一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓及方法

技术领域

本发明涉及深海采矿气举提升系统技术领域，具体而言是一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓及方法。

背景技术

随着经济社会的发展，对钴、镍、锰、铜等战略矿产资源的需求越来越高，深海中蕴藏的丰富矿产资源吸引了越来越多的关注。深海采矿领域中，气举管道提升是一种可行性得到海试验证的方案，通过在提升管道中注入稳定的高压气体，由于气体的浮力会与海水产生滑移，进而对管道内的海水进行加速，当海水的上升速度大于底部矿石的沉降速度时，矿石就会产生和管道内海水同方向的上升运动，实现矿石的提升输运。

深海采矿气举提升中，由于海底矿石分布的不均会导致采集矿石的浓度波动，进而影响管道提升浓度，故需要设置中继仓以调控管道矿石的浓度，提高矿石提升效率。其中，中继仓内提升管底部距离矿石层的距离显著影响矿石提升效率。由于深海采矿气举提升需要在料仓内通过海水对矿石进行加速才能实现提升，而定点的提升会由于矿石过少产生局部矿石层出现空洞，或由于矿石过多产生提升管道的堵塞，降低提升效率。因此本发明致力于设计一种带有矿石层均匀和矿石层高度调节的中继仓，用以消除局部矿石层空洞并控制提升管底部距离矿石层距离，防止提升能力浪费和提升管道堵塞，提高矿石提升效率。

发明内容

根据上述技术问题，而提供设计一种带有矿石层均匀和矿石层高度调节的中继仓及方法，用以消除局部矿石层空洞并控制提升管底部距离矿石层距离，防止提升能力浪费和提升管道堵塞，调节管道提升浓度，提高矿石提升效率。本发明采用的技术手段如下：

一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓，包括中继仓外筒和设置在所述中继仓外筒内部的中继仓内筒；

输料管和提升管由所述中继仓外筒的顶部穿入，并进入所述中继仓内筒中，且与所述中继仓外筒固定连接，与所述中继仓内筒间隙配合；所述中继仓内筒的底部与下底板固定，且所述中继仓外筒内，于所述下底板底部设置有升降机构；所述中继仓内筒的内部底部具有用于将矿石层平整于所述中继仓内的旋转机构；

所述中继仓内筒内，于所述中继仓内筒的顶部安装有测量装置，所述测量装置用于测量所述矿石层与所述测量装置之间的距离，且根据所述测量结果，所述升降机构升降所述中继仓内筒，使所述提升管的底端开口被矿石层掩埋，所述输料管不插入所述矿石层。

优选地，所述升降机构包括剪式升降底座。

优选地，所述剪式升降底座包括剪式伸缩杆，所述剪式伸缩杆的两个底端和两个顶端均分别铰接有固定块和滑块，且位于上部的所述固定块和位于下部的所述固定块分别与所述下底板和所述中继仓外筒的底板固定连接，位于上部的所述滑块和位于下部的所述滑块分别与所述下底板和所述中继仓外筒的底板滑动连接，位于下部的所述固定块连接有螺丝杆，所述螺丝杆的一端穿过所述固定块和所述滑块，且与所述滑块螺纹配合，所述螺丝杆平行于所述滑块的滑动方向，且所述螺丝杆的另一端与底座电机的输出端连接，所述底座电机固定于所述中继仓外筒的底板。

优选地，所述中继仓内筒的顶部固定有上挡板，所述上挡板上具有供所述输料管和所述提升管穿过的通孔；支撑杆的顶部与所述上挡板固定连接，底部与固定于所述下底板的支撑杆底座固定连接，所述支撑杆与所述中继仓内筒固定连接，所述下底板与所述中继仓内筒的底部之间具有空隙，所述测量装置固定于所述上挡板下表面。

优选地，所述旋转机构包括位于所述中继仓内筒底部中心的中心旋转轮，垂直杆的顶部通过变速箱与所述中心旋转轮连接，且所述垂直杆上固定有蜗轮，所述蜗轮连接有与其配合的蜗杆，且所述蜗杆与防水电机连接，所述防水电机、所述垂直杆的下端均与所述下底板连接；所述中继仓内筒的底部向中心凹陷，所述中心旋转轮位于所述中继仓内筒的底部最低处。

