[0001] 本发明涉及海洋工程深海采矿装备技术领域，具体涉及一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法。

[0002] 随着工业化的快速发展，高新产业对稀有矿物的需求急剧增加，陆地矿物资源已经不能够满足日益增长的需求。海洋稀有金属矿产资源丰富，为了克服未来的资源短缺问题，各国开始把焦点聚集于占地球绝大部分区域的海洋。我国海底多金属结核矿区为西太平洋CC区，其中金属资源储量丰富，大约有4.2亿吨的金属结核量。

[0003] 多金属结核中富含丰富的猛，镍，铜，钴，钼和各种稀土金属，在海洋中的产量预计3万亿吨，富含巨大的商业价值，被认为是最关键的陆地矿物替代资源，仅我国在太平洋CC区分配的区域，矿产总储量就可解决我国近百年的矿产资源需求。但是，深海内部的作业环境极其恶劣和复杂，多赋存于4000m到6000m深的高压、高盐环境，仍然只有少数的商业组织和国家能够实现深海矿产的资源化利用。

[0004] 多金属结核形状为马铃薯状，广泛分布于海底4000‑6000m的深海盆地沉积物的表层中，提升采矿系统被认为是最具有实际应用潜力的系统，该系统由深海采矿车，立管和采矿支持船组成。其中，深海采矿车行驶在松软的深海底部，依靠行走装置保持其通过性能，并通过集矿系统收集海底的锰结核，深海采矿车收集的结核矿物通过连接软管输送到中继站中破碎处理，管道提升系统中的立管和提升泵将收集的多金属结核输送到采矿船上。

[0005] 深海稀软底质性由于其独特的高压含盐沉积环境，与陆地土相比深海沉积物具有超高含水量、超小内摩擦角、巨大孔隙比、高液限、高塑性、高灵敏度、高压缩性、低密度等，承载能力很低，采矿车常常遭遇不良工况，如沉陷、翘起等，严重影响采矿进度。因此，急需一种较为成熟的采矿车脱困方法，以保证采矿车的连续、高效作业，提高采矿车的稀软底质适应能力，以满足深海采矿作业的需求。

[0049] 下面将结结合本申请实施实例中的附图，对本申请实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本申请保护范围。

[0050] 本说明书所附图中的结构，大小，比例等。均是用于配合本说明书所示的内容，用来提供给熟悉本技术的有关人士了解并阅读，而非用以规定发明的各种限定条件，所以并不具备实际上的意义，任何的结构调整，大小改变，比例关系变化，只要不影响本发明所能产生的功效，均应该涵盖在本发明的范围内。同时本说明书中所运用的各种限定位置的词语“车内”“两端”等，均为了叙述方便，而非固定其相应位置和实施范围，对其相对关系进行调整，在没有对实质技术进行改变的的情况下，就应当看作是本发明的范畴，同时各种防水材料的选用也不做以规定。

[0051] 如图1—9所述的基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，包括以下步骤：

[0052] S10：当深海采矿车在深海沉积物中行驶作业时，位于采矿车内部的倾角传感器202和位于车体两端的距离传感器201开始工作，实时感知采矿车倾斜角度及沉陷深度，并将数传递给智控装置。

[0053] S20：智控装置3接收到监测装置传递的实时数据后，通过中央处理器301对数据进行处理，依据深海沉积物力学参数，判断采矿车所处的沉陷深度及倾斜角度，当监测数据发生异常，智控装置根据所得实时数据选用合适的处置方案，并向储液装置1及分级注浆脱困装置发送电信号。

[0054] S30：储液装置1接收到智控装置发送的电信号后，储液罐101及控制阀102开始工作，控制阀102打开阀门，通过管道向混合器403中注入不同比例的A液与B液,A液为聚氨酯材料，B液为固化剂。

[0055] S40：分级注浆脱困装置包括注入浆泵、注浆管和混合器，混合器403将储液装置1注入的AB液进行充分的搅拌混合，注浆管根据不同的工况，按照不同的注浆角度延伸进入沉积物中；

[0056] S50：随着浆液的注入，受扰动深海沉积物的物理力学性质得到改良。速凝型双液浆快速凝结，提高深海沉积物抗剪能力，同时采矿车转速适当降低，提高矿车牵引力。

[0057] S60：采矿车在分级注浆脱困装置及自身动力装置的协作下，于加固后的深海沉积物上成功脱困，恢复正常行驶，采矿车分级注浆脱困装置恢复原位，倾角传感器202和距离传感器201持续工作，以备下次出现的翘起及沉陷。

[0058] 在S40步骤中，不同沉陷量及倾斜角度下的具体脱困方法如下所示：

[0059] S41：当采矿车沉降深度为0‑7cm，采矿车倾斜角度为0‑5°时，采矿车处于持力层，采矿车无倾斜，仅依靠履带板及采矿车动力系统自行调节采矿车的正常行驶，监测装置持续监测采矿车状态；

