基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

深海稀软底质土宏观性能与显微结构分析

针对取样于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,采用激光粒度分析、液塑限联合测定、氮吸附、固结和直剪等方法对其开展物理和力学性能研究,并通过X射线衍射法和电镜法分析其矿物组成成分和微观结构。研究结果表明:深海稀软底质土为以粉粒为主的黏质土,具有高液限、高塑性,高比表面积、高固结系数、低压缩模量、低抗剪强度等特性,极易造成集矿机的沉陷和打滑。该土样的矿物成分主要由蒙脱石、石英、长石、云母、绿泥石和蛇纹石组成,显微结构为以粉粒和微生物碎片为主的片状链接结构和以黏土矿物为主的蜂窝状絮凝结构相互填充而成。深海稀软底质模拟土的配置原则应以矿物成分、粒径、含水率、比表面积和剪切强度为主,且综合考虑液限、塑限和显微结构。研究结果将为深海集矿机行走特性研究及其优化设计提供重要依据。

西矿区深海稀软底质剪切强度和贯入阻力原位测试

为获得深海稀软底质的力学参数及其相关经验公式,采用原位测试的方法,基于十字板剪切和浅层静力触探试验,在东太平洋中国开辟区西矿区的深海稀软底质进行剪切强度和贯入阻力测试,获得41个测点的测量数据。测量结果表明:剪切强度和贯入阻力在峰值强度前随试验深度的增加而增大,峰值强度后小幅度降低,其峰值强度均出现在40～45 cm层,分别为11.8 kPa和100 kPa;0～8 cm层底质的抗剪性能和承压性能极差,无工程意义;14～20 cm层底质的抗剪性能和承压性能均匀,剪切强度从6 kPa缓慢降低至5.8 kPa,贯入阻力从46 kPa缓慢增加至50 kPa,可作为行走履带的剪切牵引层和持力层,履齿应全部或部分落在14～20 cm层,齿高至少应为6 cm,作用于履齿的剪切强度设计值为3～4 kPa,履带板下陷后的位置应在14 cm以下。建立的回归经验公式能客观反映底质的抗剪特性和承压特性,可为集矿机的设计尤其对行走履带和接地比压的确定提供理论依据。

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。

深海稀软底质模拟土三轴压缩蠕变模型的试验研究

基于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,选取4种膨润土(S1,S2,S3和S4)与水按调和配制出最佳模拟土;通过固结排水三轴压缩蠕变试验测得该模拟土在相同围压、不同轴压下的蠕变曲线,并采用不同的流变模型对其蠕变曲线进行参数识别,以确定该模拟土压缩蠕变本构模型。研究结果表明:模拟土S3为最佳模拟土,其在相同围压、不同轴压下的三轴压缩蠕变曲线具有相同变化趋势,均可分为瞬时蠕变、非稳定蠕变、稳定蠕变3个阶段,瞬时蠕变变形和非稳定蠕变阶段时长均随着轴压的增大而增大;K-H模型能精确地反映该模拟土的三轴压缩蠕变特性,取蠕变参数的平均值作为材料参数来建立深海稀软底质模拟土的压缩蠕变本构方程,可为深海集矿机的沉陷预测与安全评定提供依据。

履带板、齿间黏附底质对集矿机附着性能的影响

为优化设计集矿机的机构,分析了行走履带板、齿间黏附稀软底质对集矿机附着性能的影响。该文分析了集矿机的履带板、齿与稀软底质的黏附,通过建立集矿机在稀软底质上的附着力数学模型,理论研究稀软底质的物理力学参数和集矿机结构参数对其附着性能的影响。稀软底质的物理力学特性和履带板、齿材料特性等因素影响了底质的黏附,稀软底质在链环上依次分布沿前进方向逐渐减少,黏附底质使集矿机的附加重量和接地压力约增加25%。集矿机的附着力由内聚作用力、驱动力、摩擦阻力和内摩擦作用力等组成,前二者分别约占附着力的40.6%和33.8%,内摩擦作用力和摩擦阻力可忽略。履齿的有效剪切高度降低,大大降低了集矿机的附着力,集矿机的齿高应设计为15cm。履带板、齿间黏附底质降低了集矿机的附着性能。

履齿高度对集矿机牵引性能的影响及参数确定

为研究履齿高度对集矿机在多金属结核矿区稀软底质上的牵引性能的影响,并确定履齿高度,以优化集矿机的行走机构。该文基于稀软底质的剪切位移和应力模型,构建了单履带板、齿与稀软底质的驱动力模型和集矿机的附着力模型,研究了履齿高度参数对集矿机在稀软底质上的牵引性能的影响。结果表明,履齿高度能提高集矿机在稀软底质上的牵引性能:集矿机在稀软底上产生的驱动力随履齿高度增加而快速增加;附着力在齿高小于15cm时随齿高增加快速增加,齿高大于15cm后趋缓。集矿机的齿高应不大于15cm。

新一代海底履带式集矿车“鲲龙500”行走性能分析

基于地面车辆力学理论,开展了模拟履带板与底质压陷和拖曳特性的试验研究,建立了深海特殊底质地面力学模型,进行了新一代履带式集矿车“鲲龙500”的直线行走性能多体动力学仿真,并利用“鲲龙500”实验室试验验证其正确性,在此基础上对“鲲龙500”的行走性能进行了分析。结果表明,集矿车两侧履带的速度差越大,其转弯半径越小;相比于陆地重黏土,集矿机在深海土壤上转弯半径小,转动角速度大。

马里亚纳海沟表层沉积物物理性质与微观结构初探

针对取样于141°48.700 8'E,11°11.698 8'N,深度为8 638 m的马里亚纳海沟海底表层沉积物,考虑该沉积物中的孔隙水为海水,提出一种测定其基本物理性质指标的修正方法,并测定其相关的物理性质指标,最后通过扫描电子显微镜观察其微观结构。研究结果表明:本次取样处的深海海底表层沉积物具有极高的含水率、高孔隙率、低密度、低比重、高饱和度等特性。考虑海水中盐分影响的修正后,该土样的含水率比修正前提高了11.68%,比重比修正前降低了7.66%。该沉积物显微结构以絮凝结构为主,中间夹杂着大量多孔隙的硅藻碎片和生物体的空壳,这使得该沉积物中的孔隙数量增多。研究结果将有助于了解马里亚纳海沟地区的深海沉积环境和历史,为深海集矿车的设计提供参考。

履齿高度对集矿机牵引性能的影响及参数确定

为研究履齿高度对集矿机在多金属结核矿区稀软底质上的牵引性能的影响,并确定履齿高度,以优化集矿机的行走机构。该文基于稀软底质的剪切位移和应力模型,构建了单履带板、齿与稀软底质的驱动力模型和集矿机的附着力模型,研究了履齿高度参数对集矿机在稀软底质上的牵引性能的影响。结果表明,履齿高度能提高集矿机在稀软底质上的牵引性能：集矿机在稀软底上产生的驱动力随履齿高度增加而快速增加;附着力在齿高小于15cm时随齿高增加快速增加,齿高大于15cm后趋缓。集矿机的齿高应不大于15cm。