專利名稱：用于海底采礦的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及水下采礦，尤其涉及用于海底采礦和收集的系統(tǒng)和方法，包括多個(gè)共同協(xié)作的海底工具。
背景技術(shù)：
海床開挖常常是通過挖掘進(jìn)行的，從而例如獲取有價(jià)值的沖積砂礦床或使水路保持通航。吸揚(yáng)式挖掘法包括將管道或管的收集端置于要開挖的海床材料附近，以及利用地面泵產(chǎn)生負(fù)壓差從而將水和附近的活動(dòng)海底沉積物吸入到管道中。切吸式挖掘進(jìn)一步在吸入口處或吸入口附近提供刀頭，以分解將被吸入到管中的壓實(shí)的泥土、沙礫或甚至是堅(jiān)硬的巖石。大型切吸式挖掘機(jī)能使用數(shù)萬千瓦的切割功率。其他的海床挖掘技術(shù)包括旋吸式、噴射式(jet lift)、氣升式(air lift)和斗式挖掘(bucket dredging)。大部分挖掘設(shè)備典型地僅在數(shù)十米的深度操作，即使非常大型的挖掘機(jī)，其最大挖掘深度也只略多于一百米。因此挖掘常常限于相對(duì)較淺的水域。海底鉆井(例如油井)可在多達(dá)幾千米深度的更深的水域中進(jìn)行。然而，海底鉆井采礦技術(shù)不能用于海底采礦。本說明書中所包括的任何對(duì)文件、法案、材料、設(shè)備、文獻(xiàn)等的討論旨在提供本發(fā)明的背景，不應(yīng)當(dāng)做承認(rèn)上述的任何內(nèi)容構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分或作為先于本申請(qǐng)每項(xiàng)權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日前存在的本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的公知常識(shí)。在文件中，詞語“包括(comprise) ”或其變形“包括(comprises) ”、“包括(comprised) ”或“包括(comprising) ”應(yīng)當(dāng)理解為表示包括一個(gè)或多個(gè)所述的元素、整體或步驟，但不排除任何其他元素、整體或步驟。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)廣泛方面，提供一種用于海底采礦的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括海底輔助采礦工具，用于作業(yè)于海底位點(diǎn)以準(zhǔn)備梯段，以及用于將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；海底混合采礦工具，用于制造梯段的碎塊并且將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；海底收集機(jī)器，用于堆積在所述收集區(qū)域的切割后的礦石，并且將收集的礦石以料漿形式泵送至立管底部；立管和升降系統(tǒng)，用于從所述收集機(jī)器接收料漿，并且將所述料漿提升至地面；以及地面船只，用于從所述立管和升降系統(tǒng)接收料漿。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于海底采礦的方法，所述方法包括使用海底輔助采礦工具準(zhǔn)備海底位點(diǎn)的梯段，并將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；利用海底混合采礦工具對(duì)所述梯段進(jìn)行混合采礦，并將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；使用海底收集機(jī)器從所述收集區(qū)域收集切割后的礦石，并以料漿形式將收集的礦石從所述收集機(jī)器泵送至立管底部；并且使用立管和升降系統(tǒng)將所述料漿提升至地面船只。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到，感興趣的海底區(qū)域可能具有復(fù)雜的地形，因此本發(fā)明提供同時(shí)操作的多個(gè)海底采礦工具以有效獲取海底材料。海底輔助采礦工具能夠往返移動(dòng)于不平整的場地和斜坡，優(yōu)選不超過10度、更優(yōu)選20度、甚至更優(yōu)選25度。進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種可適應(yīng)于一些實(shí)施方式的以部署于很深的水深的系統(tǒng)。