[0001] 本发明涉及双联组合式射流集矿装置技术领域，具体的，涉及一种双联组合式射流集矿装置。

[0002] 海洋占地球表面积70％，蕴藏着丰富的矿产资源，其中，深海多金属结核储量就达数百亿吨，折合铜、镍、钴金属量20多亿吨，是新能源产业不可或缺的重要原材料，在陆地资源日渐枯竭的境况下，开发深海资源是未来发展的必然选择。深海矿产资源开采对相关装备技术要求极高

[0003] 深海多金属结核一般为土豆大小，它们以离散的固体颗粒形式赋存于深海稀软沉积物表层，相较于富钴结壳和多金属硫化物更易于采集。针对多金属结核的特殊赋存形态，当前公认最具商业化前景的开采形式是利用自行式履带车收集，再通过管道提升系统运输至水面支持船，其中，履带车的集矿头是最关键的装置。自20世纪60年代以来，国内外研发团队研发了多种形式的采集头，主要分为机械式、水力式与复合式三大类，机械式与复合式集矿头尽管能耗低采集率高，但结构可靠性较差，易发生机械损坏导致采集失效且对深海环境破坏性大，而水力式集矿头结构简单且经久耐用，更加具备应用价值，但采集效率及稳定性有待提高。因此，研制一种高效、稳定、低扰动的集矿装置对未来实现深海矿产资源大规模商业开发意义重大。

[0043] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

[0044] 如图1‑11所示，一种双联组合式射流集矿装置，主要包括双排射流采集头1、双排射流泵管2、环形射流泵管3、矿石输送管4，双排即为两个。其中，两组射流泵管2分别为两个射流采集头1提供射流流量与水头，一组环形射流泵管3分别为两个矿石输送管4提供射流流量与水头，双排射流采集头1与矿石输送管4两两组合连通。

[0045] 具体的，本实施例中的双排射流采集头1主要由右侧板101、左侧板102、前排射流筒103、后排射流筒107、前排导流弧形板104、后排导流弧形板106以及异形腔体105构成。前排射流筒103为圆柱形腔体结构，圆柱柱面一侧中间开设有水流接收孔，用于接收射流泵管2泵送过来的水流。圆柱柱面另一侧开一排小孔，并焊接一排前侧喷嘴108，喷嘴为圆柱形金属管，用于斜向喷射水流，前排射流筒103上侧圆孔中心截面与前侧喷嘴108焊接孔的中心截面夹角为90度。后排射流筒107结构和功能与前排射流筒103类似，区别在于后侧喷嘴109焊接孔的中心截面与后排射流筒107后侧开孔的中心截面夹角约135度。前后喷嘴的斜向射流可将多金属结核从海底沉积物中剥离，同时，前后斜向射流在中间交汇形成上喷流，可实现多金属结核的初步提升输送。前后喷嘴射流中心轴线与圆孔输入水中心轴线分别夹角
90°与135°，一方面可使输入水流在射流筒内充分运动，令同一排多个喷嘴射流流量相对均匀，另一方面可使射流采集头1结构空间布置更加合理，既不干涉其他结构，也不影响底部多金属结核采集。

[0046] 前排导流弧形板104前端与前排射流筒103柱面焊接，且弧面与前侧喷嘴108中心截面的平行面相切。后排导流弧形板106与后排射流筒107间隔一定距离，后排导流弧形板106的截面弧线上端与前排导流弧形板104直板平行面相切，下端垂直于水平面。前排导流弧形板104与喷嘴射流轴心面相切可使射流产生附壁效应形成负压，有利于多金属结核的剥离与提升。后排导流弧形板106上端与前排导流弧形板104直板平行面相切可保证异形腔体105处流场平滑过渡，下端垂直于水平面可拦截被剥离的多金属结核，提升采集率。右侧板101与左侧板102将前排射流筒103、后排射流筒107、前排导流弧形板104以及后排导流弧形板106夹在中间焊为一体，右侧板101、左侧板102、前排导流弧形板104以及后排导流弧形板106四块板组成长方形开口，该方形开口四边与异形腔体105焊接。异形腔体105为放样空腔，下部开口为长方形，上部开口为圆形，上部开口与矿石输送管4相通。由于射流采集头1(本实施例中优选双排设置)主体为异形薄板结构，在作业过程中会受到负压作用，为了避免结构变形损坏，在不同位置设计肋板焊接在薄板外表面。其中，在异形腔体105沿纵向的
1/3和2/3处焊接两个环状肋板110，异形腔体105结构加强效果较优。在前排导流弧形板104等间距焊接四条前横向肋板，在后排导流弧形板106等间距焊接两条后横向肋板111，在双排射流采集头1前后中心面上分别焊接前纵向肋板112和后纵向肋板113，在异形腔体105两侧也分别焊接侧向肋板114。

