海底矿产资源开发技术经济评价模型研究

海底矿产资源技术经济评价研究是当前我国国际海底资源开发工作中必不可少的重要内容。本文针对海底矿产资源及其开发利用技术现状,基于折现现金流量法,建立了适合我国的海底矿产资源开发技术经济评价模型。并利用该评价模型针对具体项目进行了实例评价分析,结果表明海底矿产资源开发项目具有投资大、收益高、高回报率的特点。进一步的敏感性分析表明:对经济效益影响最大的因素依次为矿石产量、矿石品位和金属价格。

从市场、技术和制度看国际海底矿产资源的商业开采时机

探讨了国际海底矿产资源商业开采的影响因素,分析了深海矿产资源中主要金属镍、钴、铜的近中期供需趋势、深海采矿技术和装备的发展现状、国际海底采矿制度制定面临的难题,在此基础上,对国际海底矿产资源商业开采时机进行了预判,并提出我国应积极应对的建议。

海底矿产资源开采技术研究动态与前景分析

随着世界经济的迅猛发展,人类对资源的需求与日俱增,资源的供求矛盾也日益凸显。作为不可再生的陆地金属矿资源正在走向枯竭,人们逐渐把目光投向了海底矿产资源。海底蕴藏着极为丰富的矿产资源,如多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等,它们是人类可持续发展的资源宝藏。然而,目前人类对海洋资源的开发利用程度非常低,除石油、天然气的海上开采约占1/4份额外,对海底金属矿产资源的开发几乎为零。

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。

深海采矿装备布放回收过程中脐带缆动力学响应特性研究

基于时域耦合分析法,建立了母船-深海采矿装备-脐带缆三维非线性水动力学模型,并对布放及回收过程中脐带缆的水动力响应特性进行了数值计算与分析。结果表明,4级海况时,深海采矿装备(水中重10 t)可以在速度0.8 m/s条件下安全布放和回收;在波浪和海流共同作用下,深海采矿装备在布放开始阶段和回收结束阶段都有强烈的振荡和摆幅,可安装防摇止荡装置来降低振荡和摆动。

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。

基于深海采矿技术的新型深水清淤技术方案探索

根据深水清淤面临的问题,结合我国深海采矿技术现状,分析了深海采矿技术与深水清淤作业技术的特点,借鉴相关技术形成了一种深水清淤技术方案;并对深水清淤系统的组成、功能及作业流程进行了详细介绍。为验证深水清淤技术的可行性,研制了工程样机,并在小浪底水利枢纽成功应用,表明基于深海采矿技术的深水清淤技术是解决陆地深水淤积问题的有效途径。

深海多金属硫化物开采技术

海底块状多金属硫化物大多以三维矿体形式分布于水深1500~3000m范围,其剥削、采集方法是深海多金属硫化物资源开采利用的关键技术。首先通过对海底多金属硫化物样品开展围压条件下的三轴压缩试验,获得硫化物的各项物理力学特性参数。针对机械刀具和水射流等不同破碎方式开展对比分析,确定优先采用螺旋滚筒采掘头切削方式破岩,进一步开展滚筒推进方式、排布方式研究,提出高海水围压条件下采掘头设计方案;以绿色、高效采集为目标,开展多金属硫化物采集技术研究,通过对比分析确定采用一体式采集头更具优势。最后提出深海多金属硫化物采-集一体化的采矿车总体设计方案,为未来海底多金属硫化物采矿机的设计提供技术参考。

深海采矿水下输送系统提升硬管选型及水动力校核研究

为了研究深海采矿水下输送系统提升硬管选型设计的可靠性,以输送指标为设计输入,通过水动力学进行校核,根据多金属结核沉降速度确定提升硬管选用外径244.48 mm的P110钢级抗疲劳螺纹连接套管(壁厚20.24 mm),水池拖曳试验结果表明提升电泵上端硬管阻力系数为1.4,提升电泵下端硬管阻力系数为1.3。对水下输送系统按作业工况和布放工况分别进行水动力学计算,在海试作业环境下提升硬管安全系数满足API RP 2RD规范要求。在深海多金属结核采矿试验工程海上验收试验中,提升硬管满足各项输送指标要求,各接口间连接可靠,验证了提升硬管选型设计的合理性。

