一种深海海底矿物垂向运送装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种深海海底矿物垂向运送装置及其工作方法，其属于深海采矿装备的技术领域。

背景技术

深海中蕴含着丰富的锰结核、富钴的铁锰结核壳、多金属硫化矿等矿物，是人类未来重要的矿产来源。深海开采作业中，一个核心难题是矿物的垂直提升问题。深海采矿具有水深大，矿物距水面的距离大，在水下承受巨大的水压等特点，这些因素为矿物的提升造成困难。目前，主要的矿物提升方式有拖斗式采矿系统、连续绳斗开采系统、自动穿梭艇式开采系统和集矿机与管道输送相结合的采矿系统等。拖斗式和连续绳斗式提升装置可操作性差，难以应用于数千米水深的深海。自动穿梭艇式垂直提升涉及水下通信、水下定位与导航、运动控制等复杂问题，实用性较低。管道提升式是当前的研究热点，但是也存在系统可靠性差、能耗高、经济性差等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种深海海底矿物垂向运送装置。该装置利用浮力将海底矿物沿垂向轨道提升至水面附近，实现海底矿物的垂向提升作业。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种深海海底矿物垂向运送装置，它包括底部平台、顶部平台、下行缆绳轨道、上行缆绳轨道、装货系统、垂向运输单元、循环式高压供气系统和卸货系统；底部平台在重力作用下固定于海底；顶部平台通过固定在海底的系泊缆绳悬浮于海平面下方，并通过下行缆绳轨道和上行缆绳轨道与底部平台相连；

所述垂向运输单元中，非水密外壳和非水密内壳之间设置耐压罐组和为垂向运输单元提供永久浮力的抗压浮性材料；耐压罐组在其后方由耐压罐组上连接管在顶部连接在一起，耐压罐组在前方由耐压罐组下连接管在底部连接在一起；耐压罐组上连接管端部设置充气口，耐压罐组下连接管端部设置排水口；

垂向运输单元在底部平台上通过装货系统装入矿物，通过循环式高压供气系统排掉运输单元内部压载水，在浮力作用下带着矿物上浮至顶部平台；由卸货系统将矿物卸到顶部平台，由循环式高压供气系统完成运输单元内部的高压空气回收，然后加注压载水之后运输单元沿下行缆绳轨道返回底部平台，执行下一个周期的运输作业。

所述装货系统包括装货区环形轨道、装货区轨道驱动器、装货区滑环开启装置、装货区滑环关闭装置和装货区造流器；装货区环形轨道在装货区轨道驱动器作用下旋转，在下行缆绳轨道位置处通过装货区滑环开启装置取下垂向运输单元，并通过下轨道接口将其固定在装货区环形轨道上；

垂向运输单元移动至上行缆绳轨道位置处，通过装货区滑环关闭装置将垂向运输单元固定于上行缆绳轨道。

所述卸货系统包括卸货区环形轨道、卸货区轨道驱动器、卸货区滑环开启装置、卸货区滑环关闭装置、卸货区造流器和矿物接收仓；卸货区环形轨道在卸货区轨道驱动器作用下旋转，在上行缆绳轨道位置处通过卸货区滑环开启装置取下垂向运输单元，并通过上轨道接口将其固定在卸货区环形轨道上；垂向运输单元移动至下行缆绳轨道位置处，通过卸货区滑环关闭装置将垂向运输单元固定于下行缆绳轨道。

所述循环式高压供气系统包括空气压缩机、高压气回收气瓶、注气管、回收空气管、注气管接头和回收气管接头；

所述空气压缩机的输出端连接注气管，注气管靠近底部平台的端部设置注气管接头；所述高压回收气瓶连接回收空气管的一端，其另一端设置回收气管接头；所述高压气回收气瓶为空气压缩机提供高压的进气。

所述非水密外壳设计为流线型，水流从首部流向尾部时阻力最低；非水密内壳内部为载货舱，底部设置自闭式卸货底门；自闭式卸货底门在未装货物时保持关闭状态，装货前通过卸货底门插销锁住，打开卸货底门插销后自闭式卸货底门在货物重力作用下自动开启；

所述非水密外壳前端设置开合式滑环，下行缆绳轨道或者上行缆绳轨道从开合式滑环中间穿过，限制上浮与下潜过程中垂向运输单元的水平方向运动；开合式滑环内部设有制动装置，通过遥控系统抱紧下行缆绳轨道或者上行缆绳轨道。