例如一些實(shí)施方式能夠在大于約400米、更優(yōu)選大于1000米、更優(yōu)選大于1500米的深度下操作。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的多工具系統(tǒng)在淺至100米的水中或其他相對(duì)較淺的水下應(yīng)用中也是有用的海底采礦的選擇。因此應(yīng)當(dāng)理解，提及海底或海床并不旨在排除本發(fā)明在湖底、河口水底、海灣水底、測探水底(sound floor)、海灘水底、港口水底等中，在鹽水、半鹽水或淡水等應(yīng)用中用于采礦或開挖，這些應(yīng)用都落在本說明書的范圍內(nèi)。當(dāng)待獲取的材料的厚度大于梯段的高度時(shí)(所述梯段的高度由海底混合采礦工具的切割深度限定)，通過順序的混合采礦步驟和收集步驟，除去材料的多層梯段。所述海底輔助采礦工具可用于準(zhǔn)備和修整每個(gè)梯段層，或用于僅準(zhǔn)備和/或修整一些梯段層。所述海底收集工具可用來除去堆積的沉積物，例如覆蓋感興趣的海底堆積物的淤泥，然后再部署海底輔助采礦工具和海底混合采礦工具。應(yīng)當(dāng)理解，在一些應(yīng)用中，當(dāng)感興趣的海底材料(例如礦石)的部分足夠容易調(diào)動(dòng)時(shí)，可操作收集機(jī)器直接獲得礦石的這些部分，而不需要真正的切割海底的這些部分。在本發(fā)明部署于地形復(fù)雜的海底位點(diǎn)的實(shí)施方式中，優(yōu)選使用海底輔助采礦工具來啟動(dòng)位點(diǎn)(site)開挖。例如，海底輔助采礦工具可為海底混合采礦工具準(zhǔn)備著陸區(qū)域，并且可開挖位點(diǎn)的末端從而為海底混合采礦工具準(zhǔn)備第一梯段。復(fù)雜地形包括強(qiáng)度和稠度不同的海底，例如沙、泥沙、淤泥、巖石和分解的礦石的儲(chǔ)存堆。在海底混合采礦工具切割一個(gè)或多個(gè)梯段，并且收集機(jī)器收集碎塊以清理一個(gè)或多個(gè)梯段之后，優(yōu)選地進(jìn)一步使用海底輔助采礦工具來開挖海底混合采礦工具接觸不到和/或錯(cuò)過的、殘余的梯段末端或邊緣部分。這樣的實(shí)施方式認(rèn)識(shí)到，混合采礦工具可能為了混合采礦能力而欠缺活動(dòng)性和精確性，因此提供的采礦方法是使用海底輔助采礦工具來修整這種殘余的部分。海底輔助采礦工具優(yōu)選地將其自己的碎塊清理至傾卸位點(diǎn)，以使得海底輔助采礦工具能夠前進(jìn)通過其作業(yè)的地層。例如，輔助采礦工具可將其產(chǎn)生的碎塊以料漿形式泵送至工具行進(jìn)路徑側(cè)面的位置。其中，海底輔助采礦工具切割感興趣的材料，例如礦石，由海底輔助采礦工具產(chǎn)生的碎塊優(yōu)選地由海底收集機(jī)器進(jìn)行收集。因此，堆積來自輔助采礦工具的碎塊的收集區(qū)域不需要與堆積來自混合采礦工具的碎塊的收集區(qū)域相同。海底輔助采礦工具、海底混合采礦工具和海底收集工具可分別為無線遠(yuǎn)程遙控運(yùn)載工具(Remotely Operated Vehicle, R0V),或?yàn)橛筛浇又恋孛娴哪阁w操作的有線運(yùn)載工具。在海底混合采礦工具作業(yè)于梯段的時(shí)間段中，所述海底輔助采礦工具和海底收集機(jī)器優(yōu)選地與梯段保持距離以避免工具干擾，以及在有線運(yùn)載工具的情形下避免母體纏結(jié)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在該時(shí)間中，優(yōu)選地將所述海底輔助采礦工具和/或海底收集機(jī)器使用于附近范圍內(nèi)的位于一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的梯段上的它們相應(yīng)的任務(wù)中。這樣的實(shí)施方式提供了在待前進(jìn)的多個(gè)梯段位點(diǎn)上同時(shí)作業(yè)，提高工具利用率和位點(diǎn)生產(chǎn)率。優(yōu)選地對(duì)每種工具的浮力進(jìn)行選擇和/或可變控制，以使得工具在潛入水中時(shí)具有足夠的重量以為該工具的任務(wù)施加所需的力。例如，混合采礦工具可配置為具有海底工具最大的負(fù)浮力，從而混合采礦工具可施加足夠的向下的力以使得能夠制造梯段的碎塊。海底輔助采礦工具優(yōu)選地配置為具有恰當(dāng)?shù)呢?fù)浮力，以允許海底輔助采礦工具實(shí)施輔助切割任務(wù)。收集工具可需要相對(duì)小的負(fù)浮力，例如僅需要足夠的負(fù)浮力以在除切割模式之外的情況下牽引海底移動(dòng)。