深海矿物资源开采调研

二、技术方案—拖斗式采矿系统
1960 年初由美国加利福利 亚大学Mero教授设计。
该系统由采矿船、拖缆和 铲斗3部分组成。
二、技术方案—连续绳斗式采矿系统(CLB)
单船式连续绳斗式采矿
主要由采矿 船、拖缆、绳斗 和牵引机等部分 组成。
1972 年，日本对 连续链斗法进行采 矿试验，但作业中 链索缠在一起而使 试验终止。
围绕着关键技术，西方国家在做精做 细，而我国现在处于初步阶段，相关勘探、 实验不足，只是做了一些相关机理的研究 和简单的实验。
海底存在着相对封闭的生物圈，如何保护海底 生态系统是发达国家接下来的发展趋势之一
五、研究单位
美国海洋管理公司OMI( Ocean Management Inc) 1978 年利用改装的钻井船在东太 平洋赤道海域进行了拖曳式吸扬原理水力集矿机--气力和水力提升采矿系统试验。 韩国与德国THETIS联合开发水力集矿设备，并制造集矿机模型完成了水池试验。 2013年7月26日，在韩国庆尚北道浦项东南方向130公里处的海上，成功利用采矿机 器人在1370ｍ水深下采集到了多金属结核模型可以在没有海面采矿船的指令下自行在 海底寻找采集多金属结核。 2015年，印度洋6000米水深下采矿系统的概念设计工作已由２Ｈ海洋工程公司完成， 目前正在进行水下爬行采矿设备、水下泵和提升系统的详细设计和制造。 多金属硫化物采集技术：加拿大的鹦鹉螺矿业公司（Nautilus Minerals）和澳大利亚 的海王星矿业公司（Neptune Minerals），两家公司主要针对多金属硫化物的开采提 出了可商业化开采的深海采矿系统。
深海矿产资源开采调研
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一、研究背景
纲
二、技术方案
三、关键技术 四、总体目标和总体技术方案
五、研究单位
六、专利相关
一、研究背景圈地运动
西方各国从 20 世纪 50 年代末开始投资进行“区域”活动， 抢占最具商业远景的多金属结核富矿区，并且已形成了多 金属结核商业开采前的技术储备。
一、研究背景中国的加入
关键问题是如何将结壳从基岩上有效剥离
方法：主要是陆地岩石切削螺旋滚筒截齿轧削、盘刀切削、拖刀耙 削等机械式破碎剥离方法。水射流剥离、声波破碎等概念和方案也曾被 考虑，但由于破碎能耗高等原因暂时难以获得实际应用。
总体上说，深海富钴结壳的采集是一项尚未解决的 难题，由此也将影响富钴结壳商业开采的时机。
三、关键技术 海底采矿车行走技术
1991年3月我国取得国际 海底开发先驱投资者资格。
2001年，在东北太平洋的 取得一块面积为7.5万平方 公里的多金属结核勘探合 同矿区。
2011年，在西南印度洋取 得一块多金属硫化物矿区。
2013年，在西北太平洋海 山区，获得一块面积为 3000平方公里的富钴结壳 矿区。
一、研究背景面临的环境
2016年在我国南海海域成功进行了扬矿泵海上试验，并顺利通过专家组验收。这一单 体工程的试验成功标志着我国的深海采矿技术己跻身世界前列。之后我国将分别进行 海深达500ｍ、1000ｍ、3000ｍ的深海采矿试验。
五、研究单位
“十一五”、“十二五”期间，在深海釆矿技术研宄与规划以及中国大洋协会专项资 助下，长沙矿冶研究院深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室对开采系统进行模 拟海底环境的综合性试验。研宄内容包括利用模拟水面支持系统代替采矿船，塔架、 压力调节装置、悬吊装置及活动支架等模拟船上附属设施，扬矿部分由软管、中继仓、 硬管组成，以及水下的水力吸砂装置代替集矿机海面波动由该系统的模拟波动平台提 供。在湖南永州进行了水深200多米模拟试验，对多种粒径的结核实现成功提升。通过 在实验室的模拟试验和综合试验，可以对采矿系统动态下综合考核，各子系统设备运 行的协调性，扬矿系统的动力可靠性与测控系统的精确度都能评估，并为最终海上试 验提供基础数据。
• 履带-底泥的作用机理
压陷强度-切应力-滑移的复杂规律
• 海底实时定位
组合导航
• 水动力特性
在这方面，德国、
韩国以及我国中南大 学、长沙矿山研究院 等单位的研究团队开 展过大量的理论分析 与试验研究
