[0001] 本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种水深六千米至八千米条件下深海采矿的海上集矿平台及集矿方法。

[0002] 深海矿产资源丰富包括多金属结核、富钴结壳以及多金属硫化物等，但通常位于深水区，商业开采难度大。深海采矿是一项庞大而复杂的工程，涵盖勘查、采矿、选冶和运输等产业链流程，融合了海底作业、水下输送、动力输配、中央控制和水面支持的全方位平台和系统装备体系，可能成为人类能够操纵的最大深海作业系统，被视为世界各国科技竞争的前沿领域。

[0003] 传统的采矿船体量较小，易受海涌影响，一方面会影响采矿船本身安全，导致作业窗口期短，甚至停产造成损失，另一方面会影响水下设备的生产效率。平台受海涌影响难以保持固定，现有技术方案多采用动力定位，能耗较大。传统的深海采矿采用硬管提升矿石，管道易受洋流影响，稳定性较差且效率较低。

[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0040] 实施例一

[0041] 如图1至图3所示，本实施例中，提供了一种水深六千米至八千米条件下深海采矿的海上集矿平台，主要包括三个功能模块，分别如下：

[0042] 一、平台主体总系统

[0043] 平台主体总系统包括漂浮于海上的平台刚性结构系统1以及设置在所述平台刚性结构系统1上的推进牵引系统3、沉箱锚固系统5、矿石储存及外输系统6、舾装设备系统7和通讯系统8；所述推进牵引系统3用于驱动平台刚性结构系统1在海上移动；所述沉箱锚固系统5用于实现平台刚性结构系统1在海上的锚固定位；所述矿石储存及外输系统6用于存储在水下采集的矿石并将矿石运输到万吨级货轮上；舾装设备系统7用于为各系统提供动力；通讯系统8用于实现各系统之间的信号传输。

[0044] 设置于平台刚性结构系统1上的各个系统采用单元式装配化结构，提高各系统的集成度。各系统可实现陆地预制施工，再安装在平台刚性结构系统1上，连接方式主要采用焊接，可保证平台水密性。

[0045] (1)平台刚性结构系统1

[0046] 平台刚性结构系统1包括装配式钢制浮台和刚性连接结构，所述装配式钢结构为海上集矿平台的主体结构，相关系统或部件通过刚性连接结构安装在装配式钢制浮台。平台刚性结构系统1采用钢或外包玄武岩纤维作为材料选型，保证海上作业稳定性和耐久性。

[0047] (2)推进牵引系统3

[0048] 所述推进牵引系统3包括电子计算机控制系统3‑2以及和电子计算机控制系统3‑2相连的自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1和/或拖曳牵引装置；所述自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1和拖拽牵引装置3‑3设置在所述平台刚性结构系统1上。

[0049] 电子计算机控制系统3‑2在舾装设备系统7的控制下控制自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1和/或拖曳牵引装置动作，从而通过推进或者拖拽牵引的方式改变平台刚性结构系统1在海上的位置。

[0050] (3)沉箱锚固系统5

[0051] 如图3所示，所述沉箱锚固系统5包括沉箱5‑1、抽气注水设备5‑2、下放提升动力装置5‑3，所述下放提升动力装置5‑3设置在平台刚性结构系统1上，所述沉箱5‑1与所述下放提升动力装置5‑3相连，所述抽气注水设备5‑2设置在所述沉箱5‑1上。

[0052] 下放提升动力装置5‑3能够将沉箱5‑1下放至海底或将沉箱5‑1提升至平台刚性结构系统1上。抽气注水设备5‑2能够抽出沉箱5‑1中的气体，沉箱5‑1采用自吸式，通过水压实现自锚固，矿石采集完毕后，通过抽气注水设备5‑2向沉箱5‑1中灌入海水，通过下放提升动力装置5‑3实现沉箱5‑1的回收，实现海上集矿平台的节能化。

[0053] (4)矿石储存及外输系统6

[0054] 所述矿石储存及外输系统6包括矿石存储舱6‑1、万吨级货轮停靠码头6‑2和有轴或无轴传输装置6‑3；所述有轴或无轴传输装置6‑3用于连接矿石存储仓和万吨级货轮，实现将矿石存储舱6‑1中的矿石运输到万吨级货轮中。

[0055] 集矿提升系统4将矿石输送到矿石存储舱6‑1中存储，矿石存储舱6‑1通过有轴或无轴传输装置6‑3将其中的矿石输送到万吨级货轮中，万吨级货轮将矿石输送至陆地。

