[发明专利]多金属硫化物采矿铲

说明书

技术领域  本发明涉及一种海底采矿机械

背景技术  随着科学技术的进步，海洋调查事业得到迅猛发展，人类加深了对海底资源分布的认识。在海洋深处(3700m之内)，已发现100多处多金属硫化物矿床。多金属硫化物是海底地壳运动形成裂谷，海水由此渗入地壳深部被加热升温，溶解周围岩石中的多种金属元素，裂谷若有再次开裂，岩浆喷发出海底，炽热的岩浆在海水冷却作用下很快凝固成块状。但由于喷发过程中，受海水冷却速度不同的影响，块状很不规则，表面有隆起也有空洞。冷却过程中内部产生的高压气体向外逸出，形成浓密的黑烟，所以多金属硫化物也称烟囱体。多金属硫化物矿富含铜、锌、铅等金属，特别是富含贵金属(金、银)，是锰结核矿价值的三倍多，近年来引起国际采矿业的兴趣。多金属硫化物多数矿点分布于东太平洋海隆，东南太平洋海隆，大西洋中脊也有一些矿床，中国在大西洋和印度洋海脊也找到了几处矿床。对于多金属硫化物矿的开采，美国采用自动控制海底钻探，然后在钻孔内爆破炸碎矿体，再用集矿机和扬矿机输送到水面，计划2020年可投入使用。开采泥状多金属硫化物矿，法国的设计是在采矿船下拖一根数千米长的钢管柱，管柱末端安装一个抽吸装置，内设电控摆筛，使粘稠的软泥变稀，并使抽吸装置进一步穿透泥层，通过真空抽吸装置将软泥矿吸到采矿船上，此项设计要付诸实施尚需时日。

发明内容  本发明的目的就是提供一种在采矿船上用卷扬机钢丝绳提供动力，避免美国采用的集矿机需要大功率超深潜水电机等一系列技术难题，既适合块状又适合泥状的多金属硫化物开采机具，从而使多金属硫化物的开采真正具有商业价值。

多金属硫化物成矿以后，堆积在2000～3700m深的海底表面。矿点表面很不规则，类似低矮的山丘。以南美大陆西海岸加拉帕斯矿床为例，矿床宽300m，长1000m，厚40m，蕴藏量约1200万吨。多金属硫化物的开采集中于小块海底区域，并主要限于表层(剥采)和次浅表层(拕采)，可开采的是硫化物丘和烟囱体及其以下的网状脉区中的交代矿体。所谓硫化物丘，是指体积几十立方米，高度2～5m，重量近百吨的单个矿体。烟囱体是指分布于海底表面，有空洞橄榄状，体积一立方米左右的多金属硫化物单体，各个单体并未牢固粘接，交代矿体是指泥状多金属硫化物矿体。有了以上对多金属硫化物矿赋成条件的认知，才能使本发明周全无误，更好地应用于生产实践之中。

附图说明  以下结合附图，对本发明作进一步详细的说明

附图1是多金属硫化物采矿铲升降状态的主视图。它由桁架式主梁1、铲斗2、铲齿3、齿靴4、前限位板5、后限位板6、前牵引结7、后牵引结8等组成。

椼架式主梁1由无缝钢管焊接而成，梁的跨度≤20m，梁主杆、腹杆、斜拉杆等均采用碳素结构钢，主杆的两端焊上球形封头，所有焊缝应在60Mpa外压力作用下，海水不渗漏进入钢管内部。这样桁架式主梁有足够的抵抗矩，又使主梁在海水中产生一定的浮力，降低提升时的电力消耗。

铲斗2的圆环板用耐腐蚀钢铸造而成，包角≥240°，圆环板内弧半径≤2m，若干块圆环板用几根无缝钢管穿联焊成一半圆桶状，在铲斗内侧用扁钢焊成栅格，水可以从栅格孔中滤除去。

铲齿3用耐磨钢制成，顺着进矿方向每二片铲齿之间留有间隙。多金属硫化物采矿铲在工作状态(附图2所示，采矿铲向左运动)时，铲齿上沿线与被采集的表面有一夹角，此上沿线逐渐倾斜至半圆桶状铲斗口。

齿靴4用高强度耐磨钢铸造而成，插入铲齿尖并用螺栓固定在铲齿上，插入的深度可以调节，铲齿磨损后可以更换。

前限位板5安装在铲斗圆环板的下面，后限位板6安装在桁架式主梁下面，用螺栓与相应的主体连接。安装完毕后，前、后限位板的下表面与齿尖处在同一平面内。

前端牵引结7和后端牵引结8都是十字轴万向联轴器结构，下部连接在铲斗的钢管上，上部的短轴固定钢丝绳。在钢丝绳的牵引下，牵引结可以前后摆动。向前摆动，钢丝绳连接的牵引结带动铲斗向前运动进行采集作业。向后摆动，钢丝绳连接的牵引结带动铲斗向后转动，把铲齿上的矿石倒入铲斗中。牵引结也可以上下提动(面对采矿铲前进方向，主梁倾斜称上、下提动)，是为了每斗采集完成后，采矿铲水平提出水面，一组(一个前牵引结和一个后牵引结为一组)牵引结下降，一组牵引结上升，牵引结上下提动的功能使主梁带动铲斗倾斜成30°左右，将矿石倾倒在船上的运矿车上。

具体实施方式  双体式采矿船到达采区后，船上的动力机组(将另行申请专利)及布放钢丝绳，将多金属硫化物采矿铲放入海底，采矿铲的下降速度0～7m/s范围内可调，采矿铲入水后逐渐增速，接近海底时逐渐减速。这样既缩短了空行程时间，又避免采矿铲快速触地产生巨大的冲击力损坏机具。采矿铲的齿靴尖接触多金属硫化物矿以后，用刹车装置刹住钢丝绳卷扬机滚筒，不收不放钢丝绳，采矿船拖曳多金属硫化物采矿铲前进，铲靴插入多金属硫化物矿床，提升前牵引结使多金属硫化物矿进入铲斗内。在采集过程中对海底的拢动很小，也就是对海洋环境的破坏很小。采矿船后退一定距离，采矿船与采集铲处于同一铅垂线上。同时提升前、后牵引结，将盛满矿石的采矿铲提出水面。提升速度可达4m/s，采矿铲提升到高出采矿船平台5～7m后，一端停止上升，另一端继续上升使铲斗成30°倾斜，打开侧门(侧门及开门机构另行申请专利)将多金属硫化物矿倾倒在运矿车上。以海深4000m为例，单铲采矿用时1h(含辅助时间)，单铲采矿重量约200t，一台多金属硫化物采矿铲的使用寿命在10年以上。