深海采矿集矿机的设计
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深海采矿集矿机的设计
第l8卷第1期 1998年2月
矿业研究与丹发 MININGR&D
V0I_l8No.1
Feb.1998
7一
深海采矿集矿机的设计.
简曲王明和
17.
佃串|0 (长沙矿山研究院,长沙,410012)
摘要集矿机是用于水深5000m左右,环境条件复杂恶劣的海鹿采集其表层多金
属结核矿石的设奋.文章以深海采矿最新研究成果为依据,结合科学技术进步可能
实
现的目标,对I业开采使用的集矿机设计进行1探讨.
糊词罐 /DesignofNoduleCollectorforDeepocednMining
JnQWangMinghe
(ChangshaInstituteotMiningResearch,ChangSha,410012)
AbstrabctNodulecollectorisanequipmentforpickingupthemultiple—metalnodules
onabout5000mdeepwateroceanfloorwithcomplicatedandadversecircumstances.
Basedonthelatestresearchachievementsindeepoceanminingandinthelightofthe
targetswhichmayberealizedthrough~ienceandtechnologyadvances,thispaperap—
proachedthedemgnofnodulecollectorfortheuseincommercialmining.
KeyWordsDeepoceal~mining,Multiple—metalnodules,Nodulecollector
1前言
1978年,美国海洋管理财团在太平洋矿
区按1/4～1/j工业生产规模进行了海上采矿
中间试验并获成功,从而奠定了流体提升采
矿法的技术基础.该采矿法最大特点是配备
了自行遥控集矿机,具有较好的机动灵活性,
能避开海底障碍物与不利地形,实现大规模,
高效采矿.试验表明,集矿机设计的好坏直接
关系着深海采矿的成败. 2集矿机工作条件及设计
2.1工作条件
(1)海况.矿区水深4800~5300m,水温
*国家长远攻关中国大洋协会资助项目
-第1作者:高级工程师{收犏日期:1997o8—26
为1～4℃,洋底海流流向主要取决于地形,以
向西北流晟多,平均流速0.01～0.1m/s,局
部地区流动状态受地形和海潮影响.海流对
集矿机作业不会带来大的影响.
(2)海底地貌.矿区地势较平坦,高差一
般为jO～100m,大部分属海底丘陵,其中有
少数海山可采区平均坡度小于5.,局部地段
存在断层,悬崖和高达10m的礁石以及能陷
入机器的坑穴.
(3)结核赋存.在海底,结核以半埋状为
主,分布在沉积物表面,部分埋入沉积层中,
深度一般为20cm以内.大粒径结核多为球
形或椭球形,中粒径的以菜花形为主,小粒径
的以扬梅状为主,湿比重为2t/m.按长径划
分,其中2～7cm的占总重的75,7～10cm f
r
矿业研究与开发第18卷
的占24.4,结核丰度≥5kg/m. (4)沉积物以硅质粘土为主,其次为硅
质软泥,其它类型的沉积物较少.沉积层厚度
大于150m,密度为1.2～1.5t/m.,粒径为 0.001～0.1Inin.O～15cln深处含水比为5:1
～ 2.2{1,超过15cm课时保持在2.2:1左右.
相应深度处的抗剪强度为0～10kPa,沉积物
对结核矿石最大粘着力为1.5kPa. 2.2设计基本原刚及要求
世界上许多深海采矿研究部门对课海采
矿的技术经济分析和预测认为采矿企业必须
获得15～2O的内部收益率才能盈利,为
此工业开采规模需要干结核矿石量达到 3Mt/a,采用两套完全独立的采矿系统能满
足上述要求.
工业开采集矿机应满足以下要求:
适应于中国大洋矿区工作环境}
单机生产能力1.5Mt/a;
采集率达8O;
采集矿石时携带沉积物少,进入主提升
曾前分离率达85;
在海底连续作业1200h不减产,平均无
故障连续作业时间大于2000h;
最大越障高度1m,越淘宽度3m;
具有避开障碍物的锸力,能按预定开采
路线行走的操纵性能;
具有流体动力稳定性,能正确布放,回
收,行走平稳}
对海底扰动和破坏要轻,满足海洋环境
保护法的要求;
结构简单,坚固耐用,重量轻,维修容易,
能耗低,可拆卸搬运;
不产生因泄漏对海洋环境的污染;
自动化程度高,具有数据和图形实时处
理功能,能人工干预和实时应急处理. 3集矿机参数确定及结构设计
3.1参数确定
(1)采集矿石粒径.选定的目的在于虽
大限度地回收海底资源,同时又决定着集矿
口离底高度,断面,输送链板齿排距,间距和
格条间距尺寸,射流压力和流量,以及向扬矿
管道输送是否需要破碎等.采集粒径定在2～ 10cln,资源回收率可达93～98.
