適應深海富鈷結殼微地形的

1、分類號 密級U D C 編號中 南 大 學CENTRAL SOUTH UNIVERSITY碩 士 學 位 論 文 論 文 題 目 適應深海富鈷結殼微地形的 采礦頭研究學 科、專 業(yè) 機 械 設 計 及 理 論 研究生 姓 名 何志強導 師 姓名及 何清華 教授 博導專業(yè)技術職務 2004 年 3月原 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明，所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在在論文中作了

2、明確的說明。 作者簽名： 何志強 日期： 2004 年 4 月 8 日關于學位論文使用授權說明本人了解中南大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留學位論文，允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內容，可以采用復印、縮印或其它手段保存學位論文；學?？筛鶕一蚝鲜∮嘘P部門規(guī)定送交學位論文。作者簽名： 何志強 導師簽名 何清華 日期： 2004 年 4月 8 日 摘 要隨著陸地礦產資源的日趨枯竭和人類對海洋認識的日益深化，大洋富鈷結殼資源已經成為世界矚目的21世紀具有商業(yè)開發(fā)前景的戰(zhàn)略資源。因此本論文主要是針對大洋富鈷結殼開采的基礎研究。本論文的主要內容是為適應深海

3、富鈷結殼微地形采礦頭方案的研究。主要包括適應凹凸不平微地形的浮動式采礦頭裝置的研究；貧化率及最優(yōu)切削深度的研究，截齒切削軌跡，塊度與截距的實驗研究。本論文首先了解了國內外對大洋富鈷結殼的研究現(xiàn)狀。然后對海底富鈷結殼微地形的進行了初步分析，提出了海底富鈷結殼開采的“基巖表面擬合論”的觀點及偽突起與基本偽突起高度的概念。并針對復雜的富鈷結殼微地形，設計構思了多種采礦頭方案。并根據目前的實際情況，選用了其中的主副滾筒式采礦頭方案。本文還對滾筒式采礦頭開采的最佳切削深度或最佳切削位姿問題進行了建模并給出了算法與解答。對這一問題的分析使我們認為使用滾筒開采起伏不平的鈷結殼，隨時都有可能開采到硬度比結殼要

4、大的基巖。因此進一步提出并設計了一種振動式螺旋滾筒采礦頭以減少開采時的所需的切削力及滾齒所受載荷的波動。同時本文對滾筒上截齒的排列及運動軌跡進行了初步研究，并進行了滾筒截齒計算機三維排列，對滾筒開采時的各參數(shù)也進行了實驗研究，并得出了最優(yōu)的參數(shù)組合。本文的結論都在自行研制的振動破碎實驗臺上與設計的三維實驗中進行了驗證。關鍵詞 大洋富鈷結殼，鈷結殼采礦頭，偽突起及基本偽突起，最佳切削深度ABSTRACTThe increasingly scarceness of the mineral resource at land and the increasingly comprehension of

5、the ocean，the Ocean- Cobalt-Rich Crust has became one kind of the important strategic resource that has the commercial development value at the twentieth-one century. The Rich-Cobalt Cutting Header was researched mainly in this thesis. It includes the research of the float Cutting header device to a

6、dapt to the Microtopography of the Cobalt-Rich Crust，the optimization cutting depth and the rate of ore dilution，the track of cutting teeth and the experimental research of the relationship of the intercept, the size of the cutted Cobalt Crust piece and the consumed energy. First, the thesis analyze

7、d the research background, status of the Ocean-Cobalt-Rich Crust. The theory of Substrate Surface-fitting ，the concept of “false protuberance” and the basis false protuberance highness were put forward after analyzing the Microtopography of the Cobalt-Rich Crust. Then a few concept design of the cut

8、ting header was designed. We choose the Main- Auxiliary Roller Cutting Header as the primary main research object at the currently situation. The optimal cutting depth (or position-pose) of the Rotary Cutting Drum for mining Cobalt-rich Crust, was Modeled in this paper. The mathematic solution and t

9、he simplified solution were both provided in this paper. we thought ,to mine the fluctuant rich-cobalt crust, the cutting header would inevitably mining the substrate which was more harder than the cobalt crust. So the vibrancy scew roller cutting header was design to reduce the cutting force and th

10、e wave of the cutting force. The array of the cutting teeth and the move track of the cutting teeth were studied in this thesis. The cutting parameters were also estimated and studied by experiment. Then we obtained a array optimal parameter. All the conclusions were checked by the cutting experimen

11、t on the vibrancy experiment platform and the three-dimensional simulation experiment.KEY WORDS Ocean Rich-Cobalt Crust, vibrancy scew roller cutting header, The theory of Substrate Surface-fitting, The optimal cutting depth, The array of the cutting teeth 目 錄摘要ABSTRACT第一章緒論11.1課題研究背景11.2深海富鈷結殼采礦機的研

12、究與開發(fā)現(xiàn)狀21.2.1 深海富鈷結殼微地形資料概述21.2.2 富鈷結殼開采方法研究現(xiàn)狀51.2.3 深海富鈷結殼與基巖的結構特征與物理特性111.2.4 深海富鈷結殼礦床特點對采礦頭設計的影響141.3論文的意義及主要研究內容15第二章 深海富鈷結殼礦床微地形分析162.1 前言162.2 基巖表面擬合觀點及偽突起與基本偽突起高度的提出與分析162.3 對偽突起與各參數(shù)關系的程序演示202.4 基巖表面擬合觀點與偽突起及基本偽突起高度提出的意義212.5 小結22第三章 多種采礦頭的方案設計與選取233.1 可以忽略切削頭寬度方向上微地形起伏的最大切削頭寬度233.2 滾筒類采礦頭方案設計

