本發(fā)明屬于礦產(chǎn)開采設(shè)備，尤其涉及一種海底可燃冰鉆式開采裝備。

背景技術(shù)：

可燃冰是人類在海底與凍土層之下發(fā)現(xiàn)的一種新型潔凈資源。由小分子烴與液態(tài)水在較低溫度和較高壓力條件下形成的結(jié)晶水合物，分子式 MnH₂O,M為氣體分子，主要是CH₄，含有少量的C₂H₆、C₃H₈等烴類。1m³可燃冰能分解釋放出164m³(標準)天然氣，全球估計可燃冰總體積量大約1.8×1016～2.1×1016m³，相當于全球已探明常規(guī)化石燃料總量2倍。

可燃冰的開采作為一個全新的研究領(lǐng)域，它具有非常巨大的資源潛力。特別是對深海區(qū)域的可燃冰的開采受限于完善的開采設(shè)備和成熟的開發(fā)方案，目前仍是亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能夠在深海作業(yè)的、防水性能良好、工作效率較高的可燃冰鉆式開采裝備。

為實現(xiàn)本發(fā)明之目的，采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種海底可燃冰鉆式開采裝備，其包括圓柱形殼體、安裝在所述殼體前端的鉆頭、設(shè)置在所述殼體內(nèi)的傳送機構(gòu)和螺桿機構(gòu)、以及安裝在所述殼體后部數(shù)量不少于2組的尾部抵緊機構(gòu)；所述殼體包括前封閉部和后開合部；所述螺桿機構(gòu)安裝在所述殼體的前封閉部內(nèi)；所述傳送機構(gòu)安裝在所述殼體的后開合部內(nèi)；所述殼體外壁沿軸線等距轉(zhuǎn)動連接有滾輪；所述滾輪的安裝支座浮動設(shè)置并通過預(yù)緊彈簧與所述殼體連接；

所述鉆頭包括鉆頭基體、安裝于所述鉆頭基體前部并伸出所述殼體前端的刀片，以及通過轉(zhuǎn)動帶驅(qū)動所述鉆頭基體轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機a；

所述殼體內(nèi)對應(yīng)鉆頭基體位置成型有鉆頭基體安裝基座；所述驅(qū)動電機a固定連接在所述鉆頭基體安裝基座上；

所述鉆頭基體、鉆頭基體安裝基座與殼體內(nèi)壁間形成有用于存儲所述刀片采掘下來的礦物塊的儲礦腔；

所述鉆頭基體安裝基座后部沿所述殼體軸線方向安裝有數(shù)量不少于4組的抵緊液壓缸；所述抵緊液壓缸后部固定連接在所述殼體內(nèi)壁上，所述抵緊液壓缸活動端通過螺紋連接在所述鉆頭基體安裝基座上；

所述螺桿機構(gòu)包括送料螺桿，安裝在殼體內(nèi)壁通過帶傳動連接所述送料螺桿的螺桿驅(qū)動電機；所述送料螺桿后部成型有出料口；所述送料螺桿前部伸入所述儲礦腔內(nèi)；所述殼體內(nèi)壁對應(yīng)所述出料口位置安裝有傳送機構(gòu)；

所述傳送機構(gòu)包括傳送帶，固定連接在所述傳送帶上的多個傾斜運送料斗；

多個所述的傾斜運送料斗沿傳送帶長度方向等距布置；所述傾斜運送料斗斜向上開口；所述出料口的方向與所述傾斜運送料斗的開口相對；

所述尾部抵緊機構(gòu)包括作用于工作支持面的抵緊支座，驅(qū)動所述抵緊支座上下運動的液壓頂缸，以及驅(qū)動液壓頂缸運動的頂缸驅(qū)動電機；所述頂缸驅(qū)動電機和液壓頂缸通過安裝基座螺紋連接在殼體上；所述液壓頂缸下端與所述抵緊支座螺紋連接；所述殼體內(nèi)在鉆頭基體安裝基座和螺桿驅(qū)動電機之間位置安裝有數(shù)量不少于4組的側(cè)部抵緊機構(gòu)；所述側(cè)部抵緊機構(gòu)包括側(cè)部抵緊頂板，驅(qū)動所述側(cè)部抵緊頂板垂直殼體壁面上下運動的液壓缸，以及驅(qū)動液壓缸的驅(qū)動電機b；

