海底采矿的研究与开发
海洋资源开发利用技术的研究现状
海洋资源开发利用技术的研究现状海洋，占据了地球表面约 71%的面积，蕴藏着丰富的资源，如矿产资源、生物资源、能源资源以及海洋空间资源等。
随着陆地资源的日益紧张和人类对资源需求的不断增长，海洋资源的开发利用逐渐成为全球关注的焦点。
近年来，在科技的推动下，海洋资源开发利用技术取得了显著的进展。
在矿产资源开发方面，深海采矿技术逐渐崭露头角。
深海蕴含着大量的多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等矿产资源。
目前，一些国家和企业已经开展了深海采矿的试验和研究工作。
例如，通过研发先进的深海采矿船和采矿设备，能够实现对深海矿产的采集和运输。
然而，深海采矿面临着诸多技术挑战，如高压、低温、黑暗的环境，以及对海洋生态系统的潜在影响等。
为了降低采矿过程对海洋环境的破坏，科学家们正在努力探索更加环保和可持续的采矿技术，如采用选择性开采方法，减少对周边环境的干扰。
海洋生物资源的开发利用也取得了重要突破。
海洋生物种类繁多，其中不乏具有高营养价值和药用价值的物种。
生物技术的发展为海洋生物资源的开发提供了有力支持。
例如，通过基因工程和细胞培养技术，可以大规模生产海洋生物活性物质，如鱼油中的不饱和脂肪酸、海洋生物中的多糖和多肽等。
此外，海洋渔业也在不断创新，采用智能化的捕捞设备和精准的养殖技术，提高渔业资源的产量和质量。
不过，过度捕捞和海洋污染仍然威胁着海洋生物资源的可持续利用，因此加强海洋生态保护和渔业管理至关重要。
能源资源方面，海洋能源的开发利用前景广阔。
潮汐能、波浪能、海流能和温差能等都是潜在的海洋能源。
潮汐能发电技术相对较为成熟，已经在一些地区实现了商业化应用。
通过建造潮汐电站，利用潮汐的涨落驱动水轮机发电。
波浪能发电技术也在不断发展，各种新型的波浪能转换装置层出不穷，如浮子式、振荡水柱式和筏式等。
然而，这些海洋能源的开发仍面临着成本高、效率低和稳定性差等问题，需要进一步的技术创新和优化来提高其经济性和可行性。
海洋空间资源的开发利用也越来越受到重视。
深海矿物资源开发技术的成本与效益分析
深海矿物资源开发技术的成本与效益分析深海矿物资源是指分布在海洋底部的矿产资源，包括铜、钴、锌、镍、锰等。
近年来，由于陆地矿产资源的缺乏和需求的增加，深海矿物资源的开发备受关注。
然而，深海矿物资源开发技术的高成本与潜在的效益之间的平衡是一个值得深入探讨的话题。
深海矿产资源的开发技术主要包括矿物勘察、资源开发、矿产提取等环节。
首先，进行深海矿物资源的勘探工作需要进行海底地质调查、水下无人机探测、深海采样等。
这些勘探技术的研发和应用需要大量的资金和人力资源投入。
其次，在资源开发阶段，深海矿石的开采需要使用深海采矿设备，如无人潜水器、自动化采矿系统等。
这些设备的制造、运输和维护成本也相对较高。
最后，在矿产提取过程中，需要利用化学方法、冶金技术等进行矿物的分离和提纯。
这些技术的研究和应用同样需投入大量的资金和人力资源。
然而，深海矿物资源开发所带来的效益也是不容忽视的。
首先，深海矿物资源的开发可以满足日益增长的矿产需求。
目前，全球尤其是发展中国家对于铜、钴、锌等矿石的需求不断上升。
深海矿物资源的开发可以有效缓解矿产资源的供应压力。
其次，深海矿物资源的开发还可以促进相关产业的发展。
例如，深海矿物资源的勘察与开发需要大量的航运、制造、信息技术等服务，这些相关产业的发展将为就业和经济增长带来积极的影响。
此外，由于深海矿石的成分较为丰富，采用高技术手段进行提纯和冶炼，使得矿产的品质得到提高，利润空间也相对较大。
在评估深海矿物资源开发技术的成本和效益时，需要考虑以下几个方面。
首先，技术的成熟度和可行性是评估成本和效益的重要指标。
目前，尽管深海矿物资源开发技术还存在一些难题，如深海环境的高压、低温、高盐等特殊性，但一些初步的成果已经得到验证，技术路线也在逐步完善。
其次，随着技术的不断进步，开发成本有望逐渐降低。
例如，无人潜水器的普及和自动化采矿系统的应用将有效降低勘探和开采成本。
最后，政府政策的支持和环境保护的要求也会影响深海矿物资源的开发成本和效益。
深海矿产资源开发装备研发生产方案(一)
深海矿产资源开发装备研发生产方案一、实施背景随着全球对矿产资源的需求日益增长，深海矿产资源开发逐渐成为新的战略方向。
深海环境复杂，技术难度大，因此，开发适应深海环境的矿产资源开发装备至关重要。
本方案旨在从产业结构改革的角度，为深海矿产资源开发装备研发生产提供一套全面、创新的方案。
二、工作原理深海矿产资源开发装备应具备以下特点：1.高性能：设备能在高压、低温的深海环境中稳定运行，采集和处理矿产资源。
2.自动化：装备应配备先进的控制系统和传感器，实现远程控制和实时监测。
3.可持续性：设备材料应选择环保、可持续的，减少对环境的影响。
具体工作原理如下：1.通过多金属结核采矿车进行矿产采集，其工作原理是利用吸盘或刮板将多金属结核从海底刮下。
2.利用一个旋转的滚筒将采集的多金属结核进行破碎和研磨，以便后续处理。
