深海矿产资源开采技术的现状 - 深海矿产资源

　　在当前各国领土范围基本确定陆地资源日趋减少的情况下，战略资源的国际竞争焦点集中在极地、空间和海洋。“区域”将成为 21 世纪多种自然资源的战略性开发基地，区域资源的竞争与开发已日益成为全球事务的一个突出问题。深海金属矿产资源被认为是 21 世纪最重要的陆地矿产接替资源，作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标。

　　深海矿产资源开采技术是海洋资源开发技术的最前沿，标志着一个国家开发海洋资源的综合能力和技术水平。西方各国从20世纪 50 年代末开始投资进行“区域”活动，抢先占有最具商业远景的多金属结核富矿区，并且已形成了多金属结核商业开采前的技术储备。随着科技的不断进步，人类所能到达的海洋开采深度逐渐增加。目前，海洋油气资源领域的海上工业平台最大开采深度已经突破了3 000m，深海各项开采技术也在不断跟进和完善。照此趋势可以推测，人类将于2019年达到多金属结核的开采深度。世界著名的深海底商业采矿公司 —— Nautilus 和 Neptune 公司正在做开采技术和资金方面的积极准备，拟在其他国家专属经济区实现海底热液硫化物预期的商业开采。随着深海越来越多的富矿区进入人类的视野，深海采矿技术发展的步伐正在加快，商业开采的时代也即将来临。

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1　深海蕴藏丰富的矿产资源

　　国际海底区域内蕴藏着丰富的战略金属资源，其中具有商业开发前景的资源包括多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳等金属矿产资源，以及天然气水合物和生物基因资源。

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　　多金属结核又称锰结核，主要分布于水深 4 000～6 000 m 海底的表层，富含铜、钴、镍和锰 (平均品位分别为1.00％、0.22％、1.30％和 25.0％)。全球洋底具有商业开发潜力的多金属结核达 1×1011 t，主要集中在太平洋的 CC 区、东南太平洋秘鲁海盆和北印度洋中心。

多金属硫化物位于大洋中脊和断裂活动带，赋存在较浅的水域 —2 500m 左右，多数矿点分布于东太平洋海隆和大西洋中脊。近期，中国大洋科考队首次在西南印度洋中脊发现了大范围的蕴藏海底热液硫化物的区域[4]。目前发现的潜在资源量达 14 亿 t，矿体富含锌、铜、铅、金和银 (平均品位分别为 3.3％、5.5％～40％、3％～23％、1.4～55 g/t、42～129 g/t)。 由于海底热液硫化物富含大量的贵金属，矿藏量大、水浅、易开采，按照目前深海技术发展水平推断，热液硫化物有望成为深海采矿的首采对象。

　　富钴结壳分布于 400～4 000 m 水深的海山表面，富含铁、锰、钴、镍和钛 (平均品位分别为 17％、23％、0.7％、0.48％、1.2％)。海底有 6.35×106 km2 被钴结壳覆盖，可生产 100 亿 t 的钴。矿床主要分布在全球海洋的海山、中脊和海台的斜坡和顶部。勘探表明，目前最具开采潜力的结壳矿床位于赤道附近的中太平洋海底。

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　　天然气水化合物主要分布在北半球，以太平洋边缘海域最多。全球大洋中天然气水化合物的总量换算成甲烷气体约为(1.8～2.1)×1011m3，相当于全球煤炭、石油和天然气储量的2 倍，被认为是 21 世纪可供开发潜力很大的新能源。

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2　深海采矿系统概述

　　在深海金属矿产资源开采技术和装备的研究中，开采对象是人类至今尚未涉足、地形和环境复杂多变、最大水深 6 000 m 的洋底，开采作业受到风浪、海流、高压及腐蚀等恶劣自然条件的影响，具有很大的不确定性。因此自 20 世纪 60 年代以来，发达国家相继投入大量的人力、物力和财力，进行采矿技术的全面开发和研究。