所述殼體內(nèi)還安裝有控制電路板，所述驅(qū)動電機a、螺桿驅(qū)動電機、頂缸驅(qū)動電機、驅(qū)動電機b與所述控制電路板電連接。

作為優(yōu)選方案：所述出料口開口處固定連接有磁鐵a，所述傾斜運送料斗上沿對應(yīng)出料口開口位置固定連接有磁鐵b。

作為優(yōu)選方案：所述刀片沿所述鉆頭基體前端面周向等距布置，沿徑向交錯等距布置。

作為優(yōu)選方案：各個所述電機由安裝在海底的發(fā)電裝置進行供電；所述發(fā)電裝置包括有內(nèi)燃機，與內(nèi)燃機的輸出軸連接的發(fā)電機；所述內(nèi)燃機的進氣端連接有混合器，混合器連接有氧氣進氣管和天然氣進氣管；所述內(nèi)燃機的出氣端連接有排氣管，排氣管的另一端連接有冷卻除氣罐；所述氧氣進氣管另一端連通到海面上，氧氣進氣管靠近混合器的位置安裝有氣泵a；所述天然氣進氣管與可燃冰開采井的出氣管道相連通，天然氣進氣管靠近混合器的位置安裝有氣泵b；所述冷卻除氣罐為封閉的容器，冷卻儲氣罐內(nèi)下部儲存有氫氧化鈉飽和溶液；冷卻儲氣罐內(nèi)頂部安裝有水淋噴頭，所述排氣管與冷卻儲氣罐的上部連通；所述冷卻儲氣罐下部連接有由海水進行冷卻的冷卻管道，冷卻管道的另一端連接有噴淋水泵，噴淋水泵的出水端與水淋噴頭連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過安裝在前部的鉆頭旋轉(zhuǎn)切削作用待開采礦層表面，通過驅(qū)動電機a帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，刀片旋轉(zhuǎn)切削采礦層，在磨削力的作用下，可燃冰從采礦層剝落，進入儲礦腔，進入儲礦腔內(nèi)的可燃冰在螺桿機構(gòu)運輸下經(jīng)由傳送機構(gòu)被送至礦基表面，在開采的同時完成運輸?shù)墓δ?，具有較好的工作效率；此外，各個所述電機由安裝在海底的發(fā)電裝置進行供電，系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)自主功能，環(huán)保節(jié)能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明經(jīng)由海底礦井管道輸送至開采區(qū)的狀態(tài)示意圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明鉆頭組件、螺桿機構(gòu)以及與其相連的其它機構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明轉(zhuǎn)頭組件及尾部抵緊機構(gòu)的示意圖。

圖5是本發(fā)明豎直開采工況圖。

圖6是本發(fā)明水平開采工況圖。

圖7是傳輸階段傳輸機構(gòu)的示意簡圖。

圖8是發(fā)電裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是懸浮輸電線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是電纜外皮的結(jié)構(gòu)示意圖。

1、開采裝備；10、殼體；101、滾輪；102、預(yù)緊彈簧；11、鉆頭；110、刀片；111、儲礦腔；112、鉆頭基體；113、轉(zhuǎn)動帶；114、驅(qū)動電機a；115、抵緊液壓缸；12、傳送機構(gòu)；121、傾斜運送料斗；122、傳送帶；13、螺桿機構(gòu)；131、螺桿驅(qū)動電機；132、送料螺桿；14、尾部抵緊機構(gòu)；141、頂缸驅(qū)動電機；142、液壓頂缸；143、抵緊支座；15、側(cè)部抵緊機構(gòu)；