13、與簡單分折253.2.1單自由滾筒采礦頭分析253.2.2兩種二自由度滾筒采礦頭263.2.3 三自由度滾筒式采礦頭303.3 拖刀類采礦頭設計與分析313.3.1 改進的拖刀式切削采礦頭313.3.2 利用重力適應微地形的拖刀式采礦頭機構313.4 主副滾筒采礦頭機構323.5 采礦頭的選取333.6 小結34第四章 振動式螺旋滾筒的設計354.1 引言354.2 振動概述354.2.1 振動應用354.2.2 慣性振動機的工作原理與結構354.2.3 振動壓路機364.3 振動式滾筒的初步設計及力學分析374.3.1 振動式滾筒設計方案374.3.2 振動式滾筒采礦頭的力學分析384.3.

14、3 振動偏心塊的設計394.4 截齒運動學分析404.5 滾筒運動參數(shù)選取414.6 截齒排列研究424.6.1 截齒排列的原則424.6.2 截齒的排列方式424.6.3 截齒排列參數(shù)的確定434.6.4 滾齒排列的計算機三維排列示意47474.7 小結49第五章滾筒式采礦頭最佳切削深度問題建模505.1 引言505.2 問題的描述505.3 開采價值取向515.4 問題的解決515.5 鈷結殼微地形及鈷結殼厚度檢測的初步分析525.6 問題的簡化解答545.7 計算機程序設計635.8小結63第六章 實驗部分646.1 振動切削試驗646.1.1 試驗目的646.1.2 振動試驗系統(tǒng)簡介6

15、46.1.3 單齒切削試驗676.1.4 全齒切削試驗與分析736.2 虛擬實驗部分746.2.1 實驗目的746.2.2 實驗方法及過程746.2.3 實驗結果分析786.3 小結78第七章 全文總結79參考文獻81附錄85致 謝86第一章緒論1.1 課題研究背景近幾十年來，世界人口劇增導致食物、能源、原材料消耗的急劇增加，使資源日趨短缺和枯竭。覆蓋地球表面71的海洋是人類擁有的巨大的資源寶庫。人類幾千年來一直在開發(fā)利用海洋，特別是當代世界各國越來越重視海洋資源的開發(fā)利用，并且把開發(fā)利用海洋資源作為一項基本國策。許多著名的政治家、經濟學家都預言，二十一世紀將是“海洋經濟時代”.向海洋獲取、開

16、發(fā)和利用海洋資源是人類社會發(fā)展需求新資源的必然趨勢。而多金屬結核及富鈷結殼開采是現(xiàn)代海洋在最具潛在經濟價值礦產類型之一。據不完全估計，整個大洋底下的多金屬結核含量就達3萬億噸1,2,3。鈷結殼含量目前尚沒有完全調查清楚，但據已有調查結果來看，太平洋、大西洋和印度洋中都分布有大量的鈷結殼礦藏。其中，僅太平洋西部火山構造隆起帶上，鈷結殼的貯量即達數(shù)億噸，夏威夷群島約翰斯頓環(huán)礁專屬經濟區(qū)內就有3億噸以上，麥哲倫海山區(qū)、中太平洋海山的鈷結殼貯量也非常巨大3,4,5,。 根據專家預測，本世紀中葉就有可能進入鈷結殼商業(yè)開采階段。我國人口眾多，礦產資源人均占有量遠低于世界人均水平，陸地銅、鎳、鈷、錳4種金屬

17、的工業(yè)儲量遠不能滿足國發(fā)經濟建設的需要。同時鈷（Co）又是一種重要的戰(zhàn)略資源，它廣泛應用于高速切削工具、高溫耐磨材料、炮彈、透平機及噴氣發(fā)動機的超高溫合金材料、高性能磁性元件中等。目前，鈷的生產主要集中在中南非洲的扎伊爾、贊比亞、津巴布韋。但非洲的主要礦區(qū)資源在21世紀中葉將逐漸枯竭。而世界市場對鈷的需求量逐年增加3%4%，特別計算機所需磁性材料對鈷的需求增加。而且陸地上的鈷礦區(qū)含鈷量很小，一般不大于0.1，而海洋中的鈷結殼Co的品位最高可達到2%，一般都大于0.5%，而且鈷結殼中的Mn、Fe、 Ni、Cu等有價金屬含量也大大超過陸地資源6,7。 因此，從上個世紀80年代開始，各國紛紛加速了鈷

18、結殼的商業(yè)開采研究步伐。80年代以來，美國、德國、日本、俄羅斯等國相繼開展了富鈷結殼調查5,7。19811985年德國實施了為期5年的中太平洋錳鈷結殼調查計劃。美國地質調查所于19831984及1986年對太平洋、大西洋等海域進行了一系列航次的鈷結殼資源調查研究，特別是對中部太平洋海山作了詳細的調查。日本，首次大洋鈷結殼調查是由東海大學海洋學部和資源協(xié)會于1985年在南鳥島海域進行的。并于1991年，對西太平洋的第5號Takuyou海山區(qū)域進行鈷結殼資源勘查，發(fā)現(xiàn)在水深不到1500米的、地勢平坦的3000平方公里范圍內存在著豐度不小于40kg/m2的大量富鈷結殼，總貯量約9600萬噸。這一結果

