水力提升採礦系統

水力提升採礦系統（hydraulic lift system，hydrolift system）又稱吸揚式採礦系統，是開採砂礦和多金屬結核的一種裝置。

基本介紹

• 中文名：水力提升採礦系統
• 外文名：hydraulic lift system，hydrolift system
• 又稱：吸揚式採礦系統
• 套用：開採多金屬結核

釋義

水力提升採礦系統（hydraulic lift system，hydrolift system）又稱吸揚式採礦系統，是開採砂礦和多金屬結核的一種裝置。由電機、水泵、吸水管和揚水管等組成，通過船上的水泵在採礦管道內抽吸海水，形成連續的水流把海底礦石吸揚到船上。以往在濱海砂礦採礦中套用，在淺海採礦技術的基礎上，吸揚式採礦技術現已用於深海多金屬結核採礦。

結構概述

水力提升式採礦系統水力提升式採礦系統主要由四大部分組成：採礦船、提升系統、集礦機和監控系統。該系統用一提升管從採礦船連線海底集礦機。以輸送集礦機採集的錳結核到海面採礦船。當採礦船到達採區時，將集礦機和提升管接好並逐步放入海底.提升管內徑20~60cm，上端懸置於海面採礦船。集礦頭用於採集海底沉積物中的錳結核，在排去過大錳結核的同時，將合格塊度的錳結核輸入提升管底端。用某種方法使提升管內的水以足夠的速度向上流動，進而將錳結核吸入到提升管並輸送到海面採礦船上。水力提升式採礦系統採用液壓工作設備，如離心泵、噴射泵或U形提升管（鋼管或塑膠管兩種）。

工業採礦船

基本結構

採礦船是整個深海採礦系統的重要組成部分。對於水力提升式採礦系統，工業採礦船應配置以下專用設備：提升管萬向架固定式吊桿；提升管搬動設備；半自動化提升管排放架；集礦機和軟管（長約40m）下水與回收設備；吊桿保護圍欄；集礦機維修設備；專用可調螺距推力器；船舵系統；推力器組；錳結核分選機；錳結核輸送與轉運系統；採礦作業控制室；專用電源。

採礦船特性參數

根據有關海洋採礦財團按海上試采情況所描述的工業採礦船，不論製造還是改裝，採礦船必須滿足列於右表的參數。

提升系統

水力提升屬於流體提升式的一種，是目前最具有工業套用前景的提升方式。水力提升系統是利用水作為載體來提升錳結核，它通過一根提升管把錳結核從集礦機提升到海面採礦船。水力提升泵按順序安裝在不同深度上的提升管上，通過這些水力提升泵所提供的壓頭來提升錳結核。

另外，提升管與集礦機之間的連線採用一根撓性管，它可適應局部水深和海底地形的變化，一般靠浮力減阻裝置穩定在海底，並為集礦機電纜提供支承。提升管最底端與軟管連線的部位常設有一緩衝裝置，一可用來維持採礦船一提升管系統的平衡，二可用來暫時貯存錳結核並作為集礦機的電源輸送站等。

在水力提升系統中，漿體為水和錳結核混合物，呈兩相流狀態.相流特性是一理論問題，在此不予細述。水力提升系統的提升能力取決於以下因素：

1）提升管中流體的向上速度必須大到足以維持錳結核向上運動；

2）錳結核和淤泥在水中的體積比必須適於提升泵運轉，即提升泵停止運轉時不會引起堵塞。通常該體積比（固液比）為10%左右；

3）與提升管中水一錳結核混合物有關的滑動；

4）固體顆粒之間碰撞以及固體顆粒與管壁碰撞所產生的摩擦。

鑒此，在設計水力提升系統中應考慮以下四個方面：

1）把流體速度最小值定為2.5m/s，以保證提升管中各點流體速度明顯高於錳結核的沉降速度；

2）流體通路應完全為全開式截面，其最小直徑為75mm；

3）流體通路應成一定形狀以便在正常泵送或逆流時均無堵塞情況發生；

4）流體沿提升管方向的所經路徑偏移最小。

集礦機

集礦機是水力提升式採礦系統的核心設備。目前，集礦機的類型很多，其中以履帶式複合集礦機為優。

履帶式集礦機

德國Theist工業技術公司採用現代最先進技術研製的履帶式集礦機由集礦頭、分選機、進給機構、輸送機、沖洗泵、軟管接頭、機架結構和行走機構組成。

集礦頭

集礦頭是整機設計的關鍵，因此必須注意以下幾個問題。

集礦頭挖掘深度要適當，一般控制在25cm左右。鑒此，要求輸送機帶配上輔助裝置以將錳結核提到分離篩的拾礦水平或提到輸送機上。模擬試驗池試驗表明，所有水力採集機構如沒有配用輔助裝置採集錳結核就必須按真空吸塵器的原理設計。也就是說，為鬆動並提取沉積層中的錳結核而所需的高速水流必須在海泥與真空吸塵器壁之間產生。在這一間距內形成噴射流，採集機構對這種間隔面的變化將產生極敏感的反應。也說是說，對吸入口到海底的間距變化很敏感。如果輔助裝置能把錳結核提取到吸入口壁周圍的輸送水流，那么就能削弱這種敏感性。

同類研究表明，唯有機械結合水力的採集機構才能滿足環境保護、沉積物分離以及集礦頭高度（指距離海底的高度）變化產生的影響小等方面的要求。在不太擾動海泥的情況下，以有效的射流鬆動並提取錳結核、再通過機械輸送裝置收集這樣的錳結核是比較合適的。因此，集礦頭設計應從以下三個方面來考慮：

