深海履带式集矿机设计的研究(1).pdf

④ 8 一 深海履带式集矿机设计的研究 1 寻 I 言 深 海锰 结核发现于 1 8 7 3 年，而人们真 正 认识锰结核的价值是 在 1 9 6 5 年 Me l c h e r ， 1 9 8 9 。据D o r s t e w i t z 教授估算，海底锰 结 核储量为9 0 0 ～1 7 0 0 亿t 指太平洋 。我 国地 质专家唐忠驭同志趋 向于S O 0 4 0 0 亿t 。但 是，具有工业开采 灌 的锰结核 只 是 一 部 分，主要分布在太平洋c c区。 在 过去2 0 多年中， 以美国、法 国、 日本 和德国为首的海洋锰结核开采财团在这方面 做 出了极大努力 。在 前期 研究工作中提 出了 4种采 集海底锰 结核 技术 ； 即拖 斗 式 采 矿 法 ，CLB 法、流体提 升式采矿 法和海底遥控 车采矿法。经过长时期研究试验，认为唯有 流体提升式采矿法最有效，且最有工业应用 前景。 集矿 机是 流体提升式采矿系 统的核 心设 备。 目前，获得专利的集矿机种类很多，但 真正投入工业开采试验的几乎没有。因此． 在集矿机的开发阶段必须做好选型工作。笔 者在近几年对 深海采矿 技术进行 了研 究，认 为履带式集矿机是目前较有工业应用前景的 深海锰 结核 集矿机 。为 了研制 出能适用于深 海锰结核开采的履带式集矿机，本文对这种 集矿机 的设计等问题进行 了探讨。 2 太平洋锰结核矿床地质 研制集矿机，首先必须了解锰结核的沉 积环 境及 其特 性。据调 查，世界三大洋 太 平洋 、大西洋和印度详都有锰锗核，出于 沉积环境不同，所 以各大洋锰结核赋存情况 都有所不同，例如锰结核的形状、大小，品 位、储量及其赋存的海水深度等。鉴于目前 各先驱投资者 除印度外矿区 都 在 太 平 洋，在此仅介绍有关太平洋锰结核的主要情 况 。 2 ． 1 地理环境 据统计，太平洋锰结核覆盖面积达2 S O 0 万k m ，适台联合国海洋法所述的第一代 采 矿 区面积为 5 2 0 万k m 。 北太平洋中部是高品位锰结核富集带， 即c c区富矿带 最有经济意义 的锰 结 核 带 ，与 美 国 洛 杉 矶 的 东 南 面 相 距 约 2 2 0 0 k m，面 积 约 2 5 0 万 k m ，北 纬 1 4 ． 0 ～ 1 6 ． 2 。 、西经 1 2 4 ． 8 ～ 1 2 7 ． 0 。 ，见图 1。 在这一 海域 ，水 深 平 均4 6 0 0 m 最 深 6 0 0 O re ，水压6 0 MP a 水深每增加l O O m．水 压增加1 MP a ，盐度3 ． 5 ， 氧含量 6 m| ／ 1 ， 洋底水温为0 ． 5 ～1 ℃。仝年气候宜人。年降 雨量小，夏季常有热带风暴和台风。洋流速 度平均1 7 c m／ s 最大 2 5 c m／ s ， 为 WS流 向。在1 6 0 m的 海水深度，洋 流速 度 递 减到 零。 2 ． 2 矿 床地质 高 品位锰 结核富集带产于东太平 洋沉 积 盆 地。海底地形 以沉积 物覆 盖的小海 山为 特 征。小海 山走向为NS 或NE S W，一般坡度 一 8一 有色矿山 1 e 9 5 、B ． ． 1 _． ． ， ． 存 披 赋 茇 哆 抒 黼 一 愀 系 ． 