深海多金属结核集矿技术研究概况

1前言在过去的30年间，国际上已开发和试验了多种采矿系统。目前国际上公认最有实用价值的是流体提升采矿系统。其原理是通过一根垂直提升管道借助流体上升动力将海底集矿机采集的结核矿石提升到海面采矿船上。该系统可配用自行式遥控集矿机，它具有较好的灵活性，能达到较高的采集效率，且有避开海底障碍物与不利地形的能力，开采规模大、技术难度小，更容易应用勘探船、浆体管道输送、浅海采矿挖掘设备等方面的技术特点。流体提升采矿系统由五个子系统组成。1、集矿机：在海底采集结核矿石，并进行初处理，向扬矿系统供矿。2、扬矿系统：…     

1000 m深海采矿系统三维整体联动动态分析

1000m深海多金属结核开采试验系统的主体结构由采矿船、扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、软管和集矿机等构成,系统各部分相互运动耦合。运用非线性有限元方法,将扬矿系统各部分等效为不同属性的管单元,建立了1000m海洋采矿试验系统整体联动分析的有限元模型,进行了系统整体联动的动力学数值模拟,得到不同联动模式下系统的运动特性与扬矿管的各种动态响应。研究结果表明：系统在设定的联动模式下以0．5m／s的速度联动时,中间仓的拖曳轨迹与船的运动轨迹基本一致;扬矿硬管上端水平作用力在转弯运动过程中变化较大,而垂直方向上的动态拉伸力呈稳定的交变力;扬矿硬管的弯曲应力较小,轴向应力较大。     

大洋采矿集矿技术和集矿模型机研究

集矿机是把赋存于5000m左右水深复杂环境下的海底表层多金属结核矿石采集起来，经初处理后输送至海面采矿船上的采矿设备。它是大洋采矿系统中难度最大、最关键的部分。研制成功的集矿机模型机经陆地性能和水厂模拟采集结核试验表明，研究方向是正确的，为确定我国集矿技术和设备发展方向提供了可靠依据。     

大洋多金属结核开采研究进展与现状

大洋多金属结核研究分为４个阶段：科学探索、大规模研究、技术储备和商业开采。介绍了ＯＭＩ、ＯＭＡ和ＯＭＣＯ等国际财团对在洋多金属结核进行的要活动,以及国外对深海采矿系统关键部件或子系统如结核集矿机、扬矿子系统等的研究开发情况。     

中国大洋矿区采矿环境研究

深海采矿面对的是5000m左右水深的海底复杂环境和条件，把赋存于海底表层的多金属结核采集起来，并将其输送至海面采矿船上，需要考虑海水压力、腐蚀、海流冲击、海底地形、地质、矿床位置、海洋气象及海况等因素。本文从采矿工程角度对中国大洋矿区采矿环境进行分析研究。     

矿业简讯

我国深海采矿试验研究取得生大进展一个为国家长远发展项目──深海采矿技术研究服务购大型多功能海洋采矿实验室最近在长沙矿山研究院建成，并通过中国有色总公司验收．该实验室占地面各400Om2，由集矿机试验大水池、集矿头试验小水池、场矿试验塔、维修间和露天试验场等五部分组成。可进行深海采矿的某矿方法、设备性能、管道提升方法及其工艺参数的试验，是目前世界上唯一的一个实现某矿、扬矿、测控一体化的实验室。它的建成为我国开展深海多全月结核采矿技术的研究开发温供了条件用证，同时标志③我国深海采矿技术的试验研究条件进入…     