收集工具例如可以具有可變的浮力，以允許收集工具為正浮力或中性浮力，從而利用螺旋推進(jìn)器或其他推進(jìn)器抬升至海底之上并在位點(diǎn)附近航行，然后在負(fù)浮力的作用下停靠于新的海底位置。在一些實(shí)施方式中，海底輔助采礦工具甚至海底混合采礦工具也可具有可變浮力和適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)力，以允許在海底之上的類似航行。海底混合采礦工具優(yōu)選地設(shè)計(jì)為在相對(duì)平坦和相對(duì)水平的梯段表面上作業(yè)，且設(shè)計(jì)為在往返移動(dòng)穿過梯段表面的同時(shí)切削表面至切割深度，將碎塊留在原位用于后續(xù)由海底收集工具進(jìn)行收集。海底混合采礦工具優(yōu)選地通過沿一個(gè)或多個(gè)路徑往返移動(dòng)于梯段的表面，從而基本上切割整個(gè)梯段。優(yōu)選的使混合采礦工具的切割路徑最優(yōu)化，從而基于存在于所關(guān)注的位點(diǎn)的特定梯段尺寸和梯段形狀，使從梯段的礦石獲取最大化。優(yōu)選地，堆積來自混合采礦工具的碎塊的收集區(qū)域與礦石梯段位置相同，由此混合采礦工具切割礦石時(shí)基本上不需要重新放置礦石。這樣的實(shí)施方式允許混合采礦工具設(shè)計(jì)、作用并操作為著重于這種混合開采的切割需求，而不會(huì)由于需要考慮重新放置碎塊而復(fù)雜化。或者，收集區(qū)域可位于礦石梯段的遠(yuǎn)處。在系統(tǒng)的替代實(shí)施方式中，輔助采礦機(jī)和混合采礦機(jī)配置有料漿輸送管道，料漿輸送管道布置為將碎塊從對(duì)應(yīng)的工具以料漿形式傳送到位于對(duì)應(yīng)工具的切割位置遠(yuǎn)處的儲(chǔ)存位點(diǎn)。在這樣的實(shí)施方式中，收集機(jī)器主要或只在儲(chǔ)存位點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，并將收集的礦石傳送到立管和升降系統(tǒng)的底部。這樣的實(shí)施方式在消除收集機(jī)器生產(chǎn)力對(duì)混合采礦機(jī)和/或輔助采礦機(jī)生產(chǎn)力的依賴性方面是有利的。也就是說，即使當(dāng)混合采礦機(jī)和/或輔助采礦機(jī)不在進(jìn)行切割，和/或在混合采礦機(jī)和/或輔助采礦機(jī)正在切割的同時(shí)，收集機(jī)器繼續(xù)從儲(chǔ)存位點(diǎn)收集先前切割的礦石。海底收集工具優(yōu)選地包括活動(dòng)料漿入口，該活動(dòng)料漿入口可控地置于待收集的材料(例如原本存在的未固結(jié)的沉積物，海底輔助采礦工具產(chǎn)生的碎塊和/或海底混合采礦工具產(chǎn)生的碎塊)的附近。因此，料漿入口處的吸力使得水和附近的固體以料漿形式被吸至入口中。海底收集工具優(yōu)選地包括遠(yuǎn)程附接和斷開連接系統(tǒng)，用于連接立式輸送管道以將料漿輸送至立管底部。在這樣的實(shí)施方式中，遠(yuǎn)程連接系統(tǒng)使得能夠?qū)⑹占瘷C(jī)器部署至海底，或從海底收回收集機(jī)器，而不收回料漿立管系統(tǒng)。料漿入口處的吸力可由收集工具的泵產(chǎn)生，或者由立管底部處的海底輸送泵產(chǎn)生。梯段可包括待獲取的有價(jià)值礦石的礦石梯段，或可包括堅(jiān)硬巖石的、固結(jié)或未固結(jié)材料的、或其他為了別的目的需要除去的海底材料的梯段。礦石可包括海底塊狀硫化物。立管和升降系統(tǒng)優(yōu)選地包括海底料漿升降泵，以將料漿通過立式管道泵送至地面。
地面船只可以是可航行的船只、平臺(tái)、駁船或其他地面裝備。地面船只優(yōu)選地包括脫水設(shè)備，以對(duì)從立管接收的料漿進(jìn)行脫水，還可進(jìn)一步包括礦石輸送和/或處理設(shè)施，例如礦石集中器。


現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的海底系統(tǒng)的簡化總覽圖；圖2為示出了圖1系統(tǒng)的海底操作的流程圖；圖3 —般性示出了根據(jù)圖1實(shí)施方式在兩個(gè)相鄰海底位點(diǎn)采礦的時(shí)間進(jìn)程；圖4示出了在圖1實(shí)施方式的系統(tǒng)中使用的適當(dāng)?shù)牧⒐苓B結(jié)點(diǎn)和連接器布置；圖5為示出了適用于圖1實(shí)施方式的脫水設(shè)備過程的框圖；以及圖6a至圖6e示出了在本實(shí)施方式的系統(tǒng)的操作期間、在選定的采礦階段的海底采礦環(huán)境。