G、海底巖石層；H、小型吊機；L、管道；M、可燃冰；N、管道固定支架；Z、抓斗；S1、開采階段；S2、運輸階段；S3、吊升階段。

具體實施方式

實施例1

根據(jù)圖1~圖4所示，一種海底可燃冰鉆式開采裝備，其包括圓柱形殼體10、安裝在所述殼體前端的鉆頭11、設(shè)置在所述殼體內(nèi)的傳送機構(gòu)12和螺桿機構(gòu)13、以及安裝在所述殼體后部數(shù)量不少于2組的尾部抵緊機構(gòu)14；所述殼體包括前封閉部和后開合部；

所述螺桿機構(gòu)13安裝在所述殼體的前封閉部內(nèi)；所述傳送機構(gòu)12安裝在所述殼體的后開合部內(nèi)；所述殼體外壁沿軸線等距轉(zhuǎn)動連接有滾輪101；所述滾輪的安裝支座浮動設(shè)置并通過預(yù)緊彈簧102與所述殼體連接；該結(jié)構(gòu)能夠使得本發(fā)明在工作時，殼體表面的滾輪與巖層面直接接觸，運動過程中本發(fā)明與巖層面為滑動摩擦作用，且預(yù)緊彈簧能夠使?jié)L輪與凹凸不平的巖層面接觸充分。

所述鉆頭包括鉆頭基體112、安裝于所述鉆頭基體前部并伸出所述殼體前端的刀片110，以及通過轉(zhuǎn)動帶113驅(qū)動所述鉆頭基體轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機a114；所述殼體內(nèi)對應(yīng)鉆頭基體位置成型有鉆頭基體安裝基座；所述驅(qū)動電機a固定連接在所述鉆頭基體安裝基座上；所述鉆頭基體、鉆頭基體安裝基座與殼體內(nèi)壁間形成有用于存儲所述刀片采掘下來的礦物塊的儲礦腔111；所述鉆頭基體安裝基座后部沿所述殼體軸線方向安裝有數(shù)量不少于4組的抵緊液壓缸115；所述抵緊液壓缸后部固定連接在所述殼體內(nèi)壁上，所述抵緊液壓缸活動端通過螺紋連接在所述鉆頭基體安裝基座上；當本發(fā)明鉆頭作用開采巖層面工作時，抵緊液壓缸驅(qū)動所述鉆頭相對于所述殼體向前運動，使得旋轉(zhuǎn)中的刀片作用在開采面上，通過旋轉(zhuǎn)的刀片作用使礦體脫離，實現(xiàn)開采。

所述螺桿機構(gòu)13包括送料螺桿132，安裝在殼體內(nèi)壁通過帶傳動連接所述送料螺桿132的螺桿驅(qū)動電機131；所述送料螺桿后部成型有出料口；所述送料螺桿前部伸入所述儲礦腔內(nèi)；所述殼體內(nèi)壁對應(yīng)所述出料口位置安裝有傳送機構(gòu)；

所述傳送機構(gòu)包括傳送帶122，固定連接在所述傳送帶上的多個傾斜運送料斗121；多個所述的傾斜運送料斗沿傳送帶長度方向等距布置；所述傾斜運送料斗斜向上開口；所述出料口的方向與所述傾斜運送料斗的開口相對；當本發(fā)明處于垂直狀態(tài)工作狀態(tài)下，盛載于傾斜運送料斗內(nèi)的礦產(chǎn)塊不至于從料斗掉出。

所述尾部抵緊機構(gòu)14包括作用于工作支持面的抵緊支座143，驅(qū)動所述抵緊支座上下運動的液壓頂缸142，以及驅(qū)動液壓頂缸運動的頂缸驅(qū)動電機141；所述頂缸驅(qū)動電機和液壓頂缸通過安裝基座螺紋連接在殼體上；所述液壓頂缸下端與所述抵緊支座螺紋連接；當本發(fā)明的鉆頭剛接觸開采巖層表面時，所述抵緊機構(gòu)工作，與管道L或者非開采面抵緊，通過借助管道L或者非開采面的相對定位，使得本發(fā)明在開采初期能夠為鉆頭對開采巖層面的開采的提供作用支點。