[0056] 传输装置的传输方式可以根据实际情况进行选择，以便更好地满足实际需求。

[0057] (5)舾装设备系统7

[0058] 所述舾装设备系统7包括机装、电装、控制装置、连接管路、燃料库和生活区。

[0059] (6)通讯系统8

[0060] 所述通讯系统8包括海事卫星通讯设备和水下通讯设备。

[0061] 二、水下集矿系统2

[0062] 水下集矿系统2用于在平台主体总系统的控制下在水下将矿石从海床铲出并堆积成海底矿石山。所述水下集矿系统2包括水下集矿设备和脐带缆2‑3；

[0063] (1)脐带缆2‑3

[0064] 所述脐带缆2‑3包括动力缆和信号缆，所述信号缆与通讯系统8相连，所述动力缆分别连接水下集矿设备和平台主体总系统。

[0065] 信号缆用于向平台主体总系统传输海底矿石山的GPS定位信号；动力缆用于为水下集矿设备提供动力。

[0066] (2)水下集矿设备

[0067] 所述水下集矿设备包括水下采矿铲车2‑1和水下履带式翻斗车2‑2。

[0068] 水下采矿铲车2‑1用于将矿石从海床上铲出并在冲洗干净其中的泥沙后将其放置于水下履带式翻斗车2‑2中，水下履带式翻斗车2‑2用于将矿石运输至海底集矿场，堆积形成海底矿石山。

[0069] 三、集矿提升系统4

[0070] 集矿提升用于在平台主体总系统的控制下将海底矿石山中的矿石运输到平台主体总系统上。集矿提升系统4可以根据实际情况设置多组，比如15～25组，多组集矿提升系统4同步作业，用于实现大范围快速深海采矿。具体的数量可以根据实际情况进行选择，以便更好地满足实际需求。

[0071] 所述集矿提升系统4包括卷扬机动力装置4‑1和矿石提升装置4‑2；所述卷扬机动力装置4‑1设置在平台刚性结构系统1上；

[0072] 所述矿石提升装置4‑2包括钻地定位锚固装置4‑3、矿石网兜4‑4和矿石提升缆4‑5，所述矿石提升缆4‑5的两端分别连接卷扬机动力装置4‑1和矿石网兜4‑4；所述矿石网兜
4‑4为纤维编织的网兜。

[0073] 所述钻地定位锚固装置4‑3包括抓地装置4‑6、自吸式锚固装置4‑7、鱼鳍式负压装置4‑8和滑轮装置4‑9，所述抓地装置4‑6和所述鱼鳍式负压装置4‑8分别设置在所述自吸式锚固装置4‑7的上下两端，所述自吸式锚固装置4‑7经滑轮装置4‑9与矿石提升缆4‑5相连。

[0074] 抓地装置4‑6用于初步着泥定位；自吸式锚固装置4‑7带有空腔装置通过排水负压实现定位锚固；鱼鳍式负压装置4‑8保障在海底洋流作用下锚固装置的稳定性；滑轮装置4‑9用于牵引矿石提升缆4‑5。

[0075] 集矿提升系统4采用牵引方式提升矿石，定位稳定，能耗相较于泵送式大幅减少。采用编织式网兜，能够降低海底水分提升至水面的能耗。每组装备单次能提升海底矿石达
300吨以上，实现高效集矿。

[0076] 本实施例中，所述平台刚性结构系统1包括圆台型和船型两种形式，

[0077] (1)当平台刚性结构系统1为圆台型

[0078] 如图1所示，所述平台刚性结构系统1的上表面沿其周向均匀间隔设置有多个沉箱锚固系统5和集矿提升系统4；所述沉箱锚固系统5和集矿提升系统4间隔交替设置；所述通讯系统8和舾装设备系统7设置在平台刚性结构系统1的上表面，所述矿石储存及外输系统6设置在所述平台刚性结构系统1的外周侧；

[0079] 所述自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1设置在平台刚性结构系统1的底部，所述电子计算机控制系统3‑2设置在平台刚性结构系统1的上表面，所述拖拽牵引装置3‑3设置在平台刚性结构系统1的外周侧。

[0080] 平台刚性结构系统1为圆台型时，其直径需大于130米。圆台型的平台刚性结构系统1面积大，可布置集矿及传输设备多，实现海上高效集矿平台的综合利用。

[0081] (2)当平台刚性结构系统1为船型

[0082] 如图2所示，所述平台刚性结构系统1下表面的一端设置有可解扣脱离的安装台，所述安装台沿其周向设置有多个锚固组，所述锚固组包括多个沿所述安装台下表面周向均匀间隔设置的沉箱锚固系统5；所述平台刚性结构系统1上表面的相对两侧沿其长度方向均匀间隔设置有多个集矿提升系统4；所述通讯系统8和舾装设备系统7设置在平台刚性结构系统1的上表面，所述矿石储存及外输系统6设置在所述平台刚性结构系统1的外周侧；