3.通过磁选和浮选工艺，将有用矿物与无用矿物分离。
4.最后，通过高压泵将选出的矿产资源输送至海面。
三、实施计划步骤1.市场调研与需求分析：对国内外深海矿产资源开发市场进行深入调研，明确用户需求和市场趋势。
2.技术研究与开发：投入研发力量，开发适应深海环境的矿产资源开发装备的关键技术。
3.装备设计与制造：根据技术研究结果，设计并制造深海矿产资源开发装备。
4.实地测试与优化：在实验场进行实地测试，根据测试结果对装备进行优化。
5.产品上市与推广：将优化后的装备推向市场，并进行持续的市场推广和技术支持。
四、适用范围本方案适用于深海矿产资源开发领域，包括但不限于多金属结核、热液硫化物等矿产资源的开发。
同时，本方案也可为海洋工程、海洋地质等领域提供技术支持和参考。
五、创新要点1.引入先进的深海挖掘技术，提高采矿效率。
2.结合自动化和智能化技术，实现远程控制和实时监测。
3.采用环保材料和可持续生产方法，降低对环境的影响。
4.优化选矿工艺，提高有用矿物回收率。
5.提供全面的技术支持和培训，帮助用户更好地使用和维护装备。
海底矿产资源开发技术
第五章海底矿产资源开发技术海洋不仅覆盖地球面积的71%,而且淹没着及其丰富的海底矿产资源;其种类之多、储量之大、品味之高,是陆地同类矿产无法比拟的;在地球上已发现的百余种元素中,有80余种在海洋中存在,其中可提取的有60余种;可以说,海水是巨大的“液体矿床”;此外,已经探明,海底还富集着大量固体矿床,包括多金属结核、铁锰结壳、热液,估计贮量约有3万m3;目前已经开采的石油,有30%来自海洋;1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;海洋矿砂品种繁多,已开采的有锡石、锆英石、钛铁矿、磁铁矿、金江石、金、独居石、磷、红柱石等;海底矿产资源中,更大量的是潜在资源,如大洋锰结核、海底热液矿、富钴结壳等;海底矿产资源概述海洋矿产资源主要是指海底油气、多金属结核、海底热液和海滨、浅海中的砂矿资源;5.1.1 海底矿产的分类1按性质可分为金属矿产、非金属矿产和燃料矿产;2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;沉积矿包括海滩矿砂、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,包括非固态的石油、天然气和固态的硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡和重晶石等;23按照可持续发展的战略思想及人们的认识和勘探开发程度海洋矿产资源可划分为已开发利用的矿产资源、尚待开发利用的矿产资源、具有潜在开发价值的矿产资源;35.1.2 海洋矿产开采的特点由于海洋是一个独立的自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同的特点;1由于深海的极端环境;深海矿产资源都赋存于水深千米的深海底,多金属结核赋予水深5000~6000m的海底表面、富钴结壳生长在水深2000~4000水深的海山上,热液硫化物多赋存与2000~2500m水深的海床;极端环境的表现如下：海水腐蚀；海底无自然光；海洋环境的风、浪、六等构成复杂流场；深海大部分地方处于1℃的低温,而热液口的温度高达近400℃;这样一个复杂超长的极端环境,给深海作业及装备的可靠性和维修更换维修周期等提出许多极高的要求,工作设备要承受高达20~60MPa的巨大水压,海水中电磁波传播衰减严重,其技术开发难度毫不逊色于太空技术;2由于海底矿产资源的特殊赋存状态;目前陆地上具有经济开采价值的金属矿产资源,不论是露天开采还是地下开采,基本上都是采用钻孔爆破,有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采;然而,深海底的多金属结核以及直径仅数厘米的结核状赋存于极稀软的海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米的壳层黏附在地幸福在的海山基岩上、热液硫化物虽然已大块矿床形式存在,但矿床规模都相对较小,沿用陆地上的现有开采技术不具备经济开采价值;因此,深海矿场资源的开采原理、工艺和装备都不能直接移植陆地上已发展成熟的采矿技术;海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程,如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科和造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产的开发;同样,海洋采矿的发展势必促进这些行业和学科的进一步发展,这就具有重要的战略意义;3深海采矿环保限制标准;除与陆地采矿一样有废水废渣的处理外,深海采矿作业中对海底的扰动程度将是一个极为重要的有别于陆地采矿的限制标准,使得深海采矿的技术难度进一步增加;海