制 耗 山 矿 术 衙 ， 一 长 提 其 韵 一 体 厦 段 一 流 型 许 ‘ 鄹 挑 悯 il 维普资讯 } l二 蹦R ’ 圈1 太平洋c c 区锰结核富集带 2 ～3 。 。除洋流冲蚀地带或断崖地带之外， 世，而西部地壳为晚 自垩纪，且海底上覆有 局部地形普遍较低，见图 2 。平均断崖对山 一层棕红细云片岩色的大洋粘土。这类牯土 坡有阶梯效应，故山坡伴有沉积 物 滑 动 现 含有6 5 的伊利石、高岭石和蒙脱石，其余 象，下伏玄武岩出露。 多半是硅质有机物、放射虫、硅藻、硅鞭藻 导 8 l ／ 二 9 o 。 n 、 霸 ／ I 4 5 r’ f 4 0 - 圈2 c -_c区海底 地形 海水深度 向东太平洋海隆递减。在称为 断裂或海底扩张中心的狭长带中大洋地壳正 在形 成。新 地壳逐步 向外扩展，使西部岩层 依次老化 。这一区域底岩年龄多 半 是 渐 新 残骸和海绵动物骨针。从局部上讲，钙质物 占沉积物的 5 ，但大部分在到达海底前 已 溶解。 在高品位锰结棱富集带外围， 大洋粘土 渐 次变 化为硅质软泥 和粘土 含大量硅 质 有 机物 ， 钙质沉积物分布于高品位锰 结核富集 带的东南部 。 抗积物平均密度 为1 ． 3 g ／ c m 。 厚度 l O O m 见 表。 据美国H o r a 教授推断，在太平 洋 考 察 区的海底 面上覆盖着 一层 1 7 5 N l O O ml厚 的 放 射虫软混。这种躲混含水量高且 硬 度 特 低 。对集矿 机行 进报 有影响，见 图 3。 2 ． 3 c c区锰 结核 锰结核产于沉积物一 水界面， 不规则，单 层分 布。一 般地说，赋 存 于 沉 积 物中心达 1 m深度的锰结核几乎没有。单个锰结核 无 光泽，呈 土褐 色 蓝黑色|小的如扁豆 状， 深海履带式枭矿机 设计的研究一谢龙水 一 9一 维普资讯 深海沉积物的物理性质 大的如椭圆状和圆盘状，这一现象归因于不 等的生长速度，奠氏硬度为 2～ 3 。表面有 的光 滑，有的粗糙 。锰 结核 孔隙 率 一 般 为 5 0 ，内表面积2 0 0 3 0 0 m }按重量计 ， 单 个锰 结核的湿度约3 0 ％，湿 结核密度 一般为 2 ． 0 ～2 ． 5 。粒 径1 0 6 0 mm， 其 中 6 0 ram的 约 占2 5 ％}平均容重约3 ． 2 k g ／ d m 。 l 0 台水 量比值 1 ． 8 s 图8 太平 洋考察 医的海泥硬度 据 勘查 ，在 太平洋C c区的锰 结 核 储 量约3 0 0 亿t ，其中勘定绪量 为5 0 1 0 0 亿t 。 锰结核丰度界 于 5 2 5 k g ／ m 有 时 达 到 3 5 k g ／ m ， 品位Mn 3 0 ％， F e l O ， N i l ． 5 ， C u 1 ． 2 ，C o O ． 2 ％。据测定，可供 ￡业 开 采 的锰结核储量为7 5 0 0 7t ，丰 度 l O k g ／ m ， 镍铜 钴平均 边界 品位 为 2％，钢 镍平均含量 达2 ． 2 5 ～2 ． 4 ％。 3 集矿机 就整个采矿系统而言，集矿与提升是决 定 采矿成效的关键 ，其 中集 矿机 起着极其重 要的作用。 3 ． 1 采集 原理 通过多年努力，业已研制出各种类型的 集矿机 。这些集矿机 的采 集原理基本上分为 5种， 即刮 扫式、轮 刮式或喷刮式 、滚斗 式 或链斗 式、顶 尖滚筒式或带 喷嘴 顶 尖 滚 筒 式．