优选地，所述下底板与所述上挡板的外径与所述中继仓外筒体的内径相适配，并与所述中继仓外筒体间隙配合。

优选地，所述测量装置为超声波传感器。

优选地，所述输料管和所述提升管的管道设计内径D

其中Q

其中：Q

ρ

C

式(1)中V

其中：S

ρ

d为矿石粒径；

g为重力加速度。

优选地，所述中继仓内筒的直径D

其中：

k

其中T为1小时，h；

α为空隙率，是对应结核粒径d下的矿石体积占堆积体积的比值，通过试验测得；

根据(4)、(5)两式得到内筒高度H的计算式为：

优选地，所述输料管伸入内筒长度的初始值h

优选地，所述剪式底座抬升高度h

h

其中β为所述剪式伸缩杆与所述滑块所在平面之间的夹角；

取初值h

最大值h

最小值h

同时h

优选地，中心旋转轮角速度ω决定中心旋转轮所提供的离心力F

F

其中m

r

为确保破坏颗粒堆积层的稳定结构，离心力F

内筒中装有的矿石层质量m和分布直接影响潜水电机所需的扭矩和功率，当负载质量m施加在中心旋转轮上时，电机必须提供足够的扭矩τ来克服惯性和矿石层作用于旋转轮的法向力F

其中τ为负载质量m对电机作用所需的扭矩；

m为负载质量；

r为负载质量m距离圆盘转轴的距离，根据试验测得；

为中心旋转轮转动的角加速度，根据设计要求给定；

F

负载质量m可由下式计算：

其中h为所述矿石层高度，满足0＜h＜H，m；

电机所需的功率为P，计算式如下：

P＝τω(11)

其中P为功率，W。

本发明还公开了一种用于深海采矿气举提升的匀料调高方法，包括：

(1)所述输料管向所述中继仓内筒输送矿石，所述提升管向上提升矿石；

(2)开启所述旋转机构、所述测量装置；所述输料管内矿石不断注入，所述中继仓内筒底部局部范围的矿石层逐渐升高，通过旋转机构的旋转，矿石逐渐均匀分布在整个所述中继仓内筒的底部，并将所述提升管与矿石层之间由于矿石自身堆积角形成的空洞破坏，均匀平整整个矿石层；

(3)根据所述测量装置所测量的数据，所述升降机构调整所述中间仓内筒相对于所述提升管的高度；

测量装置的测量距离小于设定值时：所述升降机构下降，使矿石层仍然将所述提升管掩埋，所述输料管底部高于矿石层；

测量装置的测量距离大于设定值时：所述升降机构上升，使矿石层将提升管掩埋，所述输料管底部仍然不插入矿石层。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过旋转作用破坏矿石的倾斜堆积，从而形成平整均匀的矿石层，避免了提升管口出现空洞而导致的矿石提升效率降低；通过超声波传感器测量矿石层的距离，反馈至剪式提升底座调控升降，保障了提升管的上升海水对矿石的充分加速和输料管的顺畅送料，预防提升管口的提升能力浪费和提升管道插入过深导致的堵塞，调节管道提升浓度，进一步提高了气举提升效率。

基于上述理由本发明可在深海采矿气举提升系统等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓剖视图。

图3为本发明具体实施方式中中继仓外筒内部结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中中继仓内筒外部结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中剪式升降底座结构示意图。

图中：1、中继仓外筒，2、输料管，3、提升管，4、中继仓内筒，5、支撑杆，6、剪式升降底座，7、中心旋转轮，8、变速箱，9、垂直杆，10、蜗轮，11、蜗杆，12、防水电机，13、下底板，14、上挡板，15、超声波传感器，16、矿石层，17、底座电机，18、滑块，19、螺丝杆，20、剪式伸缩杆，21、支撑杆底座，22、通孔，23、固定块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～5所示，一种用于深海采矿气举提升的匀料调高中继仓，包括中继仓外筒1和设置在所述中继仓外筒1内部的中继仓内筒4；

中继仓外筒1整体为圆柱和圆台拼接形状，中继仓外筒1底部有底板；

输料管2和提升管3由所述中继仓外筒1的顶部穿入，并进入所述中继仓内筒4中，且所述中继仓外筒1固定连接，与固定于所述中继仓内筒4顶部的上挡板14间隙配合；所述上挡板14上具有供所述输料管2和所述提升管3穿过的通孔22；中继仓内筒4的四周分布有多个支撑杆5，支撑杆5的顶部与上挡板14固定，支撑杆5的底部与固定在下底板13上的支撑杆底座21固定连接。且支撑杆5与中继仓内筒4外壁焊接固定，中继仓内筒4底部与下底板13之间具有空隙。所述下底板13与所述上挡板14的外径与所述中继仓外筒体1的内径相适配，并与所述中继仓外筒体1间隙配合。所述提升管3正对所述中继仓内筒体4的中心，且所述提升管3的底部开口的高度低于所述输料管2的底部开口的高度。

