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稀软底质表面深海采矿作业车触底特性分析 ① 程阳锐， 曾 轩， 李小艳， 郑 皓 （长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012） 摘 要 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。 关键词 深海采矿； 多金属结核； 稀软底质； 采矿作业车； 沉陷； 粘附 中图分类号 TD857文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.06.009 文章编号 0253-6099（2018）06-0044-04 Analysis of Sinking Propertiess of Deep-sea Mining Vehicles on Soft Sediment CHENG Yang-rui， ZENG Xuan， LI Xiao-yan， ZHENG Hao （State Key Laboratory of Exploitation and Utilization of Deep-sea Mineral Resources， Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd， Changsha 410012， Hunan， China） Abstract Aiming at the mining vehicle′s sinking into soft sediment on the seafloor and normal adhesion force of polymetallic nodule mining vehicle during seabed operation， laboratory tests were conducted to investigate the mining vehicle′s sinking and normal adhesion features by using a small-sized plate substituting parts on the bottom of vehicle sinking into the simulated sediment. Results showed that sinking of the sediment increased with an increase in the ground pressure， and the bottom plate of the vehicle with a larger aspect ratio led to deeper sinking than the bottom plate with small aspect ratio. And the adhesive force is in a good linear relationship with the floor plate area， with a correlation coefficient R2＝0.94 and the slope of regression line calculated to be 894.56 N／ m2. Key words deep sea mining； polymetallic nodule； soft sediment； mining vehicle； sinking； adhesion 在已知的深海资源中，受到普遍关注和研究程度 最高的是多金属结核，而具有商业开采价值的多金属 结核以直径数厘米的结核状赋存于水深 5 000～6 000 m 极稀软的海底沉积物表面[1]。 我国目前已成为唯一 一个拥有 3 种海底固体矿产资源矿区的国家，且 2017 年中国五矿集团公司与国际海底管理局签署了多金属 结核勘探合同[2]，标志着深海多金属结核的开采进入 新的历史时期。 多金属结核所处的沉积物表层（0～250 mm）剪切 强度较低，一般在 4～5 kPa 左右[3]，而在现有深海采 矿工艺中，通常是通过布放海底采矿作业车在多金属 结核区进行行走。 采矿作业车在开展海底采矿过程中 因自身质量可能会出现作业车的沉陷、粘附等问题。 特别是在采矿车完成采矿准备回收时，因为车体沉陷、 底泥粘附等原因可能使所需提升力远大于采矿车自 重，造成车体难以回收的情况，如 2001 年在我国云南 抚仙湖开展的 130 m 级多金属结核采矿试验中，便出 现了车体下陷，无法回收的情况。 为分析采矿车在稀软底质表面行走作业时作业车 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，开展在模拟 底质上的压陷、法向力试验，得出底板的压陷和法向粘 附特性，从而为后续多金属结核采矿作业车的行走及 触底机构的设计提供参考。 