一种深海采矿船系统及其作业方法

1.本发明属于深海采矿技术领域，具体涉及一种深海采矿船系统及其作业方法。


背景技术：

2.浩瀚的大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，已探明具有开发前景的深海矿产资源包括多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等，其中锰、镍、钴等金属的储量远高于陆地储量，具有巨大的开发利用前景。已探明的钴、镍、锰和稀土等是我国十分短缺的矿产资源，且存储量远超陆地储备，具有可观的经济价值。同时，深海矿产资源的开发利用还与我国资源安全密切相关。因此，国家十分需要深海采矿船的理论和技术突破。
3.深海采矿船的理论研究初期，美、日、德、韩等国均有较大进展；我国深海采矿船理论研究起步较晚，与国际先进国家相比存在较大进步空间。但是随着我国理论研究的不断深入与在技术领域的不断摸索，现阶段我国在深海采矿领域已经处于明显的领先地位。
4.随着深海采矿船鹦鹉螺新纪元号在中国舾装完毕和正式投入使用，代表着全球首艘具备深海采矿功能的船舶正式问世，让中国重器再一次聚焦于世界。该船融合当今世界多项高端技术，包括集成深海采矿机器人、深海提升系统、储水系统和装卸货系统等。同时这艘船的设计及绝大部分关键设备，如水下作业装备布放回收系统、矿物脱水系统、矿物存储与转运系统、中压双级智能环形供电系统等，均为中国船舶制造业首次应用，代表着当今世界深海采矿作业领域的最新技术成就。
5.中国专利申请“一种灵便型深海采矿船型”(申请号201710094823.9)，提供了一种能充分提高舱容利用率，减少排水体积，又具有宽大甲板面积的灵便型深海采矿船型，同时还能满足结构强度、总布置以及性能上的要求。但是缺乏新方法和智能化的装备应用，采矿效率比较低且成本较高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种深海采矿船系统及其作业方法，采用升降式集矿箱和采矿机群组来提高采矿及运输效率。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
8.本发明的一种深海采矿船系统，包括：主船体、集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；主船体在海面以上进行作业，承载集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；集矿箱系统在主船体的正下方，通过提升系统与主船体相互连接；提升系统位于主船体和集矿箱系统中间，其中水上部分称为船上提升系统，水下部分称为水下提升系统；
9.主船体，包括船首的水上部分为垂直艏，水下部分为球鼻艏；船体两侧采用安置有采矿机群组的船舷加强结构；船尾使用垂直式船尾，布置有门式起重机；
10.集矿箱系统，包括集矿箱、水平气囊、定位系统、重力感应装置、集矿箱连接处；所述集矿箱系统采用重力检测自动升降式，通过水平气囊提高自身浮力，保持平衡性；采矿机群组将开采出的矿石集中投放至各自对应的集矿箱后，当集矿箱中的矿石累计达到一定重
量时，触发重力感应装置，给雷达发出上升信号，由提升系统自动将集矿箱垂直传送至位于主船体中间的储货仓进行存储；
11.采矿机群组，包括至少两个采矿机，均与采矿船分离设置；所述采矿机通过信号接收器接收雷达发出的指令，再通过光纤管道将接收的指令发送给采矿机，采矿机根据指令完成相关的作业任务；
12.提升系统，包括船上提升系统和水下提升系统；其中，船上提升系统包括用于采矿机群组的门式起重机、用于拉升和收放集矿箱系统的船上支持系统；水下提升系统包括船上支持系统连接处、水下提升系统连接处，连接水下提升系统和集矿箱系统、柔性链和增强链，提供提升系统工作时的拉力。
13.优选的，所述的主船体包括双层底，用于提高船体的结构强度。
14.进一步的，所述的主船体包括一个实验平台，用于日常矿石试验检测。所述的主船体包括一个雷达，用于向采矿机发出指令和接收采矿机与集矿箱的定位信号。