19、極大的鼓了日本商界和有關機構。在日本政府的主持下，他們制定了鈷結殼開采計劃。 1982年前蘇聯(lián)科學院海洋研究所在大西洋進行了鈷結殼的調查，隨后地質部在麥哲倫海山繼續(xù)進行調查。有計劃的研究始于1987年對中太平洋海山的調查。此后，俄羅斯對麥哲倫海山鈷結殼進行了長達6年的研究。俄羅斯已在太平洋海山、大西洋海山和印度洋發(fā)現(xiàn)了大量的鈷結殼，并已準備向聯(lián)合國國際海底管理局和國際海洋法法庭籌委會提出2個鈷結殼申請區(qū)，且均位于麥哲倫海山區(qū)7,8,9。 面對大洋多金屬結核開發(fā)的嚴峻形勢和陸地資源嚴重短缺的突出矛盾，我國也加快了深海資源領域的研究開發(fā)工作。從80年代起，我國派出了多批次海洋科考船對太平洋海域的資

20、源進行了考察和勘查。并于1990年8月22日以“中國大洋礦產資源研究開發(fā)協(xié)會”的名義，向聯(lián)合國海底管理籌委會提出了礦區(qū)申請，并將大洋多金屬結核資源開發(fā)作為國家長遠發(fā)展項目給予專項投資。1999年3月5日，我國在太平洋海底最終圈定了一塊7.5萬平方公里的“戰(zhàn)略金屬資源基地” 10,11。為正確把握國際海底區(qū)域資源研究開發(fā)形勢，維護我國海洋權益，穩(wěn)步推進我國國際海底資源開發(fā)事業(yè)，中國大洋礦產資源研究開發(fā)協(xié)會在其制定的國際海底區(qū)域研究開發(fā)“十五”計劃和國際海底區(qū)域研究開發(fā)“十五”立項指南中均將“鈷結殼資源評價與研究”（DY105-01）和“鈷結殼采集模型機關鍵技術及裝備研究”（DY105-03-02

21、）立為開發(fā)研究的重點項目10,11。1.2 深海富鈷結殼采礦機的研究與開發(fā)現(xiàn)狀1.2.1 深海富鈷結殼微地形資料概述 大洋鈷結殼（又稱錳結殼或鐵錳殼）是繼大洋多金屬結核之后發(fā)現(xiàn)的又一重要的大洋多金屬礦物資源。80年代以來,發(fā)達國家將注意力轉移到專屬經濟區(qū)內的富鈷結殼礦床的開發(fā)上。80年代主要集中力量勘探,90年代則較多地探討開發(fā)問題1,2。盡管至今為止，美國、日本、俄羅斯等國開展了大量的富鈷結殼調查，但目前用于結殼開采系統(tǒng)設計的結殼地質工程參數(shù)的文獻資源卻不是多，因此我們綜合我國前幾次的調查資料及其他各國的資料如下。從我國所調查的資料12,13如下：調查位置大致為：178°E174&

22、#176;W,17°N19°N。富鈷結殼不同于結核，它主要分布于海山的斜坡上，呈“面狀”向上生長。從調查情況看，結殼（包括結殼和結殼狀結核）大多分布于16003500米水深的范圍內，大于3500則主要以結核形式出現(xiàn)。結殼在海山斜坡上廣泛發(fā)育，但不同區(qū)域豐度和總量有明顯不同。結殼區(qū)的平均豐度為49.64kg/m2，最大達結殼豐度隨所處水深不同而有所變化，不同海山情況也不同。同時根據對海底照片的圖象識別，照相剖面可把鈷結殼劃分為以下幾種類型： 1)波紋狀珊瑚礁灰?guī)r區(qū) 分布在平頂海山的頂部，照片灰度很淡，海底表面上覆蓋一層波紋狀結殼與白色珊瑚砂。該海底非常平坦、水深變化緩慢、典型

23、的海底結構表明底流活動強烈，將山頂珊瑚砂大量搬遷到低處山坡。2)板塊狀和波紋狀結殼區(qū) 隨著水深和坡度的增加，板塊狀和波紋狀結殼出現(xiàn)，結殼表面呈波紋或突鮞狀，表層覆蓋有少量的白色珊瑚砂。還可見到許多折斷的珊瑚枝。3)波紋狀結殼區(qū) 該段海底地形平坦，結殼淡波紋狀結構。覆蓋有較厚的珊瑚砂，顏色黑白相間。結殼的波紋狀結構顯示底流對結殼的生長有強烈的影響。而日本(1995)發(fā)現(xiàn)富鈷結殼及其類型的分布與坡角大小關系密切22,24，坡度為03°時，以富鈷結核為主；3°7°時，一般有沉積物覆蓋；7°15°時，為結核、結殼過渡區(qū),隨坡度增大結殼所占比例逐漸增大；

