深海矿产资源开发装备研究

国际深海矿产资源开发技术装备发展综述

深海开采是一个多环节串联的系统工程，在数千米水深、承受海流和风浪流影响及海水腐蚀的环境下作业，作业条件恶劣，开采难度很大，这就对开发技术提出了很高的要求和需要较长的周期。据国外的经验，深海开采技术研究开发周期需要15—20年的时间，才能达到深海预开采中间试验的目标。如以美国为首的几个国际财团自上世纪60年代中期研究开发至70年代末进行深海试验，花了近15年时间；日本从1981年开始进行集矿机采集、管道提升开采方案研究，至90年代后期尚未实现深海试验目标。

尽管研制和开发深海矿产资源技术困难重重，但海底矿产资源具有长远战略意义，世界各国仍很重视这项技术及其配套技术系统地研制和开发。目前，世界发达国家和部分新兴工业国家利用其技术优势，已经开始了包括多金属结核、富钴结壳、热液硫化物和天然气水化合物在内的多元化海底矿产资源的综合勘查与研究开发工作。

国际上，深海采矿技术从1972年开始研制，经过30年的开发研究，技术日趋成熟。迄今美国、日本、加拿大、德国、法国等已提出了多种开采方案，诸如液压提升式、气压提升式、链斗提升式，深潜器开采等等，作业深度为5000—6000m。液压提升式采矿原理如同水泵，把海底矿物吸扬上来。这种方法被认为是一种较好的开采方法，目前已经研制出若干样机，如日本1989年开发的一种样机，其作业水深达5000m，具有日产矿10000t的能力。

采矿机技术、向水面输送技术及水面支持系统研究进入工业实用化试验阶段

采矿机技术在深海采矿中占据十分重要的地位，也是专有技术之一，许多国家都进行了大量的研究工作，提出的专利和设计几十种，有代表性的属70年代末80年代初包括美、日、德、法等国在内的跨国财团研制出的工作原理和土豆收获机相似的链板式机械集矿机，同期日本人还研制出了抽吸式水力集矿机，80年代末90年代初德国人研制出了将水力和机械复合在一起的复合式集矿机，对钴结壳的采掘机也进行过原理研究。

从海底向水面输送采集到的矿物技术，研究了水力提升技术、气力提升技术、轻介质提升、重介质提升、管道容器提升，以及将收集和运输结合在一起的连续绳斗法、穿梭艇法等近10种方法。以美国为首的几个财团70年代末的海上试验中进行过的输送方法有，OMCO 的气力提升，OMI的水力和气力提升，OMA的气力提升，试验证明水力提升和气力提升技术对开采多金属结核具有可行性和工业应用前景。

在已进行过的海试中，水面系统是采用采矿船、钻井船或打捞船改装而成，用于水下采矿设备的吊放回收则要专门设计加工。采矿系统的测量和控制技术由于是6000m水深条件下使用，也是专门设计的，如动力通讯复合电缆，成像声纳等。进入90年代，西方国家已经具备了进行多金属结核商业开采前的工业实用化试验的技术储备。目前西方发达国家的研究重心转向了深海多种资源的全方位技术开发。俄罗斯2005年前建造3—6艘排水量2万—2.5万吨级的采矿船，船上分别配备有采集洋底多金属结核及采集海山区富钴壳的遥控潜水器。

锰结核的开采技术初步进入商业性阶段

总体上，锰结核的开采至今仍处于详查、评估和试开采阶段，从6000m深的海底开采锰结核要解决一系列技术难题，作为商业性开采和生产还要考虑投入产出比。但是，目前锰结核开采系统的研制技术已基本成熟，大致有流体提升采矿系统、连续链斗采矿系统、海底机器人采矿系统、拖网采集法等。世界普遍趋向采用的是以下三种开采技术：

一种是流体提升采矿系统，这是世界各国试验研究的重点。根据提升方式不同，又分为水力提升和空气提升。

水力提升系统，由海底集矿装置、高压水泵、浮筒、采矿管四部分组成。采矿管挂在采矿船和浮筒下，起输送锰结核的作用。浮筒安装在采矿管上部15%的地方，其中充以高压空气，起支撑水泵的作用。高压水泵装置在浮筒内，它的功率为5884kW，通过高压使采矿管内产生每秒5m的高速上升水流，使锰结核和水一起由海底提升到采矿船内，集矿装置起着筛选、采集锰结核的作用。