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系;它们之间相互促进、相互制约;此外在开采中还要注意保护海洋环境,避免污染和破坏海洋生态平衡,即注意开发和保护之间的矛盾,所以需要精细的管理,以求获得最佳的经济、环境和社会效益的统一;4国外实践表明,海洋深海矿产开采新技术,从开始研制到投入实际应用,通常需要10～20年的时间,周期较长;如日本从1975～1997年投资10亿美元,研究锰结核的勘探和技术开发,进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区的勘探和采矿技术的研究,累计投资15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期的研究;可见各发达国家这种长期的投入研究不仅仅是解决国内经济发展的需求,主要是面向未来,是对未来的研究和投资;5海洋矿产开发具有国际性的特点;海底矿产资源可能是跨国界或共享的,涉及各有关国家之间的利益,需要国际之间的协调和合作;4海底矿产资源勘探方法5海底矿产资源的勘探方法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方法5.2.1 直接方法5.2.1.1 观测及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;目前水下照相机在海洋地质调查中一发展成一种比较完善的工具,在研究海洋矿床方面已被广泛地采用;水下照相机能够连续的的拍摄海底相片,在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底的位置上拖曳,同时周期性的被触发;目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片的大型静止照相机;德国采用的70mm海底静止照相机,能曝光大约300次;这种照相机由具有能源和电子控制装置的照相机、闪光灯和触发器三部分构成;当粗发起重锤触及海底;它能够自动摄取海底照片;最新的发展是以声呐控制代替机械能触发器并配备自返式取样装置,在拍摄照片后自动返回海面而被回收;但是水下照相的缺陷是不能连续的进行探矿不得不将照相机从海底回收,并且必须等到照片冲出来以后才能获得光宇海床矿床的资料;利用水下电视可以连续的监测海底,并可将观测结果录制成碟永久保留;但由于海底缺少光线以及摄像系统的分辨率不得不以缓慢的速度拖曳,因此在水下电视操作期间所耗费的船时相对较多;5.2.1.2 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）表层取样即采用工具获取还低表面物质样品;常用的取样器有“绳索抓斗取样器”;抓斗下降时都是开口的,当接触海底后即自动抓砂封闭;利用绳索抓斗取样器在海底捞取矿样,由于它灵活机动,不受海水深度限制,海底不平整和粒度大小不均匀都没关系,因而成本低,使用广泛;单只能捞取海底表层的矿样;绳索抓斗取样器另外,较常用的还有金属链条货绳索构成的拖斗式货拖网式表层取样器;斗和网都有细孔,可以漏水,它们一般是在深海中用以捞取结核矿、岩块、砾石等样品这种古老而又新颖的取样方法,因其成本低、灵活机动、不受海水深度的限制而使用较广;但所获取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柱状取样未用各种采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;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黏在海底泥土的表面不动,而只让管子完全插入泥土中;上述柱状取样管都需船只停止航行后用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,“无缆取样器管”;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,而漂浮材料是采泥器货照相机浮出水面,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;经试验,在水深1000m处,整个取样过程仅需15min;利用各种类型的取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米的沉积物柱状样品;据报道,前苏联“勇士”号调查船曾用真空式取样管取得长达34m的柱状样品,而其沉积结构没有受到任何重大的破坏和扰乱;这种采样设备的问世,将过去的单点采样改变为连续采样;柱状取样3钻探取样海上钻探取样和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;金刚石、锡石和砂金由于密度大,都富集在砂层的下部,越接近下部底岩,矿砂就越丰富,所以需要用钻孔提取矿砂层下部的矿样、钻孔深度不等,视砂层厚度而定,由1m到30m以上,钻孔直径由10cm 