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采矿系统百米海试方案设计与动态响应分析

摘要

提升式采矿系统是国际上最通用的海上采矿模式，目前，关于提升式采矿系统关

键技术与装备的研制已逐渐完善，并已多次针对部分设备开展了单体海试，但全系统

联合海试涉及的内容更为复杂，依然面临着巨大挑战。为了早日实现海洋矿产资源的

商业化开采，本文针对百米水深采矿海试环境，从采矿系统整体布置、采矿作业中采

矿车动态影响参数以及水下设备布放回收流程三个方面对海上采矿系统实验方案进行

设计，为海试作业提供理论参考。

采用OrcaFlex建立了采矿系统静态分析模型。重点分析了浮力材长度、浮力材位

置、浮力材提供的浮力大小对采矿车受力以及软管空间构型的影响；在此基础之上，

研究了硬管与软管的长度组合对于采矿面积的影响。结果表明，当软管长度为L，软

管总重为G时，浮力材长度为1/4L-1/3L；浮力材与采矿车之间距离为1/12L-1/6L，浮

力材提供的浮力大小为0.9G-1G时最合理，在保证采矿范围与安全的条件下，硬管长

度50m，软管长度70m的情况最为合理。

在整体布置方案的基础之上，采用OrcaFlex建立了风浪流环境中车-船联动耦合

动力模型。分析了采矿车速度、采矿车运动轨迹、采矿车运动方向对采矿车受力、软

管曲率与空间构型的影响。结果表明，在保证软管曲率与张力控制条件下，采矿车最

大速度应不超过0.15m/s，采矿车按弧形轨迹且沿着船宽方向作业的方式最为合理。

最后，考虑采矿船的运动以及风浪流对采矿系统的影响，采用OrcaFlex建立了采

矿系统水下设备布放过程的动态模型。根据硬管与软管的布放顺序制定了两种布放方

案，研究了两种布放方案中布放速度对管线顶部受力以及软管空间构型的影响，并针

对布放过程中可能出现的采矿车落点与中继站投影点过近的问题提出解决方案。结果

表明，硬管与软管的布放速度会对提升系统带来一定影响，在保证安全的前提下，软

管布放速度在1m/s左右，硬管布放速度在0.5m/s左右较为合理；证明了硬管布放与

采矿车运动同步进行的可能性，实际工程中应尽量保证采矿车落地点与作业起点位于

中继站同侧，在采矿车运动过程中，应避免采矿车从中继站底部直接穿越。

关键词：海上采矿系统；海试方案；扬矿软管；动力分析；布放回收

采矿系统百米海试方案设计与动态响应分析

ABSTRACT

Theliftingminingsystemisthemostcurrentoffshoreminingmodeintheworld.At

present,thedevelopmentofkeytechnologiesandequipmentoftheliftingminingsystemhas

beengraduallyimproved,andindividualseatrialshavebeencarriedoutseveraltimesfor

someequipment,butthecontentsofthewholesystemjointseatrialaremorecomplexand

stillfacegreatchallenges.InordertorealizethecommercialexploitationofMarinemineral

resourcesassoonaspossible,thispaperdesignstheexperimentalschemeoftheoffshore

miningsystemfromthreeaspects,includingtheoveralllayoutoftheminingsystem,the

dynamicparametersoftheminingvehicleintheminingoperationandtheflowofunderwater

equipmentlaunchandrecovery,aimingattheenv