大洋多金属结核破碎方式的确定

在深海采矿过程中,从集矿机构采集得到的多金属结核中有一定数量的大块存在,当多金属结核的块度或粒度大于40－50mm时,就可能影响扬矿系统的管道输送,增加功率消耗,严重时还会堵塞管道而使深海采矿作业无法进行下去,从而带来非常巨大的经济损失。因此需要用破碎装置将大于40－50mm的大块结核至所要求的块工以便于扬矿管的输送,但又不能产生太多的过粉碎,因为过粉碎的结核颗粒在5000多m的扬矿管道中,由于与水流的作用及结核之间的相互碰撞,会被进一步破碎而成矿泥,与海泥混杂在一起被排入海中,不仅造成了大量资源的浪费,而且会给海洋环境造成巨大影响。因此深海采矿工艺对破碎机的要求是既要把大块多金属结核破碎到一定的凿度,又不能有太多的过粉碎。同时,考虑到破碎机的工作条件,决定了深海破碎机的设计既是一个关键设备又是一项艰巨的课题。     

深海采矿扬矿硬管纵向振动的解析分析

深海采矿系统中，扬矿管纵向振动是影响扬矿管寿命的主要因素。本文对带有泵组及中间仓的阶梯式扬矿管的纵向振动进行了建模，并用解析方法对方程进行求解，通过计算机的模拟计算，分析了扬矿管纵向振动稳态响应的特性。     

深海采矿系统波浪中耦合运动的模型试验研究

深海采矿船与扬矿管系统的耦合动力分析对采矿系统的研发应用具有重要意义。为了研究波浪引起的扬矿管和采矿船之间的耦合动力响应,采用等效截断设计原则,对扬矿管截断模型的弹性模量、轴向刚度以及单位长度质量等特征参数进行优选,得到了合理的截断模型参数。基于相似理论建立了深海采矿5000 m扬矿管耦合动力学试验模型,解决了深海采矿系统在有限水深试验条件下进行模型试验的问题。同时开展了不同波高、不同波向角和不同矿仓质量下采矿系统模型的耦合运动试验,结果表明,波高、波向角和矿仓质量对耦合响应的幅值、耦合作用时间均有较大影响。该试验模型的建立,为后续管道稳定性和升沉补偿特性的研究提供了技术基础。     

基于ADAMS的深海采矿系统联动模拟

随着陆地矿产资源的逐渐枯竭,丰富的海洋矿产必将成为难以取代的接替资源而为人类所开发和利用。深海资源开采技术及装备已成为各先进工业国家的重要研究对象。深海多金属结核采矿系统的任务是在海底采集多金属结核矿石,破碎后扬升至海面采矿船,然后经脱水并运输到口岸。     

深海采矿扬矿管横向液动力分析

深海采矿扬矿管上的横向 由两部分组成;海流作用力、波浪作用力。本文从理论上分析了海流速度,涨浪水质点速度和加速度、扬矿管直径、海水密度对横向液动力的影响,并且根据摩尔森公式得出了扬矿管所受的横向液动力。     

深海采矿扬矿管非线性动态特性研究

深海采矿扬矿管受海浪、海流及采矿船的拖航作用产生大偏移。将扬矿管简化为梁单元,建立了几何非线性有限元模型,分析了液动力的计算方法,给出了增量平衡方程以及Newmark迭代方法。分析了采矿船在变速条件下扬矿管的偏移构型、运动速度、加速度及弯曲应力。扬矿管底端（即缓冲矿仓处）偏移位移达319.02m,扬矿管在顶部弯曲应力达13.1034MN/m^2。     

粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究

为研究粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内的流动状态,在实验室建立了2套试验系统,对提升硬管底部Y型结构和U型结构开展了粗颗粒提升输送性能试验研究,分析了粗颗粒提升速度和输送浓度对流动状态的影响,观察了2种管道结构下粗颗粒的堵塞状态。结果表明,Y型结构的输送状态优于U型结构。该研究结果可为深海采矿系统中提升硬管底部管道结构设计提供试验验证基础。     

水平输送管道内圆柱状型料的悬浮机理

流体力学理论和管道实验相结合，研究分析了圆柱状型料在管道内的运动形态以及在流体的动力作用下的受力和悬浮间隙度，从而揭示出圆柱状型料在水平输送管道内悬浮的机理和制约条件。     

