1、深海采礦技術(shù)簡(jiǎn)述1 引言當(dāng)前，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也越來(lái)越大，大量的資 源開發(fā)造成地球陸地礦產(chǎn)資源日益枯竭。而人類的生存和創(chuàng)造都是以資源消耗為 前提的，礦產(chǎn)資源的利用水平從一個(gè)側(cè)面直接反映了社會(huì)生產(chǎn)力的水平。礦產(chǎn)資 源的危機(jī)將對(duì)人類社會(huì)發(fā)展帶來(lái)災(zāi)難性的后果，這也是一個(gè)全球性的問題。據(jù)科 學(xué)預(yù)測(cè)，全球礦產(chǎn)資源的儲(chǔ)量增長(zhǎng)速度始終高于產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度。陸地資源在本 世紀(jì)大多趨于耗竭，在陸地資源耗竭之前，盡早開辟新的資源供給渠道已是當(dāng)今 各國(guó)共同的抉擇。為了滿足人類生存和發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的需要，世界各國(guó)從上世 紀(jì)初就將目光投向海洋。自18721876年英國(guó)在發(fā)現(xiàn)多金色結(jié)核以來(lái)，大洋經(jīng)勘

2、探查明是豐富的礦 產(chǎn)資源基地。根據(jù)美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Mero教授估計(jì)，大平洋海底的多金屬結(jié) 核和結(jié)殼就有117億t。多金屬結(jié)核和結(jié)殼中有銅、鉆、鎳、錳、鐵、鎢、鈦、 鉬、金、銀等70多種元素，其中銅、鉆、鎳、錳的平均品位分別為1100 %、 0122 %、113 %、25 %，上述四種金屬的儲(chǔ)量分別50億t、30億t、90億t和 2000億t，相當(dāng)于陸地儲(chǔ)量的9倍、539倍、83倍和57倍2深海采礦技術(shù)的現(xiàn)狀2.1國(guó)外現(xiàn)狀國(guó)際社會(huì)深海開發(fā)技術(shù)的發(fā)展均以多金屬結(jié)核開采技術(shù)研發(fā)為起點(diǎn)，1970 年代以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家通過技術(shù)移植、相關(guān)技術(shù)借鑒和二次開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新等 方面的工作，完成了深海多金屬結(jié)核

3、開采的技術(shù)儲(chǔ)備。自20世紀(jì)80年代中期以 來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在取得多金屬結(jié)核采礦技術(shù)領(lǐng)先地位后，及時(shí)把研究領(lǐng)域擴(kuò)展 到富鉆結(jié)殼、海底熱液硫化物、天然氣水合物等多種資源領(lǐng)域。目前，世界上已有鸚鵡螺礦業(yè)公司和海王星礦業(yè)公司在積極地進(jìn)行開采海底 熱液礦床可能性的探索，海王星公司正在評(píng)估他擁有采礦權(quán)的位于新西蘭北島北 海岸水域的礦產(chǎn)資源，鸚鵡螺公司和加拿大一家金礦公司正從擁有采礦權(quán)的巴布人類深海采礦時(shí)代即將到來(lái)杜華斌中國(guó)西部科技，29 亞新幾內(nèi)亞東海岸稗斯麥海域的沉積物中收集樣本。對(duì)這些公司來(lái)說，最大的 問題是海底多金屬硫化物的經(jīng)濟(jì)潛力。2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)深海采礦技術(shù)研究雖起步相對(duì)較晚，但在國(guó)家大洋專項(xiàng)