24、大于15°坡度時，以富鈷結殼為主。在3mx4m的觀察范圍內其微地表起伏從幾厘米到幾米不等。日本把鈷結殼礦床微地形分為臺階梯狀礦區(qū)、結核區(qū)、卵石形礦區(qū)、線狀形礦區(qū)等幾種類型16,17,18,19。按面積來進行分類，有大面積分布型、小面積分布型、零星分布型14。 1) 臺階梯狀礦區(qū) 大多數(shù)裸露的結殼都分布在臺階上，且在臺階間形成徒坡。這種微地形特征的結殼多分布在海山上部坡面上，在臺階下部或根部常有沉積物分布。結殼厚度及分布的面積和臺階的坡度有關。最低臺階和最高臺階之間的高度差達10米甚至更多。其中間臺階，其高度差為0.5米到幾米之間不等。在這些臺階上往往有沉積物存在，如下圖1-1： 圖1

25、-1 臺階梯狀礦區(qū)圖 1-2 結核區(qū)與卵石形礦區(qū)2)結核區(qū) 結殼表面由密密的叢生的結核連在一起而成。有時它看起來像一條由結核組成的地毯。其覆蓋率可以達到50%以上。調查表明，這些結核不僅是各自連在一起，而且緊緊貼附在基巖上。它們一般生長在平坦的結殼上表面上。其高度差一般有10-30cm。如圖1-2。3)卵石形礦區(qū) 在結殼表面如大的圓形的或接近圓形的卵石狀突起，大小為10-30cm。這些卵石狀物外面有一層結殼層，看起來如大的結核，多埋沒于沉積物之中（見上圖1-2）。其大小在高度上一般大于10cm。4)線狀形礦區(qū) 這些結殼表面從圖形上看就像一系列朝一個方向繪制的直線或像一條條的水槽，其中填滿了沉積

26、物。這些地面特征一般是在海山坡度平緩的地方。其地表高度差相當大，從相片上看大約有80cm左右。結殼沿線分布，形成一個線條狀表面。如圖1-3。圖1-3 線狀形礦區(qū)而在文獻20中John P. Latimer把結殼分成以下幾類：1）類型A這種類型的結殼分布在粗糙的玄武巖表面上，其起伏變化小，起伏變化平均不超過50cm；通常其表面呈水槽狀，垂直高度差一般超過10cm，槽中填滿了沉積物；這種類型的結殼一般分布面積廣大，有的可達幾千平方公里。2）類型B 這種類型的結殼為一些被沉積物包圍的鈷錳結核塊，其大小為2-8cm；其起伏小于510cm;在某些地域也有一些直徑約2.5cm的結核。3）類型C這種類型為卵

27、石狀區(qū)域，卵石狀碎塊大小為1025cm，一般為結核與沉積物的混合物，這種類型比不上類型B常見。4) 類型D這種類型主要分布于海山的根部或海山邊緣處，沉積物可能是珊瑚狀火山碎屑等。起伏很小，大多不超過6cm.; 正常情況下只有一層薄薄的結殼覆蓋在沉積物上面。5) 類型E這種類型為結核區(qū)，主要分布在平頂海山或頂部、鞍部、或海山基部周圍的海底。結核直徑大小一般為2.5cm6）類型F這種類型的結殼區(qū)主要為平坦型，主要分布在約翰斯頓及（Necker Ridge）地域。其分布面積可達幾十平方公里；盡管其表面可能是一束葡萄狀的樣子，但其微地形起伏只有幾厘米，平均起伏小于5cm。John P. Latimer

28、20 認為只有類型A與類型F是目前可采的類型。1.2.2 富鈷結殼開采方法研究現(xiàn)狀洋底富鈷結殼開采方法的研究中既參考了陸地開采、海底石油開采、深海潛水器等方面的技術成果,也大量借鑒了多金屬結核開采方法時所取得的經驗。然而,至今為止,大多數(shù)開采方案都處于方案研究,實驗室試驗階段。相對于錳結核，在錳結核回收后，泥土可以被輕易的沖洗掉，這與鈷結殼與其下層基巖地結合是不同的，它需要新的分離技術和分離設備1,2,3,10,21。美國John E.Halkyard及其公司在試驗和大量資料整理基礎上，認為，鈷結殼及其基巖最佳的破碎方法應為螺旋滾筒式截齒切削、盤刀式軋削、沖擊鉆沖擊破碎和水射流切削幾種22,2

29、3。但是，不同的方法消耗的能量不同，經過比較，他得出如下結論：表1-1 鈷結殼破碎的理論能耗10破碎方法比能耗（J/CC）年產1000000噸干鈷結殼的能量消耗值（kW）理論計算值8400拖頭切削6253001250盤刀軋削2512512506250水射流5060002500300000沖擊鉆402000螺旋滾筒切削（以煤為對象）1.62.780135由上表知，最佳的選擇應是螺旋滾筒式切削或拖頭切削。這兩種方法的能耗最省。從目前世界各國研究機構提出的方案來看，也都集中于這兩種破碎方法10,11。同時，日本堅持使用的CLB21,22,23（連續(xù)繩斗法）為拖頭切削的一種， 它是集破碎、集礦和運輸于

