CN118187866A - 一种深海矿产资源多梯级提升装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于深海采矿技术领域，提供一种深海矿产资源多梯级提升装置,包括底仓，底仓内设置有矿浆提升组件；若干过渡仓，若干过渡仓从上到下依次设置在底仓和采矿船之间，两相邻过渡仓之间、底部的过渡仓与底仓之间分别通过铠装缆连接，若干过渡仓内分别设置有矿浆辅助提升组件和浮力调节组件，矿浆提升组件和若干矿浆辅助提升组件依次连通，若干浮力调节组件依次连通，浮力调节组件用于调节过渡仓中储存的海水的量，进而调整过渡仓对外提供的浮力；位置调节组件，位置调节组件设置在过渡仓上，位置调节组件用于调整过渡仓在水下的位置。本发明可降低提升泵工作负荷，降低对扬矿管材料强度的要求并可控制扬矿管在水下的姿态。

Description

一种深海矿产资源多梯级提升装置

技术领域

本发明属于深海采矿技术领域，尤其涉及一种深海矿产资源多梯级提升装置。

背景技术

深海底蕴藏着丰富的矿产资源，其中的多金属结核资源潜力巨大，富含新能源技术发展所需锰、镍、铜、钴等金属。然而，这些资源的开发利用，必须通过开采技术将赋存在数千米深海底的结核采集提升到海面并输运到陆地。

然而，深海采矿通常是在水深可达6000m的海域进行，深海矿石提升装置均为一根扬矿管道组成，矿石和海水经一定比例混合后由海底通过提升泵沿管道提升至海面的采矿船上，由于海底大部分矿产资源分布在3000-6000m深的海底，受限与提升泵的功率问题，矿石和海水的混合物需要在管道中经历较长时间才能排放到采矿船上，且提升泵长时间大功率运行，不利于其稳定工作。同时，在采矿过程中，扬矿管受洋流的作用会出现位置移动，由于扬矿管长度较长，其位置移动时会对采矿船和海底矿车的位置维持产生影响，在采矿船拖航时，扬矿管受到海水的阻力影响也会承受巨大的负荷，容易使扬矿管损坏。而且，由于扬矿管长度较长，自重较大，某些提升装置上还连接有中间仓，这就对扬矿管的材料强度提出严苛的要求，使得建造成本增加。

为此，本发明提出了一种深海矿产资源多梯级提升装置，降低提升泵工作负荷，提高扬矿效率的同时，降低对扬矿管材料强度的要求以及控制扬矿管在水下姿态。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海矿产资源多梯级提升装置，以解决上述问题，达到降低提升泵工作负荷，提高扬矿效率，降低对扬矿管材料强度的要求以及控制扬矿管在水下姿态的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种深海矿产资源多梯级提升装置，包括：

底仓，所述底仓内设置有矿浆提升组件；

若干过渡仓，若干所述过渡仓从上到下依次设置在所述底仓和采矿船之间，两相邻所述过渡仓之间、底部的所述过渡仓与所述底仓之间分别通过铠装缆连接，若干所述过渡仓内分别设置有矿浆辅助提升组件和浮力调节组件，所述矿浆提升组件和若干所述矿浆辅助提升组件依次连通，用于将所述底仓内的矿浆提升到采矿船中，若干所述浮力调节组件依次连通，所述浮力调节组件用于调节过渡仓中储存的海水的量，进而调整过渡仓对外提供的浮力；

位置调节组件，所述位置调节组件设置在所述过渡仓上，所述位置调节组件用于调整所述过渡仓在水下的位置。

优选的，所述过渡仓包括过渡水箱，所述过渡水箱的顶部向内开设有凹槽，所述凹槽内可拆卸连接有密封罐，所述矿浆辅助提升组件设置在所述密封罐内，所述浮力调节组件和所述位置调节组件设置在所述过渡水箱上。

优选的，所述浮力调节组件包括分别连通在所述过渡水箱顶部和底部的进水管和出水管，所述出水管上连通有第二电磁阀，靠近采矿船的所述过渡水箱的进水管通过回水管与采矿船连通，靠近所述底仓的所述过渡水箱的出水管上连通有排水管，所述排水管上连通有抽水泵，所述抽水泵用于将所述过渡水箱中的海水抽出，两相邻所述过渡水箱之间，位于下方的所述过渡水箱的进水管与位于上方的所述过渡水箱的出水管之间通过回水管连通。

