[0001] 本发明总的来说涉及水下采矿，尤其涉及用于海底采矿和收集的系统和方法，包括多个共同协作的海底工具。

[0002] 海床开挖常常是通过挖掘进行的，从而例如获取有价值的冲积砂矿床或使水路保持通航。吸扬式挖掘法包括将管道或管的收集端置于要开挖的海床材料附近，以及利用地面泵产生负压差从而将水和附近的活动海底沉积物吸入到管道中。切吸式挖掘进一步在吸入口处或吸入口附近提供刀头，以分解将被吸入到管中的压实的泥土、沙砾或甚至是坚硬的岩石。大型切吸式挖掘机能使用数万千瓦的切割功率。其他的海床挖掘技术包括旋吸式、喷射式(jet lift)、气升式(air lift)和斗式挖掘(bucket dredging)。

[0003] 大部分挖掘设备典型地仅在数十米的深度操作，即使非常大型的挖掘机，其最大挖掘深度也只略多于一百米。因此挖掘常常限于相对较浅的水域。

[0004] 海底钻井（例如油井）可在多达几千米深度的更深的水域中进行。然而，海底钻井采矿技术不能用于海底采矿。

[0005] 本说明书中所包括的任何对文件、法案、材料、设备、文献等的讨论旨在提供本发明的背景，不应当做承认上述的任何内容构成现有技术基础的一部分或作为先于本申请每项权利要求的优先权日前存在的本发明相关领域的公知常识。

[0006] 在文件中，词语“包括（comprise) ”或其变形“包括（comprises) ”、“包括(comprised) ”或“包括（comprising) ”应当理解为表示包括一个或多个所述的元素、整体或步骤，但不排除任何其他元素、整体或步骤。

[0042] 下列缩写词和首字母缩写词将在后面的整个具体实施方式中使用：

[0043]

[0044] 图1为根据本发明一个实施方式的海底系统100的简化总览图。起重机102和脱水设备104安装于远洋航行的生产支援船106上。PSV106具有矿石输送设施，以将获取的矿石载至驳船108。本实施方式提供的系统100能在2500米深度下操作，然而在替代的实施方式中，可设计为用于在3000米深度或更深的深度下操作。在生产操作期间，海底采矿工具（Seafloor Mining Tool, SMT)将用于从海床110挖出矿石。SMT包括海底混合采矿机器112，海底收集机器114和海底辅助采矿机器116。

[0045] 开采的矿石以料浆形式收集并通过立式输送管道（RTP 120)被泵送至立管122的底部。然后海底升降泵118借由刚性立管122(图1中示为中断的，本实施方式中可为多达2500米长）收集料浆。料浆行进至地面支援船106，并在这里由设备104进行脱水。废水在压力下回到海底，从而为海底升降泵118提供充气压力。脱水的矿石卸至运输驳船108上，以被运输至储存设施，然后运输至处理位点。

[0046] 图2为更详细地示出了 SMT 112、114、116的海底操作的流程图。过程200从202开始，SMT 112、114、116从PSV 106降至海底位点，并部署RALS 122。借由枢接的A-框架和部署绞盘将各SMT 112、114、116从PSV 106投落，枢接的A-框架和部署绞盘配置为拿起对应的SMT，并将其从PSV 106的侧面投落，以借由部署绞盘降至海底。在204处，覆盖位点的未固结的沉积物以料浆形式通过GM 114的吸管移除，并堆积于预定的向下倾斜和向下流动的、不形成矿的一部分的区域。

[0047] 在206处，由潜在的复杂和不规则的海底地形带来的原先存在的障碍物被AUX116切削，从而为BM 112和GM 114准备着陆、切割和收集的区域。图6a示出了阶段206期间的海底采矿环境。在复杂和非常不规则的海底地形中，可在步骤204之前进行步骤206。AUX 116也可能需要为储存堆124准备位点。

