一种基于附壁效应的海底集矿装备及其集矿方法技术领域
本发明涉及海底集矿领域，且特别涉及一种基于附壁效应的海底集矿装备及其集
矿方法。
背景技术
随着世界工业和经济的高速发展，矿产资源消耗量急剧增加，陆地矿产资源在全
球范围内日趋短缺甚至枯竭，人类将目光转向占地球表面积71％的海洋，海洋矿产资源开
采是弥补陆地资源枯竭的有效方式。
海洋是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋石油气资
源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫
化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上
相应储量的几十倍到几千倍。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海
矿产资源的开发必须依赖深海采矿装置进行。2015年5月19日公布的《中国制造2025》为“制
造强国”战略指明了方向，把“海洋工程装置及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域
之一，着重进行先进海洋工程装置的研发和国有化。
现在国际普遍的采矿技术可分为两种。一是机械式开采。它利用长长的链斗或海
底机器人把海底表面的矿石收集起来，然后运用传送带提上来。由于的深海地形，深海动
力、深海通信等，该方式工作范围，工作效率受到严重的限制。二是浮式开采。它利用高速对
射水流把海底矿石吹起，通过泵和管道以水力或气力方式将矿石从海底提升。该方式受深
海环境影响较小，但耗能大，采集的矿石中泥浆多，对深海生态造成的影响较大。
发明内容
根据上述提出的现有技术效率低，耗能大，对深海生态破坏大等技术问题，本发明
提出一种基于附壁效应的海底集矿装备及其集矿方法，使得在集矿过程中，大幅度提高了
工作效率和工作质量，并且减少海底采矿过程中对海床表面生态环境的破坏。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于附壁效应的海底集矿装备，包括：履带机
构(1)，集矿箱(2)，水射流出口(3)，矿物进口(4)，螺旋桨(5)，格栅(6)，小曲率底板(7)；
所述集矿箱(2)前端设有螺旋桨(5)，所述集矿箱(2)与螺旋桨(5)间设有格栅(6)；
所述集矿箱(2)通过四周及上方封闭性金属外壳和所述小曲率底板(7)围成，所述
集矿箱(2)前后两端的底部分别设有与螺旋桨(5)区域连通的水射流出口(3)以及与矿物储
存区连通的矿物进口(4)，所述水射流出口(3)与矿物进口(4)上均设有挡板，并且挡板可以
通过调节转动倾斜角度。
进一步的，集矿时调节挡板使所述水射流出口(3)的开口斜向后下方与小曲率底
板(7)前端相切，同时调节挡板使矿物进口(4)斜向前下方与小曲率底板(7)后端相切。
进一步的，所述集矿箱(2)内部的格栅(6)与箱壁固定连接，并且格栅(6)上的孔洞
可以通过人工调节改变大小。
进一步的，所述螺旋桨(5)为五个并排的螺旋桨，其相互独立地工作、停止，并可反
向转动，同时其转速规律可预先设定。
进一步的，所述螺旋桨(5)以锰结核在海泥中的固有频率喷出脉动压力的水流。
进一步的，所述水射流出口(3)和矿物进口(4)的开口横截面呈矩形，并且水射流
出口(3)、矿物进口(4)、螺旋桨(5)的中轴线重合且宽度相同。
进一步的，所述集矿箱(2)的长度与宽度比例为1:1。
为了达到上述目的，本发明还提出一种基于附壁效应的海底集矿方法，包括下列
步骤：
将海底集矿装备送至指定矿区，开启螺旋桨，螺旋桨转动带动海水运动，并经过水
射流出口快速流出，水流通过小曲率底板前端斜向下冲刷海床表面将矿物颗粒冲起；
冲起的矿物颗粒被向后流动的水流携带，通过小曲率底板产生附壁效应，携带矿
物颗粒的水流依附在小曲率底板下表面向后流动，最终流入矿物进口；
携带矿物颗粒的水流吸入物经过矿物进口后进入集矿箱，水流中的矿物颗粒被格
栅阻挡并沉积，海水以及海泥穿过格栅后在螺旋桨的带动下经过水射流出口排出集矿箱。
进一步的，所述螺旋桨为五个并排的螺旋桨，以锰结核在海泥中的固有频率喷出
脉动压力的水流。
进一步的，当海泥未及时排除，使得集矿箱内海泥过多时，控制螺旋桨反向转动，
并调节水射流出口和矿物进口挡板的角度，使清洁的海水流入，冲刷附着海泥的矿物颗粒，
并将海泥含量大的泥水混合物排出。
本发明提出一种基于附壁效应的海底集矿装备，具有以下优点：
1.整体外形设计上，采用长度较短，宽度较宽的设计，并且水射流出口(3)、矿物进
口(4)、五个并排的螺旋桨(5)的中轴线重合且宽度相同，从而达到海水循环过程中稳定性
好、矿物颗粒携带量多的效果，可在较低的系统能源消耗前提下，取得较高的集矿效率。
2.将集矿装备的底部设计成小曲率的微弧状，使得矿物颗粒在水流流动过程中，
能够随水流完全依附于小曲率底板(7)下表面流动，最终全部流入矿物进口(4)，这一设计
发挥了附壁效应的作用，可显著提高工作效率和工作质量，减少海底采矿过程中对海床表
面生态环境的破坏。