所述顶部平台内部划分为水密浮力舱和非水密工作舱；水密浮力舱为顶部平台提供浮力，其内部设置循环式高压供气系统；非水密舱内部设置卸货系统。

所述底部平台包括底部平台非水密壳体和充气式变浮力装置。

所述装货区滑环开启装置、装货区滑环关闭装置、开合式滑环、注气管接头、回收气管接头、卸货区滑环开启装置、卸货区滑环关闭装置均通过遥控装置或者智能控制装置操作相应的作业。

一种深海海底矿物垂向运送装置的工作方法，包括以下步骤：

a、底部平台处装货

装货区造流器制造稳定的水流，使垂向运输单元下潜至装货系统上方时方向调整为首部朝水平移动方向；

垂向运输单元下潜至最底端时，通过装货区滑环开启装置打开固定在下行缆绳轨道上的开合式滑环；垂向运输单元与装货区环形轨道接触并通过下轨道接口被锁定；在装货区轨道驱动器作用下垂向运输单元随装货区环形轨道一起行进，锁定卸货底门插销，途中进行装货；

b、垂向运输单元上浮

注气管接头与充气口连接，空气压缩机启动，通过注气管对垂向运输单元进行充气排压载水，完成后断开注气管接头与充气口连接；

垂向运输单元运行至上行缆绳轨道位置处，通过装货区滑环关闭装置将开合式滑环固定于上行缆绳轨道，并解除下轨道接口与装货区环形轨道的锁定；在浮力作用下垂向运输单元沿上行缆绳轨道上浮；

c、顶部平台处卸货

卸货区造流器制造稳定的水流，使垂向运输单元上浮至卸货系统下方时方向调整为尾部朝水平移动方向；

垂向运输单元上浮至最顶端时，通过卸货区滑环开启装置打开固定在上行缆绳轨道上的开合式滑环，垂向运输单元与卸货区环形轨道接触并通过上轨道接口被锁定；在卸货区轨道驱动器作用下垂向运输单元随卸货区环形轨道一起行进；打开卸货底门插销，自闭式卸货底门在货物重力作用下自动开启，进行卸货至矿物接收仓；

d、垂向运输单元下潜

将回收气管接头与充气口连接，回收垂向运输单元内部高压空气，然后打开排水口装入压载水，完成后断开回收气管接头与充气口连接；

垂向运动单元运行至下行缆绳轨道位置处，通过卸货区滑环关闭装置将开合式滑环固定于下行缆绳轨道上，并解除上轨道接口与卸货区环形轨道的锁定，在重力作用下垂向运动单元沿下行缆绳轨道下潜；

该方法还包括顶部平台与底部平台的回收及布置：

a、顶部平台与底部平台的回收

利用循环式高压供气系统向充气式变浮力装置注入空气，排出内部压载水，解除顶部平台的平台系泊缆绳，底部平台通过下行缆绳轨道和上行缆绳轨道被顶部平台拉起，顶部平台部分浮出水面；

b、顶部平台与底部平台的布置

利用拖船将该装置整体移动至下一个采矿地点，然后打开充气式变浮力装置的注水阀门，向充气式变浮力装置注入压载水，底部平台在重力作用下固定在海底，将平台系泊缆绳固定于海底，然后开始垂向提升作业。

本发明的有益效果是：这种深海海底矿物垂向运送装置包括底部平台、顶部平台、下行缆绳轨道、上行缆绳轨道、装货系统、垂向运输单元、循环式高压供气系统和卸货系统。该装置通过垂向运输单元实现将海底矿物沿上行缆绳轨道在浮力的作用下垂直运输到位于海面附近的顶部平台，垂向运输单元沿下行缆绳轨道返回底部平台，实现循环垂向提升货物作业。该装置的顶部平台位于海平面以下，避免海浪、潮差对装置作业的不利影响，用于给垂向运输单元排压载水的高压空气系统为闭环式设计以节省能源，底部平台设置充气式变浮力装置，可以借助于浮力实现整个装置的整体更换作业海域。该装置可以解决深海采矿中矿物垂向提升的关键技术问题，广泛适用于各种水深的锰结核、富钴的铁锰结核壳、多金属硫化矿等矿物的垂向提升作业，具有效率高、作业成本低、适用范围广等优点。

