专利名称：一种可移动分布式深海矿产资源的连续开采方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋矿产资源的开采模式，特别是涉及一种深海基岩矿床和沉积物矿床的可移动分布式深海矿产资源的连续开采方法。
背景技术：
近年来随着世界人口增加和人类使用矿产资源猛增，导致陆地资源日趋短缺和枯竭，海洋矿产资源尽管探明有巨大的储量，但还未能开发利用。因此，各国，尤其是发达国家把注意力转向了海洋，并且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”。
日本发明了一种连续绳斗式的开矿方法(Continuous linebucket system)，简称为CLB方法，这种拖斗式采矿模式有单斗、双斗、连续斗式3种具体方案。它使用集料斗进行海底的矿石采集，主要由海面上的采矿船、深海中的集矿拖斗、拉动的绳索等组成，形成一种断续或连续式的深海采矿方法。这种方法的缺点是从本质上看还是一种断续的采矿形式，加上拖斗在深海中的轨迹及采集的路径难以控制，使矿产资源的采集效率难以提高；拖斗在采矿作业中的运动姿态与力学性能难以控制，使采矿的贫化率增高；拖斗在提升过程中矿产资源会扩散，产生对海洋环境包括海洋生物的破坏。
欧美等国发明了两种深海采矿方法，分别是管道提升式和潜水式采矿方法，每种方法又有不同的具体形式。其中管道提升式采矿方法的构成主要是采矿船、行走底盘、集矿机、扬矿装置等部分，其中水下装置集成于一体，与海面上的采矿船相连；潜水式采矿方法主要是潜水采矿船进行水下采矿，它往返于海面与海底之间。它们的缺点是对管道提升式来说，其水下装置集成一体，每个水下装置都要一套扬矿管路，难以形成经济的开采方法；为达到一定的产量，其水下装置必须做得很大，难以实现对海底微地形的适应要求，且降低了采集率；设备庞大，难以维修，可靠性降低；采集和提升大量海底沉积物，对海洋环境造成污染。对潜水式采矿方法来说，其穿梭于海面与海底之间，生产率难以提高，生产成本增加；对设备的可靠性和安全性要求很高，缺乏实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能适用于深海矿产资源，尤其是海洋主要矿产资源--基岩矿床和沉积物矿床(包括结核和结壳)的开采且能适合海洋矿产资源开采特点、生产率及采集率高、开采成本低、可靠性强、海洋环境污染少的连续开采方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的开采模式是，主要由海洋采矿区的水下定位基点、移动分布式采矿车、按开采量匹配的移动式矿、初选与初碎装置、输送到扬矿装置的传送装置、具动力与管路的移动式扬矿装置、移动式水下总动力配电站、移动式水下采矿任务的主控制站、水面上的采矿船、运输船等部分构成，采矿车经动力站充电，并在接受主控制站的采矿量任务及采矿路径后，通过采矿车上的传感器比对采矿区定位基点，以确定自己在矿区中的位置，按控制站规划的起点路径进行采矿，根据采矿量任务采矿车规划其返回时的采矿路径，将矿物倒入矿仓中，并与主控制站进行信息交换，采矿车再重新进行上述采矿任务；矿仓中的矿物经过初选与初碎装置后，初精矿由传送装置送到扬矿装置，将它通过管道提升送至采矿船，经过进一步处理后由运输船运到目的地；在当前采矿区域的任务完成后，可自行式地移至下一个采区进行工作。
