富钴结壳开采技术研究现状_陈新明

态和环境条件等 。 日本于 1986年在米纳米托里西马群岛区域采
cm, 最厚可达 13 cm, 而且顶面边缘厚度最大 , 钴品 位也较高 。其中 3座海 山面积为 15396.5 万 km2,
集到了富钴结壳样品 , 成立了钴结壳调查委员 会 [ 9 ～ 10] 。国营金属矿业会 社于 1987 年 7 ～ 8月在 水深为 550 ～ 3700 m的米钠米 -威克群岛海域进行
Abstract:Thecobalt-richcrustsontheseabedfloorareabundantincobalt, soitsexploitationhasbecomeaoneofimportant researchdomainsintheworld.ThispaperpresentsouttheinvestigationmadebyGermany, American, Japan, theRepublicof KoreaandChinatocobalt-richcrusts, andbrieflyanalyzesthe threemainexploitationtechnologiesofcobalt-richcrusts. KeyWords:Deep-seamining, Polymetallicnodules, Cobalt -richcrusts, Exploitationtechnology
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开采方法 ”和俄罗斯专家提出的 “绞车牵引挠性螺 旋滚筒截割采矿机 -管道提升钴结壳开采方法 ”等
发研究院与美国地质勘探局对克拉里昂 -克林帕顿 3种开采方法 , 目前这些开采方法都处于方案研究
断裂带及西太平洋区进行了联合勘探 , 从 2000年开 阶段 。
始 , 韩国每年执行一次为期 1个月左右的钴结壳调 2.1 自行式采矿机 -管道提升的钴结壳开采方法
岩的物理机械特性进行了测试[ 19, 20] , 为钴结壳商业 性开采进行了全面的基础技术准备 。 2.2 拖曳式采矿机 -管道提升的钴结壳开采方法
由日本提出的拖曳式采矿机 -管道提升钴结壳 开采系统[ 21] , 由海面采矿船通过扬矿管牵引海底集 矿机行驶采集钴结壳 , 经整粒 、分离并逐渐去除沉积 物后 , 以空气提升的方式输送 。试验集矿机的主体 由滑板状的台架支撑 , 在底面拖航 , 长 13 m, 宽 5 m, 高 5 m, 水中重量约 10 t, 采用压力水射流采集 。
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矿 业 研 究 与 开 发 2008, 28(6)
1994年提出了 “麦哲伦海山带钴结壳普查勘探工作 海域 )进行有计划地前期调查 [ 14 ～ 16] 。对 5座海山勘
安排的技术经济方案 ” , 圈定了一些矿床的边界 , 计 查结果分 析表明 , 钴结 壳主要 分布在 水深 1700 ～
壳 , 因而钴结壳的资源量远远超过以前的估计 。
“自行式采矿机 -管道提升的钴结壳开采方法 ”、日
从 1983年起 , 由韩国科学技术部及韩国商工能 本专家提出的 “拖曳式采矿机 -管道提升的钴结壳
源部资助的韩国海洋开发研究院 (KORDI)开始进 行深海采矿研究[ 12, 13] 。 1989 ～ 1991年韩国海洋开
高度重视和海洋学家的密切关注 。美国 、日本 、俄罗 斯等发达国家相继对各专属经济区内的富钴结壳矿
在丰度 >40 kg/m2 的大量富钴结壳 , 总储量约 0.96 床开展了一系列的开发研究 , 并提出了相应的富钴
亿 t。 此外 , 在海底沉积物下还发现埋有大量的钴结 结壳开采方 法 , 有 代表性 的包 括美 国专 家提出 的
DO I :10.13827/j .cnki .kyyk.2008.06.001
ICSNSN4 310-0152-152/7T6D3
矿M业IN研IN究G 与R开＆发D第,
28 卷 Vol.2
第 6期 8, No.6
