海底多金属硫化物切削破碎及采集的理论与试验研究

开发国际海底多金属硫化物具有增加资源储备和扩展战略空间的重大意义。采矿技术研究是海底多金属硫化物资源开发研究中不可缺少的关键环节。本申请课题对海底多金属硫化物的切削破碎和采集技术开展研究，根据降低采矿作业能耗、减小采矿对海底环境影响的要求，提出为防止切削粒度过大需二次破碎增加能耗、切削粒度过小易漂浮扩散增加环境污染而进行切削粒度控制的设计思想，通过对截齿螺旋滚筒和旋转切削头两种方法和技术开展理论和试验研究，探明切削头齿布置方案、转速与推进速度的关系与规律；提出两旋转切削头相向旋转切削以将矿石碎片集中送至集矿口，从而抑制由微小碎片形成向外扩散浊流的设想，通过理论和试验研究分析验证其可行性和实施效果。通过本申请项目研究，构建海底多金属硫化物采矿装置设计理论与方法，形成高效环保、具有自主知识产权的海底多金属硫化物采矿技术原型，拓展和丰富矿业工程学科的研究领域和研究内涵。

随着陆地矿产资源的不断枯竭国际社会对深海矿产资源开采的关注日益高涨，鹦鹉螺矿业已经获得了世界上第一个深海采矿许可对巴新专属经济区的深海多金属硫化物进行商业开采。本项目对深海多金属硫化物的切削破碎和采集技术开展研究，取得多方面进展：.1..收集和分析了国内外已有海底多金属硫化物勘查参数，从中国大洋样品馆申请并获取了总计70公斤深海多金属硫化物矿样，利用高性能岩石三轴试验系统MTS 815等进行了物理与力学特性试验，在国内首次获得深海多金属硫化物矿样的密度、抗压强度、弹性模量、泊松比等物理和力学参数，并根据莫尔-库仑理论推算了三轴应力状态下样品的抗剪强度参数，为深海多金属硫化物开采方法和技术研究提供了可靠的原始参数；.2..提出了可降低水下采矿污染的双旋转切削头采集头设计方案，申请了发明专利；.3..进行了截齿螺旋滚筒切削装置设计，开展了切削破碎过程仿真，计算了滚筒截齿的运动和切削受力情况，以降低载荷波动为目标对滚筒的结构和工作参数进行了优化设计，取得了可有效降低波动的优化结果；.4..针对所提出的双旋转切削头采集装置，建立了切削头旋转和抽吸作用下的流场分析模型，并对其采集罩内流场进行了固液两相流仿真计算和分析，揭示了硫化物颗粒在集矿罩内的分布规律，并确定了抽吸压力对硫化物提升效果的影响；.5..完成了多金属硫化物模拟料切削与采集水池实验系统的详细设计与改造方案。.上述工作为形成可行的深海多金属硫化物采矿方案并提高采集效率和减小环境污染提供了相关基础研究成果。.在项目资助下，本课题开展了深海采矿整体系统的一些研究工作，多次受邀为国内高水平期刊撰稿介绍深海采矿技术研发情况、参加国内外高水平学术会议并作特邀报告。