本发明采用一种可移动分布式结构，不仅使采矿车小型化以适应微地形，采用多个可移动式采矿车在矿区内进行作业，而且水下有可移动式的矿区定位基点、动力单元、主控制单元、与多个采矿车匹配的矿仓、初级分选与破碎单元、传送单元及扬矿单元，形成一种水下的可移动分布式结构的海洋矿产资源开采模式，水面上有采矿船及运输船；本发明针对基岩矿床和沉积物矿床，以多个适应海底微地形的移动式采矿车协同作业，提高每个采矿车的采集率并控制贫化率，通过主控制器的任务规划，提高采矿车在整个矿区内的采集率，保证矿区内全部或绝大部分矿物被开采到；在与采矿车匹配的多个矿仓内进行初级分选与破碎，提高矿物的品位并控制矿物的粒度，传送到扬矿装置集中进行管道提升，将矿物带到水面上的采矿船中；有一个独立的动力站负责水下系统的动力充电，在转场过程中，采矿车仍能进行采矿作业，形成一个对海洋矿产资源的连续开采形式；本发明提供了一种基于传感的控制结构来设计移动式采矿，和基于时空分解的多层计算机体系结构来设计整个这种海洋矿产资源开采模式，采用多CPU技术，水下以无线遥控方式为主，通过矿区的定位基点确定采矿车的位置，在车上装备各种海洋环境传感器和任务感知传感器，通过车上的分布式控制单元进行底层规划完成采矿任务及自诊断保护；水下的主控制站完成采区的任务分配和多个采矿车的初始点路径规划，以及与采矿车的信息交互，实现水下作业任务的监控；采矿船上的总控制器完成采区总任务的确定、声学及光学图像处理以便于系统监控、紧急情况的处理与应对，实现对水下主控制器的管理；本发明通过在水下进行初级分选与破碎，将与矿物不相关的部分留在海洋原位而不进行提升，减少了对海洋环境的污染；本发明是一种能适用于深海矿产资源，尤其是海洋主要矿产资源--基岩矿床和沉积物矿床的开采且能适合海洋矿产资源开采特点、生产率及采集率高、开采成本低、可靠性强、海洋环境污染少的连续开采方法。
附图是本发明的可移动分布式连续开采模式示意图。
具体实施例方式参见附图，本发明专利的开采模式为，主要由海洋采矿区的水下定位基点1、移动分布式采矿车2、按开采量匹配的移动式矿仓3、带有可有效抑制贫化率与匹配扬矿粒度的初选与初碎装置4、输送到扬矿装置的传送装置5、具动力与管路的移动式扬矿装置6、移动式水下总动力配电站7、移动式水下采矿任务的主控制站8、水面上的采矿船9、运输船10等部分构成，采矿车2经移动式水下总动力站7充电，并在接受主控制站8的采矿量任务及采矿路径后，通过采矿车2上的传感器比对采矿区定位基点1，以确定自己在矿区中的位置，按控制站8规划的起点路径进行采矿，根据采矿量任务采矿车规划其返回时的采矿路径，将矿物倒入矿仓3中，并与主控制站8进行信息交换，采矿车2再重新进行上述采矿任务；矿仓3中的矿物经过初选与初碎装置4后，初精矿由传送装置5送到扬矿装置6，将它通过管道提升送至采矿船9，经过进一步处理后由运输船10运到目的地；在当前采矿区域的任务完成后，可自行式地移至下一个采区进行工作。
海洋矿产资源--这里主要指基岩矿床和沉积物矿床(包括结核和结壳)的开采特点是分布面积广、履盖层较薄、微地形复杂且变化较大、水下较深且人员难以现场操作。针对此特点，对采矿车而言，向单个大型化发展并无优势，为此，本发明提出采用一种可移动分布式结构，不仅使采矿车小型化以适应微地形，采用多个可移动式采矿车在矿区内进行作业，而且水下有可移动式的矿区定位基点、动力单元、主控制单元、与多个采矿车匹配的矿仓、初级分选与破碎单元、传送单元及扬矿单元，形成一种水下的可移动分布式结构的海洋矿产资源开采模式，水面上有采矿船及运输船。
