高海水围压条件下海底多金属硫化物破碎机理及采掘方法研究

The exploitation of international Seafloor Massive Sulfide (SMS) is of great significance for national mineral resources security. As the SMS ore deposits are mainly located on the seabed of 1500m-4000m depth, SMS suffers about 15MPa-40MPa deepwater confining pressure. The excavating technology with the influence of high deepwater confining pressure is one of the key technical problems for SMS resources exploitation. This project intends to carry out the physical and mechanical properties tests of SMS under high deepwater confining pressure, discusses the breaking mechanism of SMS under high deepwater confining pressure; studies the cutting method of SMS with the goal of low energy consumption and high efficiency; Builds an experimental platform for SMS cutting test in the emulated environment of high deepwater confining pressure; studies the influence of excavating head’s geometrical parameters and working parameters on cutting performance and researches the design proposal of excavating head to provide theoretical basis and technical reference for future design of SMS miner. This research project will fill in the blanks of SMS’s breaking mechanism under high deepwater confining pressure, at the same time, the research method and experimental platform are also suitable for the other seabed mineral resources and rocks’ cutting mechanism study under the influence of high deepwater confining pressure.

开发国际海底多金属硫化物对于国家矿产资源安全保障具有重大意义，海底多金属硫化物矿床主要位于1500m~4000m水深的海底，从而受到约15MPa~40MPa海水围压，在高海水围压的影响下海底多金属硫化物的破碎、采集是资源开采利用的关键技术。本课题拟开展多金属硫化物物理力学性质测试，建立高海水围压条件下切削破碎SMS矿体的有限元模型，探讨高海水围压下多金属硫化物破碎机理；以低能耗、高效率为目标，开展高海水围压条件下矿体切削破碎方法研究；搭建模拟高海水围压环境的硫化物切削试验平台，开展切削试验；分析采掘头几何参数、工作参数等对采掘头切削性能的影响，开展采掘头设计方案研究，为未来采矿机设计提供理论依据和技术参考。本项目的研究将填补国内多金属硫化物在高海水围压环境下切削破碎机理研究的空白，且研究方法及试验装置同样适合其他海底矿产资源和岩石在高海水围压环境下的切削破碎机理研究。

高海水围压影响下硫化物的破碎、采集是海底多金属硫化物资源开发的关键技术，本项目形成了高海水围压条件下的多金属硫化物破碎机理，确定了高围压条件下合理的SMS矿体切削破碎方法，提出了高海水围压条件下采掘头设计方案。本项目的研究填补国内多金属硫化物在海底高海水围压环境下的切削破碎机理研究的空白，为未来海底多金属硫化物采矿机的设计提供理论依据和技术参考。.主要研究内容及重要结果如下：.1. 针对海底多金属硫化物进行了三轴压缩试验，得到了硫化物的关键性能参数；选定了HJC本构模型，并确定了模型参数；通过仿真与实验数据对比验证了材料本构模型。.2. 建立了高海水围压条件下截齿切削破碎多金属硫化物的仿真模型，模拟了高海水围压条件下多金属硫化物矿体的切削破碎过程，并分析了海水围压对多金属硫化物矿体破碎机理和截齿所受载荷的影响。.3. 提出了破碎方式适应性选型方法，针对刀型截齿、镐形截齿和水射流等三种方式破碎SMS矿体开展了对比分析，确定优先采用螺旋滚筒镐形截齿切削方式破岩。.4. 分析静水围压下截齿破岩试验台实际功能需求，完成了静水围压下截齿破岩试验台机械结构、液压系统和测控系统设计，解决了试验台高压、多杂质等恶劣工况下的动密封问题。进一步研究了海底多金属硫化物模拟料的成分配比和制作方法，为切削破碎试验的开展提供用料。.5. 分析了采掘头破碎切削多金属硫化物破碎性能的评价指标和影响因素，开展了螺旋滚筒采掘头切削数值模拟，分析了不同设计参数和工作参数对采掘头破碎性能的影响，为采掘头的参数设计提供依据。.6.开展了采掘头不同布置方式和推进方式下的运动学及动力学分析，以最小比能耗为优化目标，对滚筒的主要结构参数和工作参数进行了优化，得到一组适当的滚筒结构和工作参数，为未来海底多金属硫化物采矿机的设计提供参考。