[0048] 在208处，GM 114收集由AUX在步骤206从梯段或储存堆制造的碎块，为BM 112留下整洁的梯段。在210处，BM 112将梯段切割至选定的切割深度，典型地，切割深度为0. 5米至I米，这取决于例如岩石的硬度。如果BM为切入（plunge cutting)方式,则梯段的切割深度将多达4米。BM 112在梯段上前进的同时切割梯段，并且做一次或多次横跨梯段的来回的往返移动，以为了基本上切割梯段的整个区域。BM 112可进一步做大约垂直于原来的往返移动的额外移动，从而更仔细地修整梯段的边缘。图6b示出了阶段210期间的海底采矿环境。BM 112可将碎块留在梯段上，或者捕获其自己的碎块并借由储存软管126和储存系统124将它们以料浆形式泵送至储存位置。在远处储存的情况下，BM 112可在多次行程中切割梯段，每次约半米深，直至约4米深。这增加了机器在梯段上的使用，因为混合采矿机112在每次0. 5米深的行程后不需要空出梯段以允许收集机器114接触。相反，收集机器114可在混合采矿机112作业于梯段的同时从储存位置收集碎块。

[0049] 一旦BM 112在210处完成梯段的切割，则在212处，GM移动到梯段上并收集BM112留下的梯段的碎块。图6c示出了阶段212期间的海底采矿环境。

[0050] 考虑到BM 112的混合采矿作用，可以预料的是BM不会完全切割梯段的一些部分，特别是侧末端和墙角，在侧末端和墙角BM 112必须保持安全的边缘同时具有用于转向的空间以开始新的梯段上的往返移动。在除去多层梯段的同时，这些残余边缘可留在原位，直至残余边缘大到需要除去。因此，在214处，如果残余边缘小于4米高，则过程回到210。这示于图6d，其中梯段边缘约4米高。

[0051] 一旦残余边缘变为约4米高，即本实施方式中AUX 116的最大作业高度，则相反地在216处过程需要AUX 116切除残余边缘，从而再次出现对BM 112来说适当平坦的整个梯段。图6e示出了阶段216期间的海底采矿环境。

[0052] 一旦在218处矿床被取尽，或认为采矿已经完成，则在220处，SMT 112、114、116回到 PSV 106。

[0053] 因此，采矿过程和系统100提供了海底采矿工具，立管和升降系统（RALS) 118、122，带有脱水设施104的生产支援船（PSV) 106，并且将矿石运输至岸上的储存设施并随后储存在该岸上的储存设施，装载和运输至处理设施，集中矿石产品，并将集中物装载和运输至市场。

[0054] 海底采矿工具112、114、116设计为布署于采矿位点的周围并通过最上面的生产支援船106上的远程操作控制来切割矿床。由于这种位点的典型的不规则地形，系统被设计用于在不超过20度的不平整的场地和斜坡上操作。SMTl 12、114、116布署于采矿位点的周围，并成功越过（negotiate)粗糙的地势、陡峭的斜坡和阶梯。显然地，避免母体缠结是重要的课题，并且PSV 106可在海底工具移动期间重新安置和/或改变方位从而保证不发生缠结。

[0055] 海底采矿工具112、114、116包括三个单独的机器类型。海底采矿工具为远程操作的运载工具，能够在2500米的水深下操作，其是通过PSV 106甲板上的专用控制器来操作和协调的。SMT从海底开挖含矿材料。三个机器结合起来从海底110切割、筛分收集并开挖矿石。

[0056] 总体而言，海底采矿装备以两种不相互依赖的功能来操作，即一方面进行矿石切割，另一方面进行收集和泵动。间断的基本储备（Broken floor stocks)和/或储存(stockpiling)提供两种功能之间的缓冲。PSV 106甲板上的控制系统保证SMT操作的有效优化，同时使机器、母体和提升缆线之间的安全工作区域最大化，以保证海底挖掘操作顺利进行并且高效。

