深海采矿系统

深海采矿技术简述

1．引言

当前，随着世界经济的不断发展，对矿产资源的需求也越来越大，大量的资源开发造成地球陆地矿产资源日益枯竭。而人类的生存和创造都是以资源消耗为前提的，矿产资源的利用水平从一个侧面直接反映了社会生产力的水平。矿产资源的危机将对人类社会发展带来灾难性的后果，这也是一个全球性的问题。据科学预测，全球矿产资源的储量增长速度始终高于产量的增长速度。陆地资源在本世纪大多趋于耗竭，在陆地资源耗竭之前，尽早开辟新的资源供给渠道已是当今各国共同的抉择。为了满足人类生存和发展对矿产资源的需要，世界各国从上世纪初就将目光投向海洋。

自1872～1876 年英国在发现多金色结核以来，大洋经勘探查明是丰富的矿产资源基地。根据美国加利福尼亚大学Mero 教授估计，大平洋海底的多金属结核和结壳就有117 亿t 。多金属结核和结壳中有铜、钴、镍、锰、铁、钨、钛、钼、金、银等70多种元素，其中铜、钴、镍、锰的平均品位分别为1100 %、0122 %、113 %、25 %，上述四种金属的储量分别50 亿t 、30 亿t 、90 亿t 和2000 亿t ，相当于陆地储量的9 倍、539 倍、83 倍和57 倍①。

2．深海采矿技术的现状

2.1 国外现状

国际社会深海开发技术的发展均以多金属结核开采技术研发为起点，1970年代以来，西方发达国家通过技术移植、相关技术借鉴和二次开发及技术创新等方面的工作，完成了深海多金属结核开采的技术储备。自20世纪80年代中期以来，西方发达国家在取得多金属结核采矿技术领先地位后，及时把研究领域扩展到富钴结壳、海底热液硫化物、天然气水合物等多种资源领域。

目前，世界上已有鹦鹉螺矿业公司和海王星矿业公司在积极地进行开采海底热液矿床可能性的探索，海王星公司正在评估他拥有采矿权的位于新西兰北岛北海岸水域的矿产资源，鹦鹉螺公司和加拿大一家金矿公司正从拥有采矿权的巴布

①人类深海采矿时代即将到来杜华斌中国西部科技，29

亚新几内亚东海岸稗斯麦海域的沉积物中收集样本。对这些公司来说，最大的问题是海底多金属硫化物的经济潜力②。

2.2 国内现状

我国深海采矿技术研究虽起步相对较晚，但在国家大洋专项的支持和大洋协会的组织协调下，在过去的15年中，由于确定的技术目标科学、采取的技术路线正确、提供的保障条件充分，仍然取得了起点高、发展快的成绩。研究工作已经历了基础研究、扩大试验研究、系统集成与制造、海试技术设计等阶段，基本完成了深海多金属结核开采专有技术体系的构建及主要装备的研制。自90年代以来开展“海底多金属结核资源开采技术”的研究开发，现已研制出两套集矿原理机－水力式集矿机和复合式集矿机的模型机，具有结构简单、作业可靠、采收率高的特点，其室内集矿效率达到85％以上；建成了一套高30m、管径100cm 的实验室扬矿系统。研制单位较系统地进行了水力（矿浆泵、清水泵、射流泵）和气力扬矿方法的实验室研究，以及配套的遥测遥控技术③。

3. 深海采矿系统

从上世纪初开始，世界各大国对深海锰结核和钴结壳的开采技术进行了广泛的研究，提出了不同的开采方法，而以采矿船、海底采矿车和水力输送系统组成的采矿系统被认为是最具商业应用前景的开采方法。

3.1深海采矿系统的组成及功能

深海采矿系统由集矿机、扬矿子系统、监控子系统、钓采矿船以及运输支持子系统五部分组成。

集矿机的功能是在海底采集结核矿石并进行初处理，然后向扬矿子系统供；扬矿子系统的功能是将采染的结核矿石经管道提升到海而采矿船上；监控子系统的功能是对采矿系统进行定位、作业控制和管理；钓采矿船是一个深海采矿作业

