悬立式深海钴结壳采矿头的参数化设计与优化

赵 波，赵海鸣，刘 晨，胡 刚

（中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083）

钴结壳又称富钴锰结壳，其所蕴含的金属资源对未来高科技领域的发展具有重要的战略意义[1]。钴结壳一般分布在400～4 000 m深的海底，其中太平洋海域内的厚层钴结壳广泛分布在800～2 500 m深的海山斜坡或无沉积物覆盖的海山山顶附近[2]。钴结壳矿区不同于其他的多金属结核矿区：不仅矿层厚度的变化较大，表面的地貌特征也很复杂，这对采矿头的设计提出了较高的要求。目前，钴结壳采矿头的设计主要采用螺旋滚筒式结构（参照采煤领域内应用较为成熟的滚筒式采煤机）[3-4]，其相较于拖刀式、圆盘式或水射流式等结构在能耗方面具有一定的优越性[5]。螺旋滚筒式采矿头具有破碎能力强、稳定性高等优点[6]，但其在实际开采过程中存在很大的局限：由于难以适应复杂的地势起伏，使得开采时会有较多的废石混入。为此，笔者基于螺旋滚筒式采矿头，设计了一种能够适应不同地貌特征且姿态可调的悬立式采矿头，并对其参数进行优化，使其更符合实际开采的工况要求，以便能在复杂多变的海底矿区实现对钴结壳的精准开采。

1 悬立式采矿头参数化设计

1.1 采矿头工况及设计要求分析

海底钴结壳矿床分布的覆盖范围及钴结壳丰度与矿床表面形态和海底地貌密切相关。由于受到火山运动、沉积作用及海底层流等因素的影响，钴结壳矿床的出现往往伴随着错综复杂的地貌特征。……