深海多金屬結(jié)核采集方式及其結(jié)構(gòu)參數(shù)比較分析

官 雷，張東寬，夏玉超，夏建新

（中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京100081）

關(guān)鍵字：多金屬結(jié)核；水力式采集系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)參數(shù)

開發(fā)深海資源對(duì)未來我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，僅多金屬結(jié)核儲(chǔ)量就達(dá)數(shù)百億噸，折合銅、鎳、鈷金屬量 20多億噸，這些資源是未來人類發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，尤其是鈷資源，是新能源材料中不可或缺的重要原材料。

目前，深海多金屬采集技術(shù)還不夠成熟，關(guān)鍵技術(shù)正處在從實(shí)驗(yàn)室走向海底的階段。由于稀軟底質(zhì)原位力學(xué)特性數(shù)據(jù)缺乏，采礦車采集機(jī)構(gòu)和行駛機(jī)構(gòu)技術(shù)路線和參數(shù)匹配不合理，導(dǎo)致采集效率低[2]?，F(xiàn)在深海多金屬結(jié)核采集面臨三方面的技術(shù)難題：第一，結(jié)核礦石賦存于數(shù)千米深的海底，所在的海洋環(huán)境壓力極高，所有模塊必須適應(yīng)這種極端壓力環(huán)境，同時(shí)，采礦車要有良好的適應(yīng)性和工作可靠性；第二，結(jié)核礦石賦存在海底表層或次表層稀軟沉積物上，有的半埋，有的全埋，有的全露在海水中，且粒徑大小不一（大的直徑達(dá)到30 cm，小的僅有幾厘米），采礦車需要對(duì)寬級(jí)配礦石有較好的適應(yīng)性和較高的回采率；第三，結(jié)核礦石僅存在于海底表面薄薄一層，賦存分散，采礦車需要在大范圍內(nèi)快速行駛，才能保證采礦效率[3-4]。

本文對(duì)中國(guó)深海礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Institute of Ocean Science and Technology，KIOST）和比利時(shí)全球海洋礦物資源公司（Global Sea Mineral Resources，GSR）近期開展的多金屬結(jié)核采集頭結(jié)構(gòu)與參數(shù)和采集效果進(jìn)行比較分析，以確定采集頭參數(shù)范圍，為下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 多金屬結(jié)核采集方式

采集方式是采礦系統(tǒng)中技術(shù)最復(fù)雜、最關(guān)鍵的部分。盡管從20世紀(jì)60年代開始，人們就對(duì)深海多金屬結(jié)核的開采方式進(jìn)行了廣泛的研究，期間出現(xiàn)了上百種采集方式和采集機(jī)構(gòu)專利，但是在深海采礦過程中，將不可避免地對(duì)海底產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞海底底棲生物的環(huán)境甚至直接殺死運(yùn)動(dòng)能力弱的底棲生物，導(dǎo)致礦區(qū)的底棲生物多樣性降低；采礦廢水排放對(duì)水體的污染可能對(duì)表層水體的生物多樣性有危害，而深海底部具有與陸地不同的異常高的生物多樣性，但其生態(tài)系統(tǒng)由于生產(chǎn)力極低而異常脆弱，在人類對(duì)其了解不充分時(shí)開展深海采礦活動(dòng)可能對(duì)海洋環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，并且由于聯(lián)合國(guó)海洋公約法生效，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)的要求更加嚴(yán)格[5]，極大地影響了集礦原理的選擇。綜合比較分析在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有價(jià)值的采集方式主要有3類：水力式、機(jī)械式和復(fù)合式。

