深海多金属结核集矿装置水力输送流场分析与试验

对深海多金属结核集矿装置水力输送流场进行了理论计算,得到了多金属结核粒径与输送通道最小输送速度的关系;仿真分析了喷嘴射流速度分别为15、20、25 m/s时输送通道内水流流态分布,给出了流道下表面30 mm处的流速。在实验室进行了输送喷嘴不同射流速度的采集试验,实验结果与理论计算及仿真分析结果相符。

旋转水力提升多金属结核运动特性数值模拟

采用CFD-DEM耦合方法对多金属结核提升进行模拟,研究了垂直管道中不同旋转流场旋流比对水力提升多金属结核输运特性的影响。结果表明,随着旋转流场旋流比增大,旋转强度显著增强,流体流速最大值增大,颗粒群轴向平均速度增大。旋转流场的旋转强度明显影响管道内颗粒的速度分布:速度大的颗粒逐步分布在管壁周围,速度较小的颗粒分布在管道中心处。旋转流场可降低颗粒群局部浓度,有利于降低因颗粒滞留效应引起局部浓度升高造成的输送管堵塞风险。

扬矿泵位置对深海管道谐响应动力学行为的影响

深海扬矿系统的工作环境极其复杂,目前针对扬矿系统的结构设计和各项参数还有待进一步的研究。以1 km扬矿管道为例,研究扬矿泵在不同位置时对扬矿管道动力学行为的影响。为建立合理的动力学模型,采用弹性约束代替升沉补偿装置的作用;外激励主要考虑波流联合的水平激励、波浪纵向激励、扬矿泵正常工作时产生的扭矩激励;采用能量积分法建立管道的振动方程以及用有限元方法分析扬矿泵安装在管道的不同位置时的动力学响应。结果表明:随着扬矿泵安装位置沿着管道下降,系统的固有频率呈现出由小到大,再由大到小的变化规律,而管道的最大振幅呈现出由大到小、再由小到大的变化规律;单载荷激励作用下,管道的振幅和等效应力由小到大分别为扭矩激励、波浪纵向激励、波流联合水平激励,三者联合且同相位激励时,系统谐响应显著增大;随着扬矿泵安装位置沿着管道下降,管道的最大振幅和最大等效应力响应呈现出由大到小、再由小到大的变化规律。以上结果证明,在给定的合理安装位置范围内存在振幅和等效应力的极小值,即在力学上存在最优安装位置。在研究模型的基础上,以最小等效应力为判据确定了扬矿泵在管道上的次优安装位置。通过基于谐响应分析以等效应力为判据的扬矿泵安装位置的计算方法并证明存在力学上的最优安装位置,为扬矿系统的结构设计提供了重要的参考依据。

深海金属采矿装备与技术发展现状及分析

金属矿产资源是保障国家经济发展与建设的重要物质基础。在陆地稀有金属供应初显疲态的形势下,世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。开展深海采矿装备与技术的研发攻关,是实现深海矿产资源高效开采的关键。首先,系统论述深海采矿科学技术与装备发展历程,重点分析拖斗式、连续绳斗式、自动穿梭艇式、管道提升式技术特点,总结梳理国内外深海采矿车、深海扬矿装备、深海采矿船3类装备的发展现状;然后,以当前研究与发展动态为基础,围绕采矿、输运、支撑平台3个领域,梳理采集技术、牵引驱动技术、轨迹与规划技术、羽流演变评估技术4项采矿技术上取得的成效和进展,总结气力提升技术、水力提升技术、过流部件保障技术、力学行为分析技术4项输运技术的研究动态,探讨收放技术、升沉补偿技术2项支撑平台技术的研究方向及进展;最后,鉴于经济、环境、装备与技术3个维度目前的发展形势,提出深海采矿技术科学目标由装备可控转变为绿色采矿、安全采矿,为应对未来深海采矿装备与技术发展面临的环境与安全挑战,分析提出有待于聚焦研究的关键科学与技术问题,以此凝练出绿色行进采集技术、超深安全扬矿技术、全局协同保障技术、数字环境评估技术4项亟待突破的关键技术,以期为我国深海采矿装备体系研究与建设提供参考。

基于AMEsim的多金属结核扬矿泵管紧急排料机构超长液压油管参数设计

针对深海多金属结核扬矿泵管系统海上试验时可能存在的紧急排料需求,开展了海上试验系统紧急排料机构液压系统理论计算,并在AMEsim中进行了仿真试验,结果表明,AMEsim仿真软件对于该系统的可信度系数为0.86。基于AMEsim构建了500 m海上试验执行机构液压系统模型,仿真分析结果表明,液压系统中油管管径为16 mm,设定压力应不低于10.47 MPa,执行机构动作时间为6 s。研究结果可为紧急排料机构的设计提供依据。