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008年 12月 Dec.20 08
条 件 矿床的赋存深度
海底面倾角 矿床面积
结壳矿床覆盖率
指 标
条 件
800 ～ 2400 m
生产规模
平均 100°(最大 20°) 结壳厚度
10 ～ 50 km2 60 %
矿石金属品位 连续作业时间
指 标
100 万 t/a 平均 4 cm(最大 1 0 cm) Co0.9%, Ni0.5%, Mn28 %, Pt0.4 ppm
ChenXinming1, WuHongyun1, 2, DingLiuhuai1, 2, SunDawei1 (1.ChangshaInstituteofMiningResearch, Changsha, Hunan
410012, China;2.CollegeOfMechanicalandElectrical Engineering, CentralSouthUniversity, Changsha, Hnnan410083, China)
225 d
钴结壳采矿车由 8条三角形行走履带驱动 , 以 适应地形多变的要求 , 行驶速度 0.2 m/s, 作业功率 900 kW, 长 13 m, 宽 8 m, 空气中重 100 t。 装备有 6 个带切割头的机械臂 , 由机械臂的上下移动来调节 采集头的工作高度 。 由切割头破碎的结壳块通过安
俄罗斯从 1986年开始有计划地进行钴结壳的 地质勘探工作 [ 7, 8] 。 1986 ～ 1993年间对西太平洋近 赤道北部地带进行了 23个航次的调查 , 调查面积达 200万 km2 , 通过区域性调查在麦哲伦海山 、南马库 斯 -威克海山 、马绍尔群岛海山 、莱恩岛海山区域划 出了钴结壳矿带 , 并对前两个海山区域进行了普查 。
装在大臂后面的水力吸矿器吸人储存仓 。 LatimerJohnR、 Halard等对 破 碎 方 式 进 行 了 试
验研究 , 并从结构上对破碎方法 、提升方法以及切削 刀具对地面的适应性等方面进行了研究和设计[ 18] ; Winard教授 、Larson、Tandanand等对钴结壳 及其基
陈新明 , 等 : 富钴结壳开采 技术研究现状
算了详查区段和试验采区结壳的矿石储量以及整个 3500 m之间的平顶海山顶面和山坡上 , 水深较浅站
矿床的预测资源量 , 并制定了勘探阶段的工作方法 位结壳的 Co品位在 0.7% ～ 0.9%之间 , 水深较大
及规范 , 编制了钴结壳试验开采设计 , 查明水文 、生 站位的 Co品位在 0.5% ～ 0.6%之间 , 平均厚度 3
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富钴结壳开采技术研究现状
陈新明 1 , 吴鸿云 1, 2 , 丁六怀1, 2 , 孙大伟 1
(1.长沙矿山研究院 , 湖南 长沙 410012;2.中南大学 机电学院 , 湖南 长沙 410083)
摘 要 :富钴结壳因富含 丰富的 战略金 属钴 , 已成 为国际 上 竞相研究的热点 。 主要 介绍了 德国 、美 国 、日本 、中国 、韩 国 等国家对钴结壳进行的调查情 况 , 并简要分析了目前钴 结壳 开采的 3种主要方法 。 关键词 :深海采矿 ;多金属结核 ;富钴结壳 ;采矿方法 中图分类号 :TD857 文献标识码 :B 文章编号 :1005 -2763(2008)06 -0001 -04
开采 、冶炼加工等技术研究上投入了巨资 , 已取得较 大进展 。 俄罗斯于 1998年在国际海底管理局第四 届会议期间正式向管理局提出了制定海底钴结壳开 发的有关规章的要求 。 中国 、韩国等少数发展中国 家近十年来也积极开展了钴结壳开采技术等方面的 研究工作 。
PresentResearchSituationofExploitation TechnologyofCobalt-RichCrusts
中国自 1997年正式开始对中太平洋海山区 (位 输 5个功能 。 该采矿系统能很好适应变化复杂的微
于中太平洋海盆北缘 , 夏威夷 -天皇海山链以西 , 美 地形 , 但须解决切割头随微地形变化浮动的技术 。
国威克专属经济区与夏威夷专署经济区之间的国际