基于上述理由本发明可在海底集矿等领域广泛推广。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备立体结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的侧面结构示意图。
图3所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的格栅结构示意图。
图4所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的正面结构示意图。
图5所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根
据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简
化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1～图5，图1所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备立体结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的侧面结构示意图。图3所示为本发明较佳实
施例的海底集矿装备的格栅结构示意图。图4所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的
正面结构示意图。图5所示为本发明较佳实施例的海底集矿装备的俯视图。
本发明提出一种基于附壁效应的海底集矿装备，包括：履带机构1，集矿箱2，水射
流出口3，矿物进口4，螺旋桨5，格栅6，小曲率底板7；
所述集矿箱2前端设有螺旋桨5，所述集矿箱2与螺旋桨5间设有格栅6；
所述集矿箱2通过四周及上方封闭性金属外壳和所述小曲率底板7围成，材料均为
不锈钢或其他耐腐蚀材料。所述集矿箱2前后两端的底部分别设有与螺旋桨5区域连通的水
射流出口3以及与矿物储存区连通的矿物进口4，所述水射流出口3与矿物进口4上均设有挡
板，并且挡板可以通过调节转动倾斜角度。
所述集矿箱2由格栅6分为两个不完全连通的区域：前端区域有为水循环提供动力
的螺旋桨5以及水射流出口3，所述水射流出口3为矩形截面，集矿时调节挡板使所述水射流
出口3的开口斜向后下方与小曲率底板7前端相切，后端区域为矿物储存区和矿物进口4，集
矿时同时调节挡板使矿物进口4斜向前下方与小曲率底板7后端相切。
所述集矿箱2内部的格栅6与箱壁固定连接，并且格栅6上的孔洞可以通过人工调
节改变大小，来适应不同矿物颗粒的过滤与收集。所述小曲率底板7为曲率半径较大的微弧
状，有利于产生附壁效应，吸引水流附着。
所述螺旋桨5为五个并排的螺旋桨，其相互独立地工作、停止，并可反向转动，同时
其转速规律可预先设定，使得集矿装备可以适应更多更复杂的环境。所述螺旋桨5以锰结核
在海泥中的固有频率喷出脉动压力的水流。
所述履带机构1由两个完全分布于集矿箱2两侧的履带以及传动系统组成，两履带
间隔较宽，使得集矿装备在海底运行时更加平稳，不易发生翻车等事故。
所述水射流出口3和矿物进口4的开口横截面呈矩形，并且水射流出口3、矿物进口
4、螺旋桨5的中轴线重合且宽度相同，这样就保证了能够产生稳定的海水循环。
所述集矿箱2的长度与宽度比例为1:1，长度较短，使得海水循环所经路径短，循环
更为稳定，宽度较宽，使得参与循环的水量足够大，保证了集矿的效率与质量。
为了达到上述目的，本发明还提出一种基于附壁效应的海底集矿方法，包括下列
步骤：
将海底集矿装备送至指定矿区，开启螺旋桨，螺旋桨转动带动海水运动，并经过水
射流出口快速流出，(因为小曲率底板前端起始处倾斜角度较大)，水流通过小曲率底板前
端斜向下冲刷海床表面将矿物颗粒冲起；
冲起的矿物颗粒被向后流动的水流携带，通过小曲率底板产生附壁效应(由于小
曲率底板曲率较小且与水流距离较近，所以会产生附壁效应)，携带矿物颗粒的水流依附在
小曲率底板下表面向后流动，最终流入矿物进口；
携带矿物颗粒的水流吸入物经过矿物进口后进入集矿箱，水流中的矿物颗粒被格
栅阻挡并沉积，海水以及海泥穿过格栅后在螺旋桨的带动下经过水射流出口排出集矿箱。
集矿方法主要应用了附壁效应，使水流携带矿物颗粒后能够依附在小曲率底板下
表面向后完全流入矿物进口以完成集矿任务。
所述螺旋桨为五个并排高速转动的螺旋桨，以锰结核在海泥中的固有频率(16Hz
左右)喷出脉动压力的水流，使得集矿效率进一步提高。
进一步的，当海泥未及时排除，使得集矿箱内海泥过多时，控制螺旋桨反向转动，
并调节水射流出口和矿物进口挡板的角度，使清洁的海水流入，冲刷附着海泥的矿物颗粒，
并将海泥含量大的泥水混合物排出。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技
术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因
此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。