基于MPC算法的深海采矿车轨迹跟踪控制

针对深海采矿车在海底行走作业时受到复杂环境影响而偏离预定路径问题,提出基于模型预测控制(MPC)算法的轨迹跟踪控制器。利用深海采矿车运动学模型在Matlab中进行数值仿真分析,利用深海采矿车多体动力学模型开展Matlab-RecurDyn联合仿真分析。仿真结果表明,在直线与曲线工况下轨迹跟踪控制器都有较好的跟踪效果,并且联合仿真比数值仿真的结果更加符合真实环境。

露天矿扩界工程露天坑及排土场边坡协同稳定性分析

采用极限平衡法对某露天矿扩界后露天采场和排土场形成的联合边坡进行不同工况条件下的稳定性分析。结果表明:扩界后在排土场与采场之间预留出足够安全距离后,排土场对露天采场边坡的稳定性影响较小;露天采场-排土场联合边坡中采场边坡在自重+地下水、自重+地下水+爆破振动力、自重+地下水+地震力三种工况下均满足安全系数要求,采场边坡处于稳定状态;露天采场-排土场联合边坡中排土场边坡在自重、自重+降雨、自重+地震三种工况下均满足安全系数要求,排土场边坡处于稳定状态。说明该露天矿扩界方案形成的联合边坡具有安全性,可保障矿山的生产安全。

深海海底钻机海底天然气水合物钻进取芯建模与分析

针对深海海底钻机金刚石钻头在钻进海底天然气水合物过程中有明显弹塑性变形的特点,基于Hertz接触修正理论,提出了一种适用于深海海底钻机天然气水合物钻进取芯的建模方法。首先,分析钻进过程中海底天然气水合物从弹性变形到弹塑性变形破岩机理,求得金刚石钻头在钻进过程中单颗粒金刚石受到的钻进压力和切削力;其次,根据单颗粒金刚石受力情况,得到整个钻头上钻压和扭矩与钻进参数的理论关系,从而建立金刚石取芯钻头力学模型;最后,分析得到在钻进海底天然气水合物时海底天然气水合物的饱和度与扭矩和钻压的关系曲线。以该方法进行海上试验,成功获取了海底天然气水合物样品,验证了该方法的可行性。该研究成果可为深海取芯钻机钻头参数的设计和高效率钻进取芯提供理论依据。

加快深海金属矿产开发的技术创新与商业化进程

发达国家基本完成深海采矿的总体技术储备,并进行了多次试开采,全球深海金属矿产进入商业化开发的前夜。深海采矿领域的先进国家大多是美国构建的“矿产安全伙伴关系”(MSP)成员,恐将对我国深度参与深海采矿领域国际合作、矿产供应链安全构成威胁。一、全球深海金属矿产开发现状一是历经长时间勘探,深海金属矿产资源的分布已基本探明。深海金属矿产主要以大洋多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物的形态存在,储量极为丰富。

深海采矿装备研发的现状与进展

近年来,国际社会关于深海矿产资源开发的竞争急速加剧,与此相适应,深海采矿技术及装备的研发也再度引起了世界主要工业国家与新兴工业国家以及一些国际大型企业的高度关注和投入。针对深海采矿技术与装备的不同发展阶段,分别介绍连续链斗法、穿梭艇式、水力(气力)管道提升式三种典型深海采矿系统的组成及发展现状。分别从海底固体矿产资源采集技术、海底采矿车行走技术、矿物由海底向海面输送技术以及水面支持系统技术等4个方面全面系统地分析深海采矿装备研发中的关键技术、需要面对的特殊问题及近期研究进展,并对深海采矿装备发展的可行性及研发模式进行总结与展望,对于我国深海采矿技术与装备的研究开发具有参考价值与指导作用。

深海采矿装置的自动升沉补偿系统的模拟研究

分析了深海采矿装置的自动升沉补偿系统的重要性和研究现状。提出了一种主动型升沉补偿系统,解决了深海采矿装置升沉运动信号采集的关键难题。根据相似原理建立了主动型升沉补偿系统的模拟试验系统并研究了其控制策略。试验结果表明,所提出的主动型升沉补偿系统是可行的,具有较高的补偿精度。直接为我国开发海洋矿产资源的战略提供服务。

深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究

以单颗粒沉降运动为研究基础,采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物及模拟结核粗颗粒矿石进行了浮游速度试验研究,得到了粗颗粒矿石单颗粒和群体颗粒浮游速度计算公式,计算结果与试验实测数据吻合较好,对垂直管道水力输送系统参数设计和正常运行有一定参考价值。

