第四章(大连海事大学海洋科学专业课海洋技术概论课件)

第四章海底矿产资源开发技术海底矿产按性质可分为金属矿产、非金属矿产和燃料矿产；按矿产的结构形态可分为沉积物矿（非固结矿）和基岩矿（固结矿）两大类。

沉积物矿包括海滩矿砂、大陆架沉积矿和深海沉积物矿；基岩矿主要是指海底松软沉积物以下硬岩中的矿藏。

目前能够显示海底矿产重要地位的是海底石油、天然气、大洋锰结核和各类热液矿产、滨海与浅海砂矿、海底煤矿等。

海洋石油的产值在海洋经济总产值中名列首位，而海滨与浅海矿砂是目前投入开发的第二大矿种。

海底矿产资源中，更大量的是潜在资源，如被称为21世纪矿产的大洋锰结核、海底热液矿、富钴结壳等。

大洋锰结核对世界未来发展的矿物需要关系极大，因此备受重视。

第一节海底矿产资源勘探方法海底矿产资源的勘探分为浅海勘探和深海勘探。

深海勘探的对象主要是锰结核矿、热液矿；浅海勘探的对象很多，有石油、煤、铁和各种金属矿砂。

勘探海底矿物需要合适的调查船，对调查船的要求主要取决于想要寻找的矿产类型和位置。

勘探方法有直接方法和间接方法。

直接方法主要有观测和取样；而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法和地球化学的方法。

一、直接方法（一）观测即观测海底矿床在海底中的位置，在浅的水域主要靠潜水员进行观测，而在较深的水域要靠载人潜水器进行观测。

较常用的直接观测海底的方法是利用照相机和水下电视。

水下照相机能够连续地拍摄海底相片，在拍摄过程中使照相机刚好在高于海底的位置上拖曳，同时周期性地被触发。

(二）取样采集矿物样品是探查浅海海底及大洋底矿产资源的最基本、也是最重要的手段。

主要有以下几种。

1. 表层取样即用采样工具获取海底表面物质样品。

常用的取样器有“绳索抓斗取样器”（图4-1）。

抓斗下降时都是开口的，当接触海底后即自动抓砂封闭。

成本低，使用广泛，但只能捞取海底表层的矿样。

另外，较常用的还有由金属链条或绳索构成的拖斗式或拖网式表层取样器（图4-2），斗和网都有细孔，可以漏水。

它们因成本低、灵活机动、不受海水深度的限制而使用广泛。

但所获去样品往往会混在一起，所以仅能用作定性研究，不能定量分析。

2. 柱状取样为用各种取样管采取海底以下一定深度的柱状样品。

常见的取样管有重力取样管、水压取样管、活塞取样管（图4-3）。

活塞取样管的工作要点是：着底时，活塞的下面通常要紧紧地粘在海底泥土的表面不动，而只让管子完全插入泥土中。

柱状取样管都需船只停止航行后用钢缆吊着取样管到达海底取样。

这种方法既费时，又费事。

近年来，国外研制了一种“自动返回沉积物取样器”，又称“无缆取样器官”。

这种取样器用漂浮材料制成，可以携带重物和采泥器或照相机，自由降落到海底，在到达海底并采集样品或对海底照相以后，携带的重物自行脱落，而漂浮材料使采泥器或照相机浮出水面，一旦露出水面，讯号器立即启动，发射无线电信号，使船上的工作人员很容易发现它而取回样品。