1.1 水力式采集

水力集礦是利用水流分離和移動(dòng)賦存在海底沉積物表面上的結(jié)核。1978年在太平洋的海試驗(yàn)證了水力式集礦原理的可行性，被認(rèn)為是第一代商業(yè)集礦機(jī)最主要的形式之一[6]。與其他的集礦原理比較評(píng)價(jià)表明，利用水射流沖采或產(chǎn)生負(fù)壓抽吸結(jié)核，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)久耐用，集礦頭通過各種海底沉積物無需復(fù)雜的高度定位控制，故障率低。其缺點(diǎn)是：由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致采集效率不高；采集大量沉積物和有機(jī)物，對(duì)海底和水體產(chǎn)生的環(huán)境影響大；消耗功率大。這些問題都是在后續(xù)工作中需要改進(jìn)和創(chuàng)新的重點(diǎn)[7]。而水力式采集又主要有兩種不同的結(jié)構(gòu)：水射流附壁效應(yīng)集礦即單排噴嘴水力式集礦以及水射流舉升集礦即雙排噴嘴水力式集礦[8]。下面對(duì)兩種不同的水力式采集頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

1.1.1 雙排噴嘴水力式采集頭結(jié)構(gòu)

雙排噴嘴沖采水力式其工作原理是利用離海底一定高度的前后排相對(duì)斜向海底的噴嘴產(chǎn)生的水射流，將結(jié)核沖離沉積層，洗掉一部分沉積物，在形成上升水流的作用下將結(jié)核舉起來，并在集礦裝置向前移動(dòng)時(shí)利用康達(dá)效應(yīng)的作用將結(jié)核送入破碎機(jī)料口[9]。我國(guó)和德國(guó)錫根大學(xué)（Universit?t Siegen）的研究者們均選取了這種采集方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由三臺(tái)泵、輸送流道和噴嘴組成，工作可靠，拾取率高，含沙量低，結(jié)構(gòu)形式如圖1（a）所示。

1.1.2 單排噴嘴水力式采集頭結(jié)構(gòu)

比利時(shí)GSR公司研究了機(jī)械式和水力式，經(jīng)過探索性概念研究和小型實(shí)驗(yàn)室測(cè)試后，由于水力式的簡(jiǎn)單性和預(yù)期的生產(chǎn)可靠性，發(fā)現(xiàn)其是最有前景的，因此選擇了水力式集礦機(jī)。不同于中國(guó)的采集頭，GSR公司采用的是單排噴嘴。其采集頭系統(tǒng)由集電極頭、射流水泵，以及高度、流速等傳感器組成。采集頭上配有兩個(gè)不同的高度讀取系統(tǒng)，放置在采集頭的前面。由于海水濁度可能會(huì)影響讀數(shù)，因此還安裝了一個(gè)額外的機(jī)械備用系統(tǒng)。采集頭上安裝了6個(gè)相同的噴射水泵：4個(gè)用于接送噴射泵，2個(gè)用于輸送噴射泵。另外，采集和傳輸射流的速度將由射流水泵的轉(zhuǎn)速控制：通過改變轉(zhuǎn)速，調(diào)整射流速度，以應(yīng)付不同的采集條件。采集頭示意圖如圖1（b）所示。

圖1 采集頭示意圖

1.2 機(jī)械式采集

機(jī)械集礦是利用猶如旋轉(zhuǎn)斗輪和鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)件實(shí)現(xiàn)采集和運(yùn)輸結(jié)核。實(shí)際上，無附加噴嘴或其他水力輔助件配合，純機(jī)械集礦結(jié)構(gòu)是不切實(shí)際的，主要原因是純機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)挖取大量沉積物[10]。雖然機(jī)械式的采集效率比水力式高，對(duì)環(huán)境的影響是可以接受的，甚至最初考慮為有可能用于商業(yè)采礦系統(tǒng)之一，但是其缺陷是：運(yùn)動(dòng)件較多，挖齒容易損壞；集礦口容易被大塊堵塞；挖斗式卸載困難，結(jié)核易黏在斗內(nèi)；滾筒耙齒—齒鏈輸送式由于障礙物和置換流作用，結(jié)核多半被推入沉積層內(nèi)，更換維修困難，無法滿足深海采礦無故障地連續(xù)工作幾十個(gè)小時(shí)。因此不考慮這種采礦方式作為將來海底采礦的選擇[11-12]。

1.3 水力機(jī)械混合式采集

水力式混合采集也稱復(fù)合式集礦，主要是利用水射流沖采和傾斜鏈帶輸送機(jī)輸送結(jié)核，或利用水射流和機(jī)械齒耙聯(lián)合挖取結(jié)核。組合方式可以多種多樣。最典型的是雙噴嘴沖采、舉升結(jié)核與傾斜齒鏈輸送機(jī)組合。

韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)之初提出了三種不同類型的深海采礦的采集裝置：機(jī)械型、水力型和混合型。綜合研究比較下來，研究者考慮到機(jī)械式集礦收集效率高，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高且對(duì)海底環(huán)境會(huì)造成直接的機(jī)械擾動(dòng)[13]；而水力式雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且不會(huì)因海底的變化而產(chǎn)生性能特性的變化的優(yōu)點(diǎn)，但是在采集過程中它不僅收集錳結(jié)核，與此同時(shí)還會(huì)收集到海底的沉積物和有機(jī)質(zhì)，對(duì)海底環(huán)境造成了一定的影響，并且負(fù)壓輸送的消耗功率較大。因此韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)研究院最后選擇了混合式采集系統(tǒng)，該裝置在一定程度解決了上述存在的問題[14]。在混合型采集系統(tǒng)中，其采集頭結(jié)構(gòu)由兩臺(tái)液壓升降機(jī)噴水泵，同時(shí)工作，以提高提升收集效率。前水射流可以稍微提升結(jié)核，而后水射流則作為一個(gè)顛簸板。該類型的收集裝置精確控制水射流的速度和角度是至關(guān)重要的前提，裝置的示意圖如圖2所示。

圖2 韓國(guó)采集頭示意圖

混合式集礦機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：采集阻力小，通過障礙時(shí)采集機(jī)構(gòu)不易損壞；射流過程中使結(jié)核上黏附的沉積物大部分被洗掉，齒鏈輸送功率比負(fù)壓輸送功率小。但是其缺陷是：集礦口離地面的高度變化不能過大，否則影響集礦的效率，與此同時(shí)離地高度不能過大這一限制就決定了該方式無法開采大粒徑的礦石結(jié)核；水力系統(tǒng)的參數(shù)和流道形狀的確定比較困難，需要大量的模擬與試驗(yàn)加以修正優(yōu)化才能投入使用，距離投入到商業(yè)開采還有很長(zhǎng)一段距離。

綜上所述，機(jī)械式與水力機(jī)械混合式存在明顯缺陷，水力式相較前者更適合投入商業(yè)開采使用。雙排噴嘴射流采集式經(jīng)過20多年的試驗(yàn)室原理模擬試驗(yàn)，取得了良好效果，因?yàn)樵摲绞經(jīng)]有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的采集方式。下面將以水力式采集作為案例深入分析。

2 水力式采集頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法

2.1 采集頭參數(shù)確定方法

采集頭機(jī)構(gòu)之間設(shè)計(jì)應(yīng)滿足采集效率最高，能耗最低，攜帶沉積物較少和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠等要求。采礦頭是采集機(jī)構(gòu)的核心部件，各個(gè)參數(shù)的確定直接影響其收集效率。前后兩排相對(duì)傾斜向海底的噴嘴產(chǎn)生的水射流，將結(jié)核沖離沉積層后會(huì)形成上升水流將結(jié)核舉起，并在附壁噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓的作用下送入采集車內(nèi)。整個(gè)過程中，噴嘴直徑、排距、間距、方向角、距底高度（射距），以及射流壓力和流量、車輛行駛速度等參數(shù)之間都是環(huán)環(huán)相扣，下面列舉基本參數(shù)的計(jì)算式。

（1）礦石粒徑

結(jié)核主要分布在海底松軟沉積物的表面或者表面以下幾厘米的表層沉積物中，球狀為主[15-16]。結(jié)核粒徑是確定集礦工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)，其值應(yīng)根據(jù)礦區(qū)結(jié)核粒徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定。采樣結(jié)果表明，西太礦區(qū)礦石粒徑范圍在2～20 cm之間。

（2）采礦車寬度

集礦寬度根據(jù)采集規(guī)模進(jìn)行計(jì)算。滿足生產(chǎn)能力要求的一次行駛采集寬度按式（1）計(jì)算。

式中，A為生產(chǎn)能力，kg/s；a為結(jié)核平均豐度，kg/m2；b為集礦寬度，m；Vt為采集行駛速度，m/s；η為采集率，%。由式（1）可以看出，當(dāng)生產(chǎn)能力和礦區(qū)結(jié)核豐度已經(jīng)確定的情況下，集礦的寬度取決于采集形式的速度與目標(biāo)采集率。