15.进一步的，所述的集矿箱内设置有一个镂空仓壁，保证海水穿过集矿箱，不会滞留在集矿箱内。
16.进一步的，所述的采矿机设置有行走履带，以保证在海底的平稳行走。
17.本发明的一种深海采矿船系统的作业方法，采用如上所述的系统，包括以下步骤：
18.步骤1.门式起重机将采矿机、信号接收器、光纤管道放置到海中；船上支持系统将集矿箱通过提升系统放置到海底；
19.步骤2.船上控制中心通过雷达发射信号至信号接收器，再通过光纤管道将指令传送到采矿机，由采矿机群组进行探矿、采矿；
20.步骤3.采矿机将采集到的矿石运送到具有定位系统的集矿箱内；当集矿箱到达一定重量触发重力感应装置，发出上升信号，集矿箱水平气囊提供浮力并保持平衡，镂空仓壁保证海水不会滞留在集矿箱内以保证减少重力；
21.步骤4.船上支持系统通过拉动水下提升系统以提升集矿箱通过双层底，将集矿箱拉至船舱传送储货仓进行排水储存矿石；最后再由门式起重机将采矿机、信号接收器、光纤管道从海中收回到船上，由船上支持系统将集矿箱收回到船上，作业结束。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
23.1.本发明以双船首、垂直船尾、船舷加强结构、双层船底为结构载体，不同于传统的深海采矿船，具有更好的稳定性与适航性。首先，双船首的设计保证了船舶在航行中能够减小兴波阻力，在保证航速的同时节省能源；其次，垂直船尾的设计保证了门式起重机有足够的工作空间收放采矿机群组；接着，船舷加强结构的设计增加了甲板的利用效率，保证了采矿机群组的收纳安置工作；最后，双层船底的设计保证了船体的结构强度，在提高船体结构强度方面优势明显。
24.2.为提高采矿机的采矿灵活性和探矿的范围性，采用了采矿机群组与采矿船分离的模式。传统的采矿船一般都是采矿机群组与采矿船相连的模式，在这种模式下，采矿机群组只能以采矿船为中心进行作业运动，工作范围受限，且最大作业范围为提升系统的长度，可能会出现某一区域采矿机过于密集的的情况，另外传统模式下采矿机群组的收放时间长，效率较低。因此采用采矿机群组与采矿船分离的模式，首先，在该模式下大大增大了采矿机群组探矿、采矿的范围，不拘泥于采矿船位置的限制：其次，采用的是一台采矿机与一
套信号接收器、光纤的搭配组合，能够保证采矿船体的命令指令准确无误的送达给采矿机群组；最后，该分离模式下的采矿机群组收放工作可采用一次多个的方式、先信号接收器后采矿机的顺序进行，保证了收放工作的高效性。
25.3.此采矿船系统的水下提升系统采用柔性链和增强链的材料，有效的节约了成本以及降低了维护成本。相比于传统采矿船的水下提升系统中的矿浆泵、压气管、提升管道、软管、排放阀等多种构件组成，此采矿船系统的水下提升系统最大的优点就是节省了巨大的材料成本、操作成本、养护成本和人工成本，且更换柔性链和增强链的方式也更加简便，材料获取难度更低。
26.4.升降式集矿箱系统中的集矿箱底部安装的是重量感应装置，当集矿箱中的矿石达到一定重量界限时，会触发重力感应装置，发出上升信号，利用船上提升系统将集矿箱垂直拉至传送储货仓进行存储。其中包括两侧安装了水平气囊，保证集矿箱在水中保持平衡并提供一定的浮力；集矿箱的侧壁为镂空仓壁，保证海水不会滞留在集矿箱内，避免给集矿箱带来不必要的重量增加；集矿箱底部中间还安装了定位系统，保证采矿机群组能将采到的矿石准确无误的放置到集矿箱中。
附图说明
27.图1是本发明的一种实施例的系统结构示意图。
28.图2是本发明的一种实施例的主船体俯视图。
29.图3是本发明的一种实施例的主船体正视图。
30.图4是本发明的一种实施例的升降式集矿箱侧视图。
31.图5是本发明的一种实施例的升降式集矿箱俯视图。
32.图6是本发明的一种实施例的水下提升系统详图。
33.图7是本发明的一种实施例的采矿机详图。
34.图8是本发明的一种实施例的镂空仓壁详图。