海洋矿产资源开采能否实现，说到底是其采矿成本问题，由于海洋矿产的特殊性，陆地上的采矿方法难以直接利用，选用何种采矿模式是海洋矿产资源开发的重要课题。为此，本发明专利提出了一种连续开采形式，针对基岩矿床和沉积物矿床，以多个适应海底微地形的移动式采矿车协同作业，提高每个采矿车的采集率并控制贫化率，通过主控制器的任务规划，提高采矿车在整个矿区内的采集率，保证矿区内全部或绝大部分矿物被开采到；在与采矿车匹配的多个矿仓内进行初级分选与破碎，提高矿物的品位并控制矿物的粒度，传送到扬矿装置集中进行管道提升，将矿物带到水面上的采矿船中；有一个独立的动力站负责水下系统的动力充电，在转场过程中，采矿车仍能进行采矿作业，形成一个对海洋矿产资源的连续开采形式，提高了生产率及采集率、控制了贫化率和矿物粒度、降低了设备成本及开采成本、增强了整个系统的可靠性。
深海作业，是高新技术的集中体现，也是智能型机器人的一个重要发展方向，海洋开矿--这应是一个同一任务多机器人协同合作的全自动适应型控制的典型应用范例。由此，本发明提出了一种基于传感的控制结构来设计移动式采矿，和基于时空分解的多层计算机体系结构来设计整个这种海洋矿产资源开采模式，采用多CPU技术；水下以无线遥控方式为主，通过矿区的定位基点确定采矿车的位置，在车上装备各种海洋环境传感器和任务感知传感器，通过车上的分布式控制单元进行底层规划完成采矿任务及自诊断保护；水下的主控制站完成采区的任务分配和多个采矿车的初始点路径规划，以及与采矿车的信息交互，实现水下作业任务的监控；采矿船上的总控制器完成采区总任务的确定、声学及光学图像处理以便于系统监控、紧急情况的处理与应对，实现对水下主控制器的管理。
本发明通过在水下进行初级分选与破碎，将与矿物不相关的部分留在海洋原位而不进行提升，减少了对海洋环境的污染。
权利要求
一种可移动分布式深海矿产资源的连续开采方法，其特征是由海洋采矿区的水下定位基点(1)、移动分布式采矿车(2)、按开采量匹配的移动式矿仓(3)、带有可有效抑制贫化率与匹配扬矿粒度的初选与初碎装置(4)、输送到扬矿装置的传送装置(5)、具动力与管路的移动式扬矿装置(6)、移动式水下总动力配电站(7)、移动式水下采矿任务的主控制站(8)、水面上的采矿船(9)、运输船(10)等部分构成，采矿车(2)经动力站(7)充电，并在接受主控制站(8)的采矿量任务及采矿路径后，通过采矿车(2)上的传感器比对采矿区定位基点(1)，以确定自己在矿区中的位置，按控制站(8)规划的起点路径进行采矿，根据采矿量任务采矿车规划其返回时的采矿路径，将矿物倒入矿仓(3)中，并与主控制站(8)进行信息交换，采矿车(2)再重新进行上述采矿任务；矿仓(3)中的矿物经过初选与初碎装置(4)后，初精矿由传送装置(5)送到扬矿装置(6)，将它通过管道提升送至采矿船(9)，经过进一步处理后由运输船(10)运到目的地；在当前采矿区域的任务完成后，可自行式地移至下一个采区进行工作。
全文摘要
本发明公开了一种可移动分布式深海矿产资源的连续开采方法，由海洋采矿区的水下定位基点(1)、移动分布式采矿车(2)、按开采量匹配的移动式矿仓(3)、带有可有效抑制贫化率与匹配扬矿粒度的初选与初碎装置(4)、输送到扬矿装置的传送装置(5)、具动力与管路的移动式扬矿装置(6)、移动式水下总动力配电站(7)、移动式水下采矿任务的主控制站(8)、水面上的采矿船(9)、运输船(10)等部分构成。本发明是一种能适用于深海矿产资源，尤其是海洋主要矿产资源——基岩矿床和沉积物矿床的开采,且能适合海洋矿产资源开采特点、生产率及采集率高、开采成本低、可靠性强、海洋环境污染少的连续开采方法。
文档编号E21C50/00GK1458391SQ0211413
公开日2003年11月26日 申请日期2002年5月16日 优先权日2002年5月16日
发明者何清华, 郭勇, 陈欠根, 朱建新 申请人:湖南山河智能机械股份有限公司, 中南大学