优选的，所述矿浆辅助提升组件包括分别设置在所述密封罐顶部和底部的出料口和进料口，所述密封罐内设置有连接管，所述连接管的两端分别与所述出料口和所述进料口连通，所述连接管上连通有过渡泵，所述进料口贯穿所述过渡水箱的底部，靠近采矿船的所述密封罐的出料口通过提升管与采矿船连通，靠近所述底仓的所述密封罐的进料口通过提升管与所述矿浆提升组件连通，两相邻所述密封罐之间，位于下方的所述密封罐的出料口与位于上方的所述密封罐的进料口之间通过提升管连通。

优选的，所述矿浆提升组件包括设置在所述底仓内的提升泵，所述提升泵的出料口通过所述提升管与靠近所述底仓的密封罐上的进料口连通，所述提升泵用于将所述底仓中的矿浆向采矿船输送。

优选的，所述位置调节组件包括固定连接在所述过渡水箱周向侧壁上的环形水管，所述环形水管上等间距连通有若干喷水嘴，若干所述喷水嘴上分别连通有第一电磁阀，所述过渡水箱内设置有供水泵，所述供水泵的出水口与所述环形水管连通。

优选的，所述底仓的侧壁上连通有进水管，所述进水管上连通有第三电磁阀。

优选的，所述底仓的顶部连通有接口，所述接口通过软管连通有采矿车。

优选的，采矿船上设置有矿水分离机构，所述矿水分离机构分别连通有海水箱和储矿箱，靠近采矿船的所述密封罐上的出料口通过所述提升管与矿水分离机构连通，所述海水箱内设置有排水泵，靠近采矿船的所述过渡水箱上的进水管通过所述回水管与所述排水泵的出水口连通。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.本发明通过在矿石提升过程中设置矿浆辅助提升组件来实现分级提升的效果，可有效降低提升泵的工作负荷，进一步提高扬矿效率。

2.本发明通过设置多个过渡仓，缩短了两相邻过渡仓之间的提升管的长度，同时，通过调节过渡仓的浮力，使两相邻过渡仓之间的提升管受到的拉力降低，甚至不受拉力，避免了常规的上千米的提升管需要额外承受自身庞大重力的问题，降低对扬矿管材料强度的要求。

3.通过位置调节组件控制过渡仓在水下的位置，使水下每个过渡仓的位置均可单独进行调整，使水下上千米的提升管由常规的两端整体牵拉方式变为多点独立牵拉，降低控制扬矿管在水下姿态的难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提升装置的示意图；

图2为本发明过渡仓的示意图；

图3为本发明过渡仓的另一示意图；

图4为本发明过渡仓的剖视示意图；

图5为本发明底仓的剖视示意图；

其中，1、储矿箱；2、矿水分离机构；3、海水箱；4、排水泵；5、提升管；6、铠装缆；7、回水管；8、过渡水箱；9、排水管；10、底仓；11、连接法兰盘；12、出料口；13、进水管；14、连接环；15、环形水管；16、喷水嘴；17、第一电磁阀；18、第二电磁阀；19、出水管；20、进料口；21、连接管；22、过渡泵；23、供水泵；24、进水管；25、第三电磁阀；26、提升泵；27、接口；28、采矿车；29、软管；30、密封罐；31、抽水泵；32、过渡仓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图5，本发明提供了一种深海矿产资源多梯级提升装置，包括：

底仓10，底仓10内设置有矿浆提升组件；

若干过渡仓32，若干过渡仓32从上到下依次设置在底仓10和采矿船之间，两相邻过渡仓32之间、底部的过渡仓32与底仓10之间分别通过铠装缆6连接，若干过渡仓32内分别设置有矿浆辅助提升组件和浮力调节组件，矿浆提升组件和若干矿浆辅助提升组件依次连通，用于将底仓10内的矿浆提升到采矿船中，若干浮力调节组件依次连通，浮力调节组件用于调节过渡仓32中储存的海水的量，进而调整过渡仓32对外提供的浮力；