30、一“斗”且不需要行走機構的集約式方法，整個水下機構簡單。但無法適應海底地貌和結殼厚度的變化，因此采集效益和回收率較低，用于大面積連續(xù)性商業(yè)開采不如水下采礦機器人好12。對海底采礦車方案研究較多的要算美國21,23,24。John E.Halkyard在1995年于美國對地來等召開的“海洋工程及其環(huán)境”國際會議上，提出了從深海海山上開采鈷結殼的采礦車設計方案和有關技術問題。直到今天，關于鈷結殼開采方案的公開討論，這篇文章仍然是最全面，最具代表性的，對任何從事鈷結殼實際開采或方案研究都有參考和指導性意義，其主要觀點如下：1. 最佳的鈷結殼開采方案應是包括由海底履帶式采礦車、水力管道提礦運輸系統(tǒng)和水

31、面采礦船構成的采礦系統(tǒng)。2. 作為商業(yè)性開采，每次采礦車方案的實際生產能力的價值底線是1百萬噸/年，基巖對鈷結殼的貧化率應控制在50%以內，低于上述數(shù)據的開采方案在經濟上（按當時的市場價格）是不可行的。3. 對于商業(yè)開采來說采礦系統(tǒng)的可靠性是一個關鍵因素，其有效使用率應到65%，即每年實際運行時間在235275天左右，最低應保證有225天以上的作業(yè)時間。4. 任何鈷結殼開采方案主要由采剝集礦大塊破碎分選提升運輸五個環(huán)節(jié)組成，其中：a. 采削可以采用拖削、滾筒切削、盤刀切削、沖擊鉆、剝削、水射流等方法，但是以滾筒切削方式最合適，不僅其比能耗較低，而且回采高，且易于控制。b. 集礦方式可以采用機械

32、刮板式和水力吸揚式，由于機械系統(tǒng)機構復雜，因運輸中會碾碎部分鈷結殼而造成一定的損失，傾向推薦吸揚式。c. 為保證整個系統(tǒng)的效率和揚礦系統(tǒng)正常工作，應在集礦頭和臨時礦倉之間加入大塊破碎和重力分選機構。d. 揚礦系統(tǒng)采用管道吸揚式較好。5. 除上述有關因素外，在正式設計對海底采礦系統(tǒng)之前，需掌握以下開發(fā)條件：a. 海底地貌和結殼厚度變化情況b. 結殼及其基巖的物理機械性質c. 結殼與基巖的分離特性 他的這一觀點已成為世界海底鈷結殼開發(fā)研究的權威性意見，對鈷結殼開采方案的設計有直接的參考價值。美國將研究與開發(fā)重點由多金屬結核開采轉移到富鈷結殼礦床開采上來。目前普遍傾向的開采系統(tǒng)如圖1-4所示。整個系

33、統(tǒng)由采礦機、軟管、緩沖倉、鋼管及水面船只所組成。圖1-4 富鈷結殼礦床開采系統(tǒng)其推薦的采礦機的結構如圖1-5所示:圖1-5 采礦機機構示意圖其切割頭如下圖1-6示: 圖 1-6 切割頭 其中的切割頭，鑒于鈷結殼礦床厚度很薄,且起伏不平,分成多個切割頭,各自能根據前方分擔區(qū)的結殼層起伏高度及厚度獨立調整其切割位置,就能在盡可能少切割基底巖層巖石的條件下,盡可能多的切割鈷結殼層。考慮與對比了切割刃、盤式切割,沖擊破碎及水力切割等方式,最終選用切割刃方式。根據微地形的起伏特性,初步選定切割頭寬為1米,能保證盡量多的回收鈷結殼,且切割的基底層巖石(貧化率)不超過25%。為了減少切割產生的微小顆粒,降低

34、對環(huán)境的影響,需要尋找更好的切割方式，有專家建議用水射流法或振動法來破碎鈷結殼。另外，日本、南非也作了很多研究。日本在這方面有兩項專利，專利號分別為：JP2266088 25和JP2256792 26  。南非有一項相關專利，專利號為：US600395227（美國專利），他們采用的破碎方式均為滾筒式切削,如下面所示：1)專利號為JP2266088所示的機構 圖1-7 采礦機機構示意圖 在這個專利中所提供的采礦機，滾筒較窄因而有較好的適應鈷結殼微地形的能力，整個采礦頭只能上下升降，不能左右擺動。其切削的寬度比車身寬度還要小很多，因此開采效率低。2) 專利號為JP2256792

35、所示機構圖1-8 左右擺動采礦頭式采礦機示意圖 在這個專利所提供的海底鈷結殼采礦機其采礦頭很窄,靠往復的擺動來開采整個采礦車前面的鈷結殼。因為其采礦頭較窄，可以不計鈷結殼微地形的起伏。適應微地形能力強，但開采效率同上一個專利一樣不高。3) 專利號為US6003952所示的海底采礦機圖1-9 海底采礦機機構示意圖 此采礦機并不是專用于開采鈷結殼的，而是用來采集海底沉積物的，開采厚度達幾十厘米。本文探討的僅是幾厘米厚的鈷結殼。但其機構對設計鈷結殼采礦頭仍具有借鑒意義。在文獻20中專門提出每個刀齒都可升降的拖刀式切削采礦頭，其主要的機構如下圖1-10示意： 圖1-10 可伸降單刀拖削采礦頭 前一個液

36、壓缸控制整個切削刀的升降，后一個液壓缸只控制刀的伸縮以適應鈷結殼厚度的變化。這樣的采礦頭，適應微地形的能力非常強，其貧化率從理論上可以控制為零。但顯然為了具有一定的開采效率，必須一臺采礦機具有許多這樣的單獨可以控制的切削刀，從而使控制任務繁重，機構也很繁重，使得其不得不呈斜線排列，如下圖1-11示：圖1-11拖刀的斜線排列 在農用機機械中如耕地機（俗稱“鐵?！保┖竺婵山觾商讬C構，一套為許多薄梅花齒片組成的拖滾。耕地機拖著這個拖滾不停的反復的切削。使土地一點點切細。另一套為犁，主要用于切削深度比較深的耕地。雖然這些與鈷結殼開采有些相似，但顯然這要簡單得多，因為耕地一般來說是非常平坦的。 1.2.

