富钴结壳采矿车微地形行走技术的研究现状

富钴结壳采矿车需要在复杂的海底矿区微地形上采集钴结壳,前提是解决微地形行走技术问题。针对富钴结壳微地形特点和物理特性,提出了富钴结壳采矿车的基本性能要求,总结了国内外富钴结壳采矿车的发展历程、结构型式设计并进行了综合评述,提出了富钴结壳采矿车亟待解决的关键技术问题和主要发展方向。     

富钴结壳微地形建模及分析

简述了海底富钴结壳的分布特征,把富钴结壳微地形简化为一系列圆锥表面,从数学的角度及采矿车采矿头的角度对富钴结壳的微地形进行了分析。认为以采矿头开采富钴结壳,其实就是再现富钴结壳层的下表面或基岩表面,因此可将其看作是数学上的曲面拟合问题。其次,从采矿头的角度提出了“伪突起”的概念,且找出了“伪突起”的大小与结壳厚度及要求的矿石贫化率之间的关系。本文的微地形建模及其分析对海底采矿车行走机构、采矿头的设计及富钴结壳厚度的检测等有一定的参考价值。     

应用SolidWorks软件对海底钴结壳微地形仿真

本文运用易学易用的三维设计软件SolidWorks2003对深海富钴结壳的微地形进行仿真,仿真的微地形比成本昂贵的海底照片更具直观性,且我们还可以在仿真微地形上进行操作。如计算钴结壳的体积含量与模拟切削实验等。     

适应富钴结壳微地形的采矿头控制系统设计及试验研究

大洋富钴结壳富含战略金属钴等元素,极具开采价值。然而富钴结壳厚度的变化及其赋存的海底微地形的复杂性使得其开采比较困难。为现有的适应富钴结壳微地形的采掘机构合理搭建控制系统,并针对该系统设计有效的控制算法成为目前的关键技术。针对采矿头的特点,对其控制系统的研究与设计,控制系统共由5部分组成:液压系统、微地形检测装置、通讯装置、控制和监测装置及数据存储装置。根据深海实际开采要求采用了广泛用于采掘机械的微控制器和监视器,设计了参数模糊自整定PID控制器。在深水池进行了模拟料切削试验。结果表明,该控制系统各部分协调性好,具有适应微地形的能力。     

洋底富钴结壳矿床微地形和物理特性

在收集了大量洋底富钴结壳开发资料的基础上，详细介绍了洋底富钴结壳矿区的微地形和矿床赋存特征，介绍了结壳层、基底层以及海洋沉积物的物理特性；这些特性对采矿机的工作原理选择与工作机构设计和具体组织开采作业具有重要意义。     

基于幅度特征相关性的海底微地形探测方法研究

通过超声波换能器向模拟海底微地形发射超声波,根据回波信号包含的时间、相位和幅度等信息,利用幅度特征相关性进行分析和计算,得出深海钴结壳开采所需要的实时微地形高程数据,为采掘头智能化开采提供最佳切削深度参数。经过理论分析与实验室初步验证,结果表明该方法切实可行。     

基于螺旋截齿切削技术的深海富钴结壳切削参数计算与试验研究

对海底富钴结壳底质特性进行了研究,提出适合于富 钴结壳矿体资源的切削破碎方法,基于灰铸铁切削经验公 式,采用等值换算法,构建了深海富钴结壳切削破碎技术参 数计算模型,获得切削力与功率的经验计算公式;基于富钴 结壳矿床特性,研制了富钴结壳模拟底质和地形,开展了实验室 模拟结壳切削试验。试验结果表明,切削深度为2.5cm 时,试 验获得的单齿切削力为1360N,与理论经验计算值1317N 接 近;另外,试验消耗功率8.55kW 和理论经验计算值8.12kW 也 较为接近,验证了该理论经验公式计算方法的合理性和可行性, 为后续深海富钴结壳资源开采技术研究打下了基础。     

滚筒式采矿头最佳切削位姿的建模

用滚筒式采矿头在起伏不定的微地形上切削海底富钴结壳时，需按开采要求确定其切削厚度。就滚筒的切削深度及姿态问题或称滚筒最佳切削位姿问题建立了数学模型，并给出了数学上的原型解答与简化解答。此问题的建模对于钴结壳厚度及微地形起伏的检测也具有重要指导意义。     