位置调节组件，位置调节组件设置在过渡仓32上，位置调节组件用于调整过渡仓32在水下的位置。

底仓10的主要作用是暂存由矿石和海水组成的矿浆；矿浆提升组件的主要作用是将底仓10中的矿浆向上输送至采矿船中；铠装缆6的主要作用是将采矿船、若干过渡仓32和底仓10进行连接，同时，通过铠装缆6控制矿浆提升组件、矿浆辅助提升组件和浮力调节组件的运行；矿浆辅助提升组件的主要作用是在矿浆向上移动的过程中辅助对矿浆向上泵送，从而降低矿浆提升组件的工作强度；浮力调节组件的主要作用是通过调节过渡仓32中海水的量来调节过渡仓32对外产生的浮力；位置调节组件的主要作用是调节过渡仓32在水下的位置，避免对采矿船的位置维持产生影响。整体上，本发明通过在矿石提升过程中设置矿浆辅助提升组件来实现分级提升的效果，可有效降低提升泵的工作负荷，进一步提高扬矿效率，同时，通过调节过渡仓的浮力，使两相邻过渡仓之间的提升管受到的拉力降低，甚至不受拉力，降低对扬矿管材料强度的要求，同时，通过位置调节组件控制过渡仓在水下的位置，使水下每个过渡仓的位置均可单独进行调整，使水下上千米的提升管由常规的两端整体牵拉方式变为多点独立牵拉，降低控制扬矿管在水下姿态的难度。

进一步优化方案，过渡仓32包括过渡水箱8，过渡水箱8的顶部向内开设有凹槽，凹槽内可拆卸连接有密封罐30，矿浆辅助提升组件设置在密封罐30内，浮力调节组件和位置调节组件设置在过渡水箱8上。

如图4所示，过渡水箱8的顶部内凹形成凹槽，便于密封罐30与过渡水箱8之间的连接。

进一步优化方案，如图2所示，密封罐30的顶部固定连接有连接法兰盘11，密封罐30的顶部开设有若干螺纹孔(图中未示出)。通过若干螺栓将连接法兰盘11和若干螺纹孔进行连接，从而可实现密封罐30与过渡水箱8之间的快速拆卸，便于进行设备的维护。

进一步优化方案，如图1-图3所示，连接法兰盘11的顶部和过渡水箱8的底部分别固定连接有连接环14，铠装缆6的两端分别通过连接环14实现与密封罐30或过渡水箱8之间的固定连接。

进一步优化方案，浮力调节组件包括分别连通在过渡水箱8顶部和底部的进水管13和出水管19，出水管19上连通有第二电磁阀18，靠近采矿船的过渡水箱8的进水管13通过回水管7与采矿船连通，靠近底仓10的过渡水箱8的出水管19上连通有排水管9，排水管9上连通有抽水泵31，抽水泵31用于将过渡水箱8中的海水抽出，两相邻过渡水箱8之间，位于下方的过渡水箱8的进水管13与位于上方的过渡水箱8的出水管19之间通过回水管7连通。

如图1和图4所示，采矿船下连接有两组过渡仓32。当需要将底仓10和若干过渡水箱8沉入水下时，由于底仓10的重量较轻，工作人员控制上方的第二电磁阀18处于打开状态，处于最下方的第二电磁阀18处于关闭状态，采矿船将海水通过回水管7依次灌入到两组过渡水箱8中，使过渡水箱8的重量增加，使底仓10可以顺利下潜。随着采矿的进行，底仓10的重量增加，为减轻铠装缆6和中间连接管路的张拉力，可打开最下方的第二电磁阀18并启动抽水泵31，抽水泵31抵消海底的水压并将最下方的过渡水箱8中的一部分水排至海水中，之后，关闭该第二电磁阀18，打开上方的第二电磁阀18，将上方的过渡水箱8中的海水适量排入到下方的过渡水箱8中，使两过渡水箱8的重量均降低，以降低铠装缆6的张拉轻度并增大对底仓10的提拉力。

如图1所示，由于在底仓10和采矿船之间设置多个过渡水箱8，使得每段提升管5和每段回水管7的长度变短，且各过渡水箱8之间，过渡水箱8与底仓10之间通过铠装缆6进行连接，降低了对提升管5和回水管7的材料强度的要求。

进一步优化方案，连接法兰盘11顶部的连接环14与连接法兰盘11之间设置有压力传感器(图中未示出)，通过压力传感器可监测铠装缆6上的张拉力，进而为调整过渡水箱8中的水量提供数值依据。

在采矿船中的海水需要大量排入海洋中时，可同时打开两组第二电磁阀18并启动抽水泵31，使采矿船中的海水通过回水管7、两组过渡水箱8和排水管9排入到海洋中。在排放结束后，通过先后控制两组第二电磁阀18的开闭，使两组过渡水箱8中再次存入适量的海水，以满足使用要求。