②第28 卷第1 期2009 年3 月海洋技术丁六怀，陈新明，高宇清海底热液硫化物

———深海采矿前沿探索

③中国深海采矿技术的发展陈新明湖南410012) 长沙矿山研究院建院50周年院庆论文集

的平台，它为海下设备提供支承、动力、设备存放和维修的条件，同时完成结核矿石贮存和向运输船转运；运输支持子系统可以将结核矿石运输到口岸并且能够向采矿船供应补给品及人员轮班。

根据输送管道的不同，水力深海采矿系统又可分为硬管采矿系统和软管采矿系统。（图1）是美国矿业大学研究的一种采矿系统，（图2）是我国长沙矿山研究院研究的一种采矿系统，两种采矿系统的区别只是软管上浮力材料安置不同，这两种采矿系统都称为硬管采矿系统④。

图1美国矿业大学研究的硬管采矿系统图2 长沙矿山研究院研究的硬管采矿系统

这种采矿系统的特点是输送管道由一根5000m左右的硬管和300m的软管组成，多台输送泵安装在硬管上对矿石混合流体接力输送。采矿系统的外形尺寸十分巨大，输送管道和采矿车的下放和安装十分困难。由于软管较短，要求采矿船随采矿车运动，这就给海面采矿船的航行提出了很高的要求。6000m的钢管在运动过程中，受到海浪和海流等各种外载荷的作用，产生很大的偏移运动。运用有限单元法的方法进行动态分析，得出在有阻尼系统的情况下钢管下端的振动幅度达170英尺，当采矿系统运动时，在海水阻力的作用下，管道下端的偏移量达1600m。因此，想通过控制采矿船的运动来控制采矿车的运动几乎是不可能的。

④资源·利用深海采矿系统研究徐海良何清华

而且海底并不平坦，6000m的垂直输送钢管有可能与海山发生碰撞而发生海难。输送泵直接输送矿石混合流体，输送泵容易磨损，输送泵磨损后，整个系统不能工作。所以此种采矿系统几乎不具备商业开发价值。

此种采矿系统的输送管道为橡胶软管，因此，称为软管采矿系统。这种采矿系统的工作原理是，海底采矿车工作所需要的能量和采矿车运动的控制信号，都通过软管从采矿船上输送到海底的采矿车上; 海底采矿车采集到的矿石，在采矿车上水力运输设备的作用下，通过软管输送到停泊于海面的采矿船上或采矿平台上。

输管道是一根管壁内有钢丝加强的橡胶管，软管的柔韧性非常好，海底的采矿车能牵引软管作采矿运动。由于软管很长，当采矿船停泊于海面时，海底采矿车牵引软管能在海底很大范围内作采矿运动。软管采矿系统的矿石通过安装于采矿车上的水力输送设备直接输送到海面的采矿船上，使整个输送系统得到简化，但此种系统要求水力输送设备具有强大的输送能力。采矿船停泊于海面上，当变换采矿场才运动，使采矿系统的操作和控制变得相对容易。当出现采矿系统不能工作的情况时，例如海面有狂风，输送管可以与采矿船分开，避免采矿系统出现海难事故。当软管与采矿船分离后，在软管上端装上浮标漂浮于海面，采矿车将整个系统固定于海底;当天气情况许可时，采矿船与软管连接，采矿系统恢复工作，因此，软管采矿系统相对灵活。

深海采矿可以避免陆地采矿带来的许多问题。比如，海底采矿不存在排放酸性污水的问题，因为碱性海水可以中和酸性污水由于硫化物沉积物就在海底，所以也无须掘洞开采而在海底留下永久性的建筑物，也不会影响海底生物的正常生存。

软管采矿系统的水力输送设备安装于采矿车上，当采用输送泵直接输送矿石混合流体时，要求输送泵的扬程很高，目前没有技术生产能直接从5000m 海底将矿石混合流体输送到海面的高扬程输送泵，因此，需要对水力输送设备进行研究。

当今某些工业的发展已为深海采矿的建立提供了可以借鉴的技术，如近海石油钻探技术，浅海采矿设备的结构，海上运输船，深潜器工艺技术，人工智能技术，自我诊断和自动维护技术，全球定位系统技术及其他海洋工程方面的经验等。