该方法进行商业性开采的要求如表 1所示 。
表 1 自行式采矿 机 -管道提升方法进行商业开采的条件
＊收稿日期 :2008 -09 -12 基金项目 :国家高技术研究发展计划 (863计划 )(2006AA09Z227). 作者简介 :陈新明 (1956 -), 男 , 湖北武汉人 , 教授级高级工程师 , 硕士生导师 , 主要从事深海采矿技术与装备 等方面的研究 , Email:cxm@
cimr.com.cn。
美国地质调查所于 1983 ～ 1984年对太平洋 、大 西洋等海域进行了一系列航次的调查研究[ 3 ～ 6] , 发 现在太平洋岛国专属经济区 (包括马绍尔群岛 、密 克罗尼西亚和基里巴斯群岛联邦 )的赤道太平洋和 美国专属经济区 (夏威夷 , 约翰斯顿群岛 )以及中太 平洋国际海域 800 ～ 2400 m水深的海山处 , 存在许 多有开采价值的富钴结壳矿床 , 仅夏威夷 -约翰斯 顿环礁专署经济区内 5万 km2 的目标区内钴结壳的 资源量就达 3亿 t, 按当时的估计 , 此资源开采出来 可供美国消费数万年 。
钴金属量 241万 t, 镍当量 1413.31万 t
2 富钴结壳开采技术研究现状
了调查 , 找到了 一些平均厚度 为 3 cm的钴结壳矿
自 1980年代初 , 德国科考船对中太平洋富钴结
层 , 其钴含量为陆地矿的 10倍以上 。 1991年对西 壳开展专门调查后 , 富钴结壳受到世界各国政府的
太平洋的第 5号 Takuyou海山进行了调查 , 发现在 水深不到 1500 m的地势平坦的 3000 km2 范围内存
富钴结壳 (又称锰结壳 、铁锰结壳 )是大洋底部 最具吸引 力的 矿 产资 源 之一 , 赋 存 在水 深 500 ～ 4000 m的海山 、岛屿斜坡上 , 富含钴 、铂 、镍 、锰 、铜 、 铁 、磷 、钦 、锌 、铅等金属 , 钴的平均含量最高 , 品位高 达 0.8% ～ 1.2%, 最高可达到 2%, 一般都大于 0. 5%, 是多金属结核中钴含量的 4倍 , 较陆地原生矿 高几十倍 , 铂平均含量高于陆地相应矿床的 80倍 。 根据调查结果 , 太平洋 、大西洋和印度洋中都分布有 大量的钴结壳矿藏 , 富钴结壳矿床潜在资源量可能 达到 10亿 t, 钴金属含量达数百万 t。
查 , 地点为麦哲伦海山区及中太平洋海山区 。 2001
美国专家提出的 “自 行式采矿机 -管道提升 ”
年的调查是在马绍尔群岛北部的国际区域进行的 , 的钴结壳开采系统 。由装备多个机械臂的自行式海
共选择了 6座海山 。初步研究结果表明 , 在深度低 底钴结壳采矿车 , 切割钴结壳及其基岩 , 破碎的钴结
该采 矿方法 于 1985 年在 夏威 夷群 岛东 南深 4300 ～ 4900 m的海山上试验 , 连续开采 4 h, 采出 4 t, 平均每斗采集矿样约 75 kg。 1993年 , 在西太平洋 海深 1500 m, 北纬 23、西径 153海山上进行了实际 开采试验 , 平均每斗采集矿样约 100 kg。 1997 年在 改进了球形辊柱绞盘和斗自动卸载等机构后 , 成功 的在西太平洋 2200 m的 Takuyou海山上进行了实 际开采试验 。
于 2000 m的海底 , 钴结壳厚度较大 , 其中钴含量为 壳及其基岩经水力吸矿器吸入储存仓 , 再经二次破
0.5% ～ 0.8% , 镍为 0.4% ～ 0.5% , 锰为 20% ～ 碎及分选后 , 采用气力提升方式经扬矿管提升到水
22 %。
面支持船 , 具备采剥 、集矿 、大块破碎分选 、提升 、运
美 、德 、日 、俄等发达国家在钴结壳资源的勘查 、
1 富钴结壳的调查情况
1981年 PeterHalbach率 领 “德 国中 太平洋 一 号 ” (GermanMidpacI)巡航船对夏威夷南部的莱恩 群岛 (LineIslands)进行了第 一次系统的调 查[ 1, 2] , 发现中太平洋 800 ～ 250 om海域较大范围内赋存有 巨大经济价值的钴结壳潜在资源 。随后相继进行了 一系列航次调查 , 对太平洋海域的钴结壳资源分布 、 地球物理化学特性及矿床成因作了系统研究 。