海底采矿的研究与开发

海底采矿的研究与开发

王爱武,王和平

（长沙矿山研究院，湖南，长沙 410012）

摘要: 深海采矿是人类获取海底资源的重要途径之一，机器人在深海采矿中的广泛应用是大洋开发的必然产物。文章介绍了海洋采矿的发展状况，采矿系统，机器人在采矿系统中的应用及机器人的发展趋势。

关键词：海洋采矿；集矿机器人；采矿系统; 控制；其他深海机器人；

The State of Research And Development of Sea-bed Mining Robot

WANG he-ping, WANG ai-wu

(Changsha Institute of Mining Research, Changsha, Hunan, 410012, China) Abstract:Deep-sea mining is a way to obtain resources for human being in which robot is used widely, which is inevitable. The paper introduces the developing conditions about deep-sea mining, the system of mining, the type of robot used in the system of mining and the trend of the development of the mining robot.

Key Words: Deep-sea mining; mining robot; mining system; control; other Deep-sea robot；

由于人类对资源的需求与日俱增，虽然人们不断地在内陆上发现和发掘出了大量的资源，但是随着消耗的增加，陆地资源在不断地减少，人们越来越担心这样无休无止地发掘，将导致陆地资源的匮乏，那样将不仅仅影响了经济建设的发展，而且将导致生态环境的日益恶化，最终影响人类的生存。在这种情况下，人类就只好另找出路，期望能够既得到丰富的资源，又不会影响人类的生存环境，大海就成了人们首选的目标。

地球的四分之三都被海水所覆盖，并且大部分都处于原始的、没有被开发的状态。在大海的深处，科学家已经论证了确实存在有大量的人类急需的资源。因此，如何开采这些资源就成了各个国家竞相研究的课题。目前海底世界已被人类认为是未来最大的潜在战略资源基地。近年来，国际海底区域活动及其科技、经济、政治及法律环境都发生了深刻的变化。世界各国为未来的发展和获取、占有海底多种资源已出现相互竞争的形势。

70年代初，西方发达国家就开始进行深海多金属结核资源采矿技术和装备的研究开发。以美国公司为主的四大财团研究开发了集矿机器人和管道提升采矿系统。

80年代，法国研制成PKA2－6000号深海多金属结核采矿系统，可以从6000m的深海底进行快速采矿，日产量可达1500～2000t，然后按自控程序返回海面。英国也研制了一种

气力提升采矿系统，日产量可高达10000t。日本本土金属矿产资源匮乏，很早就已注意深海矿产资源开发，花费了大量的人力、物力、财力研制出了海底集矿机系统、提升系统、机械收放系统和测控系统组成的深海开采系统。

90年代，发展中国家的深海采矿技术有了长足的发展。除中国外，印度近年来在深海采矿技术的研究上也取得了很大的进步，并成功地进行了海上试验。

目前，各国专家普遍认为世界深海高新技术的发展趋势是朝着多功能、自动化、智能化的方向发展。当前国际海底区域活动竞争的焦点是资源，而获得资源的手段是深海高新技术。专家们认为，利用机器人进行深海采矿是可行的，其所进行的工作除专有技术研究开发外，主要是将电子技术和新材料等最新科技成果应用于深海采矿之中。在经过多次试验和反复之后，集矿机器人、管道提升及采矿船的开采方法是最有可能用于将来商业开采的一种方法。

1．我国海底采矿的研究现状

我国非常重视海底多金属结核开采的研究开发，在大洋协会的组织协调下，“八五”、“九五”期间就设立了专项研究课题，历经十余载的“可行性研究”，“样机研究”，“实验室试验研究”，到目前完成了150m深的中试采矿系统湖试试验。中试系统由集矿机器人系统、软管输送子系统、动力及测控子系统及水面支持系统四大部分组成，达到了打通采矿系统工艺流程、设备运转正常、系统能从湖底采集模拟结核并输送到水面船上的目的。在这些工作过程中，积累了非常宝贵的经验，并且培养了一批具有创造能力的高科技人才，这为集矿机器人在1000m海底开采试验提供了切实可行的保障。

1996年至2000年期间，国内试验研究工作的工作重点从单体技术研究转变为系统研究、系统设计、部分关键部件研制和设计验证。这期间主要取得的成果是在单体扩大试验研究成果的基础上，完成了中试采矿系统技术设计，组成了履带自行式集矿机器人和软管输送系统，通过湖上试验对技术设计中的方案和主要技术进行了验证。

试验分为二个阶段，第一阶段研制开发水力复合集矿机器人和软管提升系统在100～200米水深处分别验证集矿和软管输送系统，以及完整系统的可行性；第二阶段采用一套集矿机器人子系统和其它子系统一起在中国南海浅海区进行软管提升、机器人集矿，及相应的机器人采集控制系统这样一个完整系统的采集试验。

2．深海采矿系统

深海采矿系统由集矿机器人系统、软管输送子系统、水声定位系统及水面支持系统四大部分组成（见图1）。

图1深海采矿系统图

2．1 集矿机器人

集矿机器人的主要功能是在海底采集结核矿石，脱泥、破碎。中试采矿系统选用履带自行式水力集矿机器人，集矿机器人由机身，履带，集矿头，破碎机，液压系统，以及控制系统，传感器和仪表，脐带缆、动力分电箱和接头，输送软管及附件，浮力构件和它的测控元器件等各部分组成。

控制采用水下计算机工作站和水面船控制中心的集中控制系统。水下控制站PLC用于管理/处理本地的数字量和模拟量。水面控制站用工业PC机管理各个微控制器和I/O处理器，采用图形Windows NT，便于组态、设计和故障寻查。系统运行和管理使用主计算机和辅助