35.其中，1-集矿箱；2-水平气囊；3-镂空仓壁；4-隔断板；5-定位系统；6-重力感应装置；7-安全扣；8-门式起重机；9-信号接收器；10-光纤管道；11-采矿机；12-水下提升系统；13-船上支持系统；14-雷达；15-传送储货仓；16-实验平台；17-示例海平面；18-采矿机安置点；19-船舷加强结构；20-双层底；21-采矿工作臂(左)；22-更换节点；23-中枢机构；24-采矿工作臂(右)；25-行走履带；26-集矿箱连接处；27-船上支持系统连接处；28-柔性链；29-增强链；30-水下提升系统连接处。
具体实施方式
36.本发明以双船首、垂直船尾、船舷加强结构、双层船底为结构载体，不同于传统的深海采矿船，具有更好的稳性与适航性，同时提高了航速、节省了能源。同时，为提高采矿机的采矿灵活性和探矿的范围性，采用了采矿机群组与采矿船分离的模式。水下提升系统采用柔性链和增强链的材料，有效的节约了成本以及降低了维护成本。采用升降式集矿箱系统收集采矿机群组挖掘的矿石，当重量到达一定界限时，触发重力感应装置，发出上升信号，利用提升系统将集矿箱拉至传送储货仓进行存储。
37.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
38.如图1所示，本发明系统包括主船体、集矿箱系统、采矿机群组和提升系统。主船体在海面以上进行作业，承载集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；集矿箱系统在主船体的正下方，通过提升系统与主船体相互连接；提升系统位于主船体和集矿箱系统中间，其中水上部分称为船上提升系统，水下部分称为水下提升系统。
39.主船体，包括垂直艏、球鼻艏、垂直船尾、雷达、储货仓、实验平台、船舷加强结构、双层船底。所述主船体的船首分为两部分，其中水上部分为垂直艏，水下部分为球鼻艏，双船首的设计主要是为了采矿船在航行中能够减小阻力，节省能源。为加大甲板面积，增加采矿机群组的安防收纳位置，船体两侧安装船舷加强结构。船尾使用垂直式船尾，以此便利门式起重机更好的收放采矿机群组，保证大型机械的使用。储货仓用以排出矿石附带海水、垃圾以及存储结核矿石。双层船底大大增强了采矿船船体的结构强度。
40.主船体及相关结构物包括门式起重机8、船上支持系统13、雷达14、传送储货仓15、实验平台16、采矿机安置点18、船舷加强结构19、双层底20。主船体的船首水上部分为垂直艏，具有劈波斩浪减小阻力的优点；船首水下部分为球鼻艏，用以减小兴波阻力，抑制船首波高度，提高航速和节省能源。船尾呈垂直式，主要用以布置门式起重机8，同时能让尾部水流较平坦地离开船体，使航行阻力减小，防止高速航行时尾部浸水过多。主船体两侧安装船舷加强结构19，这种设计方案有效的增加了甲板面积和甲板的利用率，同时满足采矿船采矿机安置点18的布置要求。双层底20的设计用以提高船体的结构强度。船上支持系统13主要工作负责将集矿箱1拉至传送储货仓15。实验平台16主要用以日常矿石试验检测、相关机械安装等工作。雷达14主要用以向采矿机11发出指令和接收采矿机和集矿箱的定位信号。
41.集矿箱系统，包括集矿箱、水平气囊、镂空仓壁、隔断板、定位系统、重力感应装置、集矿箱连接处。所述集矿箱系统采用重力检测自动升降式，并通过水平气囊提高自身浮力，保持平衡性，提高矿石运输效率。采矿机群组将开采出的矿石集中投放至各自对应的集矿箱后，当集矿箱中的矿石累计达到一定重量时，触发重力感应装置，给雷达发出上升信号，由提升系统自动将集矿箱垂直拉至传送储货仓进行存储。
42.如图4、图5、图1、图8所示，本发明所述集矿箱系统包括集矿箱1、水平气囊2、镂空仓壁3、隔断板4、定位系统5、重力感应装置6、集矿箱连接处26。采矿机群组将矿石放入集矿箱1内后，当其到达一定重量会触发重力感应装置6，并发出上升信号。水平气囊2为集矿箱1提供浮力以及保持平衡性。镂空仓壁3保证海水穿过集矿箱1，不会滞留在集矿箱1内，避免给集矿箱1带来不必要的海水重量，增加船上支持系统13的负担。隔断板4可以暂时固定住较大块矿石，避免集矿箱1失去平衡。集矿箱连接处26主要与水下提升系统连接处30相互固定，保证了集矿箱系统和水下提升系统在海水中的稳定性和平衡性。