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　　深海采矿系统在不断发展的过程中，必须始终解决最基本的问题 —— 如何以最高的效率将海底的矿石采集，提升到海面，经脱水后运输到港口。西方发达国家早期探索过几种开采系统，按提升方式主要划分为：拖斗式采矿系统、连续绳斗 (CLB) 开采系统、自动穿梭艇式开采系统和集矿机与管道输送相结合的采矿系统。

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(1) 拖斗式采矿系统　由美国加利福利亚大学于 1960 年提出，由采矿船、拖缆和铲斗 3 部分组成，这是最简单的开采海底锰结核的方法。在采矿船上安装 1 个铲斗，该铲斗按自由落体的速度降到海底，系在铲斗上的音响计可以提示操作者铲斗何时到达海底。铲斗可以在海底拖动，直到装满结核后将它取回。由于该系统可操作性差，采集效率低，难以实现商业开采的目标，不久便停止了研究工作。鉴于该方法原理简单，系统各部件工作相互影响较小，灵活性好，韩国釜庆大学 2004 年继续研究了采用集矿机加拖网提升系统[7]，用于海底锰结核的小规模开采。

(2) 连续绳斗采矿系统　日本于 20 世纪 60 年代末提出，于 20 世纪 70 年代初进行了大量海洋试验，取得了预期效果。该系统由采矿船、拖缆、索斗和牵引机等部分组成，具有系统简单、投资少等优点，但是由于铲斗在海底无法控制，不能适应海底地形和丰度变化，致使资源损失大，工作效率低，于 20 世纪 70 年代末被放弃。

(3) 自动穿梭艇式采矿系统　法国于 1972 年提出，类似于潜艇下潜到海底采集结核，装满后上浮到水面卸载。主要由采矿船、采矿潜水器和无人无缆的提升潜水器等构成。由于投资回收期长，进行模型试验后而暂停研究。随着海洋深潜技术的发展，上海交通大学运用该原理于 2006 年研制出了分散式深海局部试采矿系统，该系统具有灵活性强、成本低和机动性好等优点，可用于深海多金属结核局部开采。

(4) 采矿机与管道输送机　20 世纪 70 年代是深海多金属结核集矿机集矿和管道提升采矿系统研究的高峰期。该系统主要由集矿、扬矿、水面采矿船和测控动力 4 个子系统组成。水力提升和气力提升这 2 种方法从系统概念提出以来，一直被国际社会列为重点试验研究的开采系统。这 2 种采矿方法都是通过自行式或拖行式集矿机在海底采集矿石，然后通过垂直管道将矿石提升至水面采矿船。水力提升是采用连接在管道上的清水泵或矿浆泵提供动力；气力提升是将压缩的空气注入垂直管形成三相流来提升。

　　KENNECOTT 公司在1978 年完成了集矿机—管道提升组成的模拟系统，并进行了陆地实验室模拟 5 000 m 水深海况的试验。海洋采矿协会 (OMA) 在 1978 年利用 2×104 t 运输船改装的采矿船，在大西洋进行了拖曳式吸扬原理水力集矿机 — 气力提升采矿系统试验，连续运行 22 h，采集结核约 500 t。

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　　海洋管理公司 (OMI) 1978 年利用改装的钻井船在东太平洋赤道海域进行了拖曳式吸扬原理水力集矿机 — 气力和水力提升采矿系统试验，试验系统包括采矿船、收放系统、提升系统、海底集矿子系统、海底与提升系统接口和仪器仪表。3 次试验合计 40 h，从 5 200 m 海底共采集结核约 800 t。海洋矿业公司(OMCO)利用改装的6×104t潜艇打捞船在 5 000 m 的海域进行了阿基米德螺旋自行式机械链齿挖掘——气力和水力提升采矿系统试验。