空气提升采矿系统，由高压气泵、采矿管、集矿装置三部分组成。高压气泵装在船上，采矿作业时，首先在船上开动高压气泵，气泵产生的高压气流通过输气管道向下，从采矿管得深、中、浅三部分输入，在采矿管中产生高速上升的固、气、液三相混合流，将经过集矿装置的筛滤系统选择过的锰结核提升到采矿船内，其提升效率为30%—35%。为使采矿管中水流的上升速度达到每秒3m，必须用功率为4340kw的空气压缩机，每秒钟吹进225m3的空气。这种开采系统构造复杂，造价昂贵，目前已能在水深5000m处作业。

以上两种采矿系统已达到日产1万吨的采矿能力。日本正在研制的流体挖掘式采矿实验系统，工作水深可达5250m；英国正在研制的空气提升采矿系统，估计日产结核可达1万吨。

第二种是海底机器人采矿系统，它是根据机器人的原理研制的深海锰结核采集系统，由很轻但强度很大的材料制成，在水下重量为零。下水前装满压舱物自动下沉，初始阶段加速下降，当阻力等于自身在水中重力时，以匀速下沉。触底时，机械释放系统动作，在弹簧拉力下自动抓取样品，采满后网袋闭合，同时释放压舱物，按程序自动上浮到一个半潜式水上平台中，把结核矿卸在平台上，然后再装上压舱物重新下潜到海底采集结核。法国研制的最新型锰结核采集装置可以高速航行，自动下潜到6000m海底采集锰结核，并能沿海底航行，然后用液压技术按照自控装置的程序自动返回海面。它包括海上支援设备（6000t半潜平台），能操纵一条长5000m、直径400mm的钢制复合材料管道。管道总重800t，管道底部有一个中间站，其上有一条6000m长的软管在海底移动，收集锰结核。安装在管道上的液压泵将结核矿举升到水面。由于这一系统具有不受波浪、气候的影响和不破坏环境的特点，是一项很有发展前途的深海采矿技术。

第三种是拖网采集，这是最简单的开采海底锰结核的方法，由采矿船上安装一拖网斗构成。这种拖网斗按自由落体的速度降到海底，系在拖斗上的音响计提示操作者何时拖网斗到达海底。拖网斗能横越海底拖动，直到装满结核后将它取回。在拖网斗上还装有电视摄像，以指导拖网斗的装取工作。

第一代采矿系统——连续链斗采矿系统，虽具有技术比较简单、造价低、对水深和海底地形的适应性较好等优点，但是由于其采矿回收率较低、采矿轨迹难以控制，难以满足商业性开采产量的要求，这一方法受到冷落，也仍有人在继续试验。近年来，国际上出现了多用途海底矿产资源综合考察船，船上配备了精密导航仪器、勘探装置和取样装置，这种船可以在深海环境中工作，具有极高的探矿速度和精度。

值得重视的是，自从70年代结核开采试验成功以来，锰结核开采规模日益扩大，已由过去各国单独开采，发展到现在多国联合大规模合作开采。特别是随着在《联合国海洋法公约》上签字和批准公约的国家越来越多，锰结核开发管理体系已日趋完善。到上世纪末，世界大洋锰结核初步进入商品性开发、生产阶段。美国和日本是最先进行商业性开发的国家。以美国为首的海洋矿产业协会计划1995年以后投资15亿美元，每年生产锰结核100—200万吨，同时在加利福尼亚建一座日处理能力为5000t锰结核的加工冶炼厂。

块状热液矿的开采技术进入试验阶段，软泥状热液矿开采技术进入应用阶段

热液矿床有块状和软泥状两种。对于块状，由于分布集中、矿石硬度高、密度大，需用自动控制的海底钻探，然后在钻孔内爆炸，炸碎矿体，随后用集矿机和扬矿机用与采集锰结核类似的方法输送到水面进行加工。美国正在研制这种自动钻探爆破采矿技术，用于开采3000m水深的海底热液矿，它由爆破装置、矿石破碎机、吸矿管以及采矿船、运输船、钻探供应船组成，计划本世纪初进行试验，2020年可投入生产。

对于软泥状，需要在采矿船下拖一根2000多米长的钢管柱，柱末端有一个抽吸装置。在抽吸装置内装一种电控摆筛，使粘稠的软泥变稀，并使抽吸装置进一步穿透泥层。通过真空抽吸装置和吸矿管将金属软泥吸到采矿船上。这种方法现已进入商业性应用阶段。