这种采样设备的问世，将过去的单点采样改变为连续采样。

3. 钻探取样海上钻探取样与陆上钻探取样的工艺过程相似，也分浅孔钻探和深孔钻探两类。

浅孔钻探取样适用于海底砂层下部矿物的取样，也可用于采集锰结核和海底沉积的柱状样品。

在砂层中钻孔速度很快，因而成本不高。

常用的钻探装置有旋转钻，落锤钻，打桩钻，震动钻。

4. 深孔钻探对海底坚硬岩层勘探就要用深孔钻探。

深孔钻探是最后的勘探手段，费用很高。

随着水下矿产勘探重要性的日益增长，已出现将观测和取样合并为一个系统的设备。

用这种方法，在电视观测期间就能够获取样品，保证了取样区就是想要观测的区域。

二、间接方法间接方法是在勘探中并不与岩石矿物直接接触，而是利用精度很高的仪器来探测岩石矿物的性质和埋藏深度的勘探方法。

（一）水声学探测技术利用回声测深仪可以了解海底的地形，获取海底图像。

还可利用它测定中层水反射面的存在。

低频回声测深仪可以穿透沉积物上层，并能准确判定海底地形地貌。

侧扫描声纳可以测量精细的海底地形地貌，因此，对海底的砂坡和砂带的探测非常有效，在大洋矿产资源勘探中具有广阔的使用前景。

用于深海底探矿的其它声学设备，还有声学地层剖面仪、深水多普勒海流剖面仪和水下高速声信息传输系统。

（二）地球物理方法此方法为应用物理学原理来研究地质构造，寻找地下矿藏的方法。

岩石矿石具有各种不同的物理性质，物理勘探就是测探他们的物理性质，如密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异，即探测地球物理场的变化，然后分析所获得的资料，从而推断矿产分布的情况。

（三）地球化学勘探此方法为系统地测量海水、海底沉积物和岩石等的地球化学性质，以发现与矿化有关的地球化学异常的一种探矿方法。

海洋地球化学勘探通常采集海水、海底表层沉积物的岩石样本，在船上实验室进行分析测定某些元素的微迹含量等工作。

（四）导航技术在深海探矿中必须具备精确的导航定位能力，特别是在探矿过程的最后阶段，利用导航定位技术，以便当完成使命的自返式采样器和自返式水下照相机返回海面时，海面船只能够找到它们，将它们回收上来。

目前应用比较广泛的是卫星导航与远程无线电导航系统结合，并由雷达系统加以补充。

第二节海滩与近海砂矿的开采技术砂矿是在水下环境中由碎屑矿物颗粒的机械富集作用形成的矿床，其存在于海滩和近海海底。

海滨砂矿分布十分广泛，矿种也很多，由于分布在海滨地带或水深不大的海域，因而比其它海底矿产的开采技术容易的多。

在目前海底矿产资源的开发中，产值仅次于海底石油，而列居第二位。

一、海滨砂矿的成因构成海滩的大部分物质是由江河冲刷到海滨的。

这类物质来自江河流域内大陆岩石的风化作用。

大陆上露于地表的各种岩石和矿藏长期经受着雨淋日晒和冰霜风雪的侵蚀。

岩石各个部分受热不均，温度变化又不一致，使岩石反复发生不均匀的膨胀、收缩，天长日久便慢慢崩解，破碎成有粗有细的碎屑。

除了物理风化作用外，物质还会发生化学风化作用。

结晶岩中有些矿物含有二价的铁离子，二价铁在空气中也像铁器生锈一样，很容易氧化，变成三价铁，这就使原有的矿物遭到破坏，进而使整个岩石分解。

分解出来的一部分矿物因为具有硬度小，易破裂等特殊的物理性质，在流水搬运中很易破裂而变小消失。

当岩石中这些易风化的矿物就分离出来，并被流水、冰川或风搬运到河口和海滩上，又经波浪、沿岸流和潮流日夜不停地反复淘洗、分选，一些硬度低的矿物被进一步磨碎，随同密度低的矿物一起被卷向远离海岸的地方，而密度大的矿物就在海滩上集中起来，从而形成海滨砂矿。

所以，矿砂的形成需要有原始物源、风化侵蚀作用、搬运作用和富集作用四个过程。

二、海滨砂矿的开采在海滨开采砂矿受到许多条件的限制，特别是海区的风浪，常使采矿船不能连续作业，所以开采成本较高。

但也有其有利的条件：有虞氏松散矿井，开采时一般不用炸药爆破和破碎工序；矿床贮存在海底的上部，开采时一般不用剥离，在开采的同时还可以进行初选，把废砂排回海中，提高矿砂的品位，以便于运输。