附图说明

下面结合附图和实施方法对本发明作进一步说明。

图1是一种深海海底矿物垂向运送装置的总体布置图。

图2是底部平台布置图。

图3是顶部平台布置图。

图4是垂向运输单元侧视图。

图5是垂向运输单元俯视图。

图6是垂向运输单元俯视剖视图。

图7是装货系统布置图。

图8是卸货系统布置图。

图9是一种深海海底矿物垂向运送装置迁移作业地点示意图。

图中：1、底部平台，1a、底部平台非水密壳体，1b、充气式变浮力装置，2、顶部平台，2a、系泊缆绳，2b、水密浮力舱、2c、非水密工作舱，3、下行缆绳轨道，4、上行缆绳轨道，5、装货系统，5a、装货区环形轨道，5b、装货区轨道驱动器，5c、装货区滑环开启装置，5d、装货区滑环关闭装置，5e、装货区造流器，6、垂向运输单元，6a、非水密外壳，6b、非水密内壳，6c、耐压罐组，6d、自闭式卸货底门，6e、抗压浮性材料，6f、开合式滑环，6g、耐压罐组上连接管，6h、充气口，6i、排水口，6j、耐压罐组下连接管，6k、上轨道接口、6l、下轨道接口，6m、卸货底门插销，7、循环式高压供气系统，7a、空气压缩机，7b、高压气回收气瓶，7c、注气管，7d、回收空气管、7e、注气管接头，7f、回收气管接头，8、卸货系统，8a、卸货区环形轨道，8b、卸货区轨道驱动器，8c、卸货区滑环开启装置，8d、卸货区滑环关闭装置，8e、卸货区造流器、8f、矿物接收仓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种深海海底矿物垂向运送装置,它包括底部平台1、顶部平台2、下行缆绳轨道3、上行缆绳轨道4、装货系统5、垂向运输单元6、循环式高压供气系统7和卸货系统8；底部平台1在重力作用下固定于海底；顶部平台2通过固定在海底的系泊缆绳悬浮于海平面下方，并通过下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4与底部平台1相连；垂向运输单元6在底部平台1上通过装货系统5装入矿物，通过循环式高压供气系统7排掉其内部压载水，在浮力作用下带着矿物上浮至顶部平台2，由卸货系统8将矿物卸到顶部平台2，由循环式高压供气系统7完成内部的高压空气回收，然后加注压载水之后沿下行缆绳轨道3返回底部平台1，执行下一个周期的运输作业。

底部平台1包括底部平台非水密壳体1a和充气式变浮力装置1b。

顶部平台2内部划分为水密浮力舱2b和非水密工作舱2c；水密浮力舱2b为顶部平台2提供浮力，其内部设置循环式高压供气系统7；非水密舱2c内部设置卸货系统8；顶部平台2由平台系泊缆绳2a固定，通过下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4与底部平台1相连，在重力、浮力、平台系泊缆绳2a的拉力、下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4拉力的共同作用下悬浮于海平面下方，降低波浪、潮差对垂向提升货物作业的不利影响.

循环式高压供气系统7中空气压缩机7a输出的高压空气通过注气管7c输送至底部平台1，利用注气管接头7e为垂向运输单元6提供高压空气排出压载水；垂向运输单元6上浮至卸货系统8之后，其充气口6h与回收气管接头7f连接，其内部的高压空气经由回收空气管7d输送至高压气回收气瓶7b；高压气回收气瓶7b为空气压缩机7a提供高压的进气。

装货系统5中装货区造流器5e制造稳定的水流，使垂向运输单元6下潜至装货系统5上方时方向调整为首部朝水平移动方向；装货区环形轨道5a在装货区轨道驱动器5b作用下旋转，在下行缆绳轨道3位置处通过装货区滑环开启装置5c取下垂向运输单元6，并通过下轨道接口6l将其固定，在装货区环形轨道5a上移动至上行缆绳轨道4位置处，通过装货区滑环关闭装置5d将垂向运输单元6固定于上行缆绳轨道4。

卸货系统8中卸货区造流器8e制造稳定的水流，使垂向运输单元6上浮至卸货系统8下方时方向调整为尾部朝水平移动方向；卸货区环形轨道8a在卸货区轨道驱动器8b作用下旋转，在上行缆绳轨道4位置处通过卸货区滑环开启装置8c取下垂向运输单元6，并通过上轨道接口6k将其固定，在卸货区环形轨道8a上移动至下行缆绳轨道3位置处，通过卸货区滑环关闭装置8d将垂向运输单元6固定于下行缆绳轨道3。

装货区滑环开启装置5c、装货区滑环关闭装置5d、开合式滑环6f、注气管接头7e、回收气管接头7f、卸货区滑环开启装置8c、卸货区滑环关闭装置8d均通过遥控装置或者智能控制装置操作相应的作业。

图1、2、3示出了一种深海海底矿物垂向运送装置的布置图。图中，一种深海海底矿物垂向运送装置包括底部平台1、顶部平台2、下行缆绳轨道3、上行缆绳轨道4、装货系统5、垂向运输单元6、循环式高压供气系统7和卸货系统8。

