦車的采集效率因稀軟底質(zhì)的特殊環(huán)境難以保證，集礦車的海底結(jié)核采集量和輸送系統(tǒng)的結(jié)核輸送量匹配困難，造成采礦系統(tǒng)整體效率不高，經(jīng)濟(jì)性下降。此外，多金屬結(jié)核礦區(qū)為臺風(fēng)頻發(fā)區(qū)，氣象條件多變，而現(xiàn)有采礦系統(tǒng)大多在良好的海洋環(huán)境內(nèi)試驗，在遇到大風(fēng)浪等海上惡劣天氣時，采礦船需拖曳整個系統(tǒng)躲避風(fēng)浪，或者再逐級把設(shè)備回收至船上進(jìn)行避風(fēng)，系統(tǒng)拆裝費時，嚴(yán)重影響作業(yè)的連續(xù)性。并且，現(xiàn)有采礦系統(tǒng)的制造成本以及維護(hù)費用很高，作業(yè)要求較高且對海上風(fēng)浪天氣敏感。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種裝卸和維護(hù)簡單方便、工作可靠性和穩(wěn)定性高、整體采集效率高、經(jīng)濟(jì)性好、利于提高生產(chǎn)效率和保證作業(yè)連續(xù)性的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)及開采方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，包括水面作業(yè)母船、具有儲料倉的水下作業(yè)平臺以及與水下作業(yè)平臺相連的集礦車，還包括一個以上提升艙，所述提升艙包括用于儲存物料的艙體、設(shè)于艙體上的第一浮力調(diào)節(jié)裝置和設(shè)于艙體上的水下移動裝置，所述儲料倉設(shè)有第一進(jìn)出料接口，所述艙體設(shè)有可開閉的排料口和用于與第一進(jìn)出料接口以可拆卸方式匹配對接的第二進(jìn)出料接口。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述第一浮力調(diào)節(jié)裝置包括設(shè)于艙體上的第一氣水腔、用于向第一氣水腔中加水或?qū)⒌谝粴馑恢械乃懦龅牡谝缓Ｋ靡约坝糜诮o第一海水泵供電的第一可充電電池組。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述水下移動裝置為安裝在艙體上的螺旋槳式推動器。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述水面作業(yè)母船通過第一電力和信息傳輸線纜與水下作業(yè)平臺相連，所述第一電力和信息傳輸線纜包括分別與水面作業(yè)母船和水下作業(yè)平臺相連的兩段，兩段第一電力和信息傳輸線纜之間通過可拆卸式水密接頭相連，與水下作業(yè)平臺相連的一段第一電力和信息傳輸線纜設(shè)有能使可拆卸式水密接頭一端懸浮在水中的浮力部件。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述水下作業(yè)平臺包括履帶行走機構(gòu)和安裝在履帶行走機構(gòu)上的上述儲料倉，所述履帶行走機構(gòu)上安裝有第二浮力調(diào)節(jié)裝置和接地壓力傳感器，接地壓力傳感器檢測履帶行走機構(gòu)的接地壓力，水下作業(yè)平臺的控制單元根據(jù)接地壓力大小控制第二浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力，使履帶行走機構(gòu)的接地壓力至設(shè)定大小。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述第二浮力調(diào)節(jié)裝置包括設(shè)于履帶行走機構(gòu)上的第二氣水腔、用于向第二氣水腔中加水或?qū)⒌诙馑恢械乃懦龅牡诙Ｋ靡约坝糜诮o第二海水泵供電的第二可充電電池組。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述儲料倉設(shè)有第三進(jìn)出料接口，所述集礦車設(shè)有用于與第三進(jìn)出料接口以可拆卸方式匹配對接的第四進(jìn)出料接口。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)設(shè)有一臺以上集礦車，各臺集礦車通過第二電力和信息傳輸線纜與水下作業(yè)平臺相連，所述第二電力和信息傳輸線纜具有可拆卸的連接接頭。

上述的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述水下作業(yè)平臺還設(shè)有用于輔助提升艙與儲料倉匹配對接的機械手。

一種采用上述間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)進(jìn)行礦產(chǎn)資源開采的開采方法，包括以下步驟：

