本實用新型涉及一種采樣切割海底智能采礦車。

背景技術(shù)：

眾所周知，地球表面超過70％的面積都被浩瀚的海洋所包圍，是名副其實的藍色星球。海洋在人類的發(fā)展繁衍中發(fā)揮著舉足輕重的作用,不僅是地球氣候的調(diào)節(jié)器，更蘊藏著無窮無盡的自然資源。除海洋石油氣資源和海濱礦砂外，海底目前已知有商業(yè)開采價值的還有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等金屬礦產(chǎn)資源。這些礦物中富含鎳、鈷、銅、錳及金、銀金屬等，總儲量分別高出陸上相應(yīng)儲量的幾十倍到幾千倍。其中，稀有金屬鈷更是被稱為21世紀的“新金屬”，在現(xiàn)代工業(yè)中，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，鈷的需求量也呈增長態(tài)勢。目前，陸地上的鈷資源主要作為銅、鎳金屬礦床的伴生元素存在，且全球分布極不均勻。陸地上鈷含量大于0.1％的礦床為數(shù)很少，鈷儲量嚴重不足。相比之下，海底富鈷結(jié)殼的含量則大得多，據(jù)推測鈷資源含量達到了3×109t。2013年，我國又正式獲得一塊太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的開發(fā)權(quán)。可以看出，海洋在礦產(chǎn)資源開發(fā)方面具有非常大的潛力，我國也應(yīng)積極部署發(fā)展深海工程裝備與高科技船舶。正是在這樣的時代背景下，國家在中央十八大報告中提出，要努力將我國建設(shè)成“海洋強國”，具體包括加大海洋資源的開發(fā)、推動海洋經(jīng)濟的發(fā)展，提高海洋科技的創(chuàng)新，抓緊海洋生態(tài)文明的建設(shè)以及加強海洋權(quán)益的維護。而在2015年5月19日公布的《中國制造2025》報告中，國家又明確提出了“制造強國”的新戰(zhàn)略，把“深海工程裝備及高科技船舶”歸為重點突破的十大戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，要著重進行先進海洋工程裝備的研發(fā)和國有化。

現(xiàn)今，全世界都將目光聚集于海底富鈷結(jié)殼的開采，從相關(guān)研究結(jié)果可知，海底富鈷結(jié)殼中鈷絕大部分賦存在鐵錳水合氧化物中，而鐵錳水合氧化物通常只賦存在海床較薄的一層表面當中，通常在幾米到十幾米之間，再往下的地質(zhì)通常為極其堅硬的基巖部分，倘若采礦車的打樁機盲目地打擊到基巖部分，則有可能損壞。因此，在采礦之前先進行采樣過程，測定分析該礦區(qū)的地質(zhì)條件，再進行切割、集礦等過程是十分有必要的，相關(guān)技術(shù)也是當今采礦領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點。

現(xiàn)今國際采礦技術(shù)大多采用機械式開采的方式，具體為先通過切割機將海底礦物切碎，再利用長的鏈斗或海底機器人把海底表面的礦石收集起來，最后運用傳送帶提上來。但是由于是簡單的高強度機械式采樣，故會對海底生態(tài)環(huán)境造成較為嚴重的擾動和破壞，自身能量消耗也極大。同時，由于深海地形和海底通信的限制，該方式的工作范圍和工作效率都受到了嚴重的限制。其次，現(xiàn)今采樣切割海底智能采礦車，大多將采樣、切割和收集等工作分別交給不同的機械裝置作業(yè)，這導(dǎo)致各裝置之間常常出現(xiàn)工作協(xié)調(diào)性較差，在宏觀指揮上也更加繁瑣，總體效率不高。部分情況下也采用浮式開采，即利用高速對射水流把海底礦物吹起，再通過泵和管道以水力或氣力的方式將礦石從海底提升。然而，該方法由于采用了高強度對沖式水射流產(chǎn)生激蕩以提升礦物，勢必存在極大的耗能負擔，這無疑不符合未來工業(yè)節(jié)能減排的大趨勢。并且，對沖式水射流大范圍式的激蕩在提升礦物的同時也會附帶大量泥漿的擴散，嚴重危害海洋的生態(tài)環(huán)境。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種采樣切割海底智能采礦車，能夠改善原油海底采礦裝備操作繁瑣，效率低，耗能大，對海底生態(tài)環(huán)境破壞較大等不足。