以及扫除滚筒式，觅图 4 o 型式 l 型式 2 第一种 、 而 刮扫武 第 二 种 釜 彗 、 龟 尹。 、 磊 知轮 刮式 磊 蜀 羁 喷甜式 第三种 颤0 g 缪、 础 鄂 斗式 刃 蟊 孵 链斗式 第四种 囝 j 奔弼 顽 蒗筒 l式 带喷嘴 顶尖 滚筒 式 一 第五种 辆 丽 苘式 图4 集矿机采集 原理分类 图 按上式采集原理设计的各种集矿机模型 在柏林船舶模型试验池进行了系统试验。结 果表 明，全水 力采 集原理或仝机械采 集原理 都不 成 问题 但是 ，认为 复合式 用喷水辅 助机械采集是最佳的采集方案。目前，德 国特蒂斯工业技术公司已研制出履带式复台 集矿机。这是9 0 年代海洋采矿界最先进的新 型集矿机。据预测，这种集矿机有可能在下 世 纪初进入 工业应用。 3 ． 2集矿机类 型 到 目前为止，各海洋采矿财团已设计出 不同原理的集矿机，但是，设计没有新的突 破 。主要有 三大类型， 即； 1 拖式集矿 机 日本， 2梭车形潜水集矿机 法国} 一 l O 一 有色矿 山m1 0 口 5 ．6 维普资讯 3 自行式遥控 集 矿 机 美 国、德 国。 按行走方式分类，集矿机则可分为2 种， 即 1 自行式集矿机j 2拖式集矿机 。 按采集方式分类 ，集矿机则 可分为8 种 ， 即l 1带式土 豆收割机型集矿 机； 2滚 筒式 土豆收割机型集矿 机j 3连 续链 斗式 挖掘 机型集矿机 } 4轮 斗式挖掘机型集矿 机， 5 剖轮式集矿机； 6 附壁喷嘴式集矿机； 7机械式集矿机 } 8 复台 式集矿机 图 5 。 鄹轮武韩旷机柯 双喷嘴装置 图5 复合式集矿 头示意 图 目前试验结果表明，履带式集矿机在原 理上比其他类型的集矿机 例如阿基米德螺 旋 推进式 或轮 式集矿机 更适用。 4 集矿机设计 经济的海洋采矿，要求采用自行的并能 有效定位的集矿机 。这种集矿机能采集锰结 核并 剔除沉积 物或废石 。在 集矿 机的合理设 计 方面，应 考虑采矿 配套设 备 例 如采矿船 和提升系统各子系统的工艺联系。 4 ． 1 设计原则 采矿系统应 以保 护相界特征和机能的方 式采集海底矿物 尤其锰结核，称为环境 深潍履带式集矿机设计的研究 龙水 可接受的海洋采矿。如果工业技术与环境可 接受的采矿方法不相适应，必须采用另一种 方案 开采控制是生态保护的主要原则，无控 制开采 例如C L B 采矿系统对海底的破坏 很大 。因此，无控制的海底采集设备比自行 式可控制的更有危害性。自行式遥控集矿机 可按给定路线在海底行进。这种集矿机可控 制速度、航向和路径间距。所以，按开采路 线控制集矿机采集作业是有可能的。 拾矿率也是一重要的设计原则。在采幅 内，集矿机 拾矿率应在9 O 以上。此外，集 矿机宽度起码应达到履带传动机构的宽度。 其他技术设计原则是可靠性好、和 J 用率高、 维修方便、能耗低等。在机械设计上，要求 结构简单、结实耐用、传动性强、重量轻。 其次，集矿机不应成为污染源。 另一重要 的设计原则是；锰结核和沉积 物在进入提升管之前必须进行分离，因沉积 物对泵轮和分离环 泵级隔环有很大破坏 作用。特别重要的是要尽可能多留一些沉积 物于海底且海水混浊程度小，以保护海底生 物和微动物医系。 4 ． 2 设计要求 4 ． 2 ． 1 设备功能 在 限定期限 设计使用寿命内，集矿 机能在 海底 的不 利环境中反复采集锰结核 。 