具體實(shí)施例方式下列縮寫詞和首字母縮寫詞將在后面的整個(gè)具體實(shí)施方式
中使用
權(quán)利要求
1.一種用于海底采礦的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括海底輔助采礦工具，用于作業(yè)于海底位點(diǎn)以準(zhǔn)備梯段，以及用于將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；海底混合采礦工具，用于制造梯段的碎塊并且將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域； 海底收集機(jī)器，用于收集堆積在所述收集區(qū)域的切割后的礦石，并且將收集的礦石以料漿形式泵送至立管底部；立管和升降系統(tǒng)，用于從所述收集機(jī)器接收料漿，并且將所述料漿提升至地面；以及地面船只，用于從所述立管和升降系統(tǒng)接收料漿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述海底輔助采礦工具配置為將其自己的碎塊清理至傾卸位點(diǎn)，從而使所述海底輔助采礦工具前進(jìn)通過其作業(yè)的地層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述海底混合采礦工具配置為在相對(duì)平坦和相對(duì)水平的梯段表面上作業(yè)，并且在往返移動(dòng)穿過所述梯段表面的同時(shí)切削所述表面至切割深度，從而使得所述海底混合采礦工具可通過沿一個(gè)或多個(gè)路徑往返移動(dòng)于所述梯段的表面而基本上切割整個(gè)梯段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述海底混合采礦工具配置為將碎塊留在原位以用于后續(xù)通過所述海底收集工具進(jìn)行收集。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述海底收集工具包括活動(dòng)料漿入口，所述活動(dòng)料漿入口能夠被可控地置于待收集的材料的附近，由此所述料漿入口處的吸力使得水和附近的固體以料漿的形式被吸至所述入口中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述海底收集工具包括遠(yuǎn)程附接和斷開連接系統(tǒng)，用于連接立式輸送管道以將所述料漿輸送至所述立管底部。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述料漿入口處的吸力由所述收集工具的泵產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述料漿入口處的吸力由所述立管底部處的海底輸送泵產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述立管和升降系統(tǒng)包括海底料漿升降泵，用于通過立式管道將料漿泵送至所述表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于保留切割后的礦石的海底儲(chǔ)存設(shè)備，所述海底輔助采礦工具和/或海底混合采礦工具產(chǎn)生的碎塊以料漿形式被泵送至所述海底儲(chǔ)存設(shè)備，且所述收集機(jī)器從所述海底儲(chǔ)存設(shè)備收集切割后的礦石。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述海底輔助采礦工具能夠往返移動(dòng)于角度不超過10度的不平整的場地或斜坡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述海底輔助采礦工具能夠往返移動(dòng)于角度不超過20度的不平整的場地或斜坡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述海底輔助采礦工具能夠往返移動(dòng)于角度不超過25度的不平整的場地或斜坡。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在大于約400米的深度下操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在大于1000米的深度下操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在大于1500米的深度下操作。