1 试验条件 1.1 模拟底质 模拟底质采用钠基膨润土与水混合制成，在实验 室搭建长 5 m、宽 2.5 m、高 0.5 m 的试验区域，铺设厚 度 0.4 m 的模拟底质，如图 1 所示。 同时使用剪切强 ①收稿日期 2018-05-29 作者简介 程阳锐（1985-），男，四川巴中人，硕士，工程师，主要从事水下装备研发工作。 第 38 卷第 6 期 2018 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №6 December 2018 万方数据 度试验仪对模拟沉积物底质剪切强度进行测定，测量 得其平均剪切强度为 4 kPa。 高5 m, 臂长 4.5 m 0.00 -3.5 -5.00 5000 2500 6000 9000 3100 模拟底质 水池 悬臂吊 -3.10 图 1 试验区域示意 1.2 试验底板 为分析作业车接底面不同形状对触底特性的影 响，在试验中设计有 6 种不同形状的底板，底板均为两 端成 45上翘的船型结构，材料为铝合金。 各底板参 数如表 1 所示。 表 1 底板参数 编号形状（长宽比）尺寸／ （mmmm）质量／ kg 1＃6004003.70 2＃4504003.20 3＃3004002.70 4＃4006004.47 5＃8003003.40 6＃6006005.45 底板试验分为 2 组，第 1 组为宽度相同、长度不 同，由 1＃～3＃板组成；第 2 组为面积相等（面积为 0.24 m2），长宽比 i 不同，由 5＃板（i＝2.7）、1＃板（i＝1.5）、4＃ 板（i＝0.7）组成。 2 底板承载-压陷试验 底板承载-压陷试验旨在确定特定底质条件下不 同板型、面积与承载能力之间的规律，它是稀软底质采 矿车履带行走机构设计的基础参量，由给定压陷深度 H 下的承载力 f（表征该处承载能力）和压陷阻力系数 kp（表征承载力与压深的变化关系）。 2.1 试验方法与承载参量的确定 试验中通过采用不同质量标准重物置于底板上作 为外加载荷 Ga，故底板接地比压为 f ＝ Ga ＋ G s As ＝ Gt As （1） 式中 Gs为底板自重，kg；As为底板面积，m2；Gt为底板 承载质量，kg。 通过压陷深度差值 ΔH 下的承载力增量 Δf 确定 压陷阻力系数 Kp Kp＝ Δf ΔH （2） 由于底板的自身质量 Gs相较于外加载荷 Ga很 小，忽略底板自身的初始压陷深度（即作为 0 沉陷）， 在试验区域挡板上放置一平直矩型钢，以其下沿作为 参照点，测试在不同外载下底板上表面的位移量，由此 得出不同形状底板在不同外载条件下对应的压陷深 度，从而确立承载力和压陷深度的关系及其压陷阻力 系数。 2.2 试验数据 通过对各底板在不同外载下的测试，记录压载量 和压陷深度，结果如表 2 所示。 表 2 不同外载荷下载重与压陷深度试验数据 载荷 ／ kg 压陷深度／ mm 1＃板2＃板3＃板4＃板5＃板6＃板 0000000 20290453 407172510126 6013314618299 80234564264014 100356386365620 1204780106437128 2.3 接地比压和压陷深度的关系 分别计算各自的接地比压和对应的压陷深度，可 54第 6 期程阳锐等 稀软底质表面深海采矿作业车触底特性分析 万方数据 得出 6 种形状底板的接地比压与压陷量的曲线关系， 如图 2 所示。 接地比压／kPa 120 100 80 60 40 20 0 23410567891110 压陷量／mm 1 2 3 4 5 6 ▲ ◆ ■ ● 图 2 底板接地比压与压陷量的关系 由图 2 可知，在不同载重情况下，相同接地比压时 底板压陷量相差不大，压陷量均随接地比压增大而增 大。 相同接地面积、不同形状的底板随接地比压增大 压陷量逐渐增加，但长宽比较大的底板压陷量明显大 于长宽比较小的底板。 而 600 mm 400 mm （i＝1.5） 板和400 mm 600 mm （i＝0.7）板本质上是同一种板， 故特性一致，沉陷量基本一致。 造成差异的原因是因 为底板为船型结构，随着沉陷增加，倾斜船型面接触地 面降低了接地比压，故沉陷量不完全一致。 2.4 C-C 矿区底质承载力 由 C-C 矿区贯入阻力 Ps的测试结果，并根据经验 公式可得出其底质承载力 f，其经验公式[4]为 f ＝ 0.112Ps ＋ 5 （3） 表 3 为东西矿区相应于不同压陷深度的贯入阻力 和承载力。 表 3 东西矿区的贯入阻力和承载力[5] 压陷深度 ／ cm 贯入阻力／ kPa承载力／ kPa 东矿区西矿区东矿区西矿区 0005.05.0 88155.96.7 1442259.77.8 20504910.610.5 307562.513.412.0 由表 3 可见，压陷深度为 0 时，仍有 5 kPa 的承载 力，这是由于承载力的经验公式中常数项在低压陷深 度时引起的偏差（在压陷深度为 0 时，承载力应为 0）， 故在 0 ～ 8 cm 非线性区间应按抛物线修正抛物线函 数，为 f ＝ k h（4） 带入参数计算可得东矿区 ke＝ 2.086，西矿区 kw＝ 2.369。 