我国获国际海底富钴结壳矿区勘探合同

正中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局4月29日在京正式签订国际海底富钴结壳矿区勘探合同,标志着中国在西太平洋海底获得的面积3000km2的富钴结壳矿区已经完成所有法律程序。这也是继2001年在东北太平洋获得7.5万km2多金属结核矿区,2011年在西南印度洋获得1万平方     

海底采矿车获得国家发明专利

2017年12月,长沙矿山研究院有限责任公司院海洋采矿研究所传来喜讯：“一种海底富钴结壳矿区采矿实验车”荻批国家发明专利。该专利为“十二五”国家大洋重大专项“富钴结壳资源评价”的重点专项“富钴结壳开采可行性及规模取样装置研究”前期研究的阶段成果。     

基于螺旋切削法破碎钴结壳分形行为研究

将分形理论应用于滚筒式采矿头截割钴结壳破碎情况的研究, 建立了富钴结壳破碎的分形模型, 推出了分形维数的理论计算公式和利用称重法处理的实际计算公式, 并通过大量实验验证了该模型的正确性。初步测定, 在2 ～4 cm 切削深度内, 破碎钴结壳分布的分形维数为2.5 左右, 由此证明破碎过程中的能耗比较符合邦德的裂缝学说。对破碎情况的研究表明滚筒式采矿头破碎剥离钴结壳的方法是比较理想的。     

射流结合刀具破碎大洋富钴结壳的机理研究

大洋富钴结壳的破碎是开采钴结壳的重要环节，借鉴刀具切削破碎软岩机理的研究成果，提出水射流与刀具结合破碎大洋富钴结壳的方法。研究了射流结合刀具剥离破碎钴结壳的机理，分析了采用自控水力截齿破碎钴结壳的优越性，为探索新的钴结壳破碎方法提供了理论上的依据。     

洋底富钴结壳的开采方法

在收集了大量洋底富钴结壳开发资料的基础上，详细介绍了日本进行的CLB（连续绳斗）法开采试验。重点介绍了美国富钴结壳矿床开采系统方案，包括采矿机切割头、水力吸矿、行走机构的设计、软管、缓冲仓的功能以及扬矿钢管的振动和应力问题。     

海底钴结壳开采的畅想

在海底有许多"壳状"沉积广布于水下海山上,成分主要为富钴结壳,是我们日常新能源电池、航空工业等生产不可或缺的重要元素,我国钴资源十分稀缺,其中大量需从国外进口,但其却在太平洋、印度洋、大西洋的海底均有大量分布。目前我国许多科学家都在对如何开采海底的富钴结壳进行研究,但所有的进展都还仅仅停留于实验阶段。因此对于海底富钴结壳开采需要我们大胆的畅想设计,只有这样才能勇于突破现有的瓶颈,最终实现海底富钴结壳的开采。     

改性大洋富钴结壳吸附铅的研究

研究改性大洋富钴结壳对铅的吸附过程,测定改性大洋富钴结壳对Pb2 的吸附容量,考查介质pH、初始浓度、吸附时间等因素对吸附过程的影响。结果表明,在pH>2.0条件下,改性大洋富钴结壳对Pb2 的吸附率可达99％以上。室温下,含铅549.0mg/L的废水经3.750g/L改性大洋富钴结壳处理3h后,铅残余浓度为0.80mg/L。吸附过程符合Freundlich经验式。改性大洋富钴结壳对Pb2 的饱和吸附容量为340mg/g富钴结壳。     

改性大洋富钴结壳吸附铜的研究

研究改性大洋富钴结壳对铜的吸附过程,测定改性大洋富钴结壳对Cu2+的吸附容量,考察介质pH、初始浓度、吸附时间等因素对吸附过程的影响。结果表明,改性大洋富钴结壳吸附Cu2+适宜的pH值是2-6,吸附符合Langmuir等温吸附规律,饱和吸附容量约为90mg/g。在室温下,含铜151.0mg/L的废水经3.750g/L改性大洋富钴结壳处理2h后,其铜残余浓度为0.30mg/L,低于国家规定的工业废水一级排放标准(GB8978-1996)(Cu≯0.5mg/L)。改性大洋富钴结壳是一种具有应用潜力的含铜废水的水处理剂。     

破碎富钴结壳时界面应力计算模型

根据弹性应力波在连续介质中传播的基本理论, 讨论了一维二相介质中应力波的传播及相界面上的入射波、反射波。建立了应力波在界面上反射、入射所形成的最大界面应力模型, 并用海底富钴结壳及基岩的参数估算了钴结壳剥离时的界面效应, 结果表明, 结壳与坚硬基岩界面是一个最易产生破坏的面。