[0057] 切割机器为辅助米矿机器（AUX) 116和混合米矿机器（BM) 112。在一些实施方式中，收集机器也可配置为根据需要承担一些切割工作，以辅助收集功能。机器的协调服从于海底采矿计划，该计划基于原位矿石级别、海底地形和操作维护的约束。

[0058] 如图3所示，对机器进行排序，以使生产价值最大化。典型地，每个海底位点应当是海底地势的高点，AUX 116着陆于高点处或高点附近，并且如果需要，制造出其自己的通向高点的坡道。在高点处，AUX 116为BM准备着陆区域和初始的梯段。在该实施方式中，BM 112需要约750平方米的最小梯段区域以使BM有效操作。在替代的实施方式中，BM的尺寸可以较小，以使BM能够在小于750平方米的梯段区域上开始操作，或在其他的实施方式中，BM的尺寸较大，需要大于750平方米的最小梯段区域以开始操作。接着，梯段从高点逐渐被除去，从而获得成堆的矿石堆积物。

[0059] 对于具有更突出高点的更明确界定的矿石堆，利用AUX 116开挖多层梯段，直至梯段区域扩大到约750平方米或更大。由于AUX 116的切割头上安装悬臂，由AUX 116切割的梯段高度在该实施方式中为约4米。

[0060] 开挖的颗粒尺寸由AUX/BM的切割类型和行进的速度来控制，在一些实施方式中，也由GM 114控制。这由切割机截齿间距（cutter pick spacing)、角度、切割旋转的速度和机器行进的速度确定。切割系统参数（切割旋转速度、切割深度、行进速度）可手动或自动控制。在一些实施方式中，可提供互锁作为安全措施，以防止切割操作的停转和对机器的潜在伤害。在替代的实施方式中，颗粒尺寸可由海底碾碎机或筛分设备控制，海底碾碎机或筛分设备可以是单独的或者与BM集成的。[0061] 用于BM 112的额外挖掘线路和运载工具布署方向可手动或通过自动程序进行。优选地将自动化切割最大化，为此PSV 106的控制系统能够将自动反馈控制集成至采矿模型，从而操作参数（例如从上层梯段以及对下面的材料调查检测而获取的切割速率、获得的矿石级别、岩石的硬度和颗粒尺寸）可以自动用于对后续的下层梯段的开采进行控制。

[0062] 总之，切割顺序的目的是使生产率最大化，并将切割后矿石堆运送至海底，用于后续供给至收集机器。

[0063] 一旦切割，则接着必须收集矿石。在一些系统中，矿石收集对整个系统的生产率来说是限制或瓶颈，然而通过提供单独的收集机器114(在一些实施方式中其可以是切割机器和收集机器），本发明在这样的实施方式中的应用可以使得收集不会成为整个系统100的生产率的限制。这是因为收集机器114被建造为仅需要在部分时间操作。收集机器间歇性操作以使与同时操作有关的切割机器的非生产停工期最小化。对机器的协调使用服从于海底采矿计划，该采矿计划基于原位矿石级别、海底地形以及操作和维护的约束。在一些系统中，生产率可以主要有切割机器带动，且本发明的一些实施方式可以相应地提供在这样的系统中仅在一部分时间下可操作的收集机器。收集机器的参数（流动速率/GM行进速率/钻头转速/吸入头控制）通过PSV 106上的操作器控制和/或设置。

[0064] 入口栅筛（grizzly sizing screen)用在GM 114入口上以避免过大尺寸的颗粒被引入到料浆系统120、118、122、104中。系统100设计为使得筛栅（grizzlyscreen size)不可更换。

[0065] 收集机器114具有泵和控制系统（在一些实施方式中BM 112和AM 116也具有泵和控制系统），其维持料浆流的完整并且考虑到了入口料浆状况的预期变化。泵/收集系统包含自动料浆入口稀释和旁通阀，以避免与阻塞有关的流体完整性的损失和/或料浆吸入密度的瞬时变化超出系统的特定操作限制。在其他实施方式中可以使用替代的料浆密度控制系统。