所述殼體內(nèi)在鉆頭基體安裝基座和螺桿驅(qū)動電機之間位置安裝有數(shù)量不少于4組的側(cè)部抵緊機構(gòu)15；所述側(cè)部抵緊機構(gòu)包括側(cè)部抵緊頂板，驅(qū)動所述側(cè)部抵緊頂板垂直殼體壁面上下運動的液壓缸，以及驅(qū)動液壓缸的驅(qū)動電機b；當本發(fā)明隨著開采進度進入礦體一定距離，側(cè)部抵緊機構(gòu)開始啟動工作，側(cè)部抵緊頂板與礦體內(nèi)壁相抵，尾部抵緊機構(gòu)關(guān)閉，抵緊支座與作用面脫開，此時側(cè)部抵緊機構(gòu)代替尾部抵緊機構(gòu)為本發(fā)明的鉆頭對開采巖層面的開采提供作用支點。

所述殼體內(nèi)還安裝有控制電路板，所述驅(qū)動電機a、螺桿驅(qū)動電機、頂缸驅(qū)動電機、驅(qū)動電機b與所述控制電路板電連接。

所述出料口開口處固定連接有磁鐵a，所述傾斜運送料斗上沿對應(yīng)出料口開口位置固定連接有磁鐵b；當傾斜運送料斗運動至與所述出料口出口對應(yīng)位置時，磁鐵a與磁鐵b相吸，出料口與傾斜運送料斗順利接合，礦產(chǎn)塊能夠順利地從出料口流入傾斜運送料斗，傾斜運送料斗在轉(zhuǎn)動帶的帶動下，磁鐵a與磁鐵b漸漸脫離，出料口上的磁鐵a與下一個傾斜運送料斗上的磁鐵b吸合，重復(fù)裝料過程。

所述刀片沿所述鉆頭基體前端面周向等距布置，沿徑向交錯等距布置。周向布置，每組刀片數(shù)量在8~20片；徑向交錯等布置有的刀片組數(shù)為3~5組。

實施例2

根據(jù)圖1、圖5所示，一種使用實施例1所述開采裝備進行海底可燃冰鉆式開采的方法，該方法包括開采階段S1、吊升階段S3；所述開采裝備1通過架設(shè)在海底的管道L運輸至待開采礦層區(qū)，其中管道L在海底巖石層G區(qū)域通過管道固定支架N固定連接在所述海底巖石層上；在開采階段S1，開采裝備1通過尾部抵緊機構(gòu)和/或側(cè)部抵緊機構(gòu)的支撐，鉆頭作用待開采礦層，通過驅(qū)動電機a帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，刀片旋轉(zhuǎn)切削采礦層，在磨削力的作用下，可燃冰M從采礦層剝落，進入儲礦腔，進入儲礦腔內(nèi)的可燃冰在螺桿機構(gòu)運輸下經(jīng)由傳送機構(gòu)被送至礦基表面，并在礦基表面堆積；在吊升階段S3，安裝在管道L內(nèi)的小型吊機H通過抓斗Z直接抓取堆積在礦基表面上的可燃冰M，所述抓斗Z上安裝有伺服電機通過吊機吊升到下一個轉(zhuǎn)運平臺，經(jīng)過多個吊升階段最終達到海面上。該開采方法適用于海底開采中的垂直作業(yè)工況。

實施例3

根據(jù)圖1、圖6、圖7所示，一種使用實施例1所述開采裝備進行海底可燃冰鉆式開采的方法，該方法包括開采階段S1、運輸階段S2、吊升階段S3；

所述開采裝備1通過架設(shè)在海底的管道L運輸至待開采礦層區(qū)，其中管道L在海底巖石層G區(qū)域通過管道固定支架N固定連接在所述海底巖石層上；在開采階段S1，開采裝備1通過尾部抵緊機構(gòu)和/或側(cè)部抵緊機構(gòu)的支撐，鉆頭作用待開采礦層，通過驅(qū)動電機a帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，刀片旋轉(zhuǎn)切削采礦層，在磨削力的作用下，可燃冰M從采礦層剝落，進入儲礦腔，進入儲礦腔內(nèi)的可燃冰在螺桿機構(gòu)運輸下經(jīng)由傳送機構(gòu)被送至運輸階段S2中的水平傳送帶上；在運輸階段S2，水平傳動帶（可通過水下機器人水平直線布置或者曲線布置）將采掘的可燃冰運輸至吊升集中點；在吊升階段S3，吊升集中點的集中箱根據(jù)重量傳感器的回傳數(shù)據(jù)發(fā)出觸發(fā)信號，達到相應(yīng)重量的集中箱由吊升管道直接調(diào)離，直至達到海面上。該開采方法使用與海底開采中的水平作業(yè)工況。

