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。     

日本大洋多金属结核开采试验的进展

日本早在 2 0世纪 70年代就把深海资源的开发列为一项基本的矿业政策 ,制定了 17年的大洋多金属结核 (锰结核 )采矿系统研究开发计划 ,投入大量人力、物力和财力 ,经历了单元技术开发、小规模采矿系统的设计和开采系统的详细设计制造阶段 ,于 1997年在北太平洋水深 2 2 0 0m的Marcus-Wake海山上进行了多金属结核的采矿试验并取得了成功。本文较详细地介绍了日本的深海采矿试验系统 ,海上试验———包括结核矿采集试验、在海上扬矿管的下放与回收、陆上软管弯曲试验和陆上空气压缩机运转试验等 ,还对日本深海采矿技术开发的指导思想和试验结果进行了评论     

深海扬矿硬管系统设备可行性分析

较全面地介绍了国外深海采矿扬矿硬管系统设备的结构和主要技术参数, 对国内潜水电泵、石油套管生产厂家和研究部门进行了调研和分析。根据我国深海采矿扬矿硬管系统工艺要求, 讨论了泵的工作参数和管接头的结构。提出的潜水电泵的设计参数和管接头设计的技术要求, 已应用于海上中试扬矿硬管系统设备的设计和研制之中。     

深海集矿机测控系统的研究开发

采用基于Compact PCI 接口的工业控制计算机组成网络, 利用自行开发测控软件和监控软件, 综合利用DGPS、水声定位技 术等, 实现对深海自行式水力集矿机的智能控制, 成功地进行了130 m 水深的采矿系统综合湖试。试验表明深海集矿机测控系统稳定、可靠, 满足集矿机测控要求, 为采矿系统1 000 m 浅海试验奠定了坚实的基础。     

深海扬矿系统的柔性多体系统动力学仿真

为研究深海扬矿系统动力学特征, 开展了扬矿系统柔性多体系统动力学仿真研究。基于柔性多体系统动力学理论, 提出了深海扬矿管道柔性多体建模方法。对经典的梁受迫振动问题进行了动力学仿真并与解析解进行了对比, 验证了方法的正确性。针对实验室模拟系统建立了深海扬矿系统柔性多体系统动力学模型并进行了动力学仿真研究, 结果表明管道形态、应力等仿真结果与实验结果符合较好。本研究可为深海扬矿系统动力学研究提供参考和依据。     

我国深海采矿技术取得重大突破

正国家863计划项目"深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备"日前在我国南海某海域成功进行了"深海扬矿泵管输送系统"海上试验,顺利通过专家组验收。这是我国首次开展深海采矿单体工程技术海试,海试成功标志着我国深海矿物输送技术从此跻身世界一流。     

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。     

深海铰接式扬矿系统的动力学建模与试验验证

为研究铰接式扬矿系统的动态影响,分析了波浪液动力、流体阻力和流体附加质量对多段铰接式连接扬矿系统的影响,采用拉格朗日方程建立系统的运动数学模型,并对系统的运动响应进行数值模拟;计算结果和实验基本相符.当海浪周期较小时,中间舱在平衡位置作微幅运动,系统若处于这种海况时,有利于采矿作业.这一结果为我国采用铰接式连接扬矿系统进行1 000 m海上开采(试验)提供了理论依据.     

深海采矿扬矿实验系统相似条件及相似准数的确定

根据流体动力学原理,从深海采矿扬矿实验系统中流体动力学相似条件入手,利用数学分析方法,研究实验系统中各参数之间的关系,确定实验系统中几何相似、运动相似及动力相似条件以及应遵循的准数。结果表明,主要相似准数为雷诺数(动力相似准数)。试验时根据雷诺数的范围进行速度变化,从而实现运动相似,可为以后建立实验室及具体试验提供理论依据。     

深海采矿扬矿管纵向振动的有限元分析

建立了深海采矿扬矿管的纵向振动微分方程,应用矩阵迭代法求取扬矿管的固有频率和固有振型,使用MAT-LAB得到了扬矿管固有频率,并绘制扬矿管的固有振型曲线。采用直接积分法中的Newmark法求解扬矿管的动力学响应,利用abaqus对扬矿管的纵向振动进行了仿真计算,绘制了扬矿管上4个位置的振动随时间的变化曲线,以及在10个采样时间点扬矿管振动随位置的变化曲线。     