37、3 深海富鈷結殼與基巖的結構特征與物理特性1)鈷結殼結構特征12,13 結殼根據形體特征可分為三類：結殼、結殼狀結核和結核。扳狀結殼 按結構構造特征劃分，這種類型結殼可分出單層、雙層和三層三種。這里的“層”是個綜合概念。單層結殼，結殼厚度最大46cm，最小0.51cm，平均2-3cm；結殼與基巖呈假整合接觸過渡關系，接觸面有滲透現(xiàn)象。雙層結殼 該類結殼一般厚45cm，最大78cm。這類結殼未見到與基巖直接接觸的樣品，可能原來是三層構造，由于表層被削蝕或底層未被揭露而顯現(xiàn)為雙層構造。三層結殼 具有三層構造，上層似褐煤狀，黑色，有的表面呈鮞狀、葡萄狀或瘤狀突起，凹凸不平，有的表面光滑平坦。厚度較大

38、，一般在416cm之間，平均厚達8cm左右。這類結殼生長歷史較長，多發(fā)育在玄武巖或火山碎屑等基巖或其風化殼之上，呈假整合接觸。 礫狀結殼 外形似卵石，即礫石狀，呈大橢球狀或不規(guī)則球狀、球狀，大小不一，長軸直徑一般大于10cm，結殼環(huán)繞核心生長，核心有的為大的巖塊（如玄武巖、火山碎屑巖、磷塊巖、礁灰?guī)r等碎塊），有的為老結殼碎塊或結核。前者核心半徑大于殼層厚度，個體大，大小為5×10×15cm以上，殼層厚14cm，有的為單層構造，有的為雙層構造，外面為褐煤狀層或多孔層，厚12cm的，里面為亮煤狀層，厚23cm的，該類型以巨礫狀為主。以老結殼為核心者，個體稍小，一般小于5

39、5;10×15cm，多為粗礫狀結殼。殼層厚34cm左右。鈷結核 這些鈷結核與其他類型結殼共生，其粒度直徑一般小于10cm，以中小型為主，大型次之，呈球狀或不規(guī)則橢球狀，表面光滑或具鮞狀突起，有的核心較小，有的甚至無明顯核心，具有清楚的圈層構造，并有黃褐色粘土質浸染。殼層厚13cm。2) 基巖12,13主要有下列幾種巖石類型：堿性玄武巖、碳酸鹽巖（含礁灰?guī)r）、燧石巖、火山凝灰?guī)r、石英脈等。需要指出的是，火山巖巖石都有不同程度的風化。3) 結殼與基巖的物理特性 結殼多呈斑塊狀賦存于硬質基巖面上，具有多層結構，一般外部為多孔質層內部為結實層。美國、日本等國都對鈷結殼的物理機械特性進行了研究

40、23,24，但是因為取樣地點、取樣方法、以及試驗方法的差異，所得到的數(shù)據相差較大。美國認為結殼和幾乎所有基體（玄武巖和火山巖除外）都是軟質材料，容易用標準的拖曳切斷機切削。結殼在強度和抗剪切強度方面通?？膳c中等硬度的煤相當。美國測的結果如下表12：表12 結殼與基巖機械特性28日本測得結果如下表1-3、表1-4，結殼強度為21.5kgf/cm2，與煙煤相當。 表1-3 結殼與基巖物理特性28 表1-4 結殼與基巖的工程特性22,29 我國測得結果為表1-5示：表1-5 結殼與基巖的物理特性6,12,134) 結殼與基巖的機械切削特性：美國、日本等過都對鈷結殼的物理機械特性進行了研究，其中較有代

41、表性的是日本的Aoshika，Katsuyuki等與美國的Larson，D.A.等。美國的Larson，D.A.所得的結殼與基巖的切削特性如表1-6所示。表1-6 結殼與基巖切削特性15,28（注:D非獨立；I獨立；刀寬1.27cm，前角00，后角100，切削速度5.08cm/min）1.2.4 深海富鈷結殼礦床特點對采礦頭設計的影響 由上面的分析可知深海富鈷結殼礦床是起伏不平，且基巖復雜多變。因此這給采礦頭的設計帶來了以下幾點影響。1) 鈷結殼采礦頭首要考慮一個問題就是如何適應起伏不平的微地形；2) 因地表凹凸不平，截齒切削結殼的深度也會隨地形的變化而變化，當結殼覆蓋層比較薄時，會使貧化率上

