[0001] 本发明涉及海洋采矿工程技术领域，具体涉及一种海洋矿砂射流中继输送装备及工作方法。

[0002] 工业发展对各种矿产资源的需求不断增加，人们开始将目光转向海洋底部的矿产资源，希望通过海洋采矿来满足不断增长的资源需求。在数千米深的海底蕴藏着极为丰富的矿产资源，其种类之繁多、储量之巨大、品质之高优是未来获取矿产资源的最佳渠道。海洋环境复杂多变，开采难度较大，需要加强科学研究和技术研发，提高海洋采矿的技术水平和安全性。在推动海洋采矿项目发展的过程中，需要综合考虑多个因素，实现可持续发展，以满足人类对矿产资源的持续需求。

[0003] 进行海底矿石开采过程中，采矿车在海底收集矿石后送入破碎仓，在破碎仓内将矿石破碎成矿砂，在泵送至中继仓内并通过提升管送至水面母船。中继仓的顶部设置有矿浆入口与海水溢流口，海水溢流口上安装有矿石过滤网盖，矿砂由中继仓的矿浆入口进入其内部，沉降至中继仓的下部，中继仓的海水溢流口与外部海水相通，中继仓内海水扰动产生的羽流通过海水溢流口源源不断排出，造成海洋污染。

[0004] 提升管的下端穿过中继仓的顶部，伸至中继仓的底部，提升管下端埋于矿砂的下部，另外，中继仓的底部设置有与提升管下端口对应的射流头，射流头的冲射的目的是扰流，防止矿砂堵塞提升管下端口，并不会使矿砂进入提升管获得初动能，需要在提升管间隔设置较多的提升泵，设备处于水下，出现故障维修难度大，成本高，如果上部的矿砂因挤压无法坍塌下落时，会在下部形成空腔，即便有射流头的冲射也无法使矿石进入提升管，提升能力差，且输送效率低。因此，现有中继仓的结构存在技术缺陷，需要进一步改进。

[0043] 为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

[0044] 实施例1，结合图1至图7，一种海洋矿砂射流中继输送装备，包括外筒1、上盖2、直线驱动机构3、内筒4、引射管5、提升管61、冲砂组件7、水泵及控制单元，所述外筒1为底部封闭的圆筒状结构且竖向布置，具体地，所述外筒1的上端设有上环形座11，上环形座11的底部内侧与外筒1上端固定相连成一体，上环形座11的侧壁上嵌设有密封圈，通过密封圈与上盖2的内侧壁滑动密封配合。

[0045] 所述外筒1的下端设有下环形座12，下环形座12的内侧与外筒1下端固定相连成一体，下环形座12底部设有底板13，底板13将外筒1的下端封闭。控制单元包括PLC控制器和超声波测距传感器，超声波测距传感器设在外筒1内部，其信号端与PLC控制器通讯相连。

[0046] 上盖2滑动套设于外筒1顶部，将外筒1的顶端封闭。具体地，上盖2包括顶板21及圆形侧壁22，所述圆形侧壁22与外筒1同轴布置，其上端具有向内弯折形成的环形内翻边，顶板21与环形内翻边固定密封相连。

[0047] 外筒1侧壁上设有矿砂输入管62，矿砂输入管62的一端与外筒1的前侧壁上部相连，另一端能够连接深海采矿车的矿石破碎仓相连，工作状态下，采矿车采集的海底矿石进入破碎仓被破碎成粒径较小的矿砂，矿砂随海水被泵送至矿砂输入管62，到达外筒1内部并降落至外筒1的下部。超声波测距传感器安装在顶板21的底部，随顶盖升降或降低，其作用是实时探测外筒1内部矿砂上表面的高低，并将数据发送至PLC控制器，PLC控制器根据超声波测距传感器的数据控制冲砂组件7的下喷嘴73与外筒1内部矿砂上表面的距离。

[0048] 所述直线驱动机构3有三个，呈环形均匀设置在外筒1的上部外侧。直线驱动机构3包括液压缸31及油缸支架32，所述油缸支架32设上环形座11的底部，液压缸31竖向穿设在上环形座11上，其缸体与油缸支架32固定相连，活塞杆端部与顶板21固定相连，液压缸31的信号端与PLC控制器通讯相连。

[0049] 各直线驱动机构3的伸缩端均与上盖2固定相连，工作状态下，PLC控制器通过信号指令控制所有液压缸31的活塞杆同步伸缩，进而实现驱动上盖2相对于外筒1沿外筒1的轴线方向升高或降低。

[0050] 内筒4竖向设置在外筒1的内侧，且与外筒1同轴布置。具体地，所述内筒4包括同轴布置的上筒体41和下筒体42，上筒体41和下筒体42为规格相同的圆筒且端部对接，内筒4的上端与所述上盖2的底部固定相连成一体，内筒4的底部设置有下端盖43，上盖2和下端盖43分别将内筒4的两端封闭，在直线驱动机构3的作用下，内筒4随上盖2相对于外筒1升高或降低。

[0051] 引射管5设在所述内筒4的内侧上部，引射管5与内筒4同轴布置，引射管5的外径小于内筒4的内径，上筒体41的上端与引射管5的外侧壁固定密封配合。提升管61下端穿过上盖2与引射管5的上端相连相通，提升管61的外侧壁与内筒4的外侧壁之间形成混合腔101。提升管61上设置有提升泵，其上端与水面母船相连，提升泵为进入引射管5和提升管61内的海水及矿砂提供向上的驱动力，将矿砂抽至水面母船。

[0052] 引射管5的内部为变径通道，变径通道是由位于上方的扩散段51和位于下方的喉管段52组成，所述引射管5的底部为喇叭状的引射口53，引射口53的收口端与喉管段52相连相通。