其各区间压陷阻力系数如表 4 所示。 表 4 东西矿区压陷阻力系数 压陷深度 ／ cm 阻力系数／ （kPacm -1 ） 东矿区西矿区 8～140.6330.183 14～200.1500.450 20～300.2800.150 2.5 比较分析 根据图 2 中曲线，选取 3 种典型参数所对应的底板 进行分析，根据表 4 数据，可得如图 3 所示的承载力-压 陷深度关系曲线及对应的压陷阻力系数（0～80 mm 区 间虚线按式（4）修正曲线修正）。 沉陷量／mm 15 12 9 6 3 0 500100150200250300 承载力／kPa 106, 10.2 80, 6.8 140, 7.8 71, 5.1 80, 5.9 Kp 0.183 Kp 0.450 Kp 0.150 Kp 0.150 Kp 0.280 Kp 0.633 80, 6.7 140, 9.7 200, 10.6 200, 10.5 300, 12 300, 13.4 图 3 承载力-压陷深度关系 图 3 表明，各种不同面积和形状底板的承载力-压 陷深度关系在小压缩深度区间（0～8 cm）呈现非线性， 压陷深度超出 8 cm 后为线性区间，承载力随压陷深度 线性增大；试验底质和矿区底质曲线相比，其曲线形式 基本一致（非线性区间 0～8 cm 相当吻合），在相同压 陷深度情况下，承载力和阻力系数对比见表 5。 3＃板 （300 mm 400 mm） 的承载力和阻力系数均较矿区底 质测定值高，反映了试验底质硬于矿区底质。 表 5 试验和矿区底质系数对比 底质承载力／ kPa阻力系数／ （kPacm -1 ） 东矿区7.50.633 西矿区7.20.183 试验值10.20.786 注矿区按 8 cm 处承载力和阻力系数值外延计算。 3 底板法向粘附试验 多金属结核采矿车在离底时，采矿车底部在自身 重力的作用下与底质压紧形成粘附力，粘附力可分为 切向粘附力和法向粘附力，在采矿车离底时法向粘附 力起主要作用。 当采矿车离底时不仅要克服自身重 力，还需要克服底质的粘附力，为研究底质对采矿车底 部的粘附特性进行了底板法向粘附试验。 64矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 3.1 试验方法和粘附参数的确定 将不同形状的船型底板用来模拟采矿车着底部 分，不同规格的底板置于模拟底质上，匀速向上竖直提 拉底板，通过测力计测试其法向力值 FN，得出其法向 粘附系数（单位面积粘附力）Cs为 Cs＝ （FN - G s） 10 As （5） 3.2 试验结果 不同规格底板的粘附力测试曲线和法向粘附系数 计算结果如图 4 和表 6 所示。 时间／s 35 30 25 20 15 10 5 0 50101520 拉力／kg 1 2 3 4 5 6 ▲ ◆ ■ ● 图 4 底板法向拉力曲线 表 6 底板法向拉力、粘附力和粘附系数 底板 编号 法向拉力 ／ kg 法向粘附力 ／ N 法向粘附系数 ／ （Nm -2 ） 121.65179.5747.9 214.79115.9643.9 424.79203.4847.5 518.64152.4635.0 634.89294.4817.8 3.3 底板法向粘附力和面积的关系 依据表 6 对底板面积和法向粘附力的关系进行回 归分析，结果如图 5 所示。 由图 5 可知，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（894.56 N／ m2）即为法向粘附系数 Cs，即每 平方米约有 90 kg 的粘附力，说明底质材料具有较大 的法向粘附性。 底板面积／m2 350 300 250 200 150 100 50 0 0.100.20.30.4 法向粘附力／N ● ● ● ● ● ● R2 0.94 Fs 894.6As-33.9 图 5 法向粘附力和底板面积关系的回归分析 4 结 论 1） 通过底板承载-压陷试验所得数据分析可知， 压陷量均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；试验底质和矿区 底质承载力系数基本一致，但试验底质比矿区底质承 载力系数高，反映了试验底质硬于矿区底质。 2） 通过法向粘附试验可知，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（894.56 N／ m2）即为法向粘附系数 Cs，即每平方米 约有 90 kg 的粘附力。 参考文献 [1] 唐达生，阳 宁，金 星. 深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术[J]. 矿冶工程， 2013（5）1-8. 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