（3）射流噴嘴工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

射流噴嘴水力參數(shù)主要有噴嘴直徑、排距、間距、方向角、距底高度（射距），以及射流壓力和流量、車輛行駛速度等。由于流場(chǎng)空間形態(tài)復(fù)雜，往往需要通過計(jì)算程序進(jìn)行多方案比較才能得到最佳匹配范圍，然后通過模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，其部分參數(shù)確定方法如下。

噴嘴離地高度。噴嘴應(yīng)盡可能接近海底，以便獲得較高的回采率。但離底高度必須大于結(jié)核突出海底的高度，否則，結(jié)核可能被推到集礦頭外，無法進(jìn)入集礦頭內(nèi)。原位采樣結(jié)果表明，一般結(jié)核粒徑在200 mm以下，有部分裸露在沉積物上面，還有部分半埋在沉積物中。為采集更多的礦石，集礦頭底部噴嘴離底高度應(yīng)設(shè)定在200 mm以內(nèi)。

射流方向角。射流噴嘴與水平方向夾角在39°～50°之間，國(guó)外傾向于取小值，而中國(guó)傾向于取較大值?；贏NSYS Fluent模擬計(jì)算得到采集頭流場(chǎng)結(jié)果如圖3所示。射流角度對(duì)流場(chǎng)具有重要影響。射流角度將決定射流作用沉積物的力度和深度，必須保證可以將礦石和沉積物攪動(dòng)，并使之進(jìn)入流態(tài)化狀態(tài)。

圖3 噴頭射流的流場(chǎng)的流線圖和壓力云圖

前后兩排噴嘴之間間距。由射流產(chǎn)生的上升速度、車輛的行駛速度、噴嘴離地高度和射流角度決定。由圖3可以看出，噴嘴射流后水流左右方向的動(dòng)量將相互抵消，同時(shí)，由于底部邊界阻擋作用，水流將向集礦頭上方流動(dòng)，由此將帶動(dòng)礦石也向上運(yùn)動(dòng)。礦石上升到集礦頭上方輸送管入口，將在抽吸作用下進(jìn)入輸送管，完成采集過程。礦石從沉積物剝離、懸浮、上升到輸送管入口需要一段時(shí)間，在此時(shí)段內(nèi)，礦石必須仍在集礦頭內(nèi)（實(shí)際采礦時(shí)，集礦頭將以一定速度運(yùn)動(dòng)）。因此，需要集礦頭噴嘴有一定的前后間距。如圖4所示，當(dāng)采集車從位置（1）運(yùn)動(dòng)至位置（2），其結(jié)核運(yùn)動(dòng)軌跡如圖。假設(shè)結(jié)核上升至輸送管道口的時(shí)間為ts，結(jié)核在水平方向上運(yùn)動(dòng)的距離約為前后兩排噴嘴之間間距的二分之一，故噴嘴之間間距為：

圖4 結(jié)核運(yùn)動(dòng)示意圖

嘴射流速度。當(dāng)集礦機(jī)行駛的過程中，前后噴嘴射流將結(jié)核從海底沉積物中剝離出來，并使其懸浮到一定高度，如圖5所示。結(jié)核必須在集礦頭離開之前從沉積層被抽吸到輸送管道口，否則，礦石無法進(jìn)入采礦頭的抽吸管道。噴嘴的射流不僅要能使結(jié)核從沉積層中剝離出來還需要將結(jié)核舉起一定的高度，因而在確定射流速度時(shí)需要同時(shí)考慮這兩個(gè)因素。根據(jù)水流對(duì)顆粒的拖曳力公式和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可以計(jì)算出結(jié)核在上浮至輸送管道口所需的水流上升速度Vf，然后反算出噴嘴出口處壓力。