[0053] 冲砂组件7设在内筒4内侧下部，包括芯管71、上喷嘴72和下喷嘴73，所述芯管71竖向布置，其上部与内筒4固定密封配合，芯管71的下端与所述下端盖43固定相连。芯管71的圆周侧壁为二阶阶梯状，其上段的外径大于下段的外径，芯管71上段的外壁与下筒体42内侧壁固定相连，并凸出于下筒体42的上端面，上筒体41的下端与芯管71的上段固定密封套接。

[0054] 所述上喷嘴72设置在芯管71的上端且与引射管5正向对应，具体地，所述上喷嘴72与引射口53竖向同轴布置，上喷嘴72的出口端内径小于喉管段52的内径。

[0055] 所述水泵通过位于外筒1内的高压水管63与芯管71相连相通。优选地，芯管71上段的后侧壁上设置有90°接头44，90°接头44的一端穿过下筒体42与芯管71上段固定相连，另一端与高压水管63的一端相连，高压水管63的另一端穿出上盖2与水泵的出水口相连。

[0056] 芯管71下段的外径小于下筒体42的内径，芯管71下段的外侧壁与下筒体42的内侧壁之间为环状的负压吸入腔102，负压吸入腔102通过位于芯管71内的通孔74与所述混合腔101相通。

[0057] 具体地，所述通孔74有五个，且竖向开设于芯管71上段的管壁内部，五个通孔74均匀分布在以芯管71的轴线为圆心的1/2圆周上，通孔74的轴线与芯管71的轴线平行，负压吸入腔102由通孔74与混合腔相连相通。

[0058] 内筒4侧壁上开设有两个侧吸口8，两个所述侧吸口8相对布置在负压吸入腔102的左右两侧，所述矿砂输入管62与外筒1的连接处位于侧吸口8上方。矿砂通过矿砂输入管62进入外筒1内部后，绝大部分矿砂下降至外筒1底部，会有少量矿砂下降过程中通过侧吸口8进入负压吸入腔102。

[0059] 下喷嘴73设在下端盖43上且与芯管71相通。下端盖43的中心处具有圆形的凸台，所述凸台固定嵌设在下筒体42的下端内侧且与其密封配合，芯管71的下端与凸台的顶部固定相连。凸台的内侧为底部开放的空腔，下喷嘴73竖向设置在空腔内部且与凸台同轴布置，上端穿设在凸台的顶部且与芯管71相通，其下端低于下端盖43的底部。

[0060] 工作状态下，引射管5的内部、混合腔101和负压吸入腔102均处于负压状态，外筒1海水及矿砂进入负压吸入腔102，通过五个通孔74进入混合腔101。水泵向芯管71的内部持续供入高压水，高压水通过上喷嘴72和下喷嘴73分别向上和向下射流，上喷嘴72将混合腔101内的矿砂冲射进入喉管段52并上升到扩散段51，使进入引射管5内的矿砂获得较大的动能，矿砂在喉管段52能够获得加速，提高矿砂的输送效率。

[0061] 下喷嘴73喷射出的高压水对外筒1下部的矿砂冲射，使矿砂悬浮并上升，在内筒4的内外压差作用下快速通过侧吸口8进入负压吸入腔102。下喷嘴73及内筒4随着矿砂表面的高度变化，保持有效射流距离，保证矿砂持续、高效进入内筒4并上下输送。

[0062] 实施例2，结合图1至图7，一种海洋矿砂射流中继输送装备的工作方法，采用上述海洋矿砂射流中继输送装备，工作方法包括如下步骤：

[0063] 步骤一、在提升管61上安装提升泵，提升管61的上端与水面母船相连，之后，将海洋矿砂射流中继输送装备放置于海水中下沉至设定高度，水下机器人将矿砂输入管62通过吸砂泵与深海采矿车的破碎仓相连。

[0064] 步骤二、吸砂泵和提升泵同步启动，破碎仓内的碎矿砂通过矿砂输入管62进入外筒1的内部，并降落至外筒1的底部积累，超声波测距传感器实时监测外筒1底部矿砂的高度，并将信息传输至PLC控制器。

[0065] 外筒1内的矿砂上表面到达初始设定高度后，水泵开始工作，向芯管71内部连续泵送高压水，一部分高压水通过下喷嘴73冲射外筒1底部的矿砂，矿砂向上悬浮于水体中，另一部分高压水通过上喷嘴72向引射管5的底部喷射，使混合腔呈负压状态。

[0066] 步骤三、悬浮于水体的矿砂通过侧吸口8进入负压吸入腔102，并由通孔74冲射进入混合腔，上喷嘴72喷出的高压水带动混合腔101内的海水和矿砂进入引射管5内，在提升泵的作用下，进入引射管5内的海水及矿砂被提升至水面母船。

[0067] 随着外筒1内部矿砂上表面的高度变化下喷嘴73会上下移动，下喷嘴73距离外筒1内部矿砂上表面的高度值保持恒定。

[0068] 具体地，下喷嘴73与外筒1内部矿砂上表面的距离保持在设定的距离区间内，当超声波测距传感器探测到下喷嘴73与矿砂上表面的距离小于区间的最小值时，下喷嘴73会向上移动至区间的最大值后停止运动；当超声波测距传感器探测到下喷嘴73与矿砂上表面的距离大于区间的最大值时，下喷嘴73会向下移动至区间的最小值后停止运动，使下喷嘴73与矿砂上表面始终保持有效射流距离，保证悬浮矿石持续进入侧吸口8。

[0069] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0070] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0071] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0072] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。