17.一種用于海底采礦的方法，所述方法包括使用海底輔助采礦工具準(zhǔn)備海底位點(diǎn)的梯段；利用海底混合采礦工具對(duì)所述梯段進(jìn)行混合采礦，并將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域；使用海底收集機(jī)器從所述收集區(qū)域收集切割后的礦石，并以料漿形式將收集的礦石從所述收集機(jī)器泵送至立管底部；并且使用立管和升降系統(tǒng)將所述料漿提升至地面船只。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述海底輔助采礦工具將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域，以用于由所述海底收集機(jī)器進(jìn)行收集。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，待獲取的材料的厚度大于梯段的高度，所述梯段的高度由所述海底混合采礦工具的切割深度限定，所述方法進(jìn)一步包括通過順序的混合采礦步驟和收集步驟，除去所述材料的多層梯段。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述海底輔助采礦工具用于準(zhǔn)備和修整每個(gè)梯段層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述海底輔助采礦工具用于僅準(zhǔn)備和修整一些梯段層。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在將所述海底輔助采礦工具和海底混合采礦工具部署到感興趣的海底堆積物之前，采用所述海底收集工具來除去覆蓋在所述感興趣的海底堆積物上的沉積物。
23.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)被部署到地形復(fù)雜的海底位點(diǎn)時(shí)，所述海底輔助采礦工具被用來通過為所述海底混合采礦工具準(zhǔn)備著陸區(qū)域，和/或通過開挖所述位點(diǎn)的末端從而為所述海底混合采礦工具準(zhǔn)備第一梯段，來啟動(dòng)位點(diǎn)開挖。
24.根據(jù)權(quán)利要求17至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述海底混合采礦工具切割一個(gè)或多個(gè)梯段，并且所述收集機(jī)器收集碎塊以清理所述一個(gè)或多個(gè)梯段之后，使用所述海底輔助采礦工具來開挖所述海底混合采礦工具接觸不到和/或錯(cuò)過的、殘余的梯段末端或邊緣部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述混合采礦工具作業(yè)于梯段的時(shí)間段中，所述海底輔助采礦工具和海底收集機(jī)器與該梯段保持距離以避免工具干擾，以及在有線運(yùn)載工具的情形下避免母體纏結(jié)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，在這樣的時(shí)間中，將所述海底輔助采礦工具和 /或海底收集機(jī)器使用于附近范圍內(nèi)的位于一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的梯段上的相應(yīng)的任務(wù)中，從而提供以在將要同時(shí)前進(jìn)的多個(gè)梯段位點(diǎn)上作業(yè)，提高工具利用率。
全文摘要
一種用于海底采礦的系統(tǒng)。一種海底輔助采礦工具，其作業(yè)于海底位點(diǎn)以準(zhǔn)備梯段，以及將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域。一種海底混合采礦工具，其制造梯段的碎塊并且將切割后的礦石堆積在收集區(qū)域。一種海底收集機(jī)器，其收集堆積在收集區(qū)域的切割后的礦石，并將收集的礦石以料漿形式泵送至立管底部。一種立管和升降系統(tǒng)，其從收集機(jī)器接收料漿，并將料漿提升至地面。一種地面船只，其從所述立管和升降系統(tǒng)接收料漿。
文檔編號(hào)B63C11/52GK103038447SQ201180030174
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者格倫·羅伯特·瓊斯, 安東尼·艾略特·英格利斯, 安東尼·保羅·奧薩利文, 邁克爾·豪伊特, 格倫·馬丁代爾·史密斯, 羅蘭·岡特·伯恩德特, 達(dá)爾·哈蘭·哲弗茲 申請(qǐng)人:諾蒂勒斯礦物太平洋有限公司