42、升。3) 海底地貌惡劣，基巖太復雜，有抗壓強度達到，甚至超過200MPa的很硬的玄武巖15，也有一些雖然基巖本身抗壓強度不大，但是內部夾雜有較大顆粒的石英石等堅硬物質，因此采礦頭上的截齒所受載荷波動很大。4) 因地表凹凸不平，截齒工作過程中，采礦頭的沖擊負荷較大，若不采取適當措施，則會嚴重影響其工作壽命。 因此，在設計采礦頭時有以下兩個方面要考慮：1) 采礦頭對微地形的幾何外表形狀的適應要求； 2) 要適應微地形起伏不定所帶來的切削性能方面要求。如上面所說的截齒所受載荷波動及沖擊都較大等特點對切削頭設計的要求。1.3論文的意義及主要研究內容 大洋采礦是海洋高科技的前沿，資源開發(fā)的“制高點”。隨

43、著陸地礦產資源的日趨枯竭和人類對海洋認識的日益深化，大洋鈷結殼資源已經成為世界矚目的21世紀具有商業(yè)開發(fā)前景的戰(zhàn)略資源。目前，美國等西方國家正利用已形成技術優(yōu)勢，積極探索和研究大洋鈷結殼資源的勘查開發(fā)及冶煉加工技術，在深海勘探領域繼續(xù)保持領先地位。我國人口眾多，資源和海域面積人均占有量遠低于世界人均水平，我國還是銅、鎳、錳、鈷的消耗大國，不論從經濟效益還是維護國家海洋權益的政策方針角度上看，開發(fā)國際大洋鈷結殼等礦產資源對我國都具有十分重要的戰(zhàn)略意義。礦產資源勘探完成，開采工藝確定后，與之相關的高效、經濟的采掘設備就成為其開采的關鍵技術。本論文就在這樣一種背景下，結合國家大洋礦產資源協(xié)會“十五”

44、重大項目“深海富鈷結殼采集關鍵技術及關鍵裝備研究”中的主要研究內容鈷結殼采礦頭進行理論與機構設計研究。包括浮動式采礦頭裝置研究，以最大限度地適應凹凸不平的微地形，改善切削頭切削性能的研究，貧化率及最佳切削深度的研究及截齒切削軌跡，截齒排列研究等。第二章 深海富鈷結殼礦床微地形分析 在第一章緒論中我們對深海富鈷結殼微地形的資料進行了總結與概述。在這一章我們將對鈷結殼微地形從數(shù)學的角度進行一些初步的分析。2.1前言 鈷結殼微地形復雜多樣，盡管第一章緒論中關于鈷結殼微地形的資料把鈷結殼分成了好幾類，但并不能幫助我們很好的理解結殼的微地形。因為上面的分類是從大范圍內分的，沒有站在本身尺寸就不大的切削頭

45、的角度來分類。即使是John P. Latimer 認為可開采的類型A與類型F是目前的可采類型，但我們也不甚了解其微地形到底是怎么樣的。因此有必要對微地形進行一些數(shù)學分析，尤其是從切削頭適應微地形的角度來分析。在本文中我們定義富鈷結殼微地形的“微”字的含義，在本文中“微”的最小數(shù)量級是厘米。在設計采礦頭時，不論使用什么方法對富鈷結殼進行破碎開采，都總希望把所有富鈷結殼都開采下來，而盡量少開采到基巖或不開采到基巖。當整個基巖表面是一個非常平坦的平面時，（如下圖2-1所示）我們可以以基巖表面為參考底面，圖中的虛線為富鈷結殼參考上表面來進行開采，而不計富鈷結殼本身起伏不平的上地表面。這時便可看作富鈷

46、結殼厚度是一定的，即圖中虛線與基巖表面線之間的距離。但這是一種理想的情況。圖2-1 理想基巖表面礦區(qū)在實際中，基巖的上表面覆蓋了一層富鈷結殼，但因富鈷結殼的起伏往往來自于基巖的起伏，因此它也是不平坦的，是和富鈷結殼層上表面一樣的起伏不平(本文中，認為富鈷結殼層的下表面即為基巖表面也認為是富鈷結殼層與基巖的分界面)。當基巖表面起伏不定時，我們就不能再簡單地確定開采時的下參考面。由上面的分析可知，基巖表面的起伏劇烈程度對開采的影響很大。2.2 基巖表面擬合觀點及偽突起與基本偽突起高度的提出與分析富鈷結殼分布于海山上，地表呈典型的山地特征，表面凹凸不平，而且有階梯狀。我們注意到每一個突起都是有一定角

47、度的，進而每一個突起其實近似可看成為一個圓錐體或圓錐臺或棱狀體。因此富鈷結殼地表與基巖表面的截面都可以用一系列連續(xù)的圓錐臺表示，如右圖2-2所示，其中：一個梯形就是一個突起的截面；為突起上部的半徑；為整個突起的高度；與突起的兩坡角。 圖 2-2 梯形圖 ， , ，（i=1,2,3-,n ）可以各不相等。而且與也可以為負值，負值表示其為圓錐坑。當和的絕對值與Hi越小，則表示地表起伏越小。當、（i=1,2,3-,n ）都為零時，此時的整個地表面便是平坦地面。因此，對于實際微地形表面總可由上述的一組參數(shù)來表示：， , ，（=1,2,3-,）。為了更好討論地形對采礦頭的影響，我們對上述梯形模型進行簡化

