一种间断式深海矿产资源开采系统及开采方法与流程

本发明涉及水下采矿设备技术领域，具体涉及一种深海矿产资源开采系统及开采方法。

背景技术：

21世纪是海洋世纪，海洋是人类可持续发展所需要的能源、矿物和生物的战略资源基地，其中，蕴藏多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等丰富的矿产资源和生物资源，是日益枯竭的陆地资源的可靠接替。

海洋矿产资源开采技术最早开始于上世纪70年代，由于工业的迅猛发展，对资源的需求日益膨胀，各国开始以多金属结核为主要开采对象，进行大量并具有一定规模的海洋矿产资源开采海试试验。多金属结核赋存于3000-6000m左右深的海底，要开采就必须要有可行的采矿系统。因此世界各国均把发展可靠的采矿系统放在优先位置，并对此进行了大量的试验研究，有的甚至还进行了深海中试采矿试验。从二十世纪六十年代末至今，国际上已开发和试验了的大洋采矿系统主要分为连续绳斗（CLB）采矿系统，海底遥控车采矿系统（穿梭艇式采矿系统）和流体提升式采矿系统。

流体提升采矿系统是目前国内外研究最多的一种采矿系统，其一般由集矿子系统、管道提升子系统及水面支持子系统等组成。在该系统中，在采集技术上开发了水力式、机械式和复合式采集头，在行走技术方面有拖曳式和自行式，自行式的主要驱动方式有阿基米德螺旋式、履带式等；在提升方面，对水力提升和气力提升进行了研究，研制出了深潜电泵；监控系统，主要是针对海底集矿子系统作业过程进行测控；水面支持子系统，大多是采用科考船、钻探船或打捞船来改装。这些采矿系统通过一系列的深海采矿海试，获得了较多的多金属结核样品，验证了深海采矿技术上的可行性，打通了深海采矿系统的流程。

但以上采矿系统并不成熟，其可靠性、稳定性均得不到保障，经济性则更差。作业时，采矿船拖曳水下系统进行水下矿产资源的采集。采矿设备安装时，需按顺序将集矿车、输送软管、中间舱、扬矿泵、输送立管逐级布放安装，这种安装方式对管道要求极高，且每一功能块不可拆卸，难以维护，各系统的寿命也不等，形成短板。采集过程中，集矿车的采集效率因稀软底质的特殊环境难以保证，集矿车的海底结核采集量和输送系统的结核输送量匹配困难，造成采矿系统整体效率不高，经济性下降。此外，多金属结核矿区为台风频发区，气象条件多变，而现有采矿系统大多在良好的海洋环境内试验，在遇到大风浪等海上恶劣天气时，采矿船需拖曳整个系统躲避风浪，或者再逐级把设备回收至船上进行避风，系统拆装费时，严重影响作业的连续性。并且，现有采矿系统的制造成本以及维护费用很高，作业要求较高且对海上风浪天气敏感。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种装卸和维护简单方便、工作可靠性和稳定性高、整体采集效率高、经济性好、利于提高生产效率和保证作业连续性的间断式深海矿产资源开采系统及开采方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种间断式深海矿产资源开采系统，包括水面作业母船、具有储料仓的水下作业平台以及与水下作业平台相连的集矿车，还包括一个以上提升舱，所述提升舱包括用于储存物料的舱体、设于舱体上的第一浮力调节装置和设于舱体上的水下移动装置，所述储料仓设有第一进出料接口，所述舱体设有可开闭的排料口和用于与第一进出料接口以可拆卸方式匹配对接的第二进出料接口。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述第一浮力调节装置包括设于舱体上的第一气水腔、用于向第一气水腔中加水或将第一气水腔中的水排出的第一海水泵以及用于给第一海水泵供电的第一可充电电池组。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述水下移动装置为安装在舱体上的螺旋桨式推动器。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述水面作业母船通过第一电力和信息传输线缆与水下作业平台相连，所述第一电力和信息传输线缆包括分别与水面作业母船和水下作业平台相连的两段，两段第一电力和信息传输线缆之间通过可拆卸式水密接头相连，与水下作业平台相连的一段第一电力和信息传输线缆设有能使可拆卸式水密接头一端悬浮在水中的浮力部件。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述水下作业平台包括履带行走机构和安装在履带行走机构上的上述储料仓，所述履带行走机构上安装有第二浮力调节装置和接地压力传感器，接地压力传感器检测履带行走机构的接地压力，水下作业平台的控制单元根据接地压力大小控制第二浮力调节装置的浮力，使履带行走机构的接地压力至设定大小。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述第二浮力调节装置包括设于履带行走机构上的第二气水腔、用于向第二气水腔中加水或将第二气水腔中的水排出的第二海水泵以及用于给第二海水泵供电的第二可充电电池组。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述储料仓设有第三进出料接口，所述集矿车设有用于与第三进出料接口以可拆卸方式匹配对接的第四进出料接口。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述间断式深海矿产资源开采系统设有一台以上集矿车，各台集矿车通过第二电力和信息传输线缆与水下作业平台相连，所述第二电力和信息传输线缆具有可拆卸的连接接头。