圖5 噴頭射流作用后結(jié)核受力圖

計(jì)算方法如下：

式中，F(xiàn)d為拖曳力；CD為阻力系數(shù)；ρ為結(jié)核所在環(huán)境的水密度；d為結(jié)核直徑；Vs為結(jié)核上升的速度；Vf是水流上升速度。

對(duì)結(jié)核受力分析可知，結(jié)核所受合外力F合為拖曳力與結(jié)核自身有效重力的差值。

式中，a為結(jié)核運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)加速度。

式（5）至式（7）中，Vt為采集車行駛速度；Vs為結(jié)核上升的速度；h為結(jié)核運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)高度；H為離底高度；t為結(jié)核運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

噴嘴射流速度V0可按下式進(jìn)行計(jì)算。

式中，P0為噴嘴出口處壓力，Pa；Cd為流速系數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得為0.918。

單噴嘴流量可按下式計(jì)算。

式中，S0為噴嘴出口面積，m2；

噴嘴直徑可按下式計(jì)算。

式中，Q為射流流量，m3/h ；H0為射流壓頭，m。噴嘴直徑大小的確定，要根據(jù)離地高度的變動(dòng)范圍，保證合理的射距，當(dāng)噴嘴離地高度在60～200 mm范圍內(nèi)時(shí)，噴嘴直徑大致為10～17 mm。根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果表明：噴嘴直徑減小，壓頭加大；當(dāng)噴嘴直徑到達(dá)15～20 mm時(shí)，不同行駛速度和離地高度對(duì)壓頭的影響很小，主要影響流量；水泵的功率很大程度取決于離地高度，離地高度每變化70 mm，功率變化達(dá)5～6倍。

2.2 采集頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與采集效果比較

德國(guó)錫根大學(xué)最早開展水力式采集頭的研究，我國(guó)借鑒德國(guó)錫根大學(xué)的技術(shù)，也開展了大量的研究工作。對(duì)前后兩排噴嘴和導(dǎo)流箱組成的水力集礦原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究。通過不同排距、離底高度、直徑、個(gè)數(shù)、間距噴嘴和噴射壓力、流量、角度的不同組合試驗(yàn)，取得了大量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明，利用多個(gè)小直徑噴嘴（約 2 mm）、離底高度在 18 cm 之內(nèi)、39°～45°角相對(duì)下向噴射，速度達(dá)到 7.7～14.3m/s 時(shí)，可以將賦存在沉積物 10 cm 深以上的10 cm直徑的結(jié)核采集上來[17]。

韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)研究院所屬船舶與海洋工程研究所從事集礦機(jī)和整體系統(tǒng)研發(fā)，經(jīng)過20年的基礎(chǔ)研究，已經(jīng)開始進(jìn)入子系統(tǒng)的海試階段[18]。其開發(fā)的MineRoⅡ型多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)的集礦機(jī)外形尺寸為6 m×5 m×4 m，整機(jī)重28 t。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用兩個(gè)具有完全相同機(jī)械和液壓系統(tǒng)的模塊，以便調(diào)節(jié)采集寬度，基本集礦寬度為4 m。每個(gè)模塊都有兩條履帶，兩個(gè)集礦系統(tǒng)，兩臺(tái)破碎機(jī)和一臺(tái)提升泵[19]。車輛行駛速度在0.5～1 m/s，射流速度區(qū)間在13～15 m/s，射流角度在40°～50°隨行駛速度而改變，離底高度在100～150 mm間由高度傳感器控制，可達(dá)到80%以上的采集效率。

比利時(shí)GSR公司的水力舉升集礦機(jī)，使用當(dāng)前的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件對(duì)注入流體中的固體顆粒進(jìn)行建模，對(duì)液壓舉升系統(tǒng)的工作原理以及執(zhí)行參數(shù)敏感性分析進(jìn)行了評(píng)估[20]，確定了以下初始變量：（1）射流速度：夾帶周圍海水的水流速度在海床上的結(jié)核上形成水流，它能夠攪動(dòng)結(jié)核并將其從海底提升起來，在10～20 m/s；（2）噴嘴噴射方向：噴射方向傾斜相對(duì)朝下，與行進(jìn)方向相適應(yīng)達(dá)到更高的采集效率。應(yīng)避免過于朝下，以盡量減少對(duì)土壤的破壞，角度在40°～45°；（3）射流的離地高度：距離應(yīng)進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的收集效率，高度區(qū)間為50～160 mm；（4）抽吸速度：抽吸區(qū)的抽吸速度范圍在5～8 m/s。