（一）开采砂矿法常用的开采砂矿的方法有链斗采矿船、吸扬式采矿船、钢索采矿船和空气提升采矿船1. 多链斗采砂法。

多链斗采砂船是大型采砂设备，其生产能力很强，生产成本也很低，并能在船上进行采、选和排弃尾砂工作，因而使用得很广泛。

它的缺点是当海底有大块砾石时，开采有困难，开采深度也有一定的限制，工作深度一般不超过45m，虽然能达到76m的工作深度，但成本也大大增加了。

多链斗采砂船是由许多带戽斗的环链构成的一个平底船。

船的前部当中有缺口，以容纳链斗架及链斗，当主动力轮驱动上部链轮时，则链斗按顺时针方向旋转，进行连续挖掘。

挖上来的矿砂卸入矿仓，再通过圆筒筛，经洗选后，将尾砂排弃在船后。

链斗在船上的链轮带动，不断旋转进行连续挖砂，装满砂矿的链斗传动到船上以后自动倒入储砂库，然后经过圆筒筛和用水洗选，除去废砂，即可获得矿砂。

2. 吸扬式采砂法原理和抽水机有些相似，采矿装置由电机、水泵、吸水管和扬水管等部分组成。

利用安装在船上的几百到几千马力的浆泵，把矿砂和水一起通过吸管吸至船上。

吸管口可作成不同形状，使之紧贴砂层，以加大吸砂面积。

吸砂法吸取的矿砂是砂浆，即水和砂的混合物，扬到船上沉淀后，水再排回海中。

对胶结砂，松散的方法，可用高压水通过喷嘴喷射砂层，使之松散，也可用旋转挖头挖掘，使之松散，然后吸取。

这种采矿船的主要特点是速度快，因此广泛用于近海砂矿的采掘。

3. 钢索法。

即在船上用钢索的一端系上几立方米至10m3容积的大型采砂器进行采掘。

采砂器装有制动装置，在投放之前张开，当楔入砂层时就自动咬合将矿砂采上。

钢索法采砂适用于各种水深环境，开采时不受海底地形的限制，遇到大块砾石也不影响作业，采矿比较灵活，速度较快。

其缺点是只能用单个采砂器上下提放，不能连续作业，且开采矿层不净，或由于采砂器闭合不严密而造成漏砂等。

4. 空气提升采矿法。

它与一般吸扬式采矿有相似的地方，不同的在于用气泡泵代替了砂浆泵。

气泡泵的原理是在吸砂管内用细管送入压缩空气，空气气泡与吸砂管内砂浆相混合，使管内砂浆的容重变小了，也就是变轻了，这样就可以利用海水的压力把管内的混有气泡的砂浆自动地压上去。

对胶结的砂层是吸不动的，必须先用高压水喷射砂层，使之松散。

（二）选矿矿砂选矿主要根据矿物的相对密度、形状、粒度、磁性和导电性等的不同加以选分。

重砂矿物颗粒绝大部分是一些细沙和粉沙，所以通常是把矿砂放在一定网目的倾斜筛面上用水冲洗，筛出粗粒的砾石，冲去细粒的粘土，分离出重矿物比较集中的沙和粉沙，然后再在摇床上进行初选。

由摇床选矿得到的还只是粗矿砂，要获得精矿砂还需要经过磁选、静电选或浮选等流程。

磁选是根据矿物颗粒的磁性差别来进行分选的。

当矿粒通过磁选机时，在磁场的作用下，不同磁性的矿物受力不同。

磁性矿物被磁力吸引，附着于磁选机的圆筒上被带到一定位置脱落，而非磁性矿物，不被圆筒附着而分离。

用静电选矿法对导电性不同的矿物进行选矿。

把矿砂送到通以几万伏特电压的、与地绝缘的圆筒电极上，导电性良好的矿粒，由于传导与圆筒相同的电荷而被排斥离开圆筒，导电不良的矿粒则随圆筒回转而分离。

静电法常用于锡石、锆英石砂精矿的分离和精选。

浮选法是先将矿砂加水调成砂浆，同时添加必要的起泡剂、活化剂等药剂，然后导入空气剧烈搅拌，使之形成大量气泡，一些不易被水润湿的矿物则附着于气泡上，并同气泡一起浮到矿浆表面；另一些容易被水润湿的矿物不附着于气泡而留在矿浆中，由此而达到分离矿砂的目的。

从世界海滨矿砂开发趋势看，调查手段正向多样化方向发展。

这些手段不仅保留着传统的陶选法、海底取样和常规地质调查法，而且还开拓出通过使用回声测深仪、重力仪等先进调查设备进行海上地球物理综合调查法，并获得了很好的效果，采矿技术向设备大型化、高效化方面发展。

选矿上采用磁选分离、静电分离、浮选分离及电子计算机控制的自动化选矿系统。

为减少选矿渣的迂回运输，即采用边采边选的工艺流程，实现船上采、选结合一体化目标。