深海鈷結(jié)殼螺旋滾筒切削采集法的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、深海富鈷結(jié)殼是一種生長(zhǎng)在水深500~3000m平坦海山坡上,富含有鈷、銀、銅、金、鉑、銻及稀土元素的多金屬礦石,其中多種元素的含量均超過(guò)陸地上的礦蕆.隨著陸地礦產(chǎn)資源的日趨枯竭和人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)日益深化,大洋鈷結(jié)殼資源已成為世界各國(guó)矚目的21世紀(jì)具有商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略資源.根據(jù)專家預(yù)測(cè),本世紀(jì)中葉就有可能進(jìn)入鈷結(jié)殼商業(yè)開(kāi)采的階段.為正確把握國(guó)際海底區(qū)域資源研究開(kāi)發(fā)形勢(shì),穩(wěn)步推進(jìn)中國(guó)國(guó)際海底資源開(kāi)發(fā)事業(yè),中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)在其制

2、定的《國(guó)際海底區(qū)域研究開(kāi)發(fā)"十五"計(jì)劃》和《國(guó)際海底區(qū)域研究開(kāi)發(fā)"十五"立項(xiàng)指南》中均將"鈷結(jié)殼資源評(píng)價(jià)與研究"(DY105-01)和"鈷結(jié)殼采集模型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究"(DY105-03-02)立為開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目.該論文就是在這種背景和形勢(shì)下,從理論上對(duì)鈷結(jié)殼深海采礦技術(shù)進(jìn)行技術(shù)論證和可行性分析,尋求深海采集富鈷結(jié)殼資源較好的技術(shù)路線和采礦方案.作者在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜合分析了國(guó)內(nèi)外鈷結(jié)殼資源開(kāi)發(fā)技術(shù)研究的現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)

3、展趨勢(shì),論證了中國(guó)開(kāi)展深海富鈷結(jié)殼資源的開(kāi)發(fā)研究的必要性和迫切性;借鑒大洋錳結(jié)核開(kāi)發(fā)研究的經(jīng)驗(yàn)和成果,成功地將現(xiàn)代化采煤的理論和方法應(yīng)用到深海富鈷結(jié)殼的開(kāi)發(fā)研究上,通過(guò)對(duì)比分析認(rèn)為:采用"海底自行履帶式采礦車(螺旋滾筒式采礦頭)--水力吸引集礦裝置--管道揚(yáng)礦系統(tǒng)"的鈷結(jié)殼開(kāi)采技術(shù)方案在中國(guó)不僅是可行的,而且是最經(jīng)濟(jì)、最快速的,可以說(shuō)是目前最佳的方案選擇.作者從斷裂力學(xué)和巖石力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā),分析了鈷結(jié)殼在螺旋滾筒式切削刀具作用下的破碎機(jī)

4、理,通過(guò)對(duì)螺旋滾筒運(yùn)動(dòng)特性的研究,建立了其截齒運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得出:螺旋滾筒式工作機(jī)構(gòu)切削鈷結(jié)殼時(shí),切屑的形狀是"鐮刀"的一部分,并推導(dǎo)出了這種切屑的平均切屑厚度的近似計(jì)算方法;然后根據(jù)深海開(kāi)采鈷結(jié)殼的特殊的工作條件,分析了螺旋滾筒截齒平均載荷的計(jì)算方法,以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中參數(shù)的選擇依據(jù),建立了螺旋滾筒平均能量消耗的數(shù)學(xué)模型.作者根據(jù)螺旋滾筒式切削頭切削鈷結(jié)殼的粒度特性方程,對(duì)開(kāi)采鈷結(jié)殼期望的粒度組成進(jìn)行了分析和計(jì)算.為了

5、克服了螺旋滾筒傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法直接預(yù)測(cè)切削效果的缺陷,作者還編制了專門(mén)繪制截齒排列與切削圖分析的計(jì)算機(jī)軟件,提高了設(shè)計(jì)水平,縮短了設(shè)計(jì)周期,為螺旋滾筒切削頭的設(shè)計(jì)提供了一種新方法.作者建立了螺旋滾筒載荷波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,編制了專門(mén)計(jì)算螺旋滾筒載荷及其波動(dòng)性指標(biāo)的計(jì)算機(jī)程序,為校驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的螺旋滾筒式切削頭提供了方便.最后根據(jù)上述研究,作者設(shè)計(jì)制造了螺旋滾筒采掘頭模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合良

6、好,達(dá)到了預(yù)期的理論研究的目的.該論文分析并研究了螺旋滾筒式截齒切削法在深海開(kāi)采鈷結(jié)殼過(guò)程中所面臨的實(shí)際問(wèn)題,并根據(jù)鈷結(jié)殼開(kāi)采的具體條件,根據(jù)相關(guān)的科學(xué)技術(shù)和研究成果,在理論上探討了深海鈷結(jié)殼開(kāi)采采礦頭的設(shè)計(jì)方案,為在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)鈷結(jié)殼的商業(yè)化開(kāi)采進(jìn)行了技術(shù)上的儲(chǔ)備和理論上的論證.雖然該論文中螺旋滾筒式切削頭的設(shè)計(jì)是專門(mén)針對(duì)大洋富鈷結(jié)殼采集進(jìn)行的,但其中的一些設(shè)計(jì)思想和方法(或稍做調(diào)整)仍然可以借鑒到其它海洋資源的開(kāi)發(fā)和有關(guān)的切削頭設(shè)