[0060] S42：采矿车沉降深度为0‑7cm时，采矿车倾斜角度为5‑15°时，采矿车处于持力层且发生倾斜，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为9:1‑10:1，较低侧注浆管以5‑15°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.1‑1.3倍静海水压力，注浆速度为1‑1.3L/min，采矿车转速为0.8‑0.9倍正常行驶转速，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0061] S43：采矿车沉降深度为0‑7cm时，采矿车倾斜角度为15‑30°时，采矿车处于持力层且发生严重倾斜，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为8:1‑9:1，较低侧注浆管以15‑30°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.1‑1.3倍静海水压力，注浆速度为1‑1.3L/min，采矿车转速为0.7‑0.8倍正常行驶转速，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0062] S44：采矿车沉降深度为7‑15cm时，采矿车倾斜角度为0‑5°时，采矿车轻微沉陷无翘起，采矿车两侧分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为9:1‑10:1，两侧注浆管以0‑5°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.3‑1.5倍静海水压力，注浆速度为1.3‑1.5L/min，采矿车转速为0.8‑0.9倍正常行驶转速，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0063] S45：采矿车沉降深度为7‑15cm时，采矿车倾斜角度为5‑15°时，采矿车轻微沉陷且发生翘起，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为8:1‑9:1，较低侧注浆管以5‑15°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.3‑1.5倍静海水压力，注浆速度为1.3‑1.5L/min，采矿车转速为0.7‑0.8倍正常行驶速度，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0064] S46：采矿车沉降深度为7‑15cm时，采矿车倾斜角度为15‑30°时，采矿车轻微沉陷且严重翘起，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为7:1‑8:1，以实现快速凝结脱困，两侧注浆管以15‑30°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.3‑
1.5倍静海水压力，注浆速度为1.3‑1.5L/min，采矿车转速为0.6‑0.7倍正常行驶速度，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0065] S47：采矿车沉降深度为15‑25cm时，采矿车倾斜角度为0‑5°时，采矿车严重沉陷，采矿车两侧分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为8:1‑9:1，两侧注浆管以0‑5°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.6‑2倍静海水压力，注浆速度为1.8‑2L/min，采矿车转速为0.7‑0.8倍正常行驶速度，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0066] S48：采矿车沉降深度为15‑25cm时，采矿车倾斜角度为5‑15°时，采矿车严重沉陷且发生翘起，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为7:1‑8:1，以实现快速凝结脱困，较低侧注浆管以5‑15°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.6‑
2倍静海水压力，注浆速度为1.8‑2L/min，采矿车转速为0.6‑0.7倍正常行驶速度，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困；

[0067] S49：采矿车沉降深度为15‑25cm时，采矿车倾斜角度为15‑30°时，采矿车严重沉陷且发生严重翘起，倾斜较低侧的采矿车分级注浆脱困装置开始工作，A液和B液的流量比例为6:1‑7:1，以实现快速凝结脱困，较低侧注浆管以15‑30°角探入深海沉积物中，注浆压力为1.6‑2倍静海水压力，注浆速度为1.8‑2L/min，采矿车转速为0.5‑0.6倍正常行驶速度，以提供更大履带牵引力，保证采矿车成功脱困。

[0068] 一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困装置及方法，包括储液装置、监测装置、智控装置和分级注浆脱困装置组成，所述储液装置包括储液罐101与控制阀102，监测装置包括距离传感器201与倾角传感器202，智控装置包括中央处理器301和信号接收302、发射装置303，分级注浆脱困装置包括注浆泵401、注浆管402与混合器403。

[0069] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述储液装置位于采矿车内部，其储液罐101共有两个，其中位于前部储液罐101装有A液，尾部储液罐101装有B液。其中，A液为异氰酸酯基(NCO)预聚体材料，B液为脂肪胺固化剂，控制阀内置信号接收器用于控制储液罐开关。

[0070] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述监测装置中，倾角传感器202位于采矿车内部，用于监测采矿车倾斜角度，距离传感器201位于采矿车前后两端共16个，暴露在海水中，用于监测采矿车下沉深度，监测装置2联合测定采矿车所处沉陷、倾斜状态。

[0071] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述智控装置位于采矿车内部，中央处理器301内置信号接收器302与信号发送器303，可接收监测装置发送的电信号，并通过中央处理器301对数据进行处理，选用合适的注浆配比，并向注浆泵401及控制阀102发送电信号，调节A液和B液的流量比例、注浆工艺、注浆参数和采矿车动力学参数。

[0072] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述分级注浆脱困装置中注浆泵401与混合器403位于采矿车内部，当接收到中央处理器301的电信号之后，控制阀102以不同速率，调节A液和B液的比例，并进入混合器混403合搅拌。注浆管402位于采矿车履带外侧，可延伸入深海沉积物中，由注浆泵401提供压力，向深海沉积物中注入混合后的双液浆，用于注浆脱困。

[0073] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述储液装置、监测装置、智控装置和分级注浆脱困装置通过绝缘电线与采矿车电源相连，由采矿车电源供能。

[0074] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述的储液装置、监测装置、智控装置均置于采矿车车体内部，由采矿车车体外壳隔绝深海的高压高盐环境，保证位于采矿车内部装置的正常使用，位于采矿车外部的分级注浆脱困装置采用高强度铝合金绝缘外壳，防止海水的渗入。

[0075] 如图1—8所述的一种基于底质分级加固的海底采矿车脱困方法，所述储液装置中，其A液异氰酸酯基(NCO)预聚体材料具有良好的耐腐蚀性，B液脂肪胺固化剂能够实现高强度快速固化，二者根据智控装置调控，向混合器403中分级注入不同比例浆液，克服沉陷与倾斜。