[0066] 为了使阻塞RTP 122和/或GM 114的风险最小化，在本实施方式中，GM 114具有安全阀（dump valve)，其在料浆流的完整性被破坏时被起动。在本发明的替代实施方式中，可省略安全阀。本实施方式的GM 114进一步包含回流系统，以帮助清理GM 114中的任何料浆系统阻塞。该系统为管道和阀的配置，其将高压的水从料浆排放线路引导回到收集机器114的吸入头。在提供储存软管126和储存系统124的实施方式中，类似地可提供安全阀和/或回流系统。

[0067] 图4示出了在图1实施方式的系统中使用的适当的立管连结点和连接器布置。立管和升降系统（RALS)将基于海水的、含有矿石颗粒的料浆经由悬挂于船的垂直钢制立管122提升到位于地面的生产支援船（PSV) 106。SMT开采的矿石颗粒通过吸力控制，因此颗粒被夹带在基于料浆的海水中，该基于料浆的海水接着经由立式输送管道（RTP) 120被泵送至立管的底部。悬挂于立管122底部下方的海底料浆升降泵（SSLP) 118将料浆从立管122的底部驱使到船106，本实施方式中SSLP 118的高度高达2500米。一旦到达地面，料浆移动通过脱水过程104。固体被输送至运输驳船108，以装运上岸。根据需要加满额外海水的废水移动通过PSV 106甲板上的集水箱（header tank)系统，经由夹紧于主立式管道122的辅助海水管线被泵送回立管122的底部。然后，返回的海水在到达立管122的底部之后，用于驱动SSLP 1108的驱动容积式（positive-displacement)腔室,然后再被排放到其原本被收集的深度附近的海中。也可提供驱动SSLP 118的替代方式，其中例如为电力、水力、气动或电动液压系统。

[0068] 如图4所示，立管122以区段（连结点）的方式提供，每个连结点由用于将料浆混合物通过立管的底部运输至地面的中央管道，以及用于从地面为海底料浆升降泵118提供动力的两个回水线路构成。另外，还提供有安全阀系统，使得在非预期停止运转的情况下，将立式管道122中的所有料浆从系统中排出，以避免阻塞。

[0069] 海底料浆升降泵（SSLP) 118悬挂于立管122基底，并从海底采矿工具114经由立式输送管道120接收料浆。接着SSLP 1108将料浆泵送至生产支援船106。泵组件118包括两个泵模块，每个模块包括适当数量的容积式泵腔，容积式泵腔通过从地面泵经由与立管122附接的海水线路运送的加压水而被驱动。泵118从地面的船106通过电脑电力系统控制，该系统将控制信号通过母体缆索传输至泵118上的接收控制单元。使用位于泵118上的一排双冗余的电动液压动力箱利用液压操作功能。驱动动力箱的电力通过相同的母体缆索供给，该母体缆索将控制数据信号从地面携带至泵118。用于控制SSLP 118的两个（双冗余）母体被固定以夹紧在立管122上，母体的重量沿立管连结点分布。

[0070] 地面泵的主要功能是提供加压水以驱动海底料浆升降泵118。在生产支援船106上安装多个三重泵或离心泵，在脱水过程中将水从料浆混合物（残渣<0.1毫米）中除去，用表层海水补足至所需的体积，然后经由回水线路向下泵送至位于深处的SSLP 118。地面系统包含由脱水系统供应的回水集水箱，并且加满所需的体积以使用离心泵驱动SSLP118，离心泵经由船体中的船舷水管提取过滤的表层海水。集水箱中的被水运送至一排充气泵中，充气泵提升压力用于运送至地面泵的入口。

[0071] 起重机和绞车系统102安装于支援船106上，从而部署和收回立管122和海底升降泵118。另外，起重机102区域内的处理系统将SSLP 118移动至指定的维护区域。