[0047] 两个并排设置、构成双排结构的射流泵管2主要由第一液压马达208提供动能，通过轴承与第一叶轮207转动抽吸周围水流，第一马达支撑架206设计为叶状开口的形式，并与第一导水壳205通过螺栓连接，抽吸水流从第一马达支撑架206的叶状开口进入第一导水壳205，然后在叶轮转动导流作用下进入到第一蓄水仓201中，第一蓄水仓201呈空心圆柱筒结构，且第一蓄水仓201上侧、及自身两侧均设有圆孔，第一蓄水仓201上侧圆孔与第一导水壳205通过第一法兰盘204连接，第一蓄水仓201前侧开孔连接有前侧三通管202，前侧三通管202连通前排射流筒103，第一蓄水仓201后侧开孔连通有后侧三通管203，后侧三通管203连接后排射流筒107。

[0048] 环形射流泵管3与两套矿石输送管4组合在一起实现多金属结核矿石的输送功能。环形射流泵管3主要由第二液压马达306提供动能，通过轴承与第二叶轮305转动抽吸周围水流，第二马达支撑架304设计为叶状开口的形式，并与第二导水壳303通过螺栓连接，抽吸水流从第二马达支撑架304的叶状开口进入第二导水壳303，然后在第二叶轮305转动导流作用下进入到环流蓄水仓301中。环流蓄水仓301为一空心直槽筒，环流蓄水仓301的下表面以直槽圆心为中心开两个圆口，将两个相同的矿石输送管4嵌入并焊接，环流蓄水仓301的上表面以直槽圆心为中心开两个圆口，分别焊接两个扩散管405，环流蓄水仓301的上表面中心再开一个圆口，然后焊接法兰盘302、并用于连接第二导水壳303。

[0049] 矿石输送管4主要由六段组成，第一段为输送内管401，该圆管穿过环流蓄水仓301并与其下表面圆口焊接，穿入部分设有变径段与窄口段，输送内管401是环形射流的抽吸结构，在抽吸口附近做适量收缩有利于加强抽吸效果；第二段为导流环402，圆环内侧与输送内管窄口段外侧所夹空间为环形射流喷口，圆环内侧与输送内管窄口段外侧通过焊接导流板进行连接固定；第三段为收缩管403，该管是上窄下宽的空心圆台，环形射流出口位置的截面收缩有利于加强抽吸效果，其下圆环与导流环402焊接；第四段为喉管404，其下口与收缩管403焊接；第五段为扩散管405，其下口与喉管404焊接，该位置也是与环流蓄水仓301的上表面焊接的位置；第六段为长输送管406，其下口与扩散管405焊接，上口设计为法兰盘，用于连接矿车上的输送软管且便于装配和拆卸检查。

[0050] 为了增强结构在作业过程中的抗变形能力，在环形射流泵管3与矿石输送管4的结构外表面的横纵方向焊接第一加强肋板408与第二加强肋板407，并与双排射流采集头1中的前纵向肋板112、后纵向肋板113以及侧向肋板114连通。

[0051] 双联组合式射流集矿装置的集矿流程可分为两步，第一步由一组双排射流泵管2配合两组双排射流采集头1实现多金属结核从深海沉积物中剥离的功能，第二步由一组环形射流泵管3配合两组矿石输送管4实现输送多金属结核的功能，具体的流量输送路径及矿石采集原理如下:

[0052] 首先，由双排射流泵管2中的第一液压马达208带动轴承与第一叶轮207将周围水流P1进行汇集，并泵入到第一蓄水仓201中并进行分流，一部分流量P2向前流入前侧三通管202内，进一步通过前排射流筒103以及前侧喷嘴108形成前排射流P4，另一部分流量P3向后流入后侧三通管203内，进一步通过后排射流筒107以及后侧喷嘴109形成后排射流P5。值得注意的是，第一蓄水仓201前后开口的口径是相等的，优选为120mm，前排射流筒103与后排射流筒107内径相等，优选为150mm，前侧喷嘴108与后侧喷嘴109的孔径及相邻喷嘴中心间距也相等，孔径优选为14～16mm,相邻喷嘴中心间距优选为30～40mm，所以前后排射流P4与P5的流量理论上是相等的。当前设计尺寸是经过计算与试验验证后的最优值，在此条件下的采集效果最优。

[0053] 前后排射流P4与P5作用在深海沉积物表层，将多金属结核周围的沉积物冲蚀剥离，同时在双排射流采集头1的腔体内形成上喷流P6，上喷流P6将多金属结核抬升至一定高度。其中，前排射流P4的轴线与前排导流弧形板104的截面弧线相切，前排射流P4受弧形面的影响产生康达效应，使结核受到额外的负压升力；后排射流P5与后排导流弧形板106间隔一定距离形成开口，使得射流卷吸流量增大(利用开口从上侧吸入)且能避免在采集通道内形成涡流(涡流削弱采集效率)。前侧喷嘴108形成的前排射流P4轴心平面与海底平面夹角优选为35～45°，后侧喷嘴109形成的后排射流P5轴心平面与海底平面夹角优选为45～55°，前侧喷嘴108与后侧喷嘴109的出口中心处于同一水平面，出口中心水平间距优选为500～700mm，且该水平面距离海底平面优选为70～150mm，前排导流弧形板104弧形段半径优选为
200～250mm，后排导流弧形板106弧形半径优选为300～350mm，异形腔体105中心面与海底平面夹角(上喷流P6运动方向)优选为45～50°，单个采集头设计作业宽度优选为800～
1000mm。当前设计尺寸是经过计算与试验验证后的最优值，在此条件下的采集效果最优。

[0054] 环形射流泵管3中的第二液压马达306带动轴承与第二叶轮305将周围水流P8进行汇集，并泵入到环流蓄水仓301中并进行分流P9，进一步地，P9通过输送内管401与导流环402所夹的环状通道，形成环状射流P10。由于环形射流带来较大流量与动能，产生的负压对上喷流P6及多金属结核进一步抽吸形成抽吸流P7，抽吸流P7与环状射流P10在收缩管403、喉管404与扩散管405中进一步混合扩散形成输送流P11，输送流P11经过长输送管406可将多金属结核输送至尾部矿仓中，从而实现多金属结核的采集。其中，输送内管401端部的环状射流出口宽度优选为20～30mm。

[0055] 本实施例通过试验确定上述各类参数，室内采集试验条件为：水深1.8m，多金属结核粒径为20～100mm，密度为2000kg/m3，丰度为15～35kg/m2，采集宽度为1.8m，长度为15m。采集试验共进行50次，试验结果为：多金属结核的采集率为80～95％，采集机构的行进速度为0.1～0.8m/s，采集能力最大可达45t/h。

[0056] 本实施例具体技术效果还包括如下：

[0057] 1、前排射流P4与前排导流弧形板104配合产生康达效应，形成的负压以及冲击射流联合作用，将多金属结核从赋存的沉积物中冲蚀剥离出来，后排射流P5起到阻隔拦截作用，将多金属结核限制在采集区域内，同时，前后排射流P4与P5在双排射流采集头1的腔体内形成上喷流P6，上喷流P6将多金属结核抬升至一定高度，可实现多金属结核从深海沉积物中剥离的功能；

[0058] 2、右侧板101、左侧板102、前排导流弧形板104以及后排导流弧形板106四块板组成长方形开口，该方形开口四边与异形腔体105焊接组成的流道腔体，可实现多金属结核矿石的高效聚集，且便于进一步提升输送；

[0059] 3、双排射流泵管2采用前后异形三通的结构形式，连通两个射流采集头1，可减少水泵个数从而降低整体重量；

[0060] 4、环形射流带来较大流量与动能，产生的负压对上喷流P6及多金属结核进一步抽吸形成抽吸流P7，抽吸流P7与环状射流P10在变截面输送管进一步混合形成输送流P11，输送流P11可将多金属结核长距离输送至矿仓中。

[0061] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。