(2)集矿工作速度.据称,集矿机行进速
度≤1m/s时,集矿效率最高;当>1m/s
时,牵引力随的提高而显着增大.同时集
矿行进速度还受到采矿船拖曳提升管道系统
航速的限制,因此,选定集矿机工作速度为
0.5～1113I/s.
(3)集矿宽度.按下式确定:
Q=ql?B?V?
式中:Q——生产量,t/h}
——
矿石平均丰度,kg/m;
——
集矿行进速度,m/s{
——
采集效率;若满足1.5Mt/a产
量,其集矿宽度需13～13m. (4)接地比压.它是集矿机行驶的重要
指标,取决于沉积物的承压强度.根据目前所
掌握的沉积物土工力学测定数据分析表明,
海底表层以下10～15cln处剪切强度急剧增
加,从3.5kPa上升至10kPa,超过15crn以后
有一段平稳值,为了充分利用这一值,设计压
陷深度定在15cIn左右较为适宜.15cin处承
压强度近似为7kPa,考虑履带压实作用,还
会有所增加,故取海底承压强度7kPa为计算
基础. (5)最大牵引力在车辆作用下由地面
发生变形而产生的虽大牵引力为一是由
土壤的抗剪强度所决定.根据库伦定律和试
验研究结果,可由以下简化公式得到: ^
F}一一Ar(1+)
u
式中:——履带接地面积;
h——履刺高度;
r——剪切强度.
第1期简曲等深海采矿桌矿机的设计
由公式知履刺的作用很显着,改善其形
状和大小可使集矿机在软海底的可行驶性大
大增加 3.2集矿机结构设计
工业开采集矿机其主要部分的结构如附
图所示.
附囝工业集矿机结构示意围 l一海底2一锗校3一曩矿头I一支承连接装置5一破碎机6--集矿水泵及管路
7一底盘8一电气仓9一输选软臂l0一动力站u一着地平衡装置
(1)集矿头.由水射流采集头和机械输
送分区装置两部分组成.它不接触海底,通过
低压水射流的冲动举升结核矿石,使之进入
倾斜刮板输送装置,从而送往料仓,井在输送
过程中进一步脱泥. (2)支承连接装置.由五连杆机械组成,
在实现集矿头与底盘稳固连接的同时,能平
行上升和前后摆动,充分满足集矿和顺利越
障,适应海底微地形变化和调节集矿口离底
高度,以达到最佳集矿要求. (3)破碎装置.鉴于采集的矿石最大粒
径达10cm,而扬矿系统限定结核粒径≤ 5cm,因此在矿仓下增设双齿辊破碎机.
(4)射流泵供矿装置.它将采集的结核
经软管输送至主扬矿管下端中继仓中,该系
统属于扬矿系统,但供矿装置安放在集矿机
上. (j)行走底盘.由履带,驱动轮,从动轮,
负重轮,支承轮,履带架,车架和动力装置等
组成.为满足结构简单,重量轻,压陷深度浅,
牵引力或附着力大,采用钢绳或尼龙增强连
续橡胶履带.履刺采用近似渐开线高齿形,驱
动轮,从动轮,负重轮采用双浮动悬挂.两条
履带分别选用液压马达驱动,利用速度差转
向.车架采用后横梁中间铰接,实现两履带上
下浮动,保证集矿机在不平海底面上正常行
走. (6)着地平衡动力装置.集矿机从采矿
船下放到离海底200m时,通过平衡动力装
置使其保持水平姿态,以便平稳着底.
(7)液压系统集矿机各执行元件由液
压驱动,该系统采用开式回路,液压泵用浸油
电机驱动,行走马达由电液比例方向阀调速,
实现集矿机行走变速和转弯.液压泵和阀组
均装在耐压仓内,预加55MPa压力进行海底
水压平衡补偿. (8)电气测控系统.主要包括供电及电
机启动装置,测控传感器和自控系统.所用6
～ 16kV交流电由电缆输送.控制中心位于
集矿机的耐压仓内.导航,姿态,行走速度,压
陷深度,测距等仪器放置在相关测控点.系统
具有手动,自动双重功能.集矿机正常工作时
由计算机操作,当遇到紧急特殊情况可用人
工实施干预.
36矿业研究与开发第l8卷
年产1.5Mt工业采矿集矿机性能参数
如下.
最大生产能力(t/h)500
采集结核矿石粒径(cm)2～1O