到90cm;在砂层中钻孔速度很快,因而成本也不高;使用的都是空心钻,以便提出岩心,这样取的岩心矿样在质量上有保证,可以做定量分析用;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;深孔钻探是最后的钻探手段,费用很高;对于石油、天然气、煤、铁等矿床应先用地球物理方法进行初步勘探,然后才能决定是否需要打钻机,并决定打孔的位置和钻孔的深度;近年来,深孔钻钻技术发展的很快,现在陆地上钻孔最大深度已超过万米,海底钻孔深度则已达6966m;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;如把水下电视系统与拖网相结合的拖网使用;拖网悬挂在电视机外壳下面,在电视机框架到达海底时,拖网就在海底上取样;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;此外深潜技术的发展,是大洋矿产资源的调查勘探出现新的突破;载人潜水器可将观测人员送入几千米的水下,利用观察窗或声呐直接观测海底矿物,并利用机械手采集矿物样品;5.2.2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;如利用声学探测技术中的回声探测仪、旁侧扫描声呐等,利用岩石矿石具有各种不同的物理性质,如密度、容重、磁性、导电性等物理性质,采用地球物理方法等;1水声学探测技术利用回声侧探测仪可以了解海底的地形,获取海底图像;还可以利用它测定中层水发射面的存在;如在对红海充满卤水的盆地进行勘探中已经证明回声测深特别有用,他可以观测到深部的卤水和海水之间的密度界面;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,如可以显示是否存在海底火山岩;这种火山岩对于采矿作业危害极大,因为采矿作业主要使用海底拖曳工具;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;由于锰结核往往富集在小山坡上和起伏不大的海底上,而不是富集在平滑的海底平原上,所以利用远程侧扫描声纳在含锰结核的海底上拖曳,就可以勾划出所勘探的几十公里宽的海底上的不同地形的位置,然后在每个位置上采集回收锰结核样品,已决定丰富的高品位锰结核所需要的最有利的深海环境;因此,利用侧扫描声纳可以发现任意含锰结核地区中的其他的富集区;此外,高分辨率的侧扫描声纳还可以绘出粗糙海底锰结核分布地区的概况;用于海底探矿的其他声学设备,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;利用地层剖面仪可以探测数千米水下的海底沉积层厚度及地质构造,实时获得海底地质剖面图,利用多普勒流苏剖面仪可以在航行中连续测量水层剖面的多个层次的流速,最多可达侧扫声纳多普勒流速剖面仪64个层次,甚至更多;测量的数据由计算机实时处理;水下高速声信息传输系统可以将海底观察到的电视图像和声图像输送到水面;2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,物理勘探就是测探它们的物理性质,如密度、弹性、磁性、电性、放射性等物理性质的差异,及探测地球物理场的变化,然后分析所获得的资料,从而推断矿产分布情况;如不同岩石矿石对声波振动波传播的速度不同,岩石矿石越密传播声波的速度就越大,利用这种原理来勘探的勘探方法就是地震法;同岩石矿石有不同的密度,密度大的岩体就产生大的吸引力;岩石矿石都或多或少的带有磁性,不同岩石有不同的磁性,探测岩石矿石的磁性以区分其种类,这就是磁力法;不同岩石矿石的导电性能不同,个别的矿体还能产生自然电流,这就要用电法来勘探,在电法中又有电阻法和电磁法等;3地球化学勘探此方法为系统的测量海水、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品,在船上实验室进行分析测定某些元素的微迹含量等工作;在油气勘探、滨海砂矿、磷块岩、热液矿床、铁锰结核、铁锰矿等重要海洋矿产的发现中都起到了十分重要的作用;近年来,对海域地球化学测量给予了肯定的评价,认为这是一种经济、快速而有效的方法;据报道,近十几年来,世界各国对近海地区100多万平方公里进行了油气地球化学调查,圈定了123个油气远景区,并在大量的数据的基础上研制出预测油气资源的地球化学模式;4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;对比较小的区域进行详细勘察时,作为导航参考点可以使用无线电或雷达浮标以及置于海底的声纳应答器;近年来,国际上出现了多用途海底矿产资源综合勘探船,集采样、光学、声学、导航技术为一体;船上配备了精密导航仪器,勘探装置和采样装置,可以在远离陆地的深海环境中工作;这种勘探船的问世,大大提高了探矿速度和精度;海洋矿产开采技术方法号1 石油、天然气石油钻井平台、钻探装置、海底采油系统早已进入工业化生产,是非常成熟的开采技术;我国自主开发研制的一批技术装置达到或接近国际先进水平提取石油、天然气2 多金属结核矿1.