三、关键技术 海底采矿车行走技术
• 履带-底泥的作用机理
压陷强度-切应力-滑移的复杂规律
• 海底实时定位
三、关键技术 多金属硫化物采集技术
矿体在海底呈大块状，厚度高达十几米或数十米。根据 对大量样品的力学性能测试，海底多金属硫化物矿的断裂特 性类似于煤，韧性和塑性类似于盐和碳酸钾。
三、关键技术 富钴结壳采集技术
富钴结壳矿床主要分布于400～4 000 m 水深的海山、 中脊和海台的斜坡和顶部表面，以 2～20 cm 厚度的结壳 状黏附在基岩上。
双船式连续绳斗式采矿系统
优点：系统设备简单、易于操作、维修方便、投资小、投产快等。 缺点：采矿效率和资源回收率低、作业受地形条件影响大、绳索易缠结等。
二、技术方案—自动穿梭艇式采矿系统
1979 年，法国工程师提出 穿梭艇式采矿系统方案，该系 统设想由一系列能自由潜入海 底的独立采集器(穿梭艇)组成， 到达海底后采集器排出压载物 采集结核后再浮上水面，但可 行性研究表明系统过于昂贵。
二、技术方案—管道提升式采矿系统
鹦鹉螺矿业的深海多金 属硫化物商业采矿系统 示意图，据报道该系统 于2013年完成组成。
三、关键技术
通用技术 深海采矿
技术
专用技术
深海动力、 深海通信等
深海矿产采 集、输送等
三、关键技术 多金属结核采集技术
多金属结核赋存于水深4000～6 000 m 的海底沉积物表层， 往往处于半埋藏状态；多为球形或椭球形，粒径一般为 2～10 cm，密度约 2100 kg/m³。
五、研究单位
我国深海采矿系统研发工作从“八五”启动，国内代表性的研究机构包括长沙矿山研 究院、中南大学、武汉理工大学、广东工业大学等，针对采矿船、集矿系统与扬矿系 统三部分开展了研究。 “九五”期间，重点研究集矿机行驶性和操控性，研制出能应用于深海开采系统的集 矿机。对集矿机的开采方式、行驶路径规划、系统动力学响应分析及操作系统开发等 方面分别进行研宄，并最终确定了大洋多金属结核海上中式采矿系统技术设计并确定 了综合湖试方案，对履带自行式集矿机采用水力式提升系统方案的安全性和适用性进 行验证。2001年在云南省抚仙湖完成了水深130ｍ釆矿中试系统的综合湖试，成功的 将散布于湖底的模拟多金属结核收集并运送到湖面的采矿船上。 “十五”期间，为了能够在水深1000米的海底进行实验，我国共组织了20多艘船只调 研，最终决定将研究、设计的重点放在了集矿机集矿、破碎、液压动力等水下装置和 水面监控系统等子系统上。并确定采用水力式集矿方案进行海深1000ｍ采矿系统的海 试试验。总体上确定了结核开釆系统的原理和机构形式。此外，还进行了1000米开采 系统的虚拟仿真技术研宄。
组合导航
• 水动力特性
在这方面，德国、
韩国以及我国中南大 学、长沙矿山研究院 等单位的研究团队开 展过大量的理论分析 与试验研究
三、关键技术 矿物从海底向海面的输送技术
三、关键技术 水面支持系统
面临的问题： 深海采矿系统整体联动
• 动力定位 • 升沉补偿系统
四、总体目标与总体技术方案
目前水下矿产资源开采技术的研究主 要是围绕多金属结核和多金属硫化物，西 方发达国家目前已实现技术储备，一旦时 机成熟，稍微吸收科技发展，就可以进行 商业开发。
一、研究背景主要任务
✓ 按产业生产规模，从5000-6000米的深海底，将多 金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上。
✓ 开采系统和设备不但技术上可行，而且具有高度的 可靠性、先进性和经济性。
二、技术方案
技术 方案
拖斗式采 矿系统
连续绳斗 开采系统
自动穿梭 艇式开采
系统
管道提升 式开采系
统
优点：设备独立、灵活性好，采集效率 较高，回采损失小，能大幅度提高结核 产量。 缺点：要求非常先进的设备制作技术和 遥控技术，造价很高，开发难度较大。
二、技术方案—管道提升式采矿系统
组成：集矿机、输送软管、中 间矿仓、刚性扬矿管、采矿船。
1978 年，OMI 采用该系统在太 平洋进行了数次深海多金属结核采 矿海试，成功地从 5200m水深海底 采集到数百吨多金属结核，最大产 能超过40t/h，验证了该系统原理及 其深海采矿的技术可行性。