上述的间断式深海矿产资源开采系统，优选的，所述水下作业平台还设有用于辅助提升舱与储料仓匹配对接的机械手。

一种采用上述间断式深海矿产资源开采系统进行矿产资源开采的开采方法，包括以下步骤：

（A）在适合采矿的良好气候工况下，安放并连接好水面作业母船、水下作业平台和集矿车；

（B）控制集矿车采集海底矿物，当集矿车的料仓装满矿物后，将矿物输送至水下作业平台的储料仓中；

（C）采用多个提升舱交替将储料仓中的物料输送到水面作业母船上；各提升舱将储料仓的物料输送到水面作业母船上的过程是：先控制提升舱的浮力降低以使提升舱下沉到水中，使提升舱的第二进出料接口与储料仓的第一进出料接口对接，将储料仓中的矿物转运至提升舱的舱体中，再控制提升舱的浮力增大以使提升舱上浮到水面，回收提升舱并将矿物卸放到水面作业母船上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的间断式深海矿产资源开采系统及开采方法在进行矿物开采时，水下作业平台和集矿车在海底行走并采集和储存矿物，利用提升舱下潜和上浮以及与储料仓的对接，可间断式的将储存在水下作业平台的储料仓中的矿物输送到水面，通过回收提升舱即可将矿物卸放到水面作业母船上。相比于传统的开采系统，该间断式深海矿产资源开采系统装卸和维护简单方便、工作可靠性和稳定性高、整体采集效率高、经济性好，在遇到大风浪等海上恶劣天气时，不要拆卸整个系统，只需断开水面作业母船与水下作业平台的连接并回收所有提升舱，将水面作业母船驶离工作海区即能灵活方便的进行避风，避免了系统整体拖拽和拆装所导致的费时费力，利于提高生产效率，保证作业的连续性。

附图说明

图1为间断式深海矿产资源开采系统在水面作业母船与水下作业平台连接时的结构示意图。

图2为间断式深海矿产资源开采系统在水面作业母船与水下作业平台不连接时的结构示意图。

图3为水下作业平台的俯视结构示意图。

图4为提升舱的结构示意图。

图例说明：

1、水面作业母船；2、水下作业平台；21、储料仓；22、履带行走机构；23、第二浮力调节装置；24、接地压力传感器；25、机械手；3、集矿车；4、提升舱；41、舱体；411、排料口；412、第二进出料接口；42、第一浮力调节装置；421、第一可充电电池组；43、水下移动装置；44、支撑架；5、第一电力和信息传输线缆；51、可拆卸式水密接头；6、第二电力和信息传输线缆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2和图4所示，本实施例的间断式深海矿产资源开采系统，包括多个提升舱4、水面作业母船1、具有储料仓21的水下作业平台2以及与水下作业平台2相连的集矿车3，各提升舱4包括用于储存物料的舱体41、设于舱体41上的第一浮力调节装置42和设于舱体41上的水下移动装置43，储料仓21设有第一进出料接口，舱体41设有可开闭的排料口411和用于与第一进出料接口以可拆卸方式匹配对接的第二进出料接口412。上述储料仓21临时储存集矿车3采集的矿物，并能将矿物转运至提升舱4。

