基于破碎粒径和采集流场控制的深海薄层矿床开采理论研究

Exploitation and utilization of deep-sea thin-layer mineral resources can improve resource reserve and improve development ability of deep-sea resources. The crushing and collection is the key point of exploitation and utilization of deep-sea thin-layer mineral resources. So the crushing and collection research is put forward. According to the requirements of energy saving and being environmental-friendly, three separation ways pushing down, shear and cutting are put forward, and single-head, double-heads and triple-heads are designed based on crushing mechanism. Based on the virtual prototyping technology, the three separation ways are analyzed and compared with different forces, speeds, particle sizes, efficiency and so on. The crushing heads arrangement and relationship between rotation speed and push speed are investigated. The flow distribution is analyzed during the suction nozzles collection process. The theoretical and experimental analysis are put forward to validate its feasibility and performance and to optimize the operating parameters. The project has great theoretical and practical value, thus would produce thin-layer mineral resourses exploitation theory and deep-sea mining system design procedures, provide high efficiency and environmental-friendly thin-layer mineral exploitation technical prototype, expand and enrich the research field and content of mineral engineering.

国际海底薄层矿床的有效开发利用对于推动深海科技发展、提高深海资源开发能力、建设海洋强国具有重大意义，薄层矿床的破碎采集技术研究是其开发利用中的关键环节。本申请课题拟对深海薄层矿床的破碎和采集技术开展研究。根据采矿过程节能低耗，环境友好的要求，以富钴结壳薄层矿为对象，基于其破碎机理，开展以压、剪、削等破碎剥离方式和单、双、叁采掘头方案设计，采用虚拟样机手段，分析对比富钴结壳在破碎剥离时力、速度、破碎粒径大小、效率等参数，探明破碎头齿布置方式、转速与推进速度的关系与规律，确定采掘截齿头数与分布最佳方案。研究喷、吸嘴在采集时流场控制原理，通过理论和试验研究分析验证其可行性和实施效果，优化采集工作参数。通过本项目研究，构建海底薄层矿床开采理论与海底采矿装备设计方法，形成高效环保、具有自主知识产权的海底薄层矿开采技术原型，拓展和丰富矿业工程学科的研究领域和研究内涵。

国际海底薄层矿床（以富钴结壳为典型矿种）的有效开发利用对于推动深海科技发展、提高深海资源开发能力、建设海洋强国具有重大意义，薄层矿床的破碎采集技术研究是其开发利用中的关键环节。本课题根据采矿过程节能低耗，环境友好的要求，以富钴结壳薄层矿为对象，通过对其物理力学参数研究，采用非线性有限元分析方法，分析富钴结壳在破碎过程中裂隙的变化和块度的形成过程，揭示富钴结壳破碎机理，为采掘头的方案设计提供坚实基础。为了减少采掘过程矿石的贫化，重点研究剥离薄层矿的采掘头的工作方式、齿型及分布、压力大小等，以达到合适矿块度、高效、低能耗地来剥离富钴结壳的目的。为了高效将剥离的富钴结壳及时收集，减少矿石的散落，采用剥离与采集一体化设计。重点研究单和多头的滚筒式、盘、平盘等采掘头分别与水力式和机械式结合的多种采掘头方案，通过虚拟样机技术和实验研究来确定最佳采掘头方案，开展采掘工艺的研究，以保证采掘量的性能指标。综合考虑各子系统的关联因素，将各子系统的最优方案结合于一体，形成较优的采掘装置总体结构，研究总体结构的重心分布，以保证采掘装置在水下采掘过程中的平稳性，实现采掘装置的规模性采掘富钴结壳。.本课题研制了试验样机一台，能够为以后深海富钴结壳采集装置提供参考依据，对于海底硫化物及锰结核的采集也具有一定借鉴作用。滚筒上截齿的排布设计为螺旋线形式，截齿之间具有较大空间且连接处光滑，流体性能好，具有明显的拢料的作用。样机试验证明采集一体化装置的可行性，得到了富钴结壳破碎采集的规律，得到了富钴结壳实验室破碎的建议参数：破碎速度：0.1mm/s，单次切削深度：30-100mm，破碎头转速：90-130r/min。