5000m扬矿管纵向振动研究

运用有限元的方法对深海采矿系统中的扬矿管进行了静力分析和动态分析,将５０００ｍ扬矿管等分成２０个两节点梁单元,应用等效线性化方法及结构对地震的反应原理建立了扬矿管纵向运动模型．采用ＡＤＩＮＡ有限元分析软件．通过研究在海水中不同海浪周期下扬矿管的振动特性可知：扬矿管的一阶纵向共振周期处于海洋中海浪通常出现的周期范围内;共振时扬矿管顶端与末端的纵向振动的相位差接近１８０°,产生轴向应力很大,给管子的设计和操作带来极大的影响．     

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。     

深海采矿扬矿管纵向振动的主动控制仿真研究

针对1 000 m海试采矿系统中扬矿管的纵向振动问题，采用基于线性二次型最优控制理论的主动控制方法来抑制振动。首先，建立了海洋环境下的扬矿管纵向运动方程，再推导得到LQG最优控制状态方程，然后运用Matlab编制模拟分析程序，仿真计算了泵和中间舱的纵向振动时间历程和主动控制所需控制力的最大值，结果表明该主动控制方法能有效地实现纵向振动抑制，减少幅度高达75％，所需控制力也符合1 000 m海试系统方案的设计要求。     

深部顺槽巷道差异性变形破坏特征及原因研究

随着开采深度的增加,在深部开采工作面顺槽巷道中不可避免地将出现一些与浅部开采不同的非线性大变形力学现象。张小楼井75207工作面上、下顺槽在初期掘进过程中,出现了顶板严重下沉、强烈底臌、两帮收缩和支护体破坏失效等现象。通过现场工程地质条件调查分析、室内试验和理论分析等手段,对该工作面上、下顺槽差异性变形、破坏特征及其原因进行了分析,找出了影响深部开采工作面支护效果的主控性因素,为下一步有针对性地进行支护设计提供了理论依据和指导性建议。     

锰结核开采的气力提升参数研究

气力提升是大洋锰结核开采的主要扬矿方法之一。气力提升的工艺参数,如固,液两相的体积率,管道压力损失,注气深度,注气量,注气力,提升能力,提升浓度,提升效率和三相流型,对深海采矿气力提升系统的设计非常重要。     

Analysis of a Green Transport Plant for Deep Sea Mining Systems

Deep sea mining was identified in the middle of last century. However, its industrialization and commercialization today are limited in the costal mining industry due to the high mining cost and technical issues. The purpose of this paper is to analyze a green transport plan of deep sea mining systems in terms of the optimal efficiency of the rigid pipe lifting system and the total energy consumption. The deep sea mining facilities considered in this paper consist of a mineral collecting machine, a flexible hose, a rigid pipe, a grinding machine, a concentrating machine and a horizontal pipe conveyor. Centrifugal pump modelling and its working principle are researched, because it is the major transport facility. The relationship between the optimal efficiency, total energy consumption, transport loss factor, and the relating mining parameters is determined by numerical simulations and fittings under Fortran and Matlab environment, and the optimization under 1st Opt environment. The research conducted in this paper is valuable for the pre-evaluation of deep sea mining transport systems and the further realization of its industrialization and commercialization process.

     

深海采矿系统浮力配置对集矿车受力状态的影响

基于1 000 m深海采矿试验系统设计参数, 分析了不同工况条件下软管的受力状态和空间形态的特征规律, 研究集矿车接地比压和水平拖曳力的变化规律, 并模拟软管浮力配置的选取, 结果表明:当浮力配置大小及位置固定时, 随着软管内流颗粒体积浓度增高, 集矿车受到的水平拖曳力减小且接地比压增大; 集矿车与中间仓之间水平距离增大时, 软管对集矿车水平方向上的分力增大, 集矿车受到的水平拖曳力增大, 反之减小。通过研究软管形态和集矿车受力状态的变化规律及内在机理, 可为深海采矿系统软管输送参数的优化提供依据。     

深层金属矿原位流态化开采构想

我国浅部金属矿资源已趋于枯竭,逐渐转入1000 m以深的开采.深地金属矿床开采面临着高应力、高井温、高井深的特殊开采环境,采用传统的采矿模式难以实现深部资源的安全高效经济开采.结合深层金属矿产资源开采的趋势,本文提出并阐述深层金属矿产资源的原位流态化开采构想的定义、具体内容与挑战.根据转化方式,将深层金属矿原位流态化开...