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　　法国大洋结核研究开发协会 (AFERNOD)早在 1972 年就开始了集矿机 —— 管道提升的研究工作，但 1976 年暂停了该项研究。1984～1989年法国与德国合作又重新恢复水力提升系统的研制。德国Preussag公司于 1979 年在红海的 4 个矿址进行了多金属软泥的海上试采，试验水深2 200 m。包括软泥提升、软泥选矿处理、尾矿排放和环境监测等海上试验研究工作，试验系统包括提升管道、矿浆泵和吸泥头等。安装在提升管道下端的振动式吸泥头将海底软泥稀释，经稀释后的软泥通过提升管用 1 台 6 级离心泵提升到海面采矿船上。扬矿系统累计作业 195.1 h，共采集软泥 15 780 m3，达到了预定试验目标。

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　　日本从 20 世纪 60 年代后期开始深海采矿技术研究，最初选择单船索斗采矿系统不当，直到 80 年代起才进行拖曳式水力集矿机 — 管道泵水力提升采矿系统的研制，20 世纪 90 年代中期在小笠原春道群岛附近的海域进行了集矿机和扬矿装置的单体试验。1987 年和 1990 年前苏联在黑海 79 m 水深处进行了水下双仓交替给矿机和清水泵管道提升采矿系统试验，试验生产能力达到 7.2 t/h。

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　　印度海洋技术研究院(NIO) 和德国Siegen大学合作，分别于1996年、2003年进行了采矿技术联合开发。采矿系统包括水面采矿船、集矿机和软管输送系统，并在印度浅海进行了采砂试验，试验水深500m。

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　　国际海洋金属联合组织 (IOM) 成立于 2001 年，通过 2 个“五年计划”(至 2010 年)，在深海采矿系统的可行性研究方面做了大量的工作，并设计出适合所属矿区的地形地质特征的深海采矿概念系统。概念系统由许多复杂的元件和子系统组成，主要包括采矿船或浮力平台、自行式集矿机、中间仓、操作和测控系统以及动力子系统。

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　　目前，IOM 已经完成了集矿机子系统部分设计和采矿系统各种海况下控制过程的计算机模拟。韩国海洋研究开发院(KORDI) 自1993 年开始从事深海矿产资源的开发研究，已经完成了海底采矿集矿机— 管道提升系统的概念设计，并着重对海底集矿机的研究，已经完成了水力机械复合式集矿机的设计，扬矿系统与集矿机运动控制的研究，以及集矿机与软管提升系统的动力学计算机仿真模拟。

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　　深海采矿商业公司 Nautilus Minerals 正在筹备“solwara 1”工程，拟在 2010 年对巴布亚新几内亚专属经济区水深约 1 700 m 的海底进行多金属硫化物的商业开采。Nautilus 公司在 2007 年初就开始了商业采矿系统的研制，整个系统由水面采矿船、1 800 m 长扬矿管、深水泵、动力电缆、2 套海底采矿机及相应的设备组成 (见图1)。预计生产能力可以达到6 000 t/d。Nautilus 公司的战略目标是取得世界上深海矿产资源商业开发“第一进入者”的地位与优势。

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图 1　Nautilus 商业开采系统

　　另一家澳大利亚深海采矿商业公司 Neptune Minerals 也在积极实施“Trident”工程[14]，拟将新西兰专属经济区海底热液硫化物成矿带作为优先开采目标。在2007 年 Neptune 公司委托在海洋油气开采领域实力雄厚的法国 Tecnip 公司对申请矿区的多金属硫化物从经济、环境影响和开采技术的角度作了全面的研究，并提出了适合商业开采的概念系统 (见图 2)。整个采矿系统由动力定位采矿船、提升软管、空气输送泵组和海底硫化物矿石破碎机、海底采矿机等部分组成，开采区域水深 120～1 800 m。Neptune 公司正在为起动“Trident”工程加紧筹集资金，并计划在 2011 年实现商业试采活动。

图 2　Neptune 商业开采概念系统

　　我国的深海采矿技术自 1991 年启动，通过“八五”、“九五”、“十五”３个“五年计划”的基础实验与研究，在集矿、扬矿和遥控遥测等方面取得了较大进展。在中国大洋协会 (COMRA) 10 余年的努力下，通过不同原理采矿模型机的研究、综合比较，确定了我国“海底履带自行水力集矿机采集 — 水力管道矿浆泵提升 — 海面采矿船支持”的深海采矿技术方案，在此基础上完成了大洋多金属结核中试采矿系统的技术设计和样机的加工制造。