（A）在適合采礦的良好氣候工況下，安放并連接好水面作業(yè)母船、水下作業(yè)平臺和集礦車；

（B）控制集礦車采集海底礦物，當(dāng)集礦車的料倉裝滿礦物后，將礦物輸送至水下作業(yè)平臺的儲料倉中；

（C）采用多個提升艙交替將儲料倉中的物料輸送到水面作業(yè)母船上；各提升艙將儲料倉的物料輸送到水面作業(yè)母船上的過程是：先控制提升艙的浮力降低以使提升艙下沉到水中，使提升艙的第二進(jìn)出料接口與儲料倉的第一進(jìn)出料接口對接，將儲料倉中的礦物轉(zhuǎn)運至提升艙的艙體中，再控制提升艙的浮力增大以使提升艙上浮到水面，回收提升艙并將礦物卸放到水面作業(yè)母船上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)及開采方法在進(jìn)行礦物開采時，水下作業(yè)平臺和集礦車在海底行走并采集和儲存礦物，利用提升艙下潛和上浮以及與儲料倉的對接，可間斷式的將儲存在水下作業(yè)平臺的儲料倉中的礦物輸送到水面，通過回收提升艙即可將礦物卸放到水面作業(yè)母船上。相比于傳統(tǒng)的開采系統(tǒng)，該間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)裝卸和維護(hù)簡單方便、工作可靠性和穩(wěn)定性高、整體采集效率高、經(jīng)濟(jì)性好，在遇到大風(fēng)浪等海上惡劣天氣時，不要拆卸整個系統(tǒng)，只需斷開水面作業(yè)母船與水下作業(yè)平臺的連接并回收所有提升艙，將水面作業(yè)母船駛離工作海區(qū)即能靈活方便的進(jìn)行避風(fēng)，避免了系統(tǒng)整體拖拽和拆裝所導(dǎo)致的費時費力，利于提高生產(chǎn)效率，保證作業(yè)的連續(xù)性。

附圖說明

圖1為間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)在水面作業(yè)母船與水下作業(yè)平臺連接時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)在水面作業(yè)母船與水下作業(yè)平臺不連接時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為水下作業(yè)平臺的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為提升艙的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

1、水面作業(yè)母船；2、水下作業(yè)平臺；21、儲料倉；22、履帶行走機構(gòu)；23、第二浮力調(diào)節(jié)裝置；24、接地壓力傳感器；25、機械手；3、集礦車；4、提升艙；41、艙體；411、排料口；412、第二進(jìn)出料接口；42、第一浮力調(diào)節(jié)裝置；421、第一可充電電池組；43、水下移動裝置；44、支撐架；5、第一電力和信息傳輸線纜；51、可拆卸式水密接頭；6、第二電力和信息傳輸線纜。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1、圖2和圖4所示，本實施例的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)，包括多個提升艙4、水面作業(yè)母船1、具有儲料倉21的水下作業(yè)平臺2以及與水下作業(yè)平臺2相連的集礦車3，各提升艙4包括用于儲存物料的艙體41、設(shè)于艙體41上的第一浮力調(diào)節(jié)裝置42和設(shè)于艙體41上的水下移動裝置43，儲料倉21設(shè)有第一進(jìn)出料接口，艙體41設(shè)有可開閉的排料口411和用于與第一進(jìn)出料接口以可拆卸方式匹配對接的第二進(jìn)出料接口412。上述儲料倉21臨時儲存集礦車3采集的礦物，并能將礦物轉(zhuǎn)運至提升艙4。

本實施例的間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)在工作時，水下作業(yè)平臺2和集礦車3在海底行走并采集和儲存礦物，利用提升艙4下潛和上浮以及與儲料倉21的對接，可間斷式的將儲存在水下作業(yè)平臺2的儲料倉21中的礦物輸送到水面，通過回收提升艙4即可將礦物卸放到水面作業(yè)母船1上。相比于傳統(tǒng)的開采系統(tǒng)，該間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)裝卸和維護(hù)簡單方便、工作可靠性和穩(wěn)定性高、整體采集效率高、經(jīng)濟(jì)性好，在遇到大風(fēng)浪等海上惡劣天氣時，不要拆卸整個系統(tǒng)，只需斷開水面作業(yè)母船1與水下作業(yè)平臺2的連接并回收所有提升艙4，將水面作業(yè)母船1駛離工作海區(qū)即能靈活方便的進(jìn)行避風(fēng)，避免了系統(tǒng)整體拖拽和拆裝所導(dǎo)致的費時費力，利于提高生產(chǎn)效率，保證作業(yè)的連續(xù)性。