為解決上述問題，本實用新型提供一種采樣切割海底智能采礦車，包括：

采礦車工作平臺，正中央開有一個小孔；

設(shè)置于所述采礦車工作平臺的四個頂角的槽型開口；

安置于所述槽型開口內(nèi)的杵型切割機和打樁機，其中，所述杵型切割機和打樁機縱向伸縮和且在所述槽型開口內(nèi)作水平直線滑動；

向下鑲嵌于所述小孔內(nèi)的環(huán)形吸礦罩；

設(shè)置于所述吸礦罩的下端環(huán)形邊緣內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水射流噴嘴；

貫穿所述采礦車工作平臺和環(huán)形吸礦罩插入海底地面下的柱型升降機；

安置于所述環(huán)形吸礦罩內(nèi)的礦漿泵。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述環(huán)形吸礦罩的形狀為下寬上窄的圓臺型。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述柱型升降機包括四根可縱向伸縮運動的圓柱形金屬筒。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述圓柱形金屬筒在所述環(huán)形吸礦罩內(nèi)以環(huán)形吸礦罩的圓心為原點，每隔90度布置一根，四根圓柱形金屬筒總體呈現(xiàn)四點對稱均布。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述打樁機上的設(shè)置有高精度力學(xué)傳感器，用于采集指定區(qū)域內(nèi)的各坐標的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述采樣數(shù)據(jù)分析計算得到礦物分析數(shù)據(jù)，將所述礦物分析數(shù)據(jù)傳送給杵型切割機與環(huán)形水射流噴嘴。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述采樣數(shù)據(jù)包括壓力作用大小和頻率的變化規(guī)律。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述礦物分析數(shù)據(jù)包括所述區(qū)域各坐標處富鈷結(jié)殼的埋藏深度、蘊藏和儲存量以及存在形式。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述杵型切割機，用于在收到高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)所述礦物分析數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的自旋速度和功率在槽型開口內(nèi)作往復(fù)運動，同時根據(jù)所述礦物分析數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的功率在縱向作升降運動。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述環(huán)形水射流噴嘴，用于在收到所述高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)礦物分析數(shù)據(jù)進行水動力學(xué)計算，根據(jù)計算結(jié)果將環(huán)形水射流噴嘴調(diào)整到對應(yīng)傾斜角度和噴射強度。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述環(huán)形吸礦罩內(nèi)設(shè)有所述礦漿泵的固定槽，所述固定槽的內(nèi)壁上設(shè)有側(cè)向固定螺絲孔和微型絲杠，所述微型絲杠設(shè)于側(cè)向固定螺絲孔內(nèi)并在側(cè)向上固定所述礦漿泵。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述杵型切割機和打樁機的數(shù)量為四的整數(shù)倍。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述環(huán)形吸礦罩的上部鑲嵌于所述采礦車工作平臺中央所開的小孔內(nèi)，并與所述采礦車工作平臺焊接固定。

進一步的，在上述采樣切割海底智能采礦車中，所述環(huán)形水射流噴嘴采用低強度大流量水射流技術(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有如下優(yōu)點：

1.不同工種之間銜接流暢，配合默契

當今大多數(shù)采礦過程是將采樣，切割和收集等過程單一分開，分別通過不同的機械裝置完成，但這種做法的問題在于不同工種之間的信息數(shù)據(jù)不能在相互之間及時反饋，以至于常常出現(xiàn)配合不協(xié)調(diào)的情形，從而導(dǎo)致效率低下。本裝置由于同時配備了切割機，打樁機和吸礦罩，故在一次操作過程中可依次完成采樣，切割和收集幾項功能，配合協(xié)調(diào)，井然有序，從而在整體上提升了工作效率。

2.環(huán)保節(jié)能

相比于傳統(tǒng)單純的大功率機械式采礦對海床造成的巨大負面影響以及易受限于海底地形環(huán)境等不足之處，本裝置在機械式提礦的基礎(chǔ)上引入了內(nèi)置有礦漿泵的吸礦罩以及環(huán)形水射流噴嘴裝置，通過礦漿泵抽吸作用形成的負壓，以及以一定傾角噴射而出的低強度大流量水射流兩者的共同作用綜合誘導(dǎo)形成龍卷風(fēng)式渦流場，壓強由四周向中間，由下向上逐漸變小，錳結(jié)核或富鈷結(jié)殼顆粒在壓力差作用下向圓心集聚并旋升，從而實現(xiàn)集礦。漩渦的形成將會降低海床表面礦物顆粒臨界啟動速度的大約20％左右，從而在同種工況和集礦狀態(tài)下，此裝置吸礦所需要的功率將會大大減少，極大地降低了能源的消耗，同時也避免了當今海底采礦活動中大型裝備對海床表面劇烈的沖刷擾動以及海底泥沙大范圍擴散等嚴重破幻海洋環(huán)境的現(xiàn)象，保證了海洋生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

