履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

关于中国国际海底区域矿区采矿的思考

文章结合国际深海采矿的现状和中国现有国际海底区域矿区的情况,分析中国国际海底区域矿区采矿存在缺少法律依据、尚未完成矿区资源评价和"区域"放弃、深海采矿技术发展相对滞后、海洋环境影响评估尚有不足等问题;在此基础上提出未来发展建议,即开展与国际海底管理局的深度合作,在制定"区域"内矿产资源开发规章中有所作为;加快对中国国际海底区域的勘探工作,尽快完成矿区资源评价和"区域"放弃;跟踪国际深海采矿行业进展,加快推进中国深海采矿系统的建造并尽快试开采;继续加大深海采矿对海洋环境的影响研究,尽快形成深海采矿环境影响预测评价技术指南。     

水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术理论分析

天然气水合物被誉为洁净的潜在能源.海洋天然气水合物约占水合物总量的99%,绝大部分海洋水合物没有良好的覆盖层,不能用开采传统油气资源的方法进行开采.分析了利用海底采矿技术开采海底浅层水合物的方法,设计出水合物采矿车开采量与高压水泵输送的水力输送设备参数.根据水合物分解热及输送量,建立水合物输送系统与分解速度之间的理论关...     

海底热液硫化物——深海采矿前沿探索

结合深海采矿的现状,以海底热液硫化物这一潜在开采对象为基础,对国内外的相关研究与开发动态情况进行了介绍,分析了海底热液硫化开采远景,在剖析海底热液硫化物开采研究现实意义的基础上,提出海底热液硫化物是我国海洋采矿发展的新契机.并建议相关部门结合大洋战略逐步完善我国深海基础机电产品及工程装备研发体系.结合海底热液硫化物探测技术的发展,同步开展开采系统的前期研究工作,从而引导并推进我国深海采矿及海洋工程技术的发展.     

深海底资源开发与可持续发展

EXPLORATIONOFDEEPSEARESOURCESANDTHEIRCONTINUALDEVELOPMENT21世纪是海洋世纪,在辽阔的海洋中有丰富的资源,而矿产资源又占有十分重要的地位,除了浅海海域的砂矿和油气之外,深海之底还蕴藏着丰富的、具有很多潜在经济价值的多金属结核（壳）矿产资源。随着海洋开发时代的到来,商业性开采深海底矿产资源将成为现实,随之而来的环境保护以及资源的可持续发展将成为严峻的问题。1深海底资源的开发随着经济的发展．陆域的一些矿产资源亦日趋枯竭,为满足需要,进而转为从深海底寻求资源。为此,一些发达国家以及…     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

基于最优切削深度的深海采矿车定位研究

最优切削深度对矿石开采有着重要意义.为了获取相关深海地貌数据计算采矿车最优切削深度,实现最优开采,先要获得该地貌的准确位置数据,即采矿车准确定位的位置.考虑到深海地貌崎岖不平、车轮打滑、周围能见度低等复杂的工作环境,提出了一种基于从动轮的航位推算定位.通过建立非平坦地形上采矿车的运动学模型,采用电子罗盘等传感器测量采矿车的动态参数,依据运动学模型进行航位推算,从而实现采矿车的准确定位.试验结果较好地达到了预期的要求,为深海采矿车的最优切削深度控制、自主导航、路径规划等提供了前提条件.     

海底多金属硫化物开发动态与前景分析

介绍了澳大利亚鹦鹉螺矿业公司和海王星矿业公司在西南太平洋区域对海底块状多金属硫化物 ( SMS ) 的商业勘探活动和开采计划等活动的最新进展,并从海底多金属硫化物的金属品质、开发的技术可行性与经济性、深海采矿的环境保护与法律政策等方面对海底多金属硫化物开发的前景作了分析.     