连续铲斗提升采矿系统2.管道提升采矿系统3.穿梭潜水集矿机系统4.海底自动采矿系统基本完成小试,进入中试阶段;管道提升采矿系统被认为是非常有前途的开采方法;国内首先对这种方法进行研究取得了初步成果提炼出具有战略意义的多种金属3 海底热液矿床3 其它矿产各种采掘装置和大深度挖泥机基本成熟的方法,进入工业化生产;但我国以土法采选为主,技术落后、生产效率低提取铁砂、金砂、锡砂及其它矿物5.3.1近海油气资源6天然气水合物是一种在低温-10～+100℃和高压1～9Ma条件下由气体和水合成的类冰固态物质,又称可燃冰;它的分子结构比较特殊,是刚性的等轴笼架结构六方晶体的水分子中存在甲烷分子;所以,天然气水合物中的有用组分主要为,此外还含有少量的H2S、CO2、N2和其它烃类;它具有极强的储载气体的能力,一个单位体积的天然气水合物可储载100～200倍于这个的气体储载量;5.3.1.1天然气水合物的赋存环境饱和的天然气水合物的能量密度很大,因为晶体结构迫使甲烷分子相互紧密结合在一起不论压力或深度如何变化,水合物的能量密度总是固定的;在一定的压力—温度条件下,原生赋存具有经济潜力的天然气水合物广泛分布在永久冻土带和大陆外部边缘的浅层沉积物中;如图11海洋中的天然气水合物海洋中的天然气水合物通常存在于水深500～4000 m压力为5～40 MPa、温度～25℃的环境中;迄今为止,发现最富集的海洋水合物矿床位于沿紧邻老洋壳的被动大陆边缘沉积物中,最著名的是美国东南海岸的布莱克外海岭;对布莱克海岭的初步评价认为,其中很小的地区所含的甲烷等量于美国数百年来的天然气用量总和;2永冻层中的天然气水合物永冻层中的天然气水合物存在于极地的低压低温区,在俄罗斯、加拿大和阿拉斯加的陆地及大陆架上均有发现,是以一种永冻的水—冰和水合物的混合物形式存在的;Max等认为,海域永冻层水合物是在陆架暴露出水面时,最近一次冰川作用下形成的,之后在海进期陆架被淹没;3水合物层之下的常规天然气藏含水合物岩层可对常规油、气藏起到屏蔽作用,气水合物层之下往往有大型常规气藏;与水合物相关的甲烷既可产出于水合物本身,也可圈闭于水合物稳定带下方;圈闭于天然气水合物带的常规天然气或石油比包含于气水合物中的非常规天然气在目前更具经济价值;5.3.1.2 天然气水合物的开采方法天然气水合物的开采实质上就是使地下的水合物分解,再将分解出来的甲烷气体抽到地面上来;依据水合物相平衡原理,天然气水合物的开采通常有降压法、热激法和试剂注入法3种基本方法;1减压法减压法是指通过钻探方法或其他途径降低水合物层下面的游离气体聚集层位的平衡压力,当压力达到水合物分解压力时,界面附近的天然气水合物转化为气体和水;降低压力能达到水合物分解的目的;一般是通过在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”由热激发或化学试剂作用人为形成,与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水;这种技术在西西伯利亚的Messoyhaka气田得到了应用;开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果;减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一;2热激法该方法是指在压力一定的条件下,注入蒸气、热水、热盐水或其它热流体,也可采用开采重油时使用的火驱法或钻柱加热器法,对水合物稳定层进行加热,将设计区段的温度提高到分解温度,这一温度下,所注热量完全用于水合物的分解作用;再用导管将析出的天然气收集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器;这种方法的问题在于储层和水中的大量热能损失,效率很低;特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量;如果没有热损,注入能量是开发能量的10%左右;有热损时,注入能量可能会超过气体的价值;这种方法非常昂贵,且要求向下注热和向上采气同步进行;近年来,为了提高热激法的效率,人们采用了井下加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一;实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,其在开采重油方面已显示出它的有效性,该方法的使用将会给热激法带来不错的前景;3试剂注入法采用诸如盐水、酒精等抑制剂流体,可降低水合物的冻结点,将抑制剂注入井内会引起熔融;近来人们又发现了另外两种新型的阻止技术,即以表面活性剂为基础的反聚结技术和阻止晶核成长的动力学技术;其总体思想都是注入某些化学试剂,以改变水合物形成的相平衡条件,促进水合物分解;此方法较热刺激缓慢得多,花费昂贵,但初始输入能量较低;由于海洋水合物中压力太高,用这种方法可有效地改变相界曲线,但回采气体较困难;4其他开采技术Holder等人对水合物的开采技术进行过