3.智能高效

本采樣切割海底智能采礦車在打樁同時可以完成該區(qū)域礦產(chǎn)初步采樣的過程，由安置在打樁機上的高精度力學(xué)傳感器采集指定坐標處的采樣數(shù)據(jù)，例如壓力作用大小和頻率等特征量的變化規(guī)律，進而分析計算該區(qū)域各坐標處富鈷結(jié)殼的埋藏深度，蘊藏和儲存量以及存在形式，并將相關(guān)測試結(jié)果傳送給杵型切割機和環(huán)形水射流噴嘴。杵型切割機根據(jù)打樁機的反饋數(shù)據(jù)信息，自主控制、調(diào)整相應(yīng)工作的功率，時間和縱向打擊深度等參數(shù)，以達到精確切割富鈷結(jié)殼的目的，實現(xiàn)效率最大化。環(huán)形水射流噴嘴同樣根據(jù)傳輸過來的礦區(qū)地理環(huán)境參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)水射流噴頭噴射的角度以及控制水射流噴射的流量，來與礦漿泵配合綜合誘導(dǎo)龍卷風(fēng)式渦流場的形成，從而達到裹挾富鈷結(jié)殼等礦物的目的。

4.安全可靠

采樣切割海底智能采礦車的險情預(yù)防和處理措施充分，工作流程可控，運行可靠。

附圖說明

圖1是本實用新型一實施例的采樣切割海底智能采礦車的側(cè)視圖；

圖2是本實用新型一實施例的采樣切割海底智能采礦車的主視圖；

圖3是本實用新型一實施例的采樣切割海底智能采礦車的俯視圖；

圖中，打樁機-1，杵型切割機-2，柱型升降機-3，環(huán)形水射流噴嘴-4，采礦車工作平臺-5，環(huán)形吸礦罩-6，槽型開口-7。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。

如圖1至3所示，本實用新型提供一種采樣切割海底智能采礦車，包括：

采礦車工作平臺5，采礦車工作平臺正中央開有一個小孔；

設(shè)置于所述采礦車工作平臺5的四個頂角的槽型開口7；

安置于所述槽型開口內(nèi)的杵型切割機2和打樁機1，其中，所述杵型切割機2和打樁機1可縱向伸縮和且可在所述槽型開口7內(nèi)作水平直線滑動；具體的，采樣切割海底智能采礦車在礦區(qū)緩速前行，移動到指定區(qū)域后，打樁機1開始高速旋轉(zhuǎn)，到達一定轉(zhuǎn)速后，開始向下沉降，進而縱向插入海底，牢牢地支撐穩(wěn)固整個采樣切割海底智能采礦車；

向下鑲嵌于所述小孔內(nèi)的環(huán)形吸礦罩6；

設(shè)置于所述吸礦罩的下端環(huán)形邊緣內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水射流噴嘴4；

貫穿所述采礦車工作平臺5和環(huán)形吸礦罩6插入海底地面下的柱型升降機3；具體的，在環(huán)形吸礦罩6和采礦車工作平臺5之間，四根圓柱形金屬筒3貫穿采礦車工作平臺5和環(huán)形吸礦罩5插入海底地面下，根據(jù)實際礦區(qū)地理環(huán)境，可通過縱向伸縮運動實現(xiàn)整個工作平臺的任意升降過程；

安置于所述環(huán)形吸礦罩6內(nèi)的礦漿泵；具體的，礦漿泵通過抽吸作用，形成局部負壓，通過礦漿泵抽吸作用結(jié)合環(huán)形水射流噴嘴4的水射流的傾斜噴射形成水漩渦，使礦石受升力而被吸起。具體的，為改善原油海底采礦裝備操作繁瑣，效率低，耗能大，對海底生態(tài)環(huán)境破壞較大等不足，本實用新型的采樣切割海底智能采礦車由水下高壓電機驅(qū)動，集采樣、切割、集礦等功能為一體，具有工作配合流暢、安全可靠、定位精準，智能高效，節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)點。