深海采矿车巡检机器人设计研究

本文根据深海采矿车海底作业过程中的环境探测和作业状态监测需求,提出了一种采矿车巡检机器人方案,明确了各项功能需求,并对其总体架构、巡检机器人本体结构等进行了设计;构建了巡检机器人三维模型,通过水动力仿真验证了其水动力学设计可行性;研制了采矿车巡检机器人物理样机,并在实验室验证了相关功能和性能。

深海多金属结核开采技术发展历程及展望

深海多金属结核富含镍、钴、铜等新能源技术发展所需的金属,将其从数千米深海底开采出来需要依靠独特和高效可靠的开采技术和装备。本文全面总结了国内外深海多金属结核开采技术及装备的研究历程和发展现状。首先梳理了20世纪西方财团进行的深海多金属结核采矿海试系统,并分析了水力管道提升式采矿系统原型的技术和经济可行性;接着全面回顾了中、韩、印等深海先驱投资者对深海多金属结核采集及水下输送等关键技术的攻关;然后分析了深海多金属结核开采技术所面临的商业化和高环保要求的形势以及近期在这方面的发展动态及研究进展;并且系统地总结了中国深海多金属结核开采技术研究的发展历程。最后在此基础上,展望了深海多金属结核开采技术研究发展面临的机遇,以及在商业开采要求下,深海多金属结核开采系统可能的技术方案及其高可靠、高环保、高智能的发展趋势,为我国深海多金属结核得高效开采技术和装备的研究开发提供了参考价值和指导作用。

深海矿产矿浆泵矿石颗粒回流性能

针对深海采矿矿浆泵回流较差的问题,本文使用计算流体力学-离散元方法(CFD-DEM)方法,计算球形颗粒在某型矿浆泵单级和两级叶轮导叶内的回流,混合粒径颗粒回流以及非球形颗粒的回流情况。颗粒群在单级叶轮导叶回流时,由于不同导叶叶片与叶轮叶片之间的相对位置差异,不同导叶流道内颗粒群的回流情况不同;颗粒群的回流情况与叶轮导叶的形状有关,高比转速小包角叶片的设计更有利于颗粒回流。颗粒群在两级叶轮导叶内回流时,次级叶轮导叶内颗粒流动情况与单级基本相同,但首级不同导叶流道内的颗粒分布既受到首级叶轮导叶叶片相对位置的影响,还与首级导叶叶片和次级叶轮叶片的相对位置有关。混合粒径颗粒群的回流能力要弱于单一粒径,不同粒径颗粒在不同级叶轮导叶内通过时间也有所差异。相对于球形颗粒,非球形颗粒回流性能要差很多,增大了可回流矿浆泵的设计难度。

日本深海采矿发展现状分析及启示

介绍了日本深海矿产资源开发运行机制,包括日本海洋政策、与海洋采矿相关的管理机构及实施机构以及日本海洋科技开发推进联络会议等协调机制,简述了日本海洋采矿领域的跨部门战略创新推行计划,并总结了日本在海洋采矿领域取得的研究成果。研究日本海洋矿产资源开发管理体系及其开发计划,可为我国制定深海采矿领域战略、投入机制及协调机制等提供借鉴。

深海矿产资源开采技术的现状综述

介绍了近期研究深海矿产的多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等几种资源的基本情况,并就相关深海采矿技术的国内外现状进行了归纳整理,提出了深海采矿技术应该研究的方向,并针对硫化物开采提出了相应的系统概念。