鉴此 ，集矿 机设计应 从大 地形、微地 形、碍 航物、沉积物的物理特性、锰结核分布、赋 存深度与脆度 等方面的开采条件来考虑，见 圈 6。 4 ． 2 ． 2 流体 动力稳 定性 集 矿机能 以稳定 的方式通过海水环 境， 在下水过程中，集矿机能直立着落于海臌。 在作业 过程 中，集 矿机在 倒车后能 自动恢 复正常 。集矿机在回收中能着 落 于 滑 道 上 。 4 ． 2 ． 3 物理特性 为 了实 现上 述 目的，对集 矿机 外形 ，重 维普资讯 囝6 集矿机设计所依据的条件 量 、重心位置 、浮力等要 进行调整 。 4 ． 2 ． 4 结构整体性 集矿机各子系统要组成整体，并能在收 放或搬运中经受负载和作用力。 4 ． 2 ． 5 可控性 为集矿机配备有关监控设备，以便连续 测量 和记录采集作业的 关键 数据 及作业过程 控制 。 4 ． 2 ． 6 可维修性 集矿机可拆可卸，部件可换新或修理， 另外 ，便 于整机搬运或部分搬运 。 4 ． 2 ． 7 耐用性 集 矿机在规定 的使用期 内应 能 经 受 电 蚀、腐蚀、磨蚀等。集矿机遇到不利的海底 地形 如海崖和碍航物能反复遥过而不发 生大的结构损坏。 4 ． 2 ． 8 安全 性 设备发生故障少，并配有放射源防护屏 和遥控系统等。 4 ． 2 ． 9 可操 作性 在 水 深 6 o o o m海 底 ，要 求 集 矿 机 以 o ． 7 5 m ／ s 的 行 走速度采集 锰 结 核 并 达 到 2 6 0 0 t ／ d 湿结核的工作能力。 一 l 2 4 ． 3 履 带式 集矿 机 4 ． 3 ． 1 结构 履带式集矿机由德国特蒂斯公司研制成 功，主要由集矿头，分选机、进给机构，输 送机、冲洗泵，软管接头，机架和行走机构 组成 ，见 图 7。 - 囝7 腰带式集 矿机 示意图 4 ． 3 ． 2 集 矿头 集矿 头是整机设计 的关键 ，因此在设计 中必须注意以下几个问题。 集矿头挖掘深度要适 当，一 般 在2 5 c m 左右，鉴此，要求输送机带配上辅助装置 有色矿 L 9 5 ． 6 维普资讯 将锰结核提到分离筛的抬矿水平或提到输送 机上。见图5 和图8 。 “” Jr ⋯⋯ NR L T F ＼ 1 7 y ． 一 要 ； j I 、、 -一 重 ． 一 蛊 -- ⋯r L ] C 一 { 曲 一 圈8 集矿头示 意图 NR 一赜嘴排J J P 喷射泵J LT 一横向输送机I F 一 流 量计J E H一 电液压设备}EL -- 子箱J HA一高度{ 胃 节器J HM一浪压马选J C -- 电视摄像机J s 聚光灯 ， N一浊度计 同类研究表明，唯有机械结台水力的采 集 机构 才能满 足环境保护 、沉积 物分离 以及 集矿头高度 指距离海底的高度变化产生 的影响小等方面的要求。在不太扰动海泥的 情况下，以有效的喷射流松动并提取锰结核 和通过机械 输送装置收集这 样的锰结 核是 比 较 合适 的。因此 ，集矿头设计应 从 以下三个 方面 来考 虑。 即 1沉 积层中锰结核松 动 以及采集率 1 0 0 时所必须 的喷水速度， 2喷射角 各股射流之间以及到达 ．结核的最佳位置和矢量} 3 喷嘴性能 I 导锰结 核到输送 机 刮板的折流板型 式与位置。 在前进速度为0 ． 2 5 ～D ． 7 5 m ／ s 、沉积 物 剪切应力为 3～ 4 k P a 时，集矿机构在不降 低采集率的情况下可达到2 5 e ra的采掘深 度 。 