優(yōu)選的，所述吸礦罩的形狀為下寬上窄的圓臺型。

優(yōu)選的，所述柱型升降機包括可縱向伸縮運動的四根圓柱形金屬筒3。

優(yōu)選的，所述圓柱形金屬筒3在所述環(huán)形吸礦罩6內(nèi)以環(huán)形吸礦罩6的圓心為原點，每隔90度布置一根，四根圓柱形金屬筒3總體呈現(xiàn)四點對稱均布，故其數(shù)量也為四的整數(shù)倍。

優(yōu)選的，所述打樁機1上的設(shè)置有高精度力學(xué)傳感器，用于采集指定區(qū)域內(nèi)的各坐標的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述采樣數(shù)據(jù)分析計算得到礦物分析數(shù)據(jù)，將所述礦物分析數(shù)據(jù)傳送給杵型切割機2與環(huán)形水射流噴嘴4。較佳的，所述采樣數(shù)據(jù)包括壓力作用大小和頻率的變化規(guī)律。較佳的，所述礦物分析數(shù)據(jù)包括所述區(qū)域各坐標處富鈷結(jié)殼的埋藏深度、蘊藏和儲存量以及存在形式。具體的，打樁機在打樁的同時完成初步采樣的過程，由安置在打樁機上的高精度力學(xué)傳感器采集指定區(qū)域內(nèi)的各坐標的采樣數(shù)據(jù)，例如壓力作用大小和頻率等特征量的變化規(guī)律，進而分析計算該區(qū)域各坐標處的礦物分析數(shù)據(jù)如富鈷結(jié)殼的埋藏深度，蘊藏和儲存量以及存在形式，并將相關(guān)礦物分析數(shù)據(jù)傳送給杵型切割機2與環(huán)形水射流噴嘴4。

優(yōu)選的，所述杵型切割機2，用于在收到高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)所述礦物分析數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的自旋速度和功率在槽型開口7內(nèi)作往復(fù)運動，同時根據(jù)所述礦物分析數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的功率在縱向作升降運動。具體的，所述杵型切割機2在收到高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)所述礦物分析數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的自旋速度和功率在槽型開口7內(nèi)作往復(fù)運動，將較大的海底礦石如富鈷結(jié)殼或錳結(jié)核切割成較小的塊狀以利于后續(xù)步驟的采集，同時杵型切割機2在縱向作升降運動，根據(jù)礦石的深度自主控制功率，以實現(xiàn)精確打擊切割富鈷結(jié)殼的目的。

優(yōu)選的，所述環(huán)形水射流噴嘴4，用于在收到高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)礦物分析數(shù)據(jù)進行水動力學(xué)計算，根據(jù)計算結(jié)果將環(huán)形水射流噴嘴調(diào)整到對應(yīng)傾斜角度和噴射強度，以射出低強度大流量水射流。具體的，在收到高精度力學(xué)傳感器傳輸過來的礦物分析數(shù)據(jù)后，環(huán)形水射流噴嘴根據(jù)高精度力學(xué)傳感器初步采樣過程中收集到的礦物分析數(shù)據(jù)如礦區(qū)地理環(huán)境參數(shù)，通過CFD等相關(guān)水動力學(xué)計算，自動將水射流噴嘴調(diào)整到最適合的傾斜角度，進而噴射出低強度大流量水射流，并結(jié)合礦漿泵的抽吸作用綜合誘導(dǎo)形成龍卷風(fēng)式渦流場，壓強由四周向中間，由下向上逐漸變小，錳結(jié)核或富鈷結(jié)殼顆粒在壓力差作用下向圓心集聚并旋升，從而實現(xiàn)集礦。漩渦的形成將會降低海床表面礦物顆粒臨界啟動速度的大約20％左右，從而在同種工況和集礦狀態(tài)下，此裝置吸礦所需要的功率將會大大減少，極大地降低了能源的消耗，同時也避免了當今海底采礦活動中大型裝備對海洋環(huán)境的負面影響，保證了海洋生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

優(yōu)選的，所述環(huán)形吸礦罩6內(nèi)設(shè)有所述礦漿泵的固定槽，所述固定槽的內(nèi)壁上設(shè)有側(cè)向固定螺絲孔和微型絲杠，所述微型絲杠設(shè)于側(cè)向固定螺絲孔內(nèi)并在側(cè)向上固定所述礦漿泵。