图2为底部平台1布置图。底部平台1为非水密箱型结构，在重力作用下固定于海底。底部平台1包括底部平台非水密壳体1a，在其内部布置充气式变浮力装置1b，在其上方布置装货系统5。

图3为顶部平台2布置图。顶部平台2内部分为提供浮力的水密浮力舱2b和用于作业的非水密工作舱2c。水密浮力舱2b内部设置循环式高压供气系统7，非水密舱2c内部设置卸货系统8。顶部平台2由平台系泊缆绳2a固定，通过所述下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4与底部平台1相连，在重力、浮力、所述平台系泊缆绳2a拉力、所述下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4的共同作用下悬浮于海平面下方。

如图1所示，下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4采用高强度抗拉材料制成，在所述顶部平台2的拉力作用下成绷紧状态，作为所述垂向运输单元6上浮或者下潜的运行轨道。

图4、5、6分别为垂向运输单元的侧视图、俯视图和俯视剖视图。垂向运输单元6包括非水密外壳6a、非水密内壳6b、耐压罐组6c、自闭式卸货底门6d、抗压浮性材料6e、开合式滑环6f、耐压罐组上连接管6g、充气口6h、排水口6i、耐压罐组下连接管6j、上轨道接口6k、下轨道接口6l和卸货底门插销6m。非水密外壳6a设计为流线型，水流从首部流向尾部时阻力最低。非水密内壳内部为载货舱，底部设置自闭式卸货底门6d。自闭式卸货底门6d在未装货物时在弹力装置作用下保持关闭状态，装货前通过卸货底门插销6m将其锁住，卸货时打开卸货底门插销6m则自闭式卸货底门在货物重力作用下自动开启，完成卸货。如图6所示，非水密外壳6a和非水密内壳6b之间设置耐压罐组6c和为垂向运输单元6提供永久浮力的抗压浮性材料6e。耐压罐组6c在其后方由耐压罐组上连接管6g在顶部连接在一起，在其前方由耐压罐组下连接管6j在底部连接在一起。耐压罐组上连接管6g端部设置伸出非水密外壳6a的充气口6h。在耐压罐组下连接管6j端部设置伸出非水密外壳6a的排水口6i。在非水密外壳6a的前端设置开合式滑环6f。下行缆绳轨道3或者上行缆绳轨道4从开合式滑环6f中间穿过，限制垂向运输单元6在上浮与下潜过程中的水平方向运动。开合式滑环6f内部设有制动装置，可通过遥控系统抱紧下行缆绳轨道3或者上行缆绳轨道4，起到制动作用。开合式滑环6f通过遥控装置或者智能控制装置控制其制动。卸货底门插销6m通过遥控或者智能控制装置控制其插销与拔销运动。

如图3所示，循环式高压供气系统7由空气压缩机7a、高压气回收气瓶7b、注气管7c、回收空气管7d、注气管接头7e和回收气管接头7f组成。在底部平台上设置注气管接头7e，注气管接头7e通过注气管7c连接至空气压缩机7a的输出端，空气压缩机7a的进气端接高压气回收气瓶7b的输出端，高压气回收气瓶7b的输入端通过回收空气管7d连接回收气管接头7f。垂向运输单元6上升至卸货系统8之后，其充气口6h与回收气管接头7f连接，其内部的高压空气经由回收空气管7d输送至高压气回收气瓶7b。当回收气瓶7b的压力低于一个大气压时，空气压缩机7a从大气中吸入空气。注气管接头7e和回收气管接头7f通过遥控装置或者智能控制装置操作作业。

图7是装货系统布置图，图中装货系统5包括装货区环形轨道5a、装货区轨道驱动器5b、装货区滑环开启装置5c、装货区滑环关闭装置5d和装货区造流器5e。装货区造流器5e为船用螺旋桨等类似装置，在电力驱动下制造稳定的水流，使垂向运输单元6下潜至装货系统5上方时方向调整为首部朝装货区轨道水平移动方向。装货区环形轨道5a采用类似于链条式结构，在装货区轨道驱动器5b作用下回转。垂向运输单元6下潜至最底端时，与装货区环形轨道5a接触并通过轨道接口6l被锁定，随装货区环形轨道5a一起行进，中途进行装货，并利用注气管接头7e对其进行充气排压载水，运行至上行缆绳轨道4位置处之后通过装货区滑环关闭装置5d将其固定于上行缆绳轨道4，并解除与装货区环形轨道5a的锁定，在浮力作用下沿上行缆绳轨道4上浮。装货区滑环开启装置5c、装货区滑环关闭装置5d通过遥控装置或者智能控制装置远程操作。