43.如图7所示，采矿机群组，包括至少两个采矿机，分别包括信号接收器、光纤管道、采矿工作臂(左)、更换节点、采矿工作臂(右)、中枢机构、行走履带、安全扣。所述采矿机通过信号接收器接收雷达发出的指令，再通过光纤管道将接收的指令发送给采矿机，采矿机根据指令完成相关的作业任务，同时因为采用了采矿机群组与采矿船分离的模式，所以可以提高采矿机的采矿灵活性和探矿的范围性。
44.本发明所述采矿机包括安全扣7、信号接收器9、光纤管道10、采矿工作臂(左)21、更换节点22、中枢机构23、采矿工作臂(右)24、行走履带25。采矿船通过雷达14向信号接收器9发送指令，再由光纤管道10将指令传递给采矿机11，由采矿机完11成指令工作。其中，采
矿机11的采矿工作臂21、24可根据不同采矿环境通过更换节点22进行更替，安全扣7主要保证采矿机11和光纤管道10的连接稳定，行走履带25保证采矿机11在海底工作时行走平坦，采矿平衡。中枢机构23主要包括采矿机11的电池、机电装置、管线等部件。
45.提升系统，包括船上提升系统和水下提升系统。其中，船上提升系统包括门式起重机、船上支持系统；水下提升系统包括船上支持系统连接处、柔性链、增强链、水下提升系统连接处。
46.所述提升系统包括船上提升系统和水下提升系统，如图1、图2、图6所示，船上提升系统主要工作内容是：由门式起重机收放采矿机群组，由船上支持系统拉升和收放集矿箱系统。水下提升系统主要工作内容是：连接船上提升系统和集矿箱系统、在收放集矿箱系统时保持集矿箱的稳定以及在不确定的海下环境中给予集矿箱系统和采矿机群组定位功能。船上提升系统包括船上支持系统13、门式起重机8。门式起重机8主要作用是将采矿机11、信号接收器9、光纤管道10有序的放置在海面上以及将它们从海中收回船上，保证大机械的完整性；船上支持系统13主要是将集矿箱1放入海中以及将集矿箱1从海下拉至传送储货仓15方便进行排水储存。水下提升系统12包括船上支持系统连接处27、柔性链28、增强链29、水下提升系统连接处30。船上支持系统13通过船上支持系统连接处27拉动柔性链28和增强链29，通过水下提升系统连接处30带动集矿箱到达储货仓15，最终完成循环作业任务。
47.本发明的一种深海采矿船系统的作业方法，包括以下步骤：
48.步骤1.当采矿船系统需要进行深海作业时，门式起重机8将采矿机11、信号接收器9、光纤管道10放置到海中；船上支持系统13将集矿箱1通过管道提升系统放置到海底。
49.步骤2.船上控制中心通过雷达14发射信号至信号接收器9，再通过光纤管道10将指令传送到采矿机11，由采矿机群组进行探矿、采矿。
50.步骤3.采矿机11将采集到的矿石运送到具有定位系统5的集矿箱1内；当集矿箱到达一定重量触发重力感应装置6，发出上升信号，集矿箱水平气囊2提供浮力并保持平衡，镂空仓壁3保证海水不会滞留在集矿箱内以保证减少重力。
51.步骤4.船上支持系统13通过拉动水下提升系统12以提升集矿箱通过双层底20，将集矿箱拉至船舱传送储货仓15进行排水储存矿石；最后再由门式起重机8将采矿机11、信号接收器9、光纤管道10从海中收回到船上，由船上支持系统13将集矿箱收回到船上，作业结束。

技术特征：
1.一种深海采矿船系统，其特征在于，包括：主船体、集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；主船体在海面以上进行作业，承载集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；集矿箱系统在主船体的正下方，通过提升系统与主船体相互连接；提升系统位于主船体和集矿箱系统中间，其中水上部分称为船上提升系统，水下部分称为水下提升系统；主船体，包括船首的水上部分为垂直艏，水下部分为球鼻艏；船体两侧采用安置有采矿机群组的船舷加强结构(19)；船尾使用垂直式船尾，