大量的研究,除上面介绍的3种方法外,还提出了置换开采和混合开采的理念;置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较CO2高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而CO2水合物却是稳定的,这时CO2进入到天然气水合物中,与水形成水合物,这时所释放的热量可用于分解天然气水合物;用CO2水合物来置换天然气水合物的研究已经开展起来,然而复杂的相变过程可能会给这一方法的实施带来一定的困难;混合法原理是先将洋底粉碎,开采混有固体水合物的混合物,在提升过程中水合物就可能分解;混合开采法目前还没有深入研究,但也很有建设性意义;从以上各方法的使用来看,仅采用某一种方法来开采水合物是不明智的,只有综合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采;降压法和热激法技术的联合使用是目前最受推崇的方案,用热激发法分解气水合物,而用减压法提取游离气体;5.3.1.3 水合物勘探开发前景海洋气水合物是全球天然气水合物资源开发的重头戏,不仅因为海洋气水合物占总资源量的大半以上,而且分布广泛,它不像陆上天然气水合物仅局限在少数的几个高纬度国家的永冻带或两极,对那些滨海而又缺乏能源的国家来说,天然气水合物则带来了很大的希望和寄托;不仅含天然气水合物地层本身存在巨大无比的甲烷资源,而且往往在含天然气水合物层之下同时还蕴藏了巨大的常规天然气资源;在永冻区开发常规天然气,不可避免地会遇到天然气水合物问题;一般来说,永冻区的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度,它像盖层一样封闭了其下的常规天然气,高浓度的水合物和与气有关的水合物盖层的探测为深层的烃类勘探提供了指导;因此,开发天然气水合物不是单一的资源开发,而是一种综合开发;。
海底采矿机器人研发生产方案(二)
海底采矿机器人研发生产方案一、实施背景随着陆地矿产资源的日益枯竭，海洋成为新的矿产资源发掘地。
据统计，海洋中蕴藏的矿产资源是陆地的数十倍，尤其是海底的矿产资源，具有极高的开采价值。
但是，由于海底环境的复杂性和不可预测性，传统的海底采矿技术面临诸多挑战。
因此，研发海底采矿机器人成为解决这一问题的关键。
二、工作原理海底采矿机器人主要由以下几个部分组成：1.水下推进系统：该系统由一组高性能的推进器组成，能够在各种水深条件下稳定运行，同时保证机器人的灵活性和稳定性。
2.感知与导航系统：该系统集成了多种传感器，如水深传感器、水温传感器、流速传感器等，能够实时感知并反馈海底环境信息，实现精准定位和导航。
3.机械臂与采集系统：配备高精度机械臂，可抓取和搬运各种重物；采集系统则负责将采集的矿产资源运送上岸。
4.能源供应系统：采用长效锂电池供电，同时设计有太阳能板和水力发电机作为备用能源。
三、实施计划步骤1.研发阶段：进行技术研究和产品设计，包括水下推进系统、感知与导航系统、机械臂与采集系统的设计和集成。
2.实验测试阶段：在实验水池和近海实际环境中进行机器人性能测试，不断优化各项性能指标。
3.生产制造阶段：批量生产机器人，并进行实地部署和调试。
4.商业推广阶段：与矿产公司和海洋资源开发公司合作，推广和应用海底采矿机器人。
四、适用范围本研发生产方案适用于以下情况：1.矿产资源勘探：机器人可深入海底勘探矿产资源分布情况，为后续开采提供数据支持。
2.海底矿产采集：根据前期勘探结果，机器人可进行高效率的矿产采集工作。
3.海洋环境监测：利用机器人的感知与导航系统，实时监测海底环境变化，预防自然灾害。
五、创新要点1.集成化的水下推进系统：实现了在复杂海底环境下的稳定运行和灵活操作。
2.精准的感知与导航系统：确保了机器人的精准定位和导航，大大提高了采矿效率。
3.高效的机械臂与采集系统：能够快速地抓取和搬运矿产资源，提高了采矿速度。
海底采矿设备的控制技术研究
海底采矿设备的控制技术研究概述：海底采矿作为一种新兴的矿产资源开发方式，具有较大的潜力和发展前景。
海底采矿设备的控制技术研究是推动海底矿产资源开发的关键之一。
本文旨在研究海底采矿设备的控制技术，探讨其发展现状以及未来的挑战与发展方向。
一、海底采矿设备的发展现状1. 海底采矿设备的种类海底采矿设备主要包括海底采矿机械、海底钻探设备、浮标系统、采矿管道等。
这些设备在海底环境中经受着高压、低温、强腐蚀等极端条件的考验。
2. 海底采矿设备控制技术的研究现状目前，国内外对于海底采矿设备控制技术进行了大量的研究。
其中，控制算法、传感器技术、通信技术等都是关键的研究方向。
通过传感器获取到的实时数据反馈给控制系统，控制系统再根据设定的控制算法对设备进行控制。
二、海底采矿设备控制技术的挑战1. 复杂的海底环境海底环境的复杂性使得海底采矿设备的控制面临许多挑战。
海底地形的复杂性、水深的不均匀分布、海流、海浪等因素都会对设备的控制造成一定的困难。
2. 强腐蚀性介质海水中含有大量的盐分和氯离子，对设备的金属结构具有强烈的腐蚀作用。
