中文摘要：

在深海采矿技术中，采用垂直管道将大洋多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等深海金属矿产资源从海底水力输送到水面船上，是具有应用前景的开采方法之一。此外，垂直管道水力输送在水力输煤、河道疏竣及陆基水下采矿等方面也有重要的工业应用空间。粗颗粒滑移行为是垂直管道水力输送中的重要研究内容。针对垂直管道水力输送中的管道堵塞问题，建立一套粗颗粒浮游试验装置。采用天然多金属结核、富钴结壳和模拟颗粒研究单个颗粒和群体颗粒的滑移速度，进行粗颗粒滑移速度理论分析与计算、数值模拟与验证、垂直管道水力输送防堵塞分析。通过研究获得粗颗粒滑移速度的半理论半经验公式，从输送安全角度考虑，提出垂直管道水力输送中粗颗粒矿浆的合理输送速度和输送浓度，对粗颗粒垂直管道水力输送系统的设计和正常运行具有重要的参考价值。

结论摘要：

国际海底区域内蕴藏着极其丰富的固体金属矿产资源，业已发现具有商业开采价值的有多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物（简称粗颗粒矿石）等，是人类21世纪的接替资源。在深海采矿系统扬矿工艺参数设计中，如何确定粗颗粒矿石在提升管中的安全速度是关键问题之一。不同类别的粗颗粒矿石由于密度和形状均有差异，其安全速度有可能不同。作为安全速度的下限，粗颗粒矿石浮游速度是首先需要研究的问题。以深海粗颗粒矿石在垂直管道水力输送中安全角度为研究目标，在实验室建立了一套沉降速度试验装置和一套浮游速度试验装置，对粗颗粒矿石进行研究。主要研究内容包括，粗颗粒矿石沉降特性测试，粗颗粒矿石运动轨迹数值模拟，粗颗粒矿石滑移速度试验研究，粗颗粒矿石加速度研究，粗颗粒矿石旋转角速度研究，单颗粒和群体颗粒浮游速度试验研究，粗颗粒矿石垂直管道水力输送防堵塞分析。通过对粗颗粒矿石在垂直管道中滑移行为的理论分析和数值模拟，采用高速摄影技术对粗颗粒矿石进行试验研究，获得了重要结果和关键数据包括，10-50mm单颗粒矿石静水沉降速度半理论半经验公式，10-50mm粗颗粒矿石滑移速度经验公式，30-50mm单颗粒矿石旋转角速度计算公式，10-50mm单颗粒矿石浮游速度半理论半经验公式，10、20、30、40、50mm均匀群体颗粒浮游速度半理论半经验公式，10、20、30、40、50mm非均匀群体颗粒浮游速度经验公式。提出了非均匀群体颗粒d≤30mm，体积浓度20%左右，浮游速度值较低，最小输送速度为非均匀群体颗粒中最大粒径颗粒浮游速度的3倍。从垂直管道输送安全角度和输送效率考虑，进行深海粗颗粒矿石在垂直管流中滑移行为研究，对粗颗粒矿石垂直管道水力输送系统的设计和正常运行具有重要的参考价值。