1.本发明涉及深海资源开发领域，具体涉及一种深海锰结核上扬力预测方法。
背景技术：
2.深海锰结核是一种重要的矿产资源，其开采是一个高新技术密集的领域，涉及到集矿、扬矿、筛矿等核心技术。其中，在扬矿过程中，锰结核需要克服水土阻力进行上扬，即开采需要的上扬力是一个重要参数。迄今为止，对于锰结核上扬力基本基于经验进行确定，缺乏相关理论方法进行指导。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种深海锰结核上扬力预测方法，具有结构简单、实施方便和结果可靠的优点。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种深海锰结核上扬力预测方法，包括如下步骤：
5.(1)确定锰结核的水下有效重力g'；
6.(2)确定锰结核的等效粒径d；
7.(3)确定锰结核的埋置深度h；
8.(4)确定锰结核周围海床土体的粘聚力c；
9.(5)确定出海床土体的不排水抗剪强度cu；
10.(6)确定出锰结核底部克服海床土体粘聚力而需要的上扬力t1；
11.(7)确定锰结核周边克服海床土体界面剪切力而需要的上扬力t2；
12.(8)确定锰结核克服底部真空吸力而需要的上扬力t3；
13.(9)确定总的锰结核上扬力t。
14.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的工作原理是利用水举、气举等方法提升锰结核时，需要克服锰结核与底部海床土体之间的粘聚力、周边与海床土体之间的界面剪切力、底部受到的真空吸力，以及自身重力才能产生上扬，即上述四个力之和为总上扬力。本发明具有结构简单、实施方便和结果可靠的优点。
具体实施方式
15.下面，对本发明的技术方案进行具体说明。
16.本发明一种深海锰结核上扬力预测方法，包括如下步骤：
17.(1)确定锰结核的水下有效重力g'。
18.取典型尺度的锰结核，在实验室里称取其质量，测量出其体积v，将质量除以体积，得到密度ρ，然后计算出水下有效重力g'＝(ρ-ρw)gv
19.其中，ρw为海水密度，取1.025g/cm3，g为重力加速度。
20.(2)确定锰结核的等效粒径d。
[0021][0022]
(3)确定锰结核的埋置深度h。
[0023]
利用水下机器人测量出锰结核在海底面以上的高度h0，埋置深度h＝d-h0。
[0024]
(4)确定锰结核周围海床土体的粘聚力c。
[0025]
在海床内取典型原状土样，运回实验室进行直剪试验，测试出其粘聚力c。
[0026]
(5)确定出海床土体的不排水抗剪强度cu。
[0027]
在取出的典型土样内，利用微型十字板剪切仪测试出其不排水抗剪强度cu。
[0028]
(6)确定出锰结核底部克服海床土体粘聚力而需要的上扬力t1。
[0029]
t1＝cπ(dh-h2)
[0030]
(7)确定锰结核周边克服海床土体界面剪切力而需要的上扬力t2。
[0031][0032]
(8)确定锰结核克服底部真空吸力而需要的上扬力t3。
[0033]
t3＝αp0π(dh-h2)
[0034]
其中，α为折减系数，取0.1；p0为大气压力，取101.325kpa。
[0035]
(9)确定总的锰结核上扬力t。
[0036]
t＝t1+t2+t3+g'
[0037]
实施案例
[0038]
某海域底部表面散布有锰结核，拟采用气举法进行上扬，为了提前确定上扬力，以确定机械设备的参数，采用本发明的方法进行预测。
[0039]
取典型尺度的锰结核，在实验室里称取其质量为2575.3g，测量出其体积v为950.3cm3，将质量除以体积，得到密度ρ为2.71g/cm3，然后计算出水下有效重力g'为15.7n。确定锰结核的等效粒径d为12.2cm。利用水下机器人测量出锰结核在海底面以上的高度h0为8.1cm，确定锰结核的埋置深度h为4.1cm。在海床内取典型原状土样，运回实验室进行直剪试验，测试出锰结核周围海床土体的粘聚力c为3.3kpa。在取出的典型土样内，利用微型十字板剪切仪测试出海床土体的不排水抗剪强度cu为4.9kpa。确定出锰结核底部克服海床土体粘聚力而需要的上扬力t1为34.4n。确定锰结核周边克服海床土体界面剪切力而需要的上扬力t2为72.7n。确定锰结核克服底部真空吸力而需要的上扬力t3为1057.1n。确定总的锰结核上扬力t为2285.8n。
[0040]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定锰结核的水下有效重力g'；(2)确定锰结核的等效粒径d；(3)确定锰结核的埋置深度h；(4)确定锰结核周围海床土体的粘聚力c；(5)确定出海床土体的不排水抗剪强度c
u
；(6)确定出锰结核底部克服海床土体粘聚力而需要的上扬力t1；(7)确定锰结核周边克服海床土体界面剪切力而需要的上扬力t2；(8)确定锰结核克服底部真空吸力而需要的上扬力t3；(9)确定总的锰结核上扬力t。2.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(1)中，确定锰结核的水下有效重力g'的方式为：取典型尺度的锰结核，在实验室里称取其质量，测量出其体积v，将质量除以体积，得到密度ρ，然后计算出水下有效重力g'＝(ρ-ρ
w
)gv；其中，ρ
w
为海水密度，取1.025g/cm3，g为重力加速度。3.根据权利要求2所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(2)中，锰结核的等效粒径d的计算公式为：4.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(3)中，确定锰结核的埋置深度h的方式为：利用水下机器人测量出锰结核在海底面以上的高度h0，埋置深度h＝d-h0。5.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(4)中，确定锰结核周围海床土体的粘聚力c的方式为：在海床内取典型原状土样，运回实验室进行直剪试验，测试出其粘聚力c。6.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(5)中，确定出海床土体的不排水抗剪强度c
u
的方式为：在取出的典型土样内，利用微型十字板剪切仪测试出其不排水抗剪强度c
u
。7.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(6)中，锰结核底部克服海床土体粘聚力而需要的上扬力t1的计算公式为：t1＝cπ(dh-h2)。8.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(7)中，锰结核周边克服海床土体界面剪切力而需要的上扬力t2的计算公式为：9.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(8)中，锰结核克服底部真空吸力而需要的上扬力t3的计算公式为：t3＝αp0π(dh-h2)其中，α为折减系数；p0为大气压力。
10.根据权利要求1所述的一种深海锰结核上扬力预测方法，其特征在于，步骤(9)中，总的锰结核上扬力t的计算公式为：t＝t1+t2+t3+g'。
技术总结
本发明涉及一种深海锰结核上扬力预测方法。该方法的工作原理是利用水举、气举等方法提升锰结核时，需要克服锰结核与底部海床土体之间的粘聚力、周边与海床土体之间的界面剪切力、底部受到的真空吸力，以及自身重力才能产生上扬，即上述四个力之和为总上扬力。本发明具有结构简单、实施方便和结果可靠的优点。实施方便和结果可靠的优点。
技术研发人员：罗才松 陈华艳 许力 陈军浩 周亦涛 常方强 王碧珍 林友峰 张泽群
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2022.09.29
技术公布日：2022/11/25