夏岳旺，徐海良，杨放琼

1. 中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083

2. 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙 410083

人类社会的发展，离不开对各种资源的开发和利用。在陆地资源逐渐枯竭的今天，人们把目光投向了深海大洋。海底世界除了大家耳熟能详的锰结核、深海油气，还有热液矿床，以及当前最炙手可热的天然气水合物［1］。天然气水合物的储量极为巨大。据估算，在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中，现已发现的水深3 000 m 以内沉积物中天然气水合物中的甲烷资源量为2.1万亿立方米（尚不包括天然气水合物层之下的游离气体），可满足人类1 000年的需求［2］。

海洋中广袤的资源可以说是人类新世纪的福音，近年来学术界不断提出开采海洋中矿物资源的各种方案。其中，水力提升采矿系统的研究最为系统深入，被认为是最具商业开采价值的开采技术之一［3］。其先在海底对矿层进行破碎，再利用水力提升管道将破碎后的矿物颗粒提升至海面，实现对矿物的开采。

典型的水力提升采矿系统如图1所示［4］。系统中浮体材料的安置方式参考王耀峰等的研究结果［5］，浮体材料长度约为软管长度的1/4，安置在软管中下部，其上端位于软管中点附近。浮体材料所受到的浮力能促使软管形成一个有利于水力输送的拱形［6］；以图1 所示的方式安置浮体材料，能使软管在承受海流冲击时，产生的应力及变形更小。

图1 深海水力提升采矿系统Fig.1 Deep sea hydraulic lifting mining system diagram

该系统的工作过程为：当勘探到海底某区域有矿层时，采矿船行进至矿层上方，由安装在采矿车上的铰刀对海底矿层进行破碎，破碎后的矿物颗粒在泵的抽吸作用下与海水混合，形成矿物浆体。……