本實施例中，第一浮力調(diào)節(jié)裝置42包括設(shè)于艙體41上的第一氣水腔、用于向第一氣水腔中加水或?qū)⒌谝粴馑恢械乃懦龅牡谝缓Ｋ靡约坝糜诮o第一海水泵供電的第一可充電電池組421。通過第一海水泵向第一氣水腔中加水或?qū)⒌谝粴馑恢械乃懦?，可以調(diào)節(jié)第一氣水腔的浮力大小，進(jìn)而控制提升艙4下潛或上浮。

本實施例中，水下移動裝置43為安裝在艙體41上的螺旋槳式推動器，其為現(xiàn)有技術(shù)，該螺旋槳式推動器由上述的第一可充電電池組421供電進(jìn)行工作，其通過配置用于驅(qū)動艙體41在海水中水平運動。本實施例的提升艙4還優(yōu)選在其底部設(shè)置支撐架44。

本實施例中，水面作業(yè)母船1通過第一電力和信息傳輸線纜5與水下作業(yè)平臺2相連，第一電力和信息傳輸線纜5用于傳輸能量和控制信息，該第一電力和信息傳輸線纜5包括分別與水面作業(yè)母船1和水下作業(yè)平臺2相連的兩段，兩段第一電力和信息傳輸線纜5之間通過可拆卸式水密接頭51相連，與水下作業(yè)平臺2相連的一段第一電力和信息傳輸線纜5設(shè)有能使可拆卸式水密接頭51一端懸浮在水中的浮力部件。在需要避風(fēng)時，斷開可拆卸式水密接頭51，也即斷開水面作業(yè)母船1與水下作業(yè)平臺2的連接，即可將水面作業(yè)母船1駛離工作區(qū)域，浮力部件可使與水下作業(yè)平臺2連接的一段第一電力和信息傳輸線纜5保持懸浮狀態(tài)，而不會沉入水底，便于重新連接第一電力和信息傳輸線纜5。

本實施例中，如圖3所示，水下作業(yè)平臺2包括履帶行走機構(gòu)22和安裝在履帶行走機構(gòu)22上的上述儲料倉21，履帶行走機構(gòu)22上安裝有第二浮力調(diào)節(jié)裝置23和接地壓力傳感器24。由于水下作業(yè)平臺2儲料量的變化會改變水下作業(yè)平臺2在稀軟底質(zhì)上的接地壓力和壓陷深度，從而影響行走性能。工作時，接地壓力傳感器24檢測履帶行走機構(gòu)22的接地壓力，水下作業(yè)平臺2的控制單元根據(jù)接地壓力大小控制第二浮力調(diào)節(jié)裝置23的浮力，調(diào)節(jié)水下作業(yè)平臺2的接地壓力至設(shè)定大小，這樣可使履帶行走機構(gòu)22的壓陷深度也保持在設(shè)定大小，從而保證良好的行走。

本實施例中，第二浮力調(diào)節(jié)裝置23包括設(shè)于履帶行走機構(gòu)22上的第二氣水腔、用于向第二氣水腔中加水或?qū)⒌诙馑恢械乃懦龅牡诙Ｋ靡约坝糜诮o第二海水泵供電的第二可充電電池組。通過第二海水泵向第二氣水腔中加水或?qū)⒌诙馑恢械乃懦觯梢哉{(diào)節(jié)第二氣水腔的浮力大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)水下作業(yè)平臺2在稀軟底質(zhì)上的接地壓力。上述第二可充電電池組可以是上述水下作業(yè)平臺2自帶的可充電電池組。優(yōu)選的，儲料倉21為透水結(jié)構(gòu)，如可采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，便于儲料倉21內(nèi)海水排出。

上述履帶行走機構(gòu)22采用現(xiàn)有技術(shù)中適合于在海底稀軟底質(zhì)上行走的履帶行走底盤，并且履帶行走底盤優(yōu)選采用箱式履帶。優(yōu)選的，水下作業(yè)平臺2具有可充電電池組，在正常情況下，水面作業(yè)母船1通過第一電力和信息傳輸線纜5向水下作業(yè)平臺2供電，在第一電力和信息傳輸線纜5斷開時，水下作業(yè)平臺2可通過自帶的可充電電池組供電。