锰结核与沉积物混合物被引入立式输送机系 统，沉积物流过链带，而锰结核被输送机收 集送入料斗。 集矿头采集效率与集矿机行走速度和有 效采幅有着密切关系，见图 9。根据模拟试 验的结果，认为集矿头的有效采幅 是6 6 m。 集矿头采集率也取决于锰结核的粒径，见图 1 0。 l 4 1 2 1 O 三 荽 6 2 0 蠢 蠢 砷 L 1 ／ l ／ 1／ r ／ I - 7行 走 速 度 ． m ／ 。／ ／ ， ．矗 I n ； l ／ I D 1 ． 5 ／ J - ／ I 式 l／ t “ 1 ／ ， 十 下 r 8 5 ％ 1 a ％ B ‘ “M。 果集效率，t ] h 圈9 集矿机效 率分析 l } I l ， l } f f ／ I l -一 r 一 一 j I I 1 l { I ／ I I l 1 t I I I 一 褂 ／ I l I I 瓣 l ／I I { } 一 I I I { I I 一 l l I ／ I I l I I 一 j I l I I l 粒 径 ．m 圈l O 集矿头采集率与锰结核粒径的关系 4 ． 3 ． 3 行走机构 集矿机行走机构的选择与设计，主要应 从岩土力学方面来考虑。同类研究表明。深 海泥土可视为塑性软泥。其抗剪 强 度 可 按 C o u l o mb l,] o h r s c h e n 公式来计算； f ． T 。 t an 式 中f ． 抗剪 强度 } f 内聚 强度 I Ⅱ 压缩应力J 内摩 擦角。 通过上式，可了解深海软泥的抗剪强度 并可对集矿机在这 样的软泥上是否可行进作 出正确分析 图1 1 。此外，还得对软泥进 行剪切应力和承载能力分析 图l 2 ～1 3 ， 拜 履带式集矿机设计的研衰谢龙球 一 I 8 一 ∞ 锄 曲 蚰 魏 维普资讯 这是集矿机行走机构设计中必须确定的重要 参数 。 探廑 z ， c 圉I 1 深海软泥抗剪强度分析 让 i N／ c m 0 ． 0 I ,t P a ．厂 ＼ | ’ 、 示 准 曲 缎 、 ． ／ ／ ＼ ’ ＼ 、 。～ J ● 变形率 r ’ 圉l 2 深海软泥对剪切应力 的响应曲线 1 、 0 ≥ ； 一。 { f 等 ／一1一 f _， ／， l f ／ I 。 。 I’ 稀 压 ， c 圉l 3 深海软泥静态承载能力分析 根耀深海软泥力学情况，德 国锡根大学 的Me l c h e r 教授提出了履带式行走机构，见 图1 4 。这种行走机构通过模拟试验池试验已 选到预期指标。 1软 泥承受 履带的压力为3 s k P a ， 这 取决 于履 带链 板的厚度 。基于相应设计 的 接触面积，履带链板会全部陷入软泥中。因 此 。最有 效的剪切 面是 传动时才产生，而履 带式集矿机陷入软泥不太深。由此可见，行 进阻力小，海底受破坏程度也最小。 2 重量分布应按这祥的方法设计， 即把重心放在接触面的前半部，这样向前驱 动时纵轴向底压分布就能保持恒定，这样就 可 避免 陷入过深。 3为 丁防止传 动轮 之间 的履带链 变 形 ，应 尽可能提高履带 的预 拉力 。因此， 传 动轮之间的履带链板是在传动时才起作用。 预拉力受到内部机件运动阻 力 如 轴 承 摩 擦的限制。传动轮间距不应超过5 0 0 ram。 4 履带滑动率为1 5 ％时，牵引力最 大，滑动力高于该值时，海底受破坏的程度 加大，且牵引力没有增加，传动能量反而损 失。 