[0072] 缓冲室（surge tank)包含于RALS排放处与脱水设备104之间，以缓和供给至脱水设备之前的瞬时料浆变化。在替代的实施方式中，图5的振动筛起到缓冲室的作用，并且用于根据流量进行微细化的缓冲室位于双重盖板筛（doubledeck screening)和图5的水力旋流器的箱体之间。

[0073] 脱水系统104以矿物料浆形式从RALS122接收矿石。为了确保矿石适于运输，必须除去料浆中大量的水。如图5所示，本实施方式的脱水过程使用三个阶段的固液分离：

[0074] 第一阶段-筛分-使用振动双重盖板筛

[0075] 第二阶段-去沙质-使用水力旋流器和离心机

[0076] 第三阶段-过滤-使用过滤器

[0077] 振动筛盖板用于从料浆流体中分离粗糙颗粒。这些粗糙颗粒认为排尽水分并且不需要任何机械脱水以达到所需的水分限制。振动篮式离心机用于对中等颗粒尺寸碎片进行机械脱水，以保证达到所需的水分限制。

[0078] 然后使用水力旋流器从料浆来料中分离出没有被筛盖板除去的有价值的细小颗粒（> 0. 006毫米)。使用过滤器对有价值的细粒（0. 5毫米至0. 006毫米之间)进行脱水，然后载到运输驳船108上。该矿石尺寸碎片需要更大的机械入力（真空）以除去水分。然后使矿石/料浆废水通过泵装置和管道系统返回到海底。脱水设备104安装于最上层的地面设备上，在这种情况下为安装在PSV 106上，从而将矿石的水分含量降低至矿石的可运输水分限制（TransportableMoisture Limit, TML)内。将水分含量降低至TML以下可允许使用船只安全的运载矿石。还降低了运输成本，因为所运输的材料体积减小了。替代的实施方式可使用其他任何适当的脱水设备的配置。

[0079] 在脱水设备114失效的情况下，收集机器114将会脱离海底110，并继续泵动海水。在任何的脱水设备104失效的情况下，缓冲室的体积足以容纳RALS122、118中的料浆的体积。RALS 118,122中的料浆被排放到缓冲室、或振动筛和缓冲室，直至仅排出海水至地面，此时旁边的脱水设备104将卡合，水循环回到海底升降泵或RALS/收集机器关闭。

[0080] PSV 106在采矿期间保持在位置上并支持所有采矿、处理、运载上岸动作，以使得能够对海底堆积物110进行安全有效的开采、将切割后的矿石重获至地面、处理（脱水，包括使处理后的水返回海底）脱水后的矿石并卸载至运输驳船108中，用于向前通过水路运输至储存堆以及后续的处理设备。船只的位置固定能力是通过动力定位实现的。替代的位置固定可通过停靠船只实现，或根据位点特定条件通过结合动力定位和停靠实现。

[0081]因此本实施方式的系统100提供用于实现稳定状态的海底采矿和收集生产（例如海底块状硫化物（Seafloor Massive Sulphide, SMS)的生产)的装置和方法。

[0082] 应当理解，本文中所使用的特定术语可能与其他术语意思相同，他们同等地描述本发明，因此本申请的范围不受到任何这种同义词的限制。例如，海底采矿工具也称为海底机器，生产支援船也称为地面船只和/或地面设施，矿石可以等同地或可替代地称为岩石、固结的沉积物、未固结的沉积物、土壤、海底材料，采矿可包括切割、挖掘或除去材料。另外，所提供的特定数值给出对所描述实施方式的尺度示例，不应认为限制了适于所应用环境的其他实施方式中数值的尺度和范围。

[0083] 本领域的技术人员应当理解，在不背离广泛描述的本发明的精神和范围的前提下，如具体的实施方式那样，可以对本发明进行各种改变和/或变更。因此，本文的实施方式从各个方面考虑都应当是示例性的，而不是限制性的。