因此，海底采矿设备的材料选择和防腐措施必须具备足够的耐腐蚀性能。
3. 通信与数据传输的困难由于海底环境的复杂性，海底采矿设备与控制系统之间的通信和数据传输面临许多困难。
传统的有线通信方式无法满足远距离和海底环境的要求，因此需要研发更加先进的无线通信技术。
三、海底采矿设备控制技术的发展方向1. 自主控制技术的研究由于海底采矿设备的控制环境复杂多变，传统的遥控操作方式存在一定局限性。
未来，应加强对自主控制技术的研究，通过智能化算法和传感器的应用，实现设备的自主控制和智能化运营。
2. 纠偏与避障技术的研究海底地形复杂、水流、海浪等因素容易导致设备偏离原定路径，甚至发生碰撞事故。
因此，应加强对纠偏与避障技术的研究，保证海底采矿设备的安全稳定运行。
3. 高效信号传输技术的应用当前海底采矿设备的通信和数据传输主要依赖于有线方式，但受制于传输带宽和传输距离。
海洋资源开发与保护技术的研究与探索
海洋资源开发与保护技术的研究与探索一、前言海洋作为地球上最大的生态系统，既是人类的重要经济来源，也是维护生态平衡和保护地球环境的重要组成部分。
随着全球海洋资源的不断开发和利用，海洋环境问题日益凸显，对海洋资源的保护和环境治理也越来越受到重视。
因此，研究和探索海洋资源开发与保护技术，对于维护海洋生态环境、促进经济发展具有重要意义和价值。
本文将从海洋资源开发和保护技术两个方面进行阐述和探讨，旨在为研究和推广海洋资源科技的发展和应用提供参考依据。
二、海洋资源开发技术1. 深海矿产资源开发技术随着全球海洋资源的不断开发，深海矿产资源逐渐成为矿产资源的重要来源。
深海矿产资源开发技术主要包括钴、锰、铜、铟、锡、镍和黄铁矿等的开采和处理技术，其中的典型代表是深海沉积物矿产资源的开发。
（1）海底采矿技术目前，深海采矿技术主要包括管钳采矿机和水柱吸收器两种技术。
管钳采矿机采用机械臂夹取底泥，通过管道输送到海面再进行处理。
水柱吸收器通过水柱的形式将底泥吸收到槽中，并分离出含矿的泥浆。
（2）海底选矿技术海底选矿是深藏在海底沉积物中的矿物资源分离和提纯的关键环节。
传统的选矿技术主要采用重选、浮选、磁选、电选等方法。
但这些选矿技术基本上没有改变海底矿产开发的传统方式，仍然具有采集效率低、污染环境严重等缺点。
目前，研究人员正在开发更加先进的水力提取技术，如超声波、震动、旋涡等技术，提高选矿效率，减小对环境的影响。
2. 海洋能源开发技术海洋能源是一种尚未得到充分开发的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、热能和盐度梯度能等。
海洋能源潜力巨大，可以为人类提供大量的清洁、安全、可再生的能源，具有长远的发展前景。
目前，海洋能源开发技术已取得了一些进展，主要是针对潮汐、波浪、温差等方面的技术开发和应用。
（1）潮汐能开发技术潮汐能是一种源源不断的可再生能源，是从海洋引入农业和城市生活的最早的能源之一。
目前最常见的潮汐能转化方法是利用海水差异通过渠道发电，实现了40%的效率，并且还可以控制开断水流的数量。
探索深海采矿技术的未来发展方向
探索深海采矿技术的未来发展方向在我们所居住的蓝色星球上，海洋占据了绝大部分的面积。
而在那深邃神秘的海洋深处，隐藏着丰富的矿产资源，这些资源对于解决人类日益增长的资源需求具有重要的战略意义。
深海采矿技术，作为获取这些资源的关键手段，正处在快速发展的阶段，同时也面临着诸多挑战。
让我们一同深入探索深海采矿技术的未来发展方向。
随着陆地矿产资源的逐渐枯竭，人类将目光投向了广袤的深海。
深海蕴藏着大量的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等矿产资源。
这些资源不仅种类丰富，而且储量巨大，有望成为未来工业发展的重要支撑。
然而，深海环境极为恶劣，巨大的水压、低温、黑暗以及复杂的地形和地质条件，都给采矿作业带来了巨大的困难。
目前，深海采矿技术主要包括海底矿产资源的探测、开采、运输和加工等环节。
在探测方面，先进的声学、光学和电磁学技术被广泛应用，以准确识别和定位矿产资源的分布。
然而，现有的探测技术在精度和效率上仍有待提高，特别是对于深海复杂地质环境下的微小矿脉和分散矿床的探测能力还相对薄弱。
开采环节是深海采矿技术的核心。
当前主要的开采方法包括机械挖掘、水力提升和深海机器人作业等。
机械挖掘方式虽然直接有效，但容易对海底生态环境造成较大破坏；水力提升技术则面临着能量消耗大、管道堵塞等问题；深海机器人作业虽然具有较高的灵活性和适应性，但在作业效率和可靠性方面还存在诸多不足。
因此，未来需要研发更加高效、环保、可靠的开采技术，以实现资源的可持续开发。
在运输环节，如何将从深海开采出的矿石安全、快速地输送到海面平台是一个关键问题。
目前常用的运输方式有管道运输和提升舱运输等。
管道运输虽然可以实现连续作业，但在长距离输送过程中，容易受到水压、腐蚀等因素的影响；提升舱运输则受到容量和提升速度的限制。
未来，可能需要结合新型材料和智能控制技术，优化运输方案，提高运输效率和安全性。