扬矿管在海水中的整体运动分析

在对扬矿管进行受力分析的基础上，运用有限元的方法将5000m扬矿管等分成20个两节点梁单元，将梁单元受力简化，推导出梁单元运动方程。将单元总装成整体结构，并将节点力加到具体节点上，得出整体结构运动方程，用ADINA得到扬矿管整体运动的动态响应解。分析扬矿管的整体运动过程，扬矿管的横向、纵向振动及变形与各因素的关系，其结果可作为扬矿管设计和操作控制的依据。同时提出减小扬矿管变形和振动的措施。     

大提升终端荷载立井刚性井筒装备水平力测试研究

自行设计了主井箕斗滚轮罐耳上的水平力传感装置,并在实验室对该装置进行了静态和动态标定,建立了水平力传感装置所测电压与滚轮罐耳所受水平力之间的相互关系。借助自行设计的水平力传感装置,设计了井筒装备水平力现场测试系统,获得了测试条件下水平力特征和时程曲线数据信息。测试结果表明,提升过程中井筒装备作用水平力随提升终端荷载和提升速度增大而增大;罐道正面作用水平力最大值与侧面水平力最大值不同时出现,且罐道正面水平力最大值大于侧面作用水平力最大值;主井罐道作用水平力为低频冲击荷载。     

深海采矿水力提升管路系统紧急泄料过程参数分析

在现有的深海采矿工艺中,以水力提升最具有前景,但水力提升系统投资巨大,存在诸多风险,其中紧急情况下为避险可能需要快速将管道中物料泄空,确保管道不被堵塞。分析提升管路中浆体的受力情况,建立了深海采矿水力提升管路中浆体的运动方程,探讨了提升管路中的浆体的下泄速度与提升浓度和管路直径之间的相互关系。在此基础上,提出了4种快速泄料的方案,并进行了比较。结果可为深海采矿中试系统设计提供依据。     

深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流当地浓度的研究

针对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流提升大洋锰结核颗粒的当地浓度受多种因素影响的问题,基于欧拉-欧拉理论模型,选用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,以含有锰结核颗粒的海水为流动介质,对扬矿硬管内液固两相流进行数值模拟,分析了管道、物料和浆体的特性等因素对颗粒当地浓度的影响规律。结果表明：不同工况条件下,管道内径、锰结核颗粒粒径、颗粒密度、提升角速度、提升浓度的增大均有助于提高颗粒的当地浓度,进而有利于提高颗粒的输送效率;过大的提升速度将会抑制断面上颗粒当地浓度的提高,从而降低颗粒的输送效率和提升能力;但管壁粗糙度及浆体黏度对当地浓度影响很小。研究结果对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流的输送参数优化和工程应用具有一定的指导意义。     

斜井管柱摩擦阻力和轴向载荷计算

在斜井中，考虑了方位角的变化，建立管柱受力平衡方程，推导出斜井中下管柱和提管柱时摩擦阻力和轴向载荷的简化力学模型，分析计算了下管柱和提管柱时摩擦阻力、轴向载荷以及管柱轴向变形等重要参数的解析公式。实例计算分析表明摩擦阻力和轴向载荷的计算结果可以为钻井设备选型、优化管柱参数和井身结构提供可靠依据。     

垂直提升管道中粗颗粒滑移速度试验研究

为了研究粗颗粒在深海采矿管道系统中的滑移速度, 采用粒子图像测速法对粒径为10 mm, 30 mm, 50 mm的锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核颗粒在垂直提升管道中的滑移速度进行了研究。试验结果表明, 粗颗粒矿石在提升管道中的滑移速度随颗粒形状系数、颗粒粒径和颗粒密度增加而增加, 随水流速度增加而减小。得到了粗颗粒矿石滑移速度计算公式, 计算结果与试验实测数据吻合较好, 对提升管道水力输送系统机理研究有一定参考价值。