4、的支持和大洋協(xié) 會(huì)的組織協(xié)調(diào)下，在過去的15年中，由于確定的技術(shù)目標(biāo)科學(xué)、采取的技術(shù)路 線正確、提供的保障條件充分，仍然取得了起點(diǎn)高、發(fā)展快的成績(jī)。研究工作已 經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究、擴(kuò)大試驗(yàn)研究、系統(tǒng)集成與制造、海試技術(shù)設(shè)計(jì)等階段，基本 完成了深海多金屬結(jié)核開采專有技術(shù)體系的構(gòu)建及主要裝備的研制。自90年代 以來(lái)開展“海底多金屬結(jié)核資源開采技術(shù)”的研究開發(fā)，現(xiàn)已研制出兩套集礦原 理機(jī)一水力式集礦機(jī)和復(fù)合式集礦機(jī)的模型機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)可靠、采收 率高的特點(diǎn)，其室內(nèi)集礦效率達(dá)到85%以上；建成了一套高30m、管徑100cm 的實(shí)驗(yàn)室揚(yáng)礦系統(tǒng)。研制單位較系統(tǒng)地進(jìn)行了水力（礦漿泵、清水泵、射流泵） 和

5、氣力揚(yáng)礦方法的實(shí)驗(yàn)室研究，以及配套的遙測(cè)遙控技術(shù)。3.深海采礦系統(tǒng)從上世紀(jì)初開始，世界各大國(guó)對(duì)深海錳結(jié)核和鉆結(jié)殼的開采技術(shù)進(jìn)行了廣 泛的研究，提出了不同的開采方法，而以采礦船、海底采礦車和水力輸送系統(tǒng) 組成的采礦系統(tǒng)被認(rèn)為是最具商業(yè)應(yīng)用前景的開采方法。3.1深海采礦系統(tǒng)的組成及功能深海采礦系統(tǒng)由集礦機(jī)、揚(yáng)礦子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、釣采礦船以及運(yùn)輸支持 子系統(tǒng)五部分組成。集礦機(jī)的功能是在海底采集結(jié)核礦石并進(jìn)行初處理，然后向揚(yáng)礦子系統(tǒng)供； 揚(yáng)礦子系統(tǒng)的功能是將采染的結(jié)核礦石經(jīng)管道提升到海而采礦船上；監(jiān)控子系統(tǒng) 的功能是對(duì)采礦系統(tǒng)進(jìn)行定位、作業(yè)控制和管理；釣采礦船是一個(gè)深海采礦作業(yè)第28卷第1期2009

6、年3月海洋技術(shù)丁六懷，陳新明，高宇清海底熱液硫化物深海采礦前沿探索中國(guó)深海采礦技術(shù)的發(fā)展 陳新明湖南410012）長(zhǎng)沙礦山研究院建院50周年院 慶論文集的平臺(tái)，它為海下設(shè)備提供支承、動(dòng)力、設(shè)備存放和維修的條件，同時(shí)完成結(jié)核 礦石貯存和向運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)；運(yùn)輸支持子系統(tǒng)可以將結(jié)核礦石運(yùn)輸?shù)娇诎恫⑶夷軌?向采礦船供應(yīng)補(bǔ)給品及人員輪班。根據(jù)輸送管道的不同，水力深海采礦系統(tǒng)又可分為硬管采礦系統(tǒng)和軟管采礦 系統(tǒng)。（圖1）是美國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究的一種采礦系統(tǒng)，（圖2）是我國(guó)長(zhǎng)沙礦山研 究院研究的一種采礦系統(tǒng)，兩種采礦系統(tǒng)的區(qū)別只是軟管上浮力材料安置不同， 這兩種采礦系統(tǒng)都稱為硬管采礦系統(tǒng)圖1美國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究的硬管采

7、礦系統(tǒng)圖2長(zhǎng)沙礦山研究院研究的硬管米礦系統(tǒng)這種采礦系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸送管道由一根5000m左右的硬管和300m的軟管組 成，多臺(tái)輸送泵安裝在硬管上對(duì)礦石混合流體接力輸送。采礦系統(tǒng)的外形尺寸十 分巨大，輸送管道和采礦車的下放和安裝十分困難。由于軟管較短，要求采礦船 隨采礦車運(yùn)動(dòng)，這就給海面采礦船的航行提出了很高的要求。6000m的鋼管在運(yùn) 動(dòng)過程中，受到海浪和海流等各種外載荷的作用，產(chǎn)生很大的偏移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用有 限單元法的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得出在有阻尼系統(tǒng)的情況下鋼管下端的振動(dòng)幅度 達(dá)170英尺，當(dāng)采礦系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在海水阻力的作用下，管道下端的偏移量達(dá) 1600m。因此，想通過控制采礦船的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制采

