一种深海采矿车自救脱困装置及其脱困方法

1.本发明涉及海洋采矿领域，具体涉及一种深海采矿车自救脱困装置及其脱困方法。


背景技术：

2.随着人类对矿产资源需求的日益增加及陆地资源的不断枯竭，浩瀚的大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，被认为是人类未来最重要的开发方向。
3.深海中的矿产资源多以结核形式存在，富含锰、镍、钴、铜等多种元素，极具商业开采价值。其所处环境不仅地形复杂，且因深度在数千米以上，具有高压、低温等特征。多金属结核赋存于水深4000-6000m海底稀软沉积物表层，往往处于半埋藏状态，多为球形，粒径一般为2-10cm，密度约2100kg/m^3。目前，多采用履带式采矿车对多金属结核进行开采，履带式采矿车在深海稀软底质上行走时，易面临履齿打滑、车体沉陷的情况，严重时采矿车将停机导致无法开采，造成巨大经济损失。
4.陆地工程常使用土壤固化剂固化地基，然而深海环境复杂多变，深海稀软土性质特殊，极大区别于陆地淤泥，因此，传统土壤固化剂并不适用，且对海洋环境污染大、成效差。例如公开号为：cn114893185a的中国专利申请公开了一种海底采矿车沉陷探测及主动脱困装置与方法，其通过向海底沉积物中注浆的方式进行海床加固，注浆会对海洋环境会造成污染，因此亟需一种低碳环保、高效便捷的深海海床固化手段，以应对采矿车无法行走的极端情况。