優(yōu)選的，所述杵型切割機和打樁機的數(shù)量為四的整數(shù)倍，所述杵型切割機和打樁機于所述槽型開口7內(nèi)水平直線運動，同時也可在豎直方向作升降運動。無論是水平還是豎直方向上的運動，都可以通過調(diào)節(jié)功率來更改速度和切割、打擊力度。

優(yōu)選的，所述環(huán)形吸礦罩6的上部鑲嵌于所述采礦車工作平臺中央所開的小孔內(nèi)，并與所述采礦車工作平臺焊接固定，具體的，所述環(huán)形吸礦罩6的上部鑲嵌于所述圓臺中央所開的小孔內(nèi)，通過焊接的方式與所述采礦車工作平臺固定，保證在深海工作環(huán)境下安全可靠。

優(yōu)選的，所述環(huán)形水射流噴嘴4采用低強度大流量水射流技術(shù)，自由改變水射流的噴射方向和噴射強度。所述環(huán)形吸礦罩6底部的環(huán)形水射流噴嘴4采用低強度大流量水射流技術(shù)，配合所述環(huán)形吸礦罩6的礦漿泵綜合誘導(dǎo)形成龍卷風(fēng)式渦流場，且水射流噴環(huán)可自由改變水射流的噴射方向和噴射強度，以實現(xiàn)各種角度，各種力度全方位造渦效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有如下優(yōu)點：

1.不同工種之間銜接流暢，配合默契

當今大多數(shù)采礦過程是將采樣，切割和收集等過程單一分開，分別通過不同的機械裝置完成，但這種做法的問題在于不同工種之間的信息數(shù)據(jù)不能在相互之間及時反饋，以至于常常出現(xiàn)配合不協(xié)調(diào)的情形，從而導(dǎo)致效率低下。本裝置由于同時配備了切割機，打樁機和吸礦罩，故在一次操作過程中可依次完成采樣，切割和收集幾項功能，配合協(xié)調(diào)，井然有序，從而在整體上提升了工作效率。

2.環(huán)保節(jié)能

相比于傳統(tǒng)單純的大功率機械式采礦對海床造成的巨大負面影響以及易受限于海底地形環(huán)境等不足之處，本裝置在機械式提礦的基礎(chǔ)上引入了內(nèi)置有礦漿泵的吸礦罩以及環(huán)形水射流噴嘴裝置，通過礦漿泵抽吸作用形成的負壓，以及以一定傾角噴射而出的低強度大流量水射流兩者的共同作用綜合誘導(dǎo)形成龍卷風(fēng)式渦流場，壓強由四周向中間，由下向上逐漸變小，錳結(jié)核或富鈷結(jié)殼顆粒在壓力差作用下向圓心集聚并旋升，從而實現(xiàn)集礦。漩渦的形成將會降低海床表面礦物顆粒臨界啟動速度的大約20％左右，從而在同種工況和集礦狀態(tài)下，此裝置吸礦所需要的功率將會大大減少，極大地降低了能源的消耗，同時也避免了當今海底采礦活動中大型裝備對海床表面劇烈的沖刷擾動以及海底泥沙大范圍擴散等嚴重破幻海洋環(huán)境的現(xiàn)象，保證了海洋生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

3.智能高效

本采樣切割海底智能采礦車在打樁同時可以完成該區(qū)域礦產(chǎn)初步采樣的過程，由安置在打樁機上的高精度力學(xué)傳感器采集指定坐標處的采樣數(shù)據(jù)，例如壓力作用大小和頻率等特征量的變化規(guī)律，進而分析計算該區(qū)域各坐標處富鈷結(jié)殼的埋藏深度，蘊藏和儲存量以及存在形式，并將相關(guān)測試結(jié)果傳送給杵型切割機和環(huán)形水射流噴嘴。杵型切割機根據(jù)打樁機的反饋數(shù)據(jù)信息，自主控制、調(diào)整相應(yīng)工作的功率，時間和縱向打擊深度等參數(shù)，以達到精確切割富鈷結(jié)殼的目的，實現(xiàn)效率最大化。環(huán)形水射流噴嘴同樣根據(jù)傳輸過來的礦區(qū)地理環(huán)境參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)水射流噴頭噴射的角度以及控制水射流噴射的流量，來與礦漿泵配合綜合誘導(dǎo)龍卷風(fēng)式渦流場的形成，從而達到裹挾富鈷結(jié)殼等礦物的目的。

4.安全可靠

采樣切割海底智能采礦車的險情預(yù)防和處理措施充分，工作流程可控，運行可靠。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。