进一步优化方案，矿浆辅助提升组件包括分别设置在密封罐30顶部和底部的出料口12和进料口20，密封罐30内设置有连接管21，连接管21的两端分别与出料口12和进料口20连通，连接管21上连通有过渡泵22，进料口20贯穿过渡水箱8的底部，靠近采矿船的密封罐30的出料口12通过提升管5与采矿船连通，靠近底仓10的密封罐30的进料口20通过提升管5与矿浆提升组件连通，两相邻密封罐30之间，位于下方的密封罐30的出料口12与位于上方的密封罐30的进料口20之间通过提升管5连通。

如图4所示，矿浆提升组件通过提升管5和进料口20将矿浆泵送到连接管21中后，通过过渡泵22辅助将矿浆继续向上泵送，进而降低了矿浆提升组件的工作强度，有利于整个提升装置的稳定运行。

进一步优化方案，矿浆提升组件包括设置在底仓10内的提升泵26，提升泵26的出料口通过提升管5与靠近底仓10的密封罐30上的进料口20连通，提升泵26用于将底仓10中的矿浆向采矿船输送。

如图1、图4和图5所示，启动提升泵26后，底仓10内的矿浆被抽吸到提升管5中，通过提升管5向上输送，并通过两组密封罐30中的过渡泵22的辅助泵送，最终将矿浆输送到采矿船中。

进一步优化方案，位置调节组件包括固定连接在过渡水箱8周向侧壁上的环形水管15，环形水管15上等间距连通有若干喷水嘴16，若干喷水嘴16上分别连通有第一电磁阀17，过渡水箱8内设置有供水泵23，供水泵23的出水口与环形水管15连通。

如图2-图4所示，当需要调整过渡水箱8在水下的位置时，打开相应方向上的喷水嘴16上的第一电磁阀17，之后，启动供水泵23将过渡水箱8中的海水泵入到环形水管15中，并通过该喷水嘴16将海水喷出，利用反推力推动过渡水箱8进行位置移动。

当采矿船移动需要过渡水箱8同步进行移动时，打开移动方向后方的喷水嘴16上的第一电磁阀17，通过喷射海水使过渡水箱8同步移动。当过渡水箱8受洋流影响而移动时，打开过渡水箱8移动方向前方的喷水嘴16上的第一电磁阀17，通过喷射海水使过渡水箱8逆洋流方向恢复最初位置。

进一步优化方案，底仓10的侧壁上连通有进水管24，进水管24上连通有第三电磁阀25。

如图5所示，通过控制第三电磁阀25的开闭，可控制海水进入底仓10中的量，调节底仓10中矿石和海水的比例，从而使底仓10内形成易于泵送的矿浆浓度。

进一步优化方案，底仓10的顶部连通有接口27，接口27通过软管29连通有采矿车28。

如图1所示，采矿车28将采集的矿石和海水的混合物通过软管29和接口27排入底仓10中。

进一步优化方案，采矿船上设置有矿水分离机构2，矿水分离机构2分别连通有海水箱3和储矿箱1，靠近采矿船的密封罐30上的出料口12通过提升管5与矿水分离机构2连通，海水箱3内设置有排水泵4，靠近采矿船的过渡水箱8上的进水管13通过回水管7与排水泵4的出水口连通。

如图1所示，矿水分离机构2的主要作用是将提升上来的矿浆进行矿液分离，将分离出的矿石排入储矿箱1中储存，将分离出的海水排入到海水箱3中储存。当需要排放海水或需要向过渡水箱8中补充海水时，可启动排水泵4将海水箱3中的海水向过渡水箱8中泵送。

本实施例的工作过程如下：根据采矿区域的深度，判断需要连接的过渡仓32的数量，将若干过渡仓32和底仓10依次通过铠装缆6进行连接并下放到水下。采矿过程中，根据底仓10的重量控制各第二电磁阀18的开闭并配合抽水泵31，调节过渡水箱8中的水量，进而调整过渡水箱8对外的浮力，使铠装缆6的张拉强度处于合适范围，同时又可以维持底仓10的水下高度处于合适范围。当需要调整过渡水箱8的位置时，通过打开相应方向上的喷水嘴16上的第一电磁阀17，利用海水反推对过渡水箱8进行位置调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于,包括：

