用于金属结核开采的扬矿系统、扬矿控制方法及采矿系统与流程

本发明涉及深海结核矿开采技术，尤其涉及一种用于金属结核开采的扬矿系统、扬矿控制方法及采矿系统。

背景技术：

目前国际上开采深海资源的方法，主要有连续链斗法、砂浆泵水力管道提升法和空气升举法等。连续链斗式开采是利用绞车带动挂有许多戽斗的绳链不断地把海底多金属结核采到工作船上来，但是此法存在采矿效率和资源回收率低、缆绳易缠绕等缺点。空气升举式开采是通过输矿管道，利用高压空气把多金属结核连泥带水地从海底运至地表，需要配置大风量高风压空压机，存在携矿速度低、能量消耗大、开采成本高等缺点。而砂浆泵水力管道提升法是将泵安装在扬矿管道上，借助海水的势能进行提升，其优势是工艺简单、效率高，但该工艺的缺陷在于结核通过泵造成叶轮的磨损和结核的破碎与分化。

为了克服上述缺陷，本领域技术人员进行了各种创新与尝试，如中国专利ZL201610180025.3公开的一种深海多金属结核的开采系统及开采工艺，它很好地解决了上述问题，尤其克服了深海结核矿开采扬矿压力问题；本发明是在此基础上的改进和创新，使得改进后的技术能够更好地满足深海结核矿开采的实际需要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于金属结核开采的扬矿系统、扬矿控制方法及采矿系统，它具有安全可靠，采矿效率高和检修方便的优点。

本发明是这样来实现的，一种用于金属结核开采的扬矿系统，它包括吸矿软管、扬矿软管以及连通在吸矿软管和扬矿软管之间的扬矿驱动组件，其特征在于，该扬矿驱动组件包括位于海面下的潜污泵和分离器，分离器通过吸矿控制阀与吸矿软管连通，位于分离器顶部的分离水出水口与潜污泵进水口之间通过抽水控制阀连通，位于分离器底部的结核排出口分别通过排水控制阀和扬矿控制阀与潜污泵的出水口和扬矿软管连通。

所述分离器内设有送矿器，该送矿器将结核矿送至分离器的结核排出口。

所述扬矿驱动组件包括潜污泵、第一分离器和第二分离器；第一分离器和第二分离器分别通过第一吸矿控制阀和第二吸矿控制阀与吸矿软管连通；第一分离器顶部的分离水出水口和第二分离器顶部的分离水出水口分别通过第一抽水控制阀和第二抽水控制阀与潜污泵的进水口连通；位于第一分离器底部的结核排出口分别通过第一排水控制阀和第一扬矿控制阀与潜污泵的出水口和扬矿软管连通；位于第二分离器底部的结核排出口分别通过第二排水控制阀和第二扬矿控制阀与潜污泵的出水口和扬矿软管连通。

所述潜污泵设置在海面下的扬程范围内。

本发明还记载了一种用于深海多金属结核开采的扬矿控制方法，该扬矿控制方法基于上述结构的用于金属结核采矿的扬矿系统，它包括如下控制步骤：

(1)吸矿软管中的固液混合物经第一吸矿控制阀进入第一分离器，固液混合物被第一分离器分离后得到的低固相液体经第一抽水控制阀进入潜污泵，低固相液体被潜污泵增压后经第二排水控制阀与从第二分离器排出的结核矿物混合，最后经第二扬矿控制阀进入扬矿软管；

(2)吸矿软管中的固液混合物经第二吸矿控制阀进入第二分离器，固液混合物被第二分离器分离后得到的低固相液体经第二抽水控制阀进入潜污泵，低固相液体被潜污泵增压后经第一排水控制阀与从第一分离器排出的结核矿物混合，最后经第一扬矿控制阀进入扬矿软管。

本发明还记载了一种采矿系统，它包括上述结构的用于金属结核采矿的扬矿系统，所述扬矿软管的顶端设置开采船，吸矿软管的底端连接采矿机器人。

本发明的有益效果为：本发明的扬矿系统能够满足开采结核粒径大、寿命长、检修方便、深海多金属结核连续开采的技术要求，且在输送结核矿的整个过程中，结核能够在不经过泵的条件下实现连续开采，可大幅度提高泵的寿命，减少对叶轮的磨损和破坏，同时，结核的粒径不受到潜污泵管径的限制；本发明利用潜污泵的抽排水产生高度压差，将采矿机器人采集海底多金属结核，通过吸矿软管到达分离器进行固液分离，潜污泵抽取分离的海水输送另一个分离器的结核到开采船上，从而实现集矿、吸矿、分离、扬矿和储矿的连续作业，大大提高了采矿效率。