深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明：初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和 0.5 m/s 时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

更新世冰期的全球深海绝灭事件

据估计 ,深海有孔虫种的交替速率为２ %／Ｍａ ,比新生代浅水底栖（５ %／Ｍａ）或者浮游有孔虫（１１ %／Ｍａ）明显偏低。白垩纪—第三纪边界（６５Ｍａ）或附近的事件引发了陆地和浅水以及部分半远洋生物的灾难性绝灭 ,但是对深海底栖有孔虫的影响很小。大部分深海有孔虫绝灭（３０ %～５０ %的种消失了）出现于晚古新世冰后高温期（ＬＰＴＭ ,５５Ｍａ） ,它起因于贫氧、温暖的侵蚀性底层水以及同时发生的表层生产力的变化。晚始新世至早渐新世（３６～３０Ｍａ）和中中新世也发现了深海底栖有孔虫的种类交替增强有全球蔓延的趋势。对中…     

基于多维度声学特征优选的多波束海底底质分类

海底表层底质分布信息的准确获取在构建海洋基础地理数据库中发挥着重要作用。目前,多波束是实现大范围海底底质分类的有效手段之一,基于多波束测深和反向散射强度数据所派生的声学特征被广泛应用于底质分类建模。然而,随着特征维度的增加,特征空间中存在的无关和冗余特征严重影响底质分类精度。为了定量评估声学特征对底质类别的表征能力,并消除无效特征对分类结果的干扰,本文提出了基于多维度声学特征优选的海底底质分类方法。首先,结合实际底质样本的物理属性对多维特征进行排序和优选,排除冗余和无关特征。其次,分别应用支持向量机、随机森林和深度信念网络构建海底底质监督分类模型。通过利用爱尔兰海南部多波束调查数据和实地取样信息进行试验,结果表明提出方法对海底底质的总体分类精度和Kappa系数分别最高达到了86.20%和0.834,相较于主成分分析和熵指标特征选择方法有明显提高,突出了该方法在海底底质探测及制图的应用潜力。     

基于浅地层剖面数据和改进地声模型的底质反演方法

浅地层剖面仪发射的声脉冲能够穿透海底面进入沉积层内部,其回波中携带了丰富的底质信息。地声模型是底质声学与物理性质关系的数学描述,广泛用于海底声学与地声反演研究。本文通过对浅地层剖面数据的处理、解译得到海底反射系数,与考虑底质松密影响的改进Biot-Stoll模型相结合,提出底质反演新方法并开展实例验证。研究结果表明：通过对浅地层剖面原始记录的读取、解译,提取反射波振幅,并结合设备声源级,可有效求取海底反射系数。通过引入相对密度改进孔隙度计算公式,进而在基于Biot-Stoll模型构建海底反射系数和底质平均粒径关系过程中进一步考虑了底质松密的影响。基于山东威海某海域及文献的算例均显示,本文提出的改进地声模型可缩小底质反演与实测结果之间的相对误差、提升基于浅地层剖面数据的海底底质地声反演精度。     

深海采矿系统长距离垂直输运管道力学性能研究

深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%～48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。     

基于深海采矿过程的环境影响分析与管理对策建议

深海矿产开发所产生的环境影响是目前制约深海采矿的重要问题之一,了解开发全过程的环境影响和生态响应是商业化开采的前提。本文以多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物三种具有代表性的深海固体矿产资源为例,分析了开发前赋存环境、开发过程中及开发后的环境影响。结果表明：①不同深海固体矿产资源的分布规律、深度以及生物特征等赋存环境存在较大差异,因采矿活动带来的赋存环境改变、对环境的影响以及采矿潜在影响区域、影响时长和恢复潜力也有所不同。②多金属结核开采的环境影响着重考虑了沉积物羽流的影响,结壳开采活动从沉积物扰动、外壳去除以及栖息地改变三个方面考虑环境影响,多金属硫化物开采的环境影响还要增加对有毒物质的释放以及栖息地移除两个方面的考虑。③深海采矿对底栖生物种群的数量和物种组成皆会造成不同程度的影响。最后,从持续跟进监测评估、充实数据、提升采矿技术与设备、顶层设计与决策管理、规则制定等方面提出了环境保护与可持续发展对策建议,为深海采矿的环境影响评价及规则制定提供参考。     