矿石的加工处理也是深海采矿过程中的重要环节。
由于深海矿石的成分复杂，杂质含量高，需要先进的选矿和冶炼技术来提取有用成分。
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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 RobotWANG 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计算机。
系统设计成开放式，能根据需要很方便的扩展。
水下控制站为一具有数字量、模拟量处理能力和高速网络通讯能力的微控制器系统。
它由PLC、I/O模块、I/O接口、网络模件、通讯模块、电源变压器、姿态传感器和罗盘等构成，装在圆筒形压力舱内。
执行向集矿机器人上的测控设备提供低压交直流电，采集水下传感器的信息，进行机器人行走的闭环控制，驱动所有传动装置（包括液压系统），与船上操作系统高速通讯等功能。
水面控制中心配置有操作台，控制手柄、按钮和开关，各类显示器，微控制器及I/O 接口，主工业PC机及服务器，打印机及录像机等。
水下控制站与水面控制中心均具有高速通讯接口及组件。
具备编码纠错、自动重发功能，通讯回路冗余，自动识别接入。
通讯速率大于1M波特率。
集矿机器人行驶的控制以罗盘导航和基线定位修正实现按预定开采路线行驶，利用电视摄像和声纳在线监测障碍和辅助搜寻上次轨迹，自动控制绕障和调头；并根据观测的海底结核丰度和坡度调节车速。
集矿机器人采矿作业控制主要根据车的纵向倾角手动调节集矿头摆角缸使集矿头平行海底面。
根据工作参数要求，调节集矿头离地高度，保持集矿效率最高。
2．2扬矿装置扬矿装置将集矿机器人所采集的结核矿石经管道提升到海面船上。
由硬管提升段、中间仓、软管段和矿浆泵、测控元器件等组成。
为了保证自行式集矿机的机动性，避免扬矿硬管对其产生动力影响，扬矿硬管通过一段软管与集矿机相连。
中间仓设置在垂直管与软管之间，当结核丰度变化采集结核量改变时保持向扬矿管供矿稳定，提高扬矿效率。
软管段装有浮力材料，使软管呈拱形。
中间仓：安装软管抽吸矿浆泵，调节硬管给料。
其矿舱大小依特定时段无结核保证供矿选定。
扬矿部分测控主要对作业参数实施检测；当扬矿参数变化有可能危及作业安全时，进行自动调整。
其中检测参数主要包括矿浆流量、浓度、泵出口压力、管线压差，形态和位置等，调整参数主要是生产能力调节和排除故障控制。
2．3 水声定位部分采用长基线定位系统（LBS）和声学调制解调器。
LBS主要用于对采矿船、扬矿管道、中继仓及集矿机器人进行三维定位，作为采矿船、扬矿管、中间仓和集矿机全系统的回采路径测定、跟踪与控制。
2．4. 水面支持子系统／采矿船它是采矿作业中心，为水下设备提供存放、布放／回收、作业支承和维修，并贮存结核矿石。
目前整套水下采矿系统已通过湖上试验，打通了采矿系统工艺流程。
湖试结果表明：参与湖试的设备运转正常，系统能从湖底机器人采集模拟结核并输送到水面船上；系统的监控功能强大，具有手动、半自动、全自动控制方式，齐全的运行参数显示、报警和故障自诊断功能；系统操纵灵活方便，从发电机供电到各部分的启动运行操纵全部集中在控制室内计算机控制台上进行。
验证了我国水下采矿系统技术上达到技术设计要求。
3 深海采矿中机器人的应用由于深海采矿环境的特殊性，各国研究了各种用途的水下机器人来代替人类难于亲临处理的工作。
3．1. 观察机器人为采集深海底的矿产资源，人们首先探查海底矿产的分布于环境状态，以及其开采价值，和能否进行开采。
为详细掌握选定的海底矿区状况，人们借助于观察用机器人。
这种机器人按实现预定好的路线，可在距离海底最低1米的高度进行录像和拍照。
这种机器人又分为两类。
一类是无缆机器人(RUV)，这种机器人在水下完成观测任务浮上水面后，在对录像与拍照的资料进行后处理。
另一类为有缆机器人(ROV)，这种机器人可通过电缆实时观察到水下状况，在控制方面灵活和实时性强，缺点是观察的区域受到电缆的限制。
人们通过机器人观察可以获得这一区域的海底表面矿产分布情况与地貌状态，是否平坦，是否适合开采等重要资料。
目前这种观察用机器人可运行在6000米的水下，其研究制造水平以俄罗斯海洋技术问题研究所最具代表性。
3．2. 勘探机器人除了观察海地表面情况外，人们还需进一步掌握这一区域的地质资料。
如海底表面剪切强度，其不同层面的地质成分等，那么就必须对海底的地质物质进行取样，因此又发明了勘探机器人。
勘探机器人的特点是按指令到达指定地点后，钻取一个或多个海底样岩并尽量保存原样，然后上浮，由于这种样岩保持了海底原始的地质分布状态，对人们研究和开发采矿机器人等科研工作提供了十分重要的第一手资料。
长沙矿山研究院研制的多管取样勘探机器人，可下潜到6000米以下的海底，一次提取1到9个海底样岩，目前已成功地在东、西太平洋4000-6000米深的海底钻取近100个样岩，达国际领先水平。
为我国的海底资源开发提供了极为重要的数据。
3．3. 采矿机器人人类开发海洋是为了获取资源，采集矿产资源可获得直接的经济效益。