技术实现要素：

5.针对现有的海底采矿车脱困存在的问题，本发明的第一目的是提供了一种深海采矿车自救脱困装置。
6.本发明采用以下的技术方案：
7.一种深海采矿车自救脱困装置，深海采矿车包括车体，车体的底部两侧设置有履带式行走机构，所述车体内设置有超临界co2储罐，所述车体的外围延伸设置有固定平台，所述固定平台上和车体的底部中央均设置有多个co2输送管路，所述co2输送管路与超临界co2储罐相连；所述co2输送管路包括可伸缩输送管，所述可伸缩输送管的端部设置有旋转喷头。
8.优选地，所述固定平台的左右两侧的底面上设置有多个沉陷探测器，所述沉陷探测器能够探测固定平台与海床的距离。
9.优选地，所述co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
至120
°
。
10.优选地，所述车体前侧的固定平台上的co2输送管路有的与海床之间的夹角为90
°
，有的与海床之间的夹角为120
°
；
11.所述车体左右两侧的固定平台上的co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
，所述车体后侧的固定平台上的co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
，所述车体的底部中央的co2输
送管路与海床之间的夹角为90
°
。
12.优选地，所述车体前侧的固定平台上的co2输送管路的数量多于车体后侧的固定平台上的co2输送管路的数量。
13.优选地，所述旋转喷头的外壁设置有若干尖刺和若干喷孔，所述旋转喷头能够旋转向外喷射超临界co2。
14.本发明的第二目的是提供了一种深海采矿车自救脱困方法。
15.一种深海采矿车自救脱困方法，利用如以上所述的一种深海采矿车自救脱困装置，包括以下步骤：
16.步骤1：深海采矿车在海底采矿时，通过电缆、采矿输送管路及超临界co2输送管与海面的母船连接，在采矿作业时，沉陷探测器对固定平台与海床的距离进行实时探测；
17.步骤2：当深海采矿车发生沉陷情况而无法正常作业时，沉陷探测器就会探测到固定平台与海床的距离超出设定范围，从而监测到深海采矿车发生沉陷，沉陷探测器会向母船发送报警信号，提醒母船工作人员深海采矿车发生深陷无法正常工作；
18.步骤3：当母船工作人员收到报警信号后，就会通过超临界co2输送管向深海采矿车输送超临界co2，超临界co2是指当压力超过7.38mpa，温度超过31.4℃时，co2呈密度大于海水、粘性较小的超临界态；
19.步骤4：由母船向深海采矿车输送的超临界co2通过超临界co2输送管送至车体内的超临界co2储罐中，co2输送管路的可伸缩输送管伸出并插入深海采矿车下方及四周的海床中，由超临界co2储罐将超临界co2送至各个co2输送管路中；
20.步骤5：co2输送管路中的超临界co2通过旋转喷头向外选择喷射超临界co2，超临界co2旋转喷出后与深海采矿车四周及下方的海床的土体充分混合，一方面驱替海床土体中孔隙水使其密实，一方面在海底高压低温的环境下形成co2水合物固体，两种作用能有效提升深海采矿车履带四周及车体前后稀软土体强度，增大土体与履带间摩擦力，实现短时间内土体的快速、低碳固化；
21.步骤6：海床土体固化完成后，co2输送管路的可伸缩输送管缩回，在可伸缩输送管缩回的过程中，超临界co2持续输送，防止旋转喷头的喷孔被堵塞，当可伸缩输送管完全缩回后，可驱使深海采矿车自沉陷处脱出。
22.本发明具有的有益效果是：
23.本发明提供的一种深海采矿车自救脱困装置及其脱困方法，在海底采矿车沉陷后无法正常行走后，通过将超临界co2注入海床，超临界co2是指当压力超过7.38mpa，温度超过31.4℃时，co2呈密度大于海水、粘性较小的超临界态；超临界co2进入海床后能够驱替稀软土体孔隙水并生成固态水合物，实现海床土体快速固化，有效提升采矿车履带四周及车体前后稀软土体强度，增大土体与履带间摩擦力，实现短时间内土体的快速、低碳固化，最终实现采矿车脱困自救恢复作业的目的。另外，本发明通过将超临界co2注入海床，还能够实现co2的深海封存，为国家的绿色低碳需求提供贡献。本发明的脱困方法相比于现有技术中向海床注浆的方法，更好的保护了海底的生态环境，避免了对海洋环境的污染，是一种高效、环保的脱困方法。
附图说明
24.图1为深海采矿车自救脱困装置的整体图。
25.图2为深海采矿车自救脱困装置的侧视图。
26.图3为深海采矿车自救脱困装置的底视图。
27.图4为深海采矿车自救脱困装置中co2输送管路的可伸缩输送管伸出时的示意图。
28.图5为旋转喷头的示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
30.实施例1
31.结合图1至图5，一种深海采矿车自救脱困装置，深海采矿车包括车体1，车体的底部两侧均设置有履带式行走机构2，履带式的采矿车是海底采矿最常用的一种形式，履带式采矿车在深海稀软底质上行走时，易面临履齿打滑、车体沉陷的情况。
32.车体内设置有超临界co2储罐，超临界co2储罐作用是暂时存储自母船输送来的超临界co2，以便向co2输送管路3输送。
33.车体的外围延伸设置有固定平台4，固定平台上和车体的底部中央均设置有多个co2输送管路3，co2输送管路与超临界co2储罐相连。
34.co2输送管路包括可伸缩输送管31，可伸缩输送管的端部设置有旋转喷头5。
35.其中，co2输送管路耐温耐压，能够实现超临界co2的稳定输送。
36.在固定平台的左右两侧的底面上设置有多个沉陷探测器，沉陷探测器能够探测固定平台与海床的距离。
37.沉陷探测器为水下高精度激光测距传感器，当深海采矿车发生沉陷情况而无法正常作业时，沉陷探测器探测到的固定平台与海床的距离就是超出设定的范围，从而监测到深海采矿车发生沉陷，沉陷探测器会向母船发送报警信号，提醒母船工作人员深海采矿车发生深陷无法正常工作。
38.co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
至120
°
，可根据实际需求进行设置。
39.本实施例中，车体前侧的固定平台上固定有4个co2输送管路，中间的两个co2输送管路海床之间的夹角为120
°
，两侧的两个co2输送管路有的与海床之间的夹角为90
°
。
40.车体左右两侧的固定平台上的co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
。
41.车体后侧的固定平台上的co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
。
42.车体的底部中央的co2输送管路与海床之间的夹角为90
°
。
43.车体左右两侧和车体的底部中央的co2输送管路的数量是根据实际需求设置的。
44.车体前侧的co2输送管路设置为两种不同倾角，其目的是增大采矿车前方区域土体固化范围，有利于应对各类复杂沉陷情形，使脱困采矿车增加车前牵引力。
45.车体前侧的固定平台上的co2输送管路的数量多于车体后侧的固定平台上的co2输送管路的数量，，其目的也是为了增大采矿车前方区域土体固化范围，使脱困采矿车增加车前牵引力。本实施例中车体后侧的co2输送管路的数量为2个。
46.旋转喷头的外壁设置有若干尖刺6和若干喷孔7，旋转喷头能够旋转向外喷射超临
界co2。
47.尖刺有利于旋转喷头顺利进入土体，也有利于超临界co2的旋转喷出。
48.实施例2
49.一种深海采矿车自救脱困方法，利用实施例1所述的一种深海采矿车自救脱困装置，包括以下步骤：
50.步骤1：深海采矿车在海底采矿时，通过电缆、采矿输送管路及超临界co2输送管与海面的母船连接，在采矿作业时，沉陷探测器对固定平台与海床的距离进行实时探测。
51.步骤2：当深海采矿车发生沉陷情况而无法正常作业时，沉陷探测器就会探测到固定平台与海床的距离超出设定范围，从而监测到深海采矿车发生沉陷，沉陷探测器会向母船发送报警信号，提醒母船工作人员深海采矿车发生深陷无法正常工作。
52.步骤3：当母船工作人员收到报警信号后，就会通过超临界co2输送管向深海采矿车输送超临界co2，超临界co2是指当压力超过7.38mpa，温度超过31.4℃时，co2呈密度大于海水、粘性较小的超临界态。
53.步骤4：由母船向深海采矿车输送的超临界co2通过超临界co2输送管送至车体内的超临界co2储罐中，co2输送管路的可伸缩输送管伸出并插入深海采矿车下方及四周的海床中，由超临界co2储罐将超临界co2送至各个co2输送管路中。
54.步骤5：co2输送管路中的超临界co2通过旋转喷头向外选择喷射超临界co2，超临界co2旋转喷出后与深海采矿车四周及下方的海床的土体充分混合，一方面驱替海床土体中孔隙水使其密实，一方面在海底高压低温的环境下形成co2水合物固体，两种作用能有效提升深海采矿车履带四周及车体前后稀软土体强度，增大土体与履带间摩擦力，实现短时间内土体的快速、低碳固化。
55.步骤6：海床土体固化完成后，co2输送管路的可伸缩输送管缩回，在可伸缩输送管缩回的过程中，超临界co2持续输送，防止旋转喷头的喷孔被堵塞，当可伸缩输送管完全缩回后，可驱使深海采矿车自沉陷处脱出，并停止超临界co2的输送。
56.相比于向海床注浆的方式，本发明的超临界co2进入海床后生产的co2水合物固体不会对海底生态环境造成污染，既保护了海底的环境，又实现了采矿车的脱困。而且，通过将超临界co2注入海床，还能够实现co2的深海封存，为国家的绿色低碳需求提供贡献
57.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。