48、，令（=1,2,3-,）都為零，并把平地看為是坡角都為零的特殊突起，簡化為右圖2-3的連續(xù)三角形模型： 圖2-3 三角形圖其中，參數(shù)意義同上。特別說明，一段平坦地表可看成一個、（假設是第個圓錐）為零的特殊圓錐。其實從數(shù)學的角度，鈷結殼與基巖的分界面就是一個空間曲面，開采掉鈷結殼，其實就是以某種方法，去擬合形成這個曲面。如果完全一點基巖也不開采，那么就是要求完全再現(xiàn)鈷結殼與基巖分界面這個真實曲面，如果面是一個簡單的曲面，如上圖中的平面那問題就簡單多了，但曲面是一個隨機曲面。很難完全再現(xiàn)，而且也沒有必要去達到這個要求。在開采中，也必然會開采一些基巖，因此，在實際開采完鈷結殼后，所形成的一個曲面其實

49、一個接近真實曲面的擬合曲面，我們把這種觀點稱之為鈷結殼開采的基巖表面擬合觀點。按照上面提出的微地形簡化模型，曲面與都是一個由個圓錐表面或棱狀表面形成的曲面。因此，對富鈷結殼地理位置取一段截面可表示為如下圖2-4所示： 圖2-4 鈷結殼礦床載面簡化圖 圖2-5 理想微地形突起富鈷結殼上地表與基巖地表都是起伏不平的，在開采鈷結殼時，必然會把一些基巖表面上的突起連同鈷結殼開采下來。因此，我們在此定義偽突起如下：在滿足開采要求的情況下可以與鈷結殼一起開采下來的基巖突起，我們稱之為偽突起或偽起伏。取圖2-4中的一個突起，并將其截面簡化一個等腰三角形，為突起高度，為鈷結殼層厚度，為圖2-5中底邊長度。這樣

50、就提出一個問題，圖2-5中的為多高，為多長時，這個基巖突起可以忽略進而與富鈷結殼一起開采下來？這時的突起或起伏大小就是偽突起或偽起伏的大小。對于圖2-5這樣的截面有兩種情形，即圓錐與棱狀。如下圖：圖2-6 兩種理想起伏類型同時在本文中定義貧化率為：基巖在所開采的總的礦物中所占的體積百分比（當然體積乘以各自的密度就是質量的貧化率），在本文分析中，采用的是體積貧化率。對于第一種情形I型，其實際中的情形就是，呈溝狀的鈷結殼微地形。貧化率可用圖2-5中的截面面積來表示，為三角形ABC的面積，為圖中陰影部分面積。貧化率計算如下： (2-1) (2-2) (2-3)其中：為貧化率 對于第二種情形II型，因

51、為其為圓錐，所以貧化率不能用截面面積來表示，要用體積來計算。計算如下： (2-4) (2-5) (2-6)其中，為基巖體積；為總的開采量體積；為貧化率。注意到（2-3）式和（2-6）式中，只有一個常數(shù)的變化即分母中2與3的不同，因此把（2-3）式和（2-6）式合并為一式， (2-7)其中，取值為2、或3，當時，表示微地形突起為I型；當時，表示微地形突起為II型。稱參數(shù)為類型參數(shù)。在實際開采時總要求，為要求的貧化率。此時有： (2-8)進行化簡后有： (2-9)令，第（2-9）式可化為： (2-10)另外，我們還設為突起或起伏的坡角，其大小為： (2-11)對于（2-10）式是一個很重要的關系式

52、。這個關系式說明，不論鈷結殼的微地形起伏多么大，只要它滿足（2-10）式，就可認為是一個偽突起，就可以連同基巖一塊開采下來。當突起高度、鈷結殼厚度及貧化要求一定時，由（2-10）及（2-11）可知，坡角小于時的突起或起伏都可認為是偽突起。我們注意到，當時，內，（2-10）式恒成立。取等號時的高度稱為基本偽突起高度。即此時，偽突起只與高度有關，而與底邊長無關（或與坡角無關），這是一個很重要的結論。下面我們具體分析一下，在實際運用中，我們一般要求貧化率24，此時有p=k。在內恒滿足（2-10）式的鈷結殼厚度與偽突起高度的關系式為： ，恒滿足意味著對于高度相同的、但坡角不同的突起都可看作偽突起。下表

53、，列出了不同厚度的鈷結殼層所對應的恒滿足第（2-10）式的基巖突起高度。表2-1：基本偽突起高度(單位：cm)45678910鈷結殼厚度=28101214161820突起高度=312151621242730一般認為對于厚度小于4cm的鈷結殼沒有開采價值10,。當鈷結殼厚度為4cm時，由上表可知，對于I型的溝槽狀鈷結殼基巖微地形表面起伏高度小于8cm的任何起伏都可不計。而對于II型的起伏高度小于12cm的任何突起都可以不計。因此，稱8cm與12cm為鈷結殼厚度為4cm及貧化率小于50%要求的基本偽突起高度。不同的鈷結殼厚度及不同的貧化率要求下有不同的基本偽突起高度。2.3 對偽突起與各參數(shù)關系的程序演示當基巖的突起與起伏高度大于基本偽突起高度時，這時只有坡角大于一定值的突起與起伏才能成為偽突起。由于式（2-10）牽涉的參數(shù)比較多，且都是可以變化的，因此設計了一個名為“參數(shù)變化演示器” 的程序來演示不同參數(shù)間的變化關系。程序界面如圖2-7，程序說明如下：圖中上面三個輸入框用來輸入(鈷結殼厚度)、（基