附图说明

图1为本发明扬矿系统一个实施例的结构示意图。

图2为本发明扬矿系统另一个实施例的结构示意图。

在图中，1、吸矿软管 2、扬矿软管 3、吸矿控制阀 4、抽水控制阀 5、潜污泵 6、排水控制阀 7、扬矿控制阀 8、分离器 9、开采船 10、采矿机器人。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明是这样实现的，如图1所示，该用于金属结核开采的扬矿系统包括吸矿软管1、扬矿软管2以及连通在吸矿软管1和扬矿软管2之间的扬矿驱动组件，其特征在于，该扬矿驱动组件包括位于海面下的潜污泵5和分离器8，分离器8通过吸矿控制阀3与吸矿软管1连通，位于分离器8顶部的分离水出水口与潜污泵5进水口之间通过抽水控制阀4连通，位于分离器8底部的结核排出口分别通过排水控制阀6和扬矿控制阀7与潜污泵5的出水口和扬矿软管2连通；该扬矿系统的关键设计点在于固液混合物不会直接通过潜污泵5，而是先由分离器8对吸矿软管1输送而来的固液混合物进行分离，被分离的低固相液体经由抽水控制阀4进入潜污泵5，再由潜污泵5增压后形成的高压液体流冲击从分离器8分离的结核矿物混合，高压液体携带结核矿物经由扬矿软管2输送到海面；其设计的特点使得多金属结核能够在不经过泵的条件下实现连续开采，可大幅度提高泵的寿命，减少结核对叶轮的磨损和破坏，同时，结核的粒径不受到潜污泵5管径的限制，大大降低深海结核矿开采的难度；在实施时，所述吸矿控制阀3、抽水控制阀4、排水控制阀6和扬矿控制阀7均采用电子阀，其与潜污泵5和分离器8通过控制模块进行协同控制，可根据开采环境和需要自动调节扬矿效率；该扬矿系统将海底多金属结核通过吸矿软管1输送至分离器8进行固液分离，再利用潜污泵5对分离海水增压以弥补扬程高度压差，并利用高压海水携带分离后的结核，经扬矿软管2输送至海面，很好地满足了深海采矿高压环境下的扬程输送要求。

为了提高结核矿物与海水的分离效率，所述分离器8内设有送矿器801，该送矿器801将结核矿送至分离器8的结核排出口，这样能够及时将分离后的结核矿物输送到排出口，提高其与来自于潜污泵5的增压海水汇合的效率，进而提高扬程和采矿效率。

基于上述技术方案，为了进一步提高采矿效率，本发明还设计了另外一种扬矿系统实施方式，其结构如图2所示，其扬矿驱动组件包括潜污泵5、第一分离器81和第二分离器82；第一分离器81和第二分离器82分别通过第一吸矿控制阀31和第二吸矿控制阀32与吸矿软管1连通；第一分离器81顶部的分离水出水口和第二分离器82顶部的分离水出水口分别通过第一抽水控制阀41和第二抽水控制阀42与潜污泵5的进水口连通；位于第一分离器81底部的结核排出口分别通过第一排水控制阀61和第一扬矿控制阀71与潜污泵5的出水口和扬矿软管2连通；位于第二分离器82底部的结核排出口分别通过第二排水控制阀62和第二扬矿控制阀72与潜污泵5的出水口和扬矿软管2连通。所述潜污泵5设置在海面下的扬程范围内；图2所示实施例的扬矿系统工作原理可采用图1所示实施例的作原理基本，对于本领域技术人员来说，其工作原理可参考图1所示即可实施，不再赘述。

当然，但在实际采矿中，为了获得更好的采矿效率，上述结构的扬矿系统并不局限于已经陈述的控制原理，本发明还公开了一种能够显著扬矿安全和效率的扬矿控制方法，该扬矿控制方法基于上述结构的扬矿系统，它包括如下控制步骤：

(1)吸矿软管1中的固液混合物经第一吸矿控制阀31进入第一分离器81，固液混合物被第一分离器81分离后得到的低固相液体经第一抽水控制阀41进入潜污泵5，低固相液体被潜污泵5增压后经第二排水控制阀62与从第二分离器82排出的结核矿物混合，最后经第二扬矿控制阀72进入扬矿软管2；

(2)吸矿软管1中的固液混合物经第二吸矿控制阀32进入第二分离器82，固液混合物被第二分离器82分离后得到的低固相液体经第二抽水控制阀42进入潜污泵5，低固相液体被潜污泵5增压后经第一排水控制阀61与从第一分离器81排出的结核矿物混合，最后经第一扬矿控制阀71进入扬矿软管2。

根据上述控制方法，通过第二排水控制阀62和第一排水控制阀61实现了对来自潜污泵5的增压后低固相液体流动方向的控制，在实际采矿中，由于通过分离器分离的结核矿物需要一定的时间富集，且潜污泵5也需要从分离器获得足够的低固相液体才能满足工作要求，这样在第一分离器81已富集足够的结核矿物，而第二分离器82正处于分离富集时，开通第一排水控制阀61，关闭第二排水控制阀62，来自第二分离器82的低固相液体被潜污泵5增压，再经第一排水控制阀61与第一分离器81富集排出的结核矿物混合，最后经第一扬矿控制阀71进入扬矿软管2；当第一分离器81富集的结核矿物被输送完成，在其再次分离富集过程中，此时第二分离器82则富集到足够的结核矿物，同样的关闭第一排水控制阀61，开启第二排水控制阀62，在不影响第二分离器81分离富集结核矿物的同时完成对第二分离器82富集结核矿物的输送，这样就大大提高了扬矿的效率，实现可靠稳定的结核矿物的输送，显著提高开采效率。

本发明还公开了一种采矿系统，它包括上述结构的用于金属结核采矿的扬矿系统，所述扬矿软管2的顶端设置开采船9，吸矿软管1的底端连接采矿机器人10；在其工作时，采矿机器人10通过绞吸选矿，海水携带结核经扬矿系统后，由扬矿软管2输送到位于海面的开采船9上，由于潜污泵5被安放于扬程范围内，通过潜污泵4的抽排水产生的液位差，很好地满足了进一步通过扬矿软管2向上输送所要克服的压力差，在实施时，采矿机器人10可被下放至海底3000-6000米处进行深海工作，整个系统能够实现高效可靠的结核矿开采过程，且由于结核矿不会接触泵的叶轮，减少了多金属结核对叶轮的破坏，提高了使用的寿命，也便于系统维护；本发明将分离器8、送矿器801、潜污泵5，使其融合为一体，使其位于扬程范围内，提高分离与选矿输送效果，尤其是潜污泵5的位置与工作原理，不再起到简单的连通器以及排水，而是用于增压，并通过分离后的高压低固相液体输送结核矿，提高扬矿效率。