布置有门式起重机(8)；集矿箱系统，包括集矿箱(1)、水平气囊(2)、定位系统(5)、重力感应装置(6)、集矿箱连接处(26)；所述集矿箱系统采用重力检测自动升降式，通过水平气囊(2)提高自身浮力，保持平衡性；采矿机群组将开采出的矿石集中投放至各自对应的集矿箱(1)后，当集矿箱(1)中的矿石累计达到一定重量时，触发重力感应装置(6)，给雷达(14)发出上升信号，由提升系统自动将集矿箱(1)垂直传送至位于主船体中间的储货仓(15)进行存储；采矿机群组，包括至少两个采矿机(11)，均与采矿船分离设置；所述采矿机(11)通过信号接收器(9)接收雷达(14)发出的指令，再通过光纤管道(10)将接收的指令发送给采矿机(11)，采矿机(11)根据指令完成相关的作业任务；提升系统，包括船上提升系统和水下提升系统(12)；其中，船上提升系统包括用于采矿机群组的门式起重机(8)、用于拉升和收放集矿箱系统的船上支持系统(13)；水下提升系统(12)包括船上支持系统连接处(27)、水下提升系统连接处(30)，连接水下提升系统(12)和集矿箱系统、柔性链(28)和增强链(29)，提供提升系统工作时的拉力。2.根据权利要求1所述的一种深海采矿船系统，其特征在于，所述的主船体包括双层底(20)，用于提高船体的结构强度。3.根据权利要求1所述的一种深海采矿船系统，其特征在于，所述的主船体包括一个实验平台(16)，用于日常矿石试验检测。4.根据权利要求1所述的一种深海采矿船系统，其特征在于，所述的主船体包括一个雷达(14)，用于向采矿机(11)发出指令和接收采矿机(11)与集矿箱(1)的定位信号。5.根据权利要求1所述的一种深海采矿船系统，其特征在于，所述的集矿箱(1)内设置有一个镂空仓壁(3)，保证海水穿过集矿箱(1)，不会滞留在集矿箱(1)内。6.根据权利要求1所述的一种深海采矿船系统，其特征在于，所述的采矿机设置有行走履带(25)，以保证在海底的平稳行走。7.一种深海采矿船系统的作业方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的系统，包括以下步骤：步骤1.门式起重机(8)将采矿机(11)、信号接收器(9)、光纤管道(10)放置到海中；船上支持系统(13)将集矿箱(1)通过提升系统放置到海底；步骤2.船上控制中心通过雷达(14)发射信号至信号接收器(9)，再通过光纤管道(10)将指令传送到采矿机(11)，由采矿机群组进行探矿、采矿；步骤3.采矿机(11)将采集到的矿石运送到具有定位系统(5)的集矿箱(1)内；当集矿箱到达一定重量触发重力感应装置(6)，发出上升信号，集矿箱水平气囊(2)提供浮力并保持平衡，镂空仓壁(3)保证海水不会滞留在集矿箱内以保证减少重力；步骤4.船上支持系统(13)通过拉动水下提升系统(12)以提升集矿箱通过双层底(20)，将集矿箱拉至船舱传送储货仓(15)进行排水储存矿石；最后再由门式起重机(8)将采矿机
(11)、信号接收器(9)、光纤管道(10)从海中收回到船上，由船上支持系统(13)将集矿箱收回到船上，作业结束。

技术总结
本发明公开了一种深海采矿船系统及其作业方法，包括：主船体、集矿箱系统、采矿机群组和提升系统；主船体包括水上部分的垂直艏船首和水下部分的球鼻艏；船体两侧采用安置有采矿机群组的船舷加强结构；其垂直式船尾上布置有门式起重机；集矿箱系统在主船体的正下方，通过提升系统与主船体相互连接；提升系统位于主船体和集矿箱系统中间，包括水上部分的船上提升系统和水下部分的水下提升系统；集矿箱系统，包括集矿箱，采用重力检测自动升降式，通过水平气囊提高自身浮力；采矿机群组，包括至少两个采矿机，均与采矿船分离设置；提升系统包括具有门式起重机的船上提升系统和包括集矿箱系统的水下提升系统。本发明可有效提高采矿及运输效率。及运输效率。及运输效率。


技术研发人员：王庆丰 韩旭 邓家贤 冯冉
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/4/17