本实施例的间断式深海矿产资源开采系统在工作时，水下作业平台2和集矿车3在海底行走并采集和储存矿物，利用提升舱4下潜和上浮以及与储料仓21的对接，可间断式的将储存在水下作业平台2的储料仓21中的矿物输送到水面，通过回收提升舱4即可将矿物卸放到水面作业母船1上。相比于传统的开采系统，该间断式深海矿产资源开采系统装卸和维护简单方便、工作可靠性和稳定性高、整体采集效率高、经济性好，在遇到大风浪等海上恶劣天气时，不要拆卸整个系统，只需断开水面作业母船1与水下作业平台2的连接并回收所有提升舱4，将水面作业母船1驶离工作海区即能灵活方便的进行避风，避免了系统整体拖拽和拆装所导致的费时费力，利于提高生产效率，保证作业的连续性。

本实施例中，第一浮力调节装置42包括设于舱体41上的第一气水腔、用于向第一气水腔中加水或将第一气水腔中的水排出的第一海水泵以及用于给第一海水泵供电的第一可充电电池组421。通过第一海水泵向第一气水腔中加水或将第一气水腔中的水排出，可以调节第一气水腔的浮力大小，进而控制提升舱4下潜或上浮。

本实施例中，水下移动装置43为安装在舱体41上的螺旋桨式推动器，其为现有技术，该螺旋桨式推动器由上述的第一可充电电池组421供电进行工作，其通过配置用于驱动舱体41在海水中水平运动。本实施例的提升舱4还优选在其底部设置支撑架44。

本实施例中，水面作业母船1通过第一电力和信息传输线缆5与水下作业平台2相连，第一电力和信息传输线缆5用于传输能量和控制信息，该第一电力和信息传输线缆5包括分别与水面作业母船1和水下作业平台2相连的两段，两段第一电力和信息传输线缆5之间通过可拆卸式水密接头51相连，与水下作业平台2相连的一段第一电力和信息传输线缆5设有能使可拆卸式水密接头51一端悬浮在水中的浮力部件。在需要避风时，断开可拆卸式水密接头51，也即断开水面作业母船1与水下作业平台2的连接，即可将水面作业母船1驶离工作区域，浮力部件可使与水下作业平台2连接的一段第一电力和信息传输线缆5保持悬浮状态，而不会沉入水底，便于重新连接第一电力和信息传输线缆5。

本实施例中，如图3所示，水下作业平台2包括履带行走机构22和安装在履带行走机构22上的上述储料仓21，履带行走机构22上安装有第二浮力调节装置23和接地压力传感器24。由于水下作业平台2储料量的变化会改变水下作业平台2在稀软底质上的接地压力和压陷深度，从而影响行走性能。工作时，接地压力传感器24检测履带行走机构22的接地压力，水下作业平台2的控制单元根据接地压力大小控制第二浮力调节装置23的浮力，调节水下作业平台2的接地压力至设定大小，这样可使履带行走机构22的压陷深度也保持在设定大小，从而保证良好的行走。

本实施例中，第二浮力调节装置23包括设于履带行走机构22上的第二气水腔、用于向第二气水腔中加水或将第二气水腔中的水排出的第二海水泵以及用于给第二海水泵供电的第二可充电电池组。通过第二海水泵向第二气水腔中加水或将第二气水腔中的水排出，可以调节第二气水腔的浮力大小，进而调节水下作业平台2在稀软底质上的接地压力。上述第二可充电电池组可以是上述水下作业平台2自带的可充电电池组。优选的，储料仓21为透水结构，如可采用网状结构，便于储料仓21内海水排出。