胶西北海岸带海底基岩矿床开采海水入浸防治

海底基岩矿床顶部分布着大面积的海水,开采过程中存在海水突入矿坑问题。以胶西北海岸带区域为研究背景,对矿坑涌突水的影响因素及涌水量进行分析,并提出防治措施。结果表明,自然灾害、开采活动、孔隙含水层是导致矿坑涌突水主要原因;提出了留设保安护顶矿(岩)柱,钻孔注浆,加强地表防海水入浸配套设施建设,提高井下排水系统能力,构筑防水闸门等措施。胶西北海岸带海底金矿开采时-165m标高以上设为保安护顶矿柱是安全的,北皂煤矿-200m以上设为保安护顶矿柱是安全的;海底金矿极限开采高度为-65~-87.2m,北皂煤矿极限高度为-120~-160m,可以作为整个海底矿床开采完毕后回采保安护顶矿柱时的参考依据。

稀软底质表面深海采矿作业车触底特性分析

为分析深海采矿作业车在稀软底质表面行走时自身沉陷以及与底质的法向粘附力的触底特性,通过室内小型底板代替作业车底部触底部件,开展了作业车触底沉陷特性以及法向粘附特性试验。结果表明,压陷量随接地比压增大而增大;长宽比较大的底板压陷量明显大于长宽比较小的底板。粘附力与底板面积呈现较好的线性关系,相关系数R2=0.94,回归直线的斜率为894.56 N/m2。

基于专利信息的深海矿产资源开发技术趋势分析

为了解深海矿产资源开发技术现状,从专利的视角对深海矿产资源开发技术趋势进行了简要分析。通过incopat全球专利数据库,对2000—2023年全球公开发表的3236件深海矿产资源开发技术相关专利进行检索,分析全球专利申请趋势、地域分布、技术构成、中国专利申请趋势及中国专利申请人来源分布等情况。结果表明,相关专利主要集中在中国、美国、韩国,俄罗斯和日本,技术构成主要包括探测系统、采集系统、输送系统。近年来中国申请人逐渐主导全球相关专利申请,展现出中国在深海矿产资源开发技术研发和市场开拓方面的巨大潜力。

深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术

全面论述了近30年来国内外深海采矿垂直管道水力提升技术的发展和研究现状,对十几个国家深海采矿垂直管道水力提升系统进行了描述和分析,重点介绍了我国深海采矿垂直管道水力提升技术的研究成果。从管道输送安全角度考虑,论述了垂直管道堵塞的关键问题和解决措施,可为我国深海多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等金属矿产资源垂直管道水力提升技术的研究提供参考。

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等国际财团对大洋多金属结核进行的试采活动 ,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。

水力提升颗粒及颗粒群浮游运动规律研究

在高30 m、管径200 mm的室内扬矿系统中,进行了单颗粒、均匀颗粒和非均匀颗粒的浮游试验,观察了颗粒及颗粒群体在垂直管道中的运动状态,分析了颗粒的粒径、管壁边界条件、浓度和级配等因素对浮游速度的影响,得出了单颗粒和均匀颗粒在垂直管中的浮游速度经验公式。

深海采矿开采系统运动状态和动态特性影响因素分析研究

布局合理、设备安全、运行经济、控制简便 ,是深海采矿开采系统研究开发的主要目标。开采系统的运动状态和动态特性对上述目标产生直接的、重要的影响。文章根据现有研究成果 ,对开采系统运动状态和动态特性的主要影响因素进行分析研究 ,相应结论可为系统及其设备的设计、布局。

滨海基岩矿床开采防水矿岩柱高度的确定

三山岛金矿新立矿区是国内首家海下开采的金属矿山,为确保海下开采安全和减小矿产资源损失,科学、合理地确定防水矿岩柱尺寸在工程实践中显得尤为重要。根据矿山开采条件,首先,引入等效厚度系数n对采场导水裂隙带高度经验公式进行修正,由此计算防水矿柱的最小高度为(48.1±5.6)m。其次,运用力学解析法从强度和刚度两个方面对2种力学模型下的防水矿柱尺寸进行分析与计算。基于强度条件,拟合出防水矿柱高度与安全系数的回归曲线;基于变形条件,采用积分变形法计算防水矿柱的临界高度分别为37.24m和40.40m。最后,采用Flac3D数值模拟方法得出-200m中段采场导水裂隙带高度为34.75m。综合以上结果,最终确定新立矿区防水矿岩柱的高度为54m。