传统的水底采矿法已经不能适应水深超过1000m海底锰结核的开采。深海锰结核的采矿方法按结核提升方式不同分为连续式采矿方法和间断式采矿方法;按集矿头与运输母体船的联系方式不同可分为有绳式采矿法与无绳式采矿法。具体开采方式众多,如图7-3所示。
单斗式采矿法如图7-4所示。由于锰结核矿层很薄,只需从洋底刮起薄层锰结核就可以,因此可采用拖斗采集并贮运结核。
由于单斗式采矿法仅采用一只拖斗,拖斗工作周期长,从生产效率与作业成本考虑均不利于深海锰结核的开采,为此提出采用双拖斗取代单拖斗开采。双拖斗采矿法其采矿系统构成与单拖斗系统基本相同,由采矿船、拖缆和两只拖斗构成。
(3)飞艇式潜水遥控车采矿法
这种采矿车是利用廉价的压舱物,借助自重沉入海底采集锰结核,装满结核后抛弃压舱物浮出海面(图7-5)。其采矿车上附着有两个浮力罐,车体下装有贮矿舱,利用操纵视窗可直接观察到海。底锰结核赋存与采集情况,待贮矿舱装满结核后,利用浮力罐内的压缩空气的膨胀排出舱内压舱物而产生浮力,使采矿车浮出水面。
(4)梭车形潜水遥控车采矿法
该车靠自重下沉,靠畜电池作动力。压舱物贮存在结核仓内,当采矿车快到达海底时,放出一部分压仓物以便采矿车徐徐降落,减小落地时的振动。采矿车借助阿基米德螺旋推进器在海底行走,一边采集锰结核,一边排出等效的压舱物。因采矿车由浮性材料制成,所以采矿车在水中的重量接近零。当所有压舱物排出时,结核仓装满,在阿基米德螺旋推进器作用下返回海面,采矿车在锰结核采集过程中均采用遥控和程序进行控制,可潜深度在6000m以上,并可以从海上平台遥控多台采矿车工作(图7-6)。
(5)单船式CLB采矿法
CLB采矿法,又称连续绳斗采矿船法,是日本益田善雄于1967年提出的。
单船式CLB采矿系统如图7-7所示,由采矿船、无极绳斗、绞车、万向支架及牵引机组成。采矿船及其船上装置与拖斗式采矿法中的采矿船相同,但绳索则为一条首尾相接的无极绳缆,在绳索上每隔一定距离固结着一系列类同于拖斗的铲斗;无极绳斗是锰结核收集和提升的装置;万向架是绳索与铲斗的联结器,能有效防止铲斗与绳索的缠绕;牵引机是提升无极绳的驱动机械。
开采锰结核时,采矿船前行,置于大海中无极绳斗在牵引机的拖动下做下行、采集、上行运动,无极绳的循环运动使索斗不断达到船体,实现锰结核矿的连续采集。
(6)双船式CLB采矿法
双船式CLB采矿系统统构成与单船基本相同。双船作业时,绳索间距由两船的相对位置确定,因而绳斗间距不受影响,不管多大的绳斗间距均可以通过调节船体的相对位置来确定。
(7)泵升式采矿法
水泵提升式采矿法是深海锰结核开采中较具发展前景的采矿方法,该方法用各类水泵(目前比较成功的是砂泵)将海底集矿机采集的锰结核通过管道抽取到采矿船上(图7-8)。提升管道中的流体是锰结核固液两相流,当固液两相流流速大于锰结核在静水中的沉降速度时,锰结核就可能达到海表采矿船上。
(8)气升式米矿法
压气提升式采矿法是流体提升式采矿法的主要方法之一。它与水力提升式采矿系统的区别是多设一条注气管道,用压力将空气注入提升管。压气由安装在船上的压缩空气机产生,通过供气管道3注入充满海水的提升管道1中,在注气口5以上管段形成气水混合流,当空气量比较少时,压气产生小气泡,逐渐聚集成大气泡,最终充满管道整个断面,使海水只沿管道内壁形成一圈环状薄膜,从而使气体和流体形成断续状态,这种状态称为活塞流(图7-9)。
由于气水混合流的密度小于管外海水密度,从而使管内外存在静压差,其静压差随空气注入量的增加而加大,当压力差大到足以克服提升管道阻力时,管中海水便会向上流动并排出海面。若将继续增大注气量,则管内海水流速增加,当流速大于锰结核沉降速度
时,就可将集矿机所采集的锰结核提升到采矿船上。
由于气升法是依赖管道内三相流实现锰结核提运的,因此也可以称为三相流提升法。
(9)轻介质采矿法
其提升原理与气升法提升原理完全相同,不过是用煤油等密度低于海水的轻介质取代了压缩空气。在可用的密度低于海水密度的提升媒介中有煤油、塑料小球、氮气等,该类采矿船上具有轻介质与海水、锰结核的分离能力,船下有轻介质压送管及垂直运输管道,以及注入轻介质的混合管。海底集矿头利用铰链接头与管道相连,能随海底起伏进行作业。
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