本實施例中，儲料倉21設(shè)有第三進(jìn)出料接口，集礦車3設(shè)有用于與第三進(jìn)出料接口以可拆卸方式匹配對接的第四進(jìn)出料接口。在集礦車3料倉裝滿礦物后，集礦車3運動到水下作業(yè)平臺2使其第四進(jìn)出料接口與第三進(jìn)出料接口對接，采用水利輸送方式將礦物輸送至水下作業(yè)平臺2的儲料倉21中。

本實施例中，間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)設(shè)有多臺集礦車3，各臺集礦車3通過第二電力和信息傳輸線纜6與水下作業(yè)平臺2相連，水下作業(yè)平臺2通過第二電力和信息傳輸線纜6為集礦車3提供能量和控制信號，第二電力和信息傳輸線纜6具有可拆卸的連接接頭，便于靈活的拆裝。在其他實施例中，間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)也可以僅設(shè)一臺臺集礦車3。本實施例的水下作業(yè)平臺2上設(shè)有多個連接接頭，可根據(jù)需要連接不同數(shù)量的集礦車3。

本實施例中，水下作業(yè)平臺2還設(shè)有用于輔助提升艙4與儲料倉21匹配對接的機械手25，該機械手25可以采用現(xiàn)有技術(shù)。

本實施例的第一進(jìn)出料接口、第二進(jìn)出料接口412、第三進(jìn)出料接口和第四進(jìn)出料接口采用現(xiàn)有技術(shù)，可以根據(jù)需要打開和關(guān)閉，并與相匹配的接口對接?？砷_閉的排料口411用于卸出提升艙4中的礦物，其采用如下形式，在儲料倉21上設(shè)置一連通其內(nèi)腔和外部環(huán)境的進(jìn)出口，進(jìn)出口處設(shè)置一可打開和關(guān)閉的密封蓋，當(dāng)然，可開閉的排料口411也可以采用現(xiàn)有其他結(jié)構(gòu)形式。本實施例的集礦車3采用現(xiàn)有技術(shù)，并且優(yōu)選采用水利式集礦的集礦車3，水下作業(yè)平臺2和集礦車3都安裝有感知海底環(huán)境的傳感器、聲吶和成像設(shè)備等，在集礦車3行走采集過程中，水下作業(yè)平臺2也按照一定速度和軌跡行走。水面作業(yè)母船1還設(shè)有用于釋放和回收提升艙4的裝置。

該間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)適合多金屬結(jié)核、硫化物、鈷結(jié)殼等海底固體資源的開采。

一種采用上述間斷式深海礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)進(jìn)行礦產(chǎn)資源開采的開采方法，包括以下步驟：

（A）在適合采礦的良好氣候工況下，安放并連接好水面作業(yè)母船1、水下作業(yè)平臺2和集礦車3；

（B）控制集礦車3采集海底礦物，當(dāng)集礦車3的料倉裝滿礦物后，將礦物輸送至水下作業(yè)平臺2的儲料倉21中；

（C）采用多個提升艙4交替將儲料倉21中的物料輸送到水面作業(yè)母船1上；各提升艙4將儲料倉21的物料輸送到水面作業(yè)母船1上的過程是：先控制提升艙4的浮力降低以使提升艙4下沉到水中，提升艙4被引導(dǎo)至水下作業(yè)平臺2，使提升艙4的第二進(jìn)出料接口412與儲料倉21的第一進(jìn)出料接口對接，將儲料倉21中的礦物轉(zhuǎn)運至提升艙4的艙體41中，再控制提升艙4的浮力增大以使提升艙4上浮到水面，回收提升艙4并將礦物卸放到水面作業(yè)母船1上。

在不適合采礦的惡劣氣候工況下，回收所有提升艙4，斷開水面作業(yè)母船1與水下作業(yè)平臺2的連接，控制水下作業(yè)平臺2和集礦車3保持工作狀態(tài)或者停止?fàn)顟B(tài)，將水面作業(yè)母船1駛離工作海區(qū)。

為提高作業(yè)效率，本實施例采用了多個提升艙4。在其他實施例中，也可僅設(shè)置一個提升艙4往復(fù)將儲料倉21中的物料輸送到水面作業(yè)母船1上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例。對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思前提下所得到的改進(jìn)和變換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。