上述履带行走机构22采用现有技术中适合于在海底稀软底质上行走的履带行走底盘，并且履带行走底盘优选采用箱式履带。优选的，水下作业平台2具有可充电电池组，在正常情况下，水面作业母船1通过第一电力和信息传输线缆5向水下作业平台2供电，在第一电力和信息传输线缆5断开时，水下作业平台2可通过自带的可充电电池组供电。

本实施例中，储料仓21设有第三进出料接口，集矿车3设有用于与第三进出料接口以可拆卸方式匹配对接的第四进出料接口。在集矿车3料仓装满矿物后，集矿车3运动到水下作业平台2使其第四进出料接口与第三进出料接口对接，采用水利输送方式将矿物输送至水下作业平台2的储料仓21中。

本实施例中，间断式深海矿产资源开采系统设有多台集矿车3，各台集矿车3通过第二电力和信息传输线缆6与水下作业平台2相连，水下作业平台2通过第二电力和信息传输线缆6为集矿车3提供能量和控制信号，第二电力和信息传输线缆6具有可拆卸的连接接头，便于灵活的拆装。在其他实施例中，间断式深海矿产资源开采系统也可以仅设一台台集矿车3。本实施例的水下作业平台2上设有多个连接接头，可根据需要连接不同数量的集矿车3。

本实施例中，水下作业平台2还设有用于辅助提升舱4与储料仓21匹配对接的机械手25，该机械手25可以采用现有技术。

本实施例的第一进出料接口、第二进出料接口412、第三进出料接口和第四进出料接口采用现有技术，可以根据需要打开和关闭，并与相匹配的接口对接。可开闭的排料口411用于卸出提升舱4中的矿物，其采用如下形式，在储料仓21上设置一连通其内腔和外部环境的进出口，进出口处设置一可打开和关闭的密封盖，当然，可开闭的排料口411也可以采用现有其他结构形式。本实施例的集矿车3采用现有技术，并且优选采用水利式集矿的集矿车3，水下作业平台2和集矿车3都安装有感知海底环境的传感器、声呐和成像设备等，在集矿车3行走采集过程中，水下作业平台2也按照一定速度和轨迹行走。水面作业母船1还设有用于释放和回收提升舱4的装置。

该间断式深海矿产资源开采系统适合多金属结核、硫化物、钴结壳等海底固体资源的开采。

一种采用上述间断式深海矿产资源开采系统进行矿产资源开采的开采方法，包括以下步骤：

（A）在适合采矿的良好气候工况下，安放并连接好水面作业母船1、水下作业平台2和集矿车3；

（B）控制集矿车3采集海底矿物，当集矿车3的料仓装满矿物后，将矿物输送至水下作业平台2的储料仓21中；

（C）采用多个提升舱4交替将储料仓21中的物料输送到水面作业母船1上；各提升舱4将储料仓21的物料输送到水面作业母船1上的过程是：先控制提升舱4的浮力降低以使提升舱4下沉到水中，提升舱4被引导至水下作业平台2，使提升舱4的第二进出料接口412与储料仓21的第一进出料接口对接，将储料仓21中的矿物转运至提升舱4的舱体41中，再控制提升舱4的浮力增大以使提升舱4上浮到水面，回收提升舱4并将矿物卸放到水面作业母船1上。

在不适合采矿的恶劣气候工况下，回收所有提升舱4，断开水面作业母船1与水下作业平台2的连接，控制水下作业平台2和集矿车3保持工作状态或者停止状态，将水面作业母船1驶离工作海区。

为提高作业效率，本实施例采用了多个提升舱4。在其他实施例中，也可仅设置一个提升舱4往复将储料仓21中的物料输送到水面作业母船1上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。