所述中继仓外筒1内，于所述下底板13底部设置有升降机构，所述升降机构为剪式升降底座6。所述中继仓内筒4的内部底部具有用于将矿石层平整于所述中继仓内的旋转机构；

所述中继仓内筒4内，于所述上挡板14下表面安装有测量装置，所述测量装置为超声波传感器15。

所述剪式升降底座6包括剪式伸缩杆20，所述剪式伸缩杆20由两个铰杆于其中点处铰接形成，其为X形。所述剪式伸缩杆20的两个底端和两个顶端均分别铰接有固定块23和滑块18，且位于上部的所述固定块23和位于下部的所述固定块23分别与所述下底板13和所述中继仓外筒1的底板固定连接，位于上部的所述滑块18和位于下部的所述滑块18分别与所述下底板13和所述中继仓外筒1的底板滑动连接，位于下部的所述固定块23连接有螺丝杆19，所述螺丝杆19的一端穿过所述固定块23和所述滑块18，且与所述滑块18螺纹配合，与所述固定块23间隙配合，所述螺丝杆19平行于所述滑块18的滑动方向，且所述螺丝杆19的另一端与底座电机17的输出端连接。所述底座电机17固定于所述中继仓外筒1的底板。

所述旋转机构包括位于所述中继仓内筒底部中心的中心旋转轮7，位于所述中继仓内筒外部的垂直杆9的顶部通过变速箱8与所述中心旋转轮7连接，且所述垂直杆9上固定有蜗轮10，所述蜗轮10连接有与其配合的蜗杆11，且所述蜗杆11与防水电机12连接，所述防水电机12与所述下底板13固定连接，所述垂直杆9的下端与所述下底板13转动连接；所述中继仓内筒4的底部向中心凹陷，所述中心旋转轮7位于所述中继仓内筒4的底部最低处，与所述中继仓内筒4几何贴合，空隙微小。

所述超声波传感器15用于测量矿石层与超声波传感器15之间的距离，且根据所述测量结果，所述剪式升降底座6所述中继仓内筒4，使所述提升管3的底端开口被矿石层16掩埋，所述输料管2不插入所述矿石层16。

输料管2和提升管3的管道设计内径D

其中Q

其中Q

ρ

C

式(1)中V

其中S

ρ

d为矿石粒径，m；

g为重力加速度，m/s

根据以上(1)、(2)、(3)式可计算得出最低要求的提升管管道设计内径D

中继仓内筒4的设计直径D

其中V

k

D

H为中继仓内筒4的高度，m；

同时中继仓内筒4的容积应能储存至少0.8倍的Q

其中T为1小时，h；

α为空隙率，是对应矿石粒径d下的矿石体积占堆积体积的比值，通过试验测得；

根据(4)、(5)两式得到内筒高度H的计算式为：

注意，当中继仓内筒4的高度H相对于内筒设计直径D

输料管2伸入中继仓内筒4长度的初始值h

剪式升降底座6是一种比较成熟的升降装置，此处主要涉及剪式底座抬升高度h

h

其中β为剪式伸缩杆20与滑块18固定平面所成的夹角，由剪式升降底座型号测试过程得到。

h

中心旋转轮7角速度ω决定中心旋转轮7所提供的离心力Fn大小，计算式如下：

F

其中m

r

为确保破坏颗粒堆积层的稳定结构，离心力F

中继仓内筒4中装有的矿石层质量m和分布直接影响潜水电机所需的扭矩和功率，当负载质量m施加在中心旋转轮7上时，电机必须提供足够的扭矩τ来克服惯性和矿石层16作用于旋转轮的法向力F

其中τ为负载质量m对电机作用所需的扭矩，N·m；

m为负载质量，kg；

r为负载质量m距离圆盘转轴的距离，根据试验测得，m；

为中心旋转轮转动的角加速度，根据设计要求给定，rad/s

F

负载质量m可由下式估算：

其中h为矿石层高度，满足0＜h＜H，m；

电机所需的功率为P，计算式如下：

P＝τω(11)

其中P为功率，W。

本具体实施方式还公开了一种用于深海采矿气举提升的匀料调高方法，包括：

(1)开启输料管系统进行输运矿石，矿石经所述输料管2进入中继仓内筒4，开启提升管输运系统，所述提升管3内海水形成上升流动，对底部矿石产生加速作用，向上提取矿物；

(2)开启所述旋转机构、所述超声波传感器15；所述输料管2内矿石不断注入，所述中继仓内筒4底部局部范围的矿石层逐渐升高，通过旋转机构的旋转，矿石逐渐均匀分布在整个所述中继仓内筒4的底部，并将所述提升管3与矿石层16之间由于矿石自身堆积角形成的空洞破坏，均匀平整整个矿石层16；

(3)根据所述超声波传感器15所测量的数据，所述剪式升降底座6调整所述中间仓内筒4相对于所述提升管3的高度；

所述超声波传感器15的测量距离小于设定值时：所述剪式升降底座6下降，使矿石层16仍然将所述提升管3掩埋，所述输料管2底部高于矿石层16；提升管3保证提升效率，输料管2保证顺畅送入矿石进入中继仓内筒4。

所述超声波传感器15的测量距离大于设定值时：所述剪式升降底座6上升，使矿石层16将提升管3掩埋，所述输料管2底部仍然不插入矿石层。提高输料管2矿石量不足时的提升效率，同时不影响输料管2正常输送矿石进入中继仓内筒。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。