爆破开挖下隧洞围岩损伤范围数值模拟研究

爆破作用对地下洞室围岩造成的损伤不可忽略,研究围岩爆破损伤效应对地下工程的施工安全有重要意义。合理的破坏准则对准确计算围岩损伤范围极其重要。为研究不同破坏准则下的围岩爆破损伤效应,结合2个地下隧洞工程案例,采用FLAC3D数值模拟方法研究了摩尔库仑破坏准则、应变能破坏准则以及格里菲斯破坏准则应用下的围岩损伤范围。结果表明,3种破坏准则得出的损伤范围相差不大,工程案例1中,采用格里菲斯破坏准则计算的围岩损伤深度更接近实测值;工程案例2中,采用应变能破坏准则计算的围岩损伤深度更接近实测值。在此基础上,依托工程案例1,研究了地应力水平对爆破损伤范围的影响,并通过相关文献进行验证。结果表明,摩尔库仑破坏准则和格里菲斯破坏准则模拟结果较为一致,且能更好反映应力水平对隧洞围岩损伤范围的影响规律。

轴压下含裂隙聚丙烯纤维混凝土裂纹扩展及损伤演化研究

为研究聚丙烯纤维(PPF)掺量和预制裂隙角度对混凝土在受压作用下的裂纹扩展、破坏形式的影响,对含不同裂隙角度的素混凝土和聚丙烯纤维混凝土(PFRC)进行了单轴压缩试验,并采用声发射(AE)监测系统对其内部损伤过程进行了采集,分析了试件破坏形态和AE定位图,探究了PPF掺量、预制裂隙角度与应力-应变曲线、AE参数等指标之间的联系。研究表明,随着PPF掺量增加,试件产生裂纹的数量和扩展范围先减小后增大,峰值应力先增大后减小,其破坏形式由拉伸破坏转变为拉剪或剪切破坏,其中PPF的作用机理表现为当其掺量适宜的情况下可在基体内部起到较好的桥接作用,而当过量时则易成团出现,导致内部薄弱面增加,表明PPF对混凝土的增强效果存在正负两种影响;随着预制裂隙角度增大,峰值应力呈先下降后上升的趋势,其中倾斜非水平角度预制裂隙与高掺量PPF之间存在一定的协同效应,并发现几类对试件抗压强度和PPF掺量变化表现敏感的预制裂隙角度;最后分析AE数据发现PPF的掺入使AE定位图的定位点数量变多、分布变杂,AE信号从开始出现至到达峰值的活跃时间随PPF掺量增加而延长,表明PPF对混凝土起到了阻裂增韧的效果。

含孔洞多裂隙复合岩层裂纹扩展和分形特性模拟研究

利用RFPA2D模拟在单轴压缩的条件下,含预制裂隙和孔洞复合岩层的裂纹扩展、破坏模式和分形特征,通过改变裂隙倾角和岩层倾角对裂纹扩展过程进行分析。结果表明:岩层倾角为0°不变而裂隙倾角变化时,模型试件破坏模式分为X型破坏模式和Y型破坏模式,对比应力-应变曲线和声发射数、分形维数-步数曲线发现分形维数对岩层破坏具有一定的表征作用;裂隙倾角为0°不变而岩层倾角变化时,模型试件破坏模式分为穿切软岩破坏模式和沿软岩破坏模式;通过Matlab计算得到的部分含孔复合岩层裂纹的分形维数与模型试件抗压强度的变化规律相同,分形维数与抗压强度之间的拟合存在显著的线性关系。

弱化矿岩破碎动力系统的能量转化和时效特性

基于弱化性质矿岩典型的非线性负指数本构关系和灾变特性,分析了灾变和非灾变两种破碎动力学模式下能量转化和时效特性随机构刚度的变化情况。结果表明,低机构刚度诱发的灾变破碎模式会急剧降低破碎动力系统的能量传递效率和破岩时效。从能量利用和破岩功效角度考虑,破碎动力系统不宜采用低机构刚度;给出了机构刚度设计适宜的选用范围。

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。