底仓(10)，所述底仓(10)内设置有矿浆提升组件；

若干过渡仓(32)，若干所述过渡仓(32)从上到下依次设置在所述底仓(10)和采矿船之间，两相邻所述过渡仓(32)之间、底部的所述过渡仓(32)与所述底仓(10)之间分别通过铠装缆(6)连接，若干所述过渡仓(32)内分别设置有矿浆辅助提升组件和浮力调节组件，所述矿浆提升组件和若干所述矿浆辅助提升组件依次连通，用于将所述底仓(10)内的矿浆提升到采矿船中，若干所述浮力调节组件依次连通，所述浮力调节组件用于调节过渡仓(32)中储存的海水的量，进而调整过渡仓(32)对外提供的浮力；

位置调节组件，所述位置调节组件设置在所述过渡仓(32)上，所述位置调节组件用于调整所述过渡仓(32)在水下的位置。

2.根据权利要求1所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述过渡仓(32)包括过渡水箱(8)，所述过渡水箱(8)的顶部向内开设有凹槽，所述凹槽内可拆卸连接有密封罐(30)，所述矿浆辅助提升组件设置在所述密封罐(30)内，所述浮力调节组件和所述位置调节组件设置在所述过渡水箱(8)上。

3.根据权利要求2所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述浮力调节组件包括分别连通在所述过渡水箱(8)顶部和底部的进水管(13)和出水管(19)，所述出水管(19)上连通有第二电磁阀(18)，靠近采矿船的所述过渡水箱(8)的进水管(13)通过回水管(7)与采矿船连通，靠近所述底仓(10)的所述过渡水箱(8)的出水管(19)上连通有排水管(9)，所述排水管(9)上连通有抽水泵(31)，所述抽水泵(31)用于将所述过渡水箱(8)中的海水抽出，两相邻所述过渡水箱(8)之间，位于下方的所述过渡水箱(8)的进水管(13)与位于上方的所述过渡水箱(8)的出水管(19)之间通过回水管(7)连通。

4.根据权利要求3所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述矿浆辅助提升组件包括分别设置在所述密封罐(30)顶部和底部的出料口(12)和进料口(20)，所述密封罐(30)内设置有连接管(21)，所述连接管(21)的两端分别与所述出料口(12)和所述进料口(20)连通，所述连接管(21)上连通有过渡泵(22)，所述进料口(20)贯穿所述过渡水箱(8)的底部，靠近采矿船的所述密封罐(30)的出料口(12)通过提升管(5)与采矿船连通，靠近所述底仓(10)的所述密封罐(30)的进料口(20)通过提升管(5)与所述矿浆提升组件连通，两相邻所述密封罐(30)之间，位于下方的所述密封罐(30)的出料口(12)与位于上方的所述密封罐(30)的进料口(20)之间通过提升管(5)连通。

5.根据权利要求4所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述矿浆提升组件包括设置在所述底仓(10)内的提升泵(26)，所述提升泵(26)的出料口通过所述提升管(5)与靠近所述底仓(10)的密封罐(30)上的进料口(20)连通，所述提升泵(26)用于将所述底仓(10)中的矿浆向采矿船输送。

6.根据权利要求2所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述位置调节组件包括固定连接在所述过渡水箱(8)周向侧壁上的环形水管(15)，所述环形水管(15)上等间距连通有若干喷水嘴(16)，若干所述喷水嘴(16)上分别连通有第一电磁阀(17)，所述过渡水箱(8)内设置有供水泵(23)，所述供水泵(23)的出水口与所述环形水管(15)连通。

7.根据权利要求1所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述底仓(10)的侧壁上连通有进水管(24)，所述进水管(24)上连通有第三电磁阀(25)。

8.根据权利要求1所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：所述底仓(10)的顶部连通有接口(27)，所述接口(27)通过软管(29)连通有采矿车(28)。

9.根据权利要求4所述的一种深海矿产资源多梯级提升装置，其特征在于：采矿船上设置有矿水分离机构(2)，所述矿水分离机构(2)分别连通有海水箱(3)和储矿箱(1)，靠近采矿船的所述密封罐(30)上的出料口(12)通过所述提升管(5)与矿水分离机构(2)连通，所述海水箱(3)内设置有排水泵(4)，靠近采矿船的所述过渡水箱(8)上的进水管(13)通过所述回水管(7)与所述排水泵(4)的出水口连通。