[0083] 所述自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1设置在平台刚性结构系统1远离安装台一端的底部，所述电子计算机控制系统3‑2设置在平台刚性结构系统1的上表面，所述拖拽牵引装置3‑3设置在平台刚性结构系统1靠近安装台一侧的外周侧；

[0084] 所述自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1设置在平台刚性结构系统1的底部，所述电子计算机控制系统3‑2设置在平台刚性结构系统1的上表面，所述拖拽牵引装置3‑3设置在平台刚性结构系统1的外周侧。

[0085] 平台刚性结构系统1为船型时，其长度方向尺寸大于130米且可随洋流调整平台刚性结构系统1的方向。实现在海涌作用下平台集矿作业稳定性高、受干扰小、作业窗口期长。船型方式可以实现将安装台与船体解扣，从而实现沉箱锚固系统5与船体的脱离，及时撤离极端海洋环境。

[0086] 船型的平台刚性结构系统1提供单点锚固且可随洋流调整平台方向，自航拖行效率高。

[0087] 平台刚性结构系统1的两种选型可灵活运用于不同海洋环境，不同规模矿场，实现能源与资源的高效利用。两种选型在锚固形式上存在差别，圆台型的沉船锚固系统设置在平台上表面周向，且对称布置，实现多点锚固；船型的沉船锚固系统集中布置在安装台上，实现单点锚固。

[0088] 实施例二

[0089] 参见附图4，本实施例中，提供了一种水深六千至八千米条件下深海采矿的海上集矿方法，海上集矿方法利用所述的海上集矿平台实现，所述海上集矿方法包括，

[0090] S1、海底集矿:针对特定已勘明的水深在六千米至八千米的海底矿场，海上集矿平台抵近水域，下放水下集矿系统2，水下采矿铲车2‑1将矿石从海床上铲出并在冲洗干净其中的泥沙后将其放置于水下履带式翻斗车2‑2中，水下履带式翻斗车2‑2将矿石运输至海底集矿场，堆积形成海底矿石山；

[0091] S2、平台定位：水下集矿系统2向平台主体总系统提供海底矿石山的GPS坐标，平台刚性结构系统1在推进牵引系统3的驱动下移动到海底矿石山的上方；

[0092] S3、矿石提升：沉箱锚固系统5被下放到海底并锚固于海床上，集矿提升系统4被下放到海底矿石山处，水下履带式翻斗车2‑2将海底矿石山中的矿石放置在集矿提升系统4中，集矿提升系统4将矿石提升至海面，并存储于矿石储存及外输系统6中；

[0093] 其中，沉箱5‑1重约20～30吨，沉至海底后通过抽气注水设备5‑2将沉箱5‑1中的气体抽出，沉箱5‑1通过水压自锚固于海床上，可辅助以自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1定位，使海上集矿平台保持水面相对固定位置；

[0094] 海上集矿平台包括15～25组卷扬机动力装置4‑1，每组卷扬机动力装置4‑1可单次提升约300吨重物，下放矿石提升设备，水下履带式翻斗车2‑2将矿石置于矿石提升装置4‑2中，提升至海面，储存于矿石储存及外输系统6的矿石存储舱6‑1中；

[0095] S4、矿石运输：万吨级货轮停靠于平台刚性结构系统1旁，矿石储存及外输系统6将存储的矿石运输至万吨级货轮中，万吨级货轮将矿石运输至陆地；

[0096] S5、结束作业：当海底矿石山运输完毕，回收水下集矿系统2、集矿提升系统4、沉箱锚固系统5，海上集矿平台通过自航及动力定位螺旋桨推进器3‑1和或拖拽牵引装置3‑3驶离海域，完成对特定海底矿场的开采任务。

[0097] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

[0098] 本发明公开了一种水深六千至八千米条件下深海采矿的海上集矿平台及集矿方法，平台主体结构为刚性结构，采用钢或外包玄武岩纤维作为材料选型，保证海上作业稳定性和耐久性。多组集矿提升系统同步作业，实现矿石提升运输的高效化；矿石先堆积至海底集矿场，实现海底集矿设备大范围采矿堆料。3、沉箱锚固系统采用自锚固方式，实现海上集矿平台定位的节能化。采用单元式装配化结构，可实现陆地预制施工，连接方式主要采用焊接，可保证平台水密性。系统兼用螺旋桨自航和拖船拖曳，能够高效地实现平台刚性结构系统在海上的位置转移。平台主体结构可采用圆台型或船型，两种选型可灵活运用于不同海洋环境，不同规模矿场，实现能源与资源的高效利用。

[0099] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。