實施例4

結(jié)合圖8所示，本實施例在實施例1或2或3的基礎(chǔ)上做了如下改進，各個所述電機（包括驅(qū)動電機a、螺桿驅(qū)動電機、頂缸驅(qū)動電機、驅(qū)動電機b、抓斗伺服電機）由安裝在海底的發(fā)電裝置進行供電；所述發(fā)電裝置包括有內(nèi)燃機21，與內(nèi)燃機的輸出軸連接的發(fā)電機22；所述內(nèi)燃機的進氣端連接有混合器23，混合器連接有氧氣進氣管和天然氣進氣管；所述內(nèi)燃機的出氣端連接有排氣管，排氣管的另一端連接有冷卻除氣罐26；所述氧氣進氣管另一端與氧氣瓶連接，氧氣進氣管靠近混合器的位置安裝有氣泵a25；所述天然氣進氣管與可燃冰開采井的出氣管道相連通，天然氣進氣管靠近混合器的位置安裝有氣泵b24；所述冷卻除氣罐為封閉的容器，冷卻儲氣罐內(nèi)下部儲存有氫氧化鈉飽和溶液；冷卻儲氣罐內(nèi)頂部安裝有水淋噴頭27，所述排氣管與冷卻儲氣罐的上部連通；所述冷卻儲氣罐下部連接有由海水進行冷卻的冷卻管道28，冷卻管道的另一端連接有噴淋水泵29，噴淋水泵的出水端與水淋噴頭連接。

所述可燃冰開采井指的是使用減壓法開采可燃冰時所鉆探的開采井。當開采井氣源不足時，可改為以下方式供給天然氣：將開采到的固態(tài)可燃冰放入封閉容器內(nèi)使用電加熱方式使固態(tài)可燃冰受熱分解氣化產(chǎn)生天然氣供給內(nèi)燃機工作。

進一步地，冷卻管道可設(shè)置在封閉容器外使用余熱對封閉容器進行加熱。

實施例5

結(jié)合圖9和圖10所示，本實施例在實施例1或2或3或4的基礎(chǔ)上作出以下改進：所述開采裝備通過懸浮輸電線8供電，所述懸浮輸電線包括有絕緣材質(zhì)的電纜外皮81，電纜外皮內(nèi)沿長度方向成型有隔離層，電纜外皮內(nèi)位于隔離層兩側(cè)分別為輸電線腔體811和充氣腔體812，所述輸電線腔體內(nèi)穿設(shè)有2根以上的輸電線82，所述充氣腔體內(nèi)穿設(shè)有兩根電解導體84，兩根電解導體穿設(shè)在用以將兩個電解導體相隔離的吸水海綿條83內(nèi)，所述充氣腔內(nèi)填充有弱堿性溶液，如PH值為8的氫氧化鈉溶液。

所述電纜外皮位于充氣腔內(nèi)沿長度方向等距成型有隔層，相鄰隔層的距離為0.2-1m。在隔層位置不設(shè)置吸水海綿條，兩個電解導體與隔層之間密封連接。

兩個所述電解導體通直流電使得充氣腔內(nèi)的水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，使得充氣腔體積變大。當懸浮輸電線受到的浮力大于懸浮輸電線自身的重力后，一端與海底可燃冰破碎設(shè)備相連的懸浮輸電線便可懸浮于海水中，不會對海底可燃冰破碎設(shè)備的移動造成影響，也很好避免了海底可燃冰破碎設(shè)備工作時對輸電線造成意外損壞。