5板形链板对履带前端的海底有破 坏作用 ，破坏程度取决 于链 轮半径和链 板厚 度，这种效果对即将损失的牵引力有重要的 蓄能作用。履带链橱按渐开线齿形设计，可 防止集矿机陷进软泥。渐开线链板对欺泥有 压实作用 ，所 以不 剪切软泥且摩 擦 损 失 最 小。目前设计的履带最大齿潦为3 5 c m。 图 l 4 履 带式行 走机构 示意图 有色矿m一1 9 9 5 ． 6 0 { 3 2 l b ／ z． 』R讨碧臣鞋 维普资讯 石荣铜业公司露天矿节能降耗的途径 一 开辟内部排土场 A 广 东 石 翱业 炯 型 堕 - r D 8 ， I 摘 要】 本文用生产实际的数据，通过科学分析． 论证了开辟内部排土蜀方案哆可行性及； 产 触 向 禾 苄 关 键 词 内 部 排 E 节 能 降 耗时 间 与 效 应 P J ’I ／1 、 ／ 参 V ／ 1 H 一一 1 前 言 石兼铜 业公司近年来的采矿、选矿生产 都保持好势头，但由于资源枯竭，次生矿的 开采 工作 已接近尾声。如果保持近年的采选 规模，仅能开采 3 年。 随着开采台阶向下延深，采矿成本逐年 上升，排土场的压力也非常大，如能尽快开 辟内部排土场，大大减少汽车运距，不失为 挖掘 潜力、节 能降耗的好途径 。 2 采矿概况 石荣铜业公司露天矿属低凹露天矿，现 开采 的东段次 生矿 已开采到 一4 4 m台 阶 ，保 有的可采 地质储量主要分 布 在 矿 湖 露天 坑南部 ，北部所 占不多， 仅为全区的1 ／ 1 0 。 按原设计，矿湖最终形状是南北两个大坑， 其分界线是从1 1 ． 与1 2 泵房之间穿过的一条 东西向的线，该线以北的设计开采 范嗣为矿 湖北部 。 5结论 1集 矿机行 走方式 以履 带 式 为 最 佳，采集方式以水力一 机械复合式为最优。 2集矿 机设 计要集效率 、可控性 、 可 靠性 和环保为 一体 ，这 是一条重要原则 。 3 履带链板 按渐 开线齿形设计，把 3 先结束北部开采工作 的计划与实践 以往 曾有先 结求 北部 开采 以便 开辟 内部 排土场的计划，但因排水泵站设在北部致使 该计划未能变成现实。1 9 9 2 年底实现了排水 泵系统南移，1 9 9 3 年 夏彻 底完 成了北部的探 矿工作，为露天 矿强化北部 开采 、开辟 内部 排土场提供了有利条件。生产探 矿 结 果 证 实 北部 一3 6 m以上的大块矿体已采出， 现 存 的是 残 留边 角矿块 靠近大 理岩 或延入大理岩 凹陷内 一4 4 m以下的台阶虽还未开 采，但 寓矿块变小，有些甚至没有，比 如 一4 4 m的 F 8 只保留原 来的}，往北的陡崖下有块 富矿 根本没有而是含铜0 ． 5 9 的铁 石 型 贫 矿， 一 5 2 m以下 的设计 台阶含铜不 到 1 ，一 般 只是0 ． 7 ～0 ． 8 的铁石型贫矿 ，见 表 1。 由表 1可 以看 出，北部 一4 4 m以下 的 矿 休平均含铜 仅为0． 8 4 ，大大低于 目前入 选 集 矿机重心放在 履带接触面前半部 ，以免行 走 机构 陷入软 泥过深。 履带式集矿 机标志着深 海锰 结核 开采 技 术 正逐步走 向成 熟阶段，是一重 大 技 术 突 破 。 参考文献 略 责任编辑肖泽铬 石摹 业齿 露天矿节能降耗的途径一开辟内部排土场 荠新才 一 5 一 ④ 维普资讯