联合重力异常和重力垂直梯度异常数据反演皇帝山海域海底地形

海底地形对开展海洋科学调查和研究十分重要。以多波束为主的回声测深技术测量成本高且效率低,几十年来仅实现了全球约20%的海床测绘。对于空白区（特别是深海区域）,可以借助重力异常和重力垂直梯度异常进行回归分析反演得到,但该方法得到的比例因子鲁棒性不强。为了解决这一问题,同时考虑到两种重力数据在表征海底地形长短波长的不同优势,本文结合滑动窗口赋权和稳健回归分析来反演海底地形。在太平洋皇帝山海域（35°～45°N,165°～175°E）的实验结果表明:在船测检核点处,本文构建模型的标准差为61.02 m,相比于单一重力数据反演模型,精度分别提高了14.92%（重力异常）和2.08%（重力垂直梯度异常）,能较好地反映皇帝海山链的地形走势。     

长条状粗颗粒在垂直管路中最小输送速度试验研究

随着陆地金属资源的日益枯竭,深海矿产资源已经成为各国的重要战略目标。在深海采矿过程中,海底锰结核的形状除了圆球状,还有长条状等,颗粒形状对固液两相流管道输送特性具有很大影响。基于固液两相流垂直管道提升输送试验系统,探究不同工况下长条状颗粒在垂直上升流中最小输送速度的变化规律及特性,并得到了长条状群体颗粒最小输送速度计算公式。结果表明:长条状颗粒在垂直管道中上升过程中,颗粒中心轴与输送方向趋向于垂直,使颗粒在管道截面的投影面积最大化;长条状单颗粒的最小输送速度随着颗粒长径比增大而减小;在不同长径比工况下,随着管段颗粒平均浓度减小,长条状群体颗粒的最小输送速度均增大,且随着长径比增大,群最小输送速度减小。     

水牛蹄型深海集矿机履齿设计及牵引性能研究

作为深海采矿系统的重要组成部分,深海集矿机的技术研究和开发一直是许多国家的难题。为了提高深海集矿机在稀软沉积物上的牵引性能,基于水牛蹄的曲面结构特征和特殊几何结构,设计了一款仿水牛蹄蹄型履齿。以该款履齿的结构参数为研究对象,通过对朗肯被动土压力理论的优化,得到了仿水牛蹄蹄型履齿的牵引力解析解,建立了对应的履齿仿生参数对履齿牵引力的影响公式。结合正交试验方法进行了不同形式履齿在沉积物上运动的单、多履齿剪切试验,将仿水牛蹄蹄型履齿与直型履齿、仿水牛蹄轮廓履齿（另一种仿生履齿）进行对比试验,并通过模型车试验验证了该款履齿的可行性。结果表明：3种履齿中,仿水牛蹄蹄型履齿提供的最大牵引力最高。研究可为进一步优化仿水牛蹄蹄型履齿结构参数和提高深海稀软底质机械的牵引性能提供参考依据。     

世界大洋金属矿产资源勘查开发现状及问题

世界大洋底蕴藏着丰富的金属矿产资源,其所含的锰、钴、镍、稀土等矿产是陆地含量的数十倍乃至数百倍或更高,因此是未来矿产资源的接替区。本文介绍了世界大洋多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物及深海稀土等资源现状、分布及潜力,分析总结了21世纪以来国际海底区金属矿产勘查合同现状,并介绍了俄罗斯、巴布亚新几内亚、日本、中国等国家在其专属经济区内进行多金属结核、多金属硫化物开采实验的情况。由于世界大洋金属矿产资源丰富,潜力巨大,其勘查开发日益受到世界各国的重视,国际海底勘探合同不断增加,商业开发提上日程,但国际海底区的金属矿产资源开发仍面临技术、规章、环境等方面的制约和挑战。     

海洋天然气水合物勘探与开采研究进展

海底水合物是一种重要的新型能源矿产,曾认为在未来20～30年内不具开采价值,但是现在这种看法已经改变,美国和日本政府现正筹划进行试验性开采.近年科技界已经研究出适合于从深海水合物中开采甲烷气体的工艺技术和方法.目前,降压法已被证明是一种较为经济有效的方法.引述了日本天然气水合物勘探和开采纲要MH21,详细说明其开采试验的计划和设计.