图8是卸货系统布置图，图中卸货系统8包括卸货区环形轨道8a、卸货区轨道驱动器8b、卸货区滑环开启装置8c、卸货区滑环关闭装置8d、卸货区造流器8e和矿物接收仓8f。卸货区造流器8e为船用螺旋桨等类似装置，在电力驱动下制造稳定的水流，使垂向运输单元6上浮至卸货系统8下方时方向调整为尾部朝卸货区环形轨道8a水平移动方向。卸货区环形轨道8a采用类似于链条式结构，在卸货区轨道驱动器8b作用下回转。垂向运输单元6上浮至最顶端时，与卸货区环形轨道8a接触并通过轨道接口6k被锁定，随卸货区环形轨道8a一起行进，中途进行卸货至矿物接收仓8f，利用回收气管接头7f回收其内部高压空气，然后打开其排水口6i装入压载水，运行至下行缆绳轨道3位置处时通过卸货区滑环关闭装置8d将其固定于下行缆绳轨道3，并解除与卸货区环形轨道8a的锁定，在重力作用下沿下行缆绳轨道3下潜。装货区滑环开启装置8c、装货区滑环关闭装置8d通过遥控装置或者智能控制装置远程操作。

采用上述技术方案工作时：

a、底部平台处装货

装货区造流器5e制造稳定的水流，使垂向运输单元6下潜至装货系统5上方时方向调整为首部朝水平移动方向；

垂向运输单元6下潜至最底端时，通过装货区滑环开启装置5c打开固定在下行缆绳轨道3上的开合式滑环6f；垂向运输单元6与装货区环形轨道5a接触并通过下轨道接口6l被锁定；在装货区轨道驱动器5b作用下垂向运输单元6随装货区环形轨道5a一起行进，锁定卸货底门插销6m，途中进行装货；

b、垂向运输单元上浮

注气管接头7e与充气口6h连接，空气压缩机7a启动，通过注气管7c对垂向运输单元6进行充气排压载水，完成后断开注气管接头7e与充气口6h连接；

垂向运输单元6运行至上行缆绳轨道4位置处，通过装货区滑环关闭装置5d将开合式滑环6f固定于上行缆绳轨道4，并解除下轨道接口6l与装货区环形轨道5a的锁定；在浮力作用下垂向运输单元6沿上行缆绳轨道4上浮；

c、顶部平台处卸货

卸货区造流器8e制造稳定的水流，使垂向运输单元6上浮至卸货系统8下方时方向调整为尾部朝水平移动方向；

垂向运输单元6上浮至最顶端时，通过卸货区滑环开启装置8c打开固定在上行缆绳轨道4上的开合式滑环6f，垂向运输单元6与卸货区环形轨道8a接触并通过上轨道接口6k被锁定；在卸货区轨道驱动器8b作用下垂向运输单元6随卸货区环形轨道8a一起行进；打开卸货底门插销6m，自闭式卸货底门6d在货物重力作用下自动开启，进行卸货至矿物接收仓8f；

d、垂向运输单元下潜

将回收气管接头7f与充气口6h连接，回收垂向运输单元6内部高压空气，然后打开排水口6i装入压载水，完成后断开回收气管接头7f与充气口6h连接；

垂向运动单元6运行至下行缆绳轨道3位置处，通过卸货区滑环关闭装置8d将开合式滑环6f固定于下行缆绳轨道3上，并解除上轨道接口6k与卸货区环形轨道8a的锁定，在重力作用下垂向运动单元6沿下行缆绳轨道3下潜。

图9是一种深海海底矿物垂向运送装置迁移作业地点示意图，一种深海海底矿物垂向运送装置更换作业地点的方法如下：利用循环式高压供气系统7向充气式变浮力装置1b注入空气，排出其内部压载水，使底部平台1的总重量略大于浮力，此时解除顶部平台2的平台系泊缆绳2a，底部平台1通过下行缆缉轨道3和上行缆绳轨道4被顶部平台2拉起至顶部平台2部分浮出水面，利用拖船牵引顶部平台2将一种深海海底矿物垂向运送装置整体移动至下一个采矿地点，然后打开充气式变浮力装置1b的注水阀门，释放出其内部的高压空气并使其内部注满压载水，一种深海海底矿物垂向运送装置在重力作用下下潜至底部平台1接触并固定在海底，再将顶部平台2的平台系泊缆绳2a通过抛锚的方式固定于海底，调整下行缆绳轨道3和上行缆绳轨道4的张力，完成一种深海海底矿物垂向运送装置作业地点的迁移。