1）沉積層中錳結核鬆動以及採集率10%時所必需的噴水速度；

2）噴射角一各股射流之間以及到達錳結核的最佳位置和矢量；

3）噴嘴性能一引導錳結核到輸送機刮板的折流板形式與位置。

在前進速度為0.25~0.75m/s、沉積物剪下應力為3~4kPa時，集礦機構在不降低採集率的情況下可達到25cm的採掘深度，錳結核與沉積物混合物被引入立式輸送機系統，沉積物流過鏈帶而錳結核被輸送機送入礦倉。

據模擬試驗，集礦頭有效采幅以6.6m為宜。採集效率取決於錳結核粒徑，因此錳結核在進入提升系統之前要進行破碎。

監控系統

在水深4000~6000m的海底，水力提升式採礦系統完全是靠監控技術來完成錳結核的採集工作。鑒此，水力提升式採礦系統的監控技術成為當代熱點研究課題。近年來，德、法、美、日等國在這一領域取得了重大突破，尤其採礦船動力定位、光纖遙測技術和集礦機監控系統正朝著逐步完善的方面發展。

採礦船動力定位系統

深海採礦船動力定位系統由電羅經、聲導航系統、無線電導航系統、窄束回聲測深儀、水流速度感測器、氣象觀測儀、操舵台等組成，該系統採用推力器保持或控制採礦船的位置。在正常採礦作業中，用採礦船推力器控制系統可使緩慢航行的採礦船保持最有利的航速。在6000m的深海，動力定位系統能以小於300m的誤差半徑保持採礦船的位置。有了動力定位系統，就能通過控制採礦船運動來減小海下採礦系統受採礦船運動的影響。

海洋採礦設備在下水與回收中應能進行全部動力定位，並可操縱其他子系統保持在海底集礦機位置的附近。此外，還能按預定採集路徑的設定點進行機動控制。換言之，控制系統應按能適應停止、轉彎、後退以及避開障礙物與不利海底地形的要求進行設計。提升管瞬態特性表明，集礦機要求對採礦船一提升管一緩衝裝置系統進行控制，這就對採礦船，提升管和海底集礦機的控制操作所需的坐標準確度提出了嚴格要求。因此，採礦船上要裝備全方位控制系統。對於深海採礦，還要求裝備遙控系統.據預計，微處理機、資料庫管理系統、專家系統和人工智慧技術將用於第三代深海採礦系統。

在正常採礦作業中，首先要求採礦船和集礦機一起定位。船定位有以下幾種方法：

1）用衛星系統每隔1~2h定位。這種定位方法是利用繫船浮筒按時間間隔確定船的位置，確定船位的精確度為60m，不能為採集作業提供足夠高的精度。

2）利用設定于海底的聲應答器進行聲測定位（通常稱為長基線聲定位法）。這種定位方法提供的定位精確度為5-10m，但要求按小間距布置應答器。目前，正結合繫船浮筒來改進這種聲定位法。一旦知道船的位置，計算機控制系統可確定所需的引擎修正量，以使採礦船按照理想航線行進，並可自動操縱專用推力器。

3）用全球定位法進行連續三維定位。這種定位系統於80年代中期投入使用，定位精度在幾十米範圍內，也滿足不了深海採礦系統定位要求。

4）德國Theits深海採礦系統定法法。這種方法是基於綜合利用前述定位法所提出的一種綜合定位法，大大提高了採礦船定位精度。

提升系統計測

為了隨時掌握錳結核提升工況、保障提升系統的順利運行和對提升系統進行有效控制，必須對計量監測技術進行研究。目前，日本和德國海洋採礦財團在這一方面處於領先地位。在1991年，日本海底礦物資源開發系統研究所研製了海洋採礦試驗用的計量監測系統。這種方法可以計量監測提升管的形狀、提升管內漿體輸送狀態、提升量、提升動力和提升數據等，是一較有代表性的先進計測技術。

集礦機控制

就採集效率和設備可靠性而言，集礦機在連續作業中應能避開突然遇到的障礙物（如大塊岩石、海槽或海溝）。為了賦予集礦機這些功能，應按自行和遙控的工作方式進行設計。自行式遙控集礦機一方面能實現較高的採集效率，錳結核丟失少，且不受提升管末端的動力影響，自由地沿著預定的路線採集，另一方面，對採集機構可進行控制操作。

海底感測設備用於探測集礦機位置及周圍海底地形，並將有關信息傳送到船上指示設備。船上控制中心根據指示設備提供的信息，對集礦機行速和方向進行有效控制。集礦機監視主要採用掃描聲納、定位聲納、電視攝像機等。

此外，集礦機採用的電氣控制設備、電子控制器和液壓控制系統主要以集礦機初始進入採區、集礦機行速與行進方向、集礦機拾礦機構耙深和耙進海底的角度、拾取的海泥數量、從海泥中分離錳結核、錳結核輸送到破碎機、錳結核破碎、細粒錳結核回收、避開障礙物、排棄過大的錳結核或其他物體、採礦船跟隨集礦機行進所必需的定位等方面進行控制。

採礦船上控制台是海下控制系統的組成部分，可為整個採礦作業過程提供有效控制。

集礦機在海底行走工況以及海底錳結核分布用配有擺動裝置的電視系統進行觀測。集礦機在海底的行走速度可通過安裝在其上的都卜勒聲納測速器測定。