中國(guó)、韓國(guó)、比利時(shí)三國(guó)集礦頭結(jié)構(gòu)相似，將三國(guó)的采集頭控制參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證開采效率都可以達(dá)到很高的水平，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同國(guó)家采集頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

由上表可以看出結(jié)核的粒徑大小約為100 mm，平均豐度在20 kg/m3，通過試驗(yàn)得到了車輛行駛速度、離地高度對(duì)采集效率影響[21-22]，如圖6所示。當(dāng)離地高度超過180 mm時(shí)采集效率急劇下降，最佳的行駛速度在0.6～0.8 m/s之間。

圖6 行駛速度對(duì)采集效率影響與噴嘴離地高度對(duì)采集效率影響

根據(jù)2.1中介紹的采集參數(shù)的確認(rèn)方法，本文對(duì)三個(gè)國(guó)家的采集參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)式（3）至式（7）及表1中數(shù)據(jù)平均值可分別大致得到中國(guó)、韓國(guó)和比利時(shí)的采集頭對(duì)錳結(jié)核所產(chǎn)生的上升速度為24.6 m/s、20.01 m/s和28.32 m/s。比利時(shí)采集頭這一組數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)核所產(chǎn)生的上升力最大，但效率不穩(wěn)定，相較之下韓國(guó)的最小，中國(guó)介于二者之間。故可初步確認(rèn)射流速度為10～20 m/s，離地高度不超過18 cm，抽吸速度為5～15 m/s，采集車行駛速度為0.6～0.8 m/s。

上述試驗(yàn)研究均是在實(shí)驗(yàn)室完成的，試驗(yàn)條件可控，如礦石粒徑比較均勻，采集頭離海底的高度不變以及礦石在沉積物里的賦存形態(tài)一致。目前關(guān)于采集頭設(shè)計(jì)參數(shù)研究的成果大都來源于試驗(yàn)，還有待于理論分析結(jié)果的優(yōu)化，尤其是不同條件下淹沒射流流場(chǎng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建，不同粒級(jí)礦石以及不同豐度條件下射流噴嘴結(jié)構(gòu)與噴射壓力等參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化[23]。

3 結(jié) 論

我國(guó)在深海采礦技術(shù)方面取得了積極的研究成果，但對(duì)比國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定的差距，后期對(duì)于采集頭的優(yōu)化還有一段距離才能達(dá)到實(shí)際的生產(chǎn)挖掘工作中去。初步確定的采集頭參數(shù)大致范圍為：結(jié)核粒徑的尺寸為5～12 cm，噴嘴直徑為8～17 mm，射流角度39°～50°，射流速度10～20 m/s，離地高度不超過18cm，抽吸速度為5～15 m/s，采集車行駛速度為0.6～0.8 m/s。上述參數(shù)均是在實(shí)驗(yàn)室完成的，試驗(yàn)條件可控，與實(shí)際情況還存在一定的偏差，這些參數(shù)研究的成果大都來源于試驗(yàn)，還有待于理論分析結(jié)果的優(yōu)化，尤其是不同條件下淹沒射流流場(chǎng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建，不同粒級(jí)礦石以及不同豐度條件下射流噴嘴結(jié)構(gòu)與噴射壓力等參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化。同時(shí)，深海多金屬結(jié)核賦存在深海沉積物上，不同區(qū)域豐度是不同的，埋藏形式也有差異，基于水力射流構(gòu)建的采集頭如何適應(yīng)上述變化，采集頭內(nèi)部流場(chǎng)和輸送參數(shù)如何調(diào)整確保高回采率也是采集頭研究開發(fā)面臨另一大的挑戰(zhàn)。接下來擬在已有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展試驗(yàn)和模擬技術(shù)解決上述挑戰(zhàn)，使我國(guó)深海資源開發(fā)技術(shù)能夠快速發(fā)展[24]。