8、礦車的運(yùn)動(dòng)幾乎是不可能的。資源利用深海采礦系統(tǒng)研究 徐海良 何清華 而且海底并不平坦，6000m的垂直輸送鋼管有可能與海山發(fā)生碰撞而發(fā)生海難。 輸送泵直接輸送礦石混合流體，輸送泵容易磨損，輸送泵磨損后，整個(gè)系統(tǒng)不能 工作。所以此種采礦系統(tǒng)幾乎不具備商業(yè)開發(fā)價(jià)值。此種采礦系統(tǒng)的輸送管道為橡膠軟管，因此，稱為軟管采礦系統(tǒng)。這種采 礦系統(tǒng)的工作原理是，海底采礦車工作所需要的能量和采礦車運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)， 都通過軟管從采礦船上輸送到海底的采礦車上；海底采礦車采集到的礦石，在 采礦車上水力運(yùn)輸設(shè)備的作用下，通過軟管輸送到停泊于海面的采礦船上或采 礦平臺(tái)上。輸管道是一根管壁內(nèi)有鋼絲加強(qiáng)的橡膠管，軟管的柔韌性

9、非常好，海底的 采礦車能牽引軟管作采礦運(yùn)動(dòng)。由于軟管很長(zhǎng)，當(dāng)采礦船停泊于海面時(shí)，海底 采礦車牽引軟管能在海底很大范圍內(nèi)作采礦運(yùn)動(dòng)。軟管采礦系統(tǒng)的礦石通過安裝 于采礦車上的水力輸送設(shè)備直接輸送到海面的采礦船上，使整個(gè)輸送系統(tǒng)得到 簡(jiǎn)化，但此種系統(tǒng)要求水力輸送設(shè)備具有強(qiáng)大的輸送能力。采礦船停泊于海面 上，當(dāng)變換采礦場(chǎng)才運(yùn)動(dòng)，使采礦系統(tǒng)的操作和控制變得相對(duì)容易。當(dāng)出現(xiàn)采 礦系統(tǒng)不能工作的情況時(shí)，例如海面有狂風(fēng)，輸送管可以與采礦船分開，避 免采礦系統(tǒng)出現(xiàn)海難事故。當(dāng)軟管與采礦船分離后，在軟管上端裝上浮標(biāo)漂浮 于海面，采礦車將整個(gè)系統(tǒng)固定于海底;當(dāng)天氣情況許可時(shí)，采礦船與軟管連 接，采礦系統(tǒng)恢復(fù)工作，因此，軟管采礦系統(tǒng)相對(duì)靈活。深海采礦可以避免陸地采礦帶來(lái)的許多問題。比如，海底采礦不存在排放 酸性污水的問題，因?yàn)閴A性海水可以中和酸性污水由于硫化物沉積物就在海底， 所以也無(wú)須掘洞開采而在海底留下永久性的建筑物，也不會(huì)影響海底生物的正常 生存。軟管采礦系統(tǒng)的水力輸送設(shè)備安裝于采礦車上， 當(dāng)采用輸送泵直接輸送礦 石混合流體時(shí)，要求輸送泵的揚(yáng)程很高，目前沒有技術(shù)生產(chǎn)能直接從5000m海 底將礦石混合流體輸送到海面的高揚(yáng)程輸送泵，因此，需要對(duì)水力輸送設(shè)備進(jìn) 行研究。當(dāng)今某些工業(yè)的發(fā)展已為深海采礦