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图 3　我国中试采矿概念系统

大洋多金属结核中试采矿概念系统 (见图 3) 由集矿子系统、扬矿子系统、测控与动力子系统和水面支持系统组成。2001 年在云南抚仙湖完成了大洋多金属结核采矿中试系统的综合湖试，湖试系统由中试采矿系统的集矿子系统、软管输送子系统、测控及动力子系统和满足系统试验的简易水面支持子系统组成。湖试水深 130 m，湖试成功实现从湖底采集并输送模拟结核到水面船，打通了采矿系统工艺流程。根据前期深海采矿技术基础研究成果和湖试结果，完成了中试采矿系统 1 000 m 海试的总体设计。海试的集矿子系统选用自行式集矿机，扬矿子系统由垂直提升硬管段、中间仓和软管段 3 部分组成，海试定位系统采用超短基线定位技术以及水面支持系统采矿船等。“十一五”以及后期的深海采矿技术研究规划中，在中国大洋协会的专项资助下，长沙矿冶研究院深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室计划进行采矿系统水下综合模拟试验的研究，系统由模拟水面支持系统、提升系统、塔架、背压调节装置、软管悬吊装置、移动支架、中间仓、水池、水力吸砂头，以及测控和动力输配系统组成 (见图 4)。提升硬管和中间仓则悬吊在由升沉补偿装置和波动模拟平台构成的模拟水面支持系统上，该系统能通过模拟波动平台模拟海面波动。通过实验室模拟试验和水下综合试验，考核动态下扬矿系统和设备运行的可控性与协调性，以及扬矿动力与测控系统的可靠性，为海上试验提供基础数据。

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图4 实验室深海采矿水下综合模拟系统

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　　综上所述，发达国家通过 20 世纪 70～80 年代的多次深海试验，基本完成了深海开采技术的储备，转向了深海采矿环境保护方面的研究。发展中国家正利用商业开采到来之前的时机，积极开展深海开采技术研究，力求建立自己的开采技术体系，在商业开采时机到来之前完成技术储备。

3　集矿技术

　　集矿技术是深海采矿系统技术链中的首要环节，主要功能是在能够按照预订的轨迹在海底矿区稀软的土质表层行走，连续采集存在于海底沉积物表面的金属结核矿石，并能根据扬矿工艺的要求，对所采集的矿石进行脱泥和破碎处理，然后将矿石输送至扬矿系统。集矿机在深海底的工作环境恶劣，地形地貌条件复杂，采集过程中必须具备承载、自动越障、避障和防沉陷的功能。

　　纵观各国研究开发的历程，自 20 世纪 70 年代以来集矿技术的发展经历了机械式、水力式及复合式集矿技术阶段，集矿机的行走方式主要包括拖曳式、螺旋桨式、阿基米德螺旋式和履带自行式 4 大类型。20 世纪 80 年代中期，西方发达国家在取得多金属结核采矿技术之后，及时地把研究方向扩展到多金属硫化物、富钴结壳和天然气水合物等多种资源领域。这些资源与多金属结核开采方法原理基本一致，主要区别在于集矿机构的作业方式。因此，集矿机的改进和创新成为深海采矿技术后期研究的重点和热点。

　　我国在“八五”期间进行了水力式、机械式和水力机械复合式 3 种集矿机总体方案，以及采集、输送和行驶机构的工作原理、合理结构和工作参数的试验研究，成功研制了具有国际先进水平的水力式和水力机械复合式 2 种集矿模型机。“九五”期间针对集矿机的行走方式进行了选型扩大试验，最后确定采用履带行走作为行走技术方案，随后完成了湖试集矿系统的设计制造。“十五”期间对集矿机集矿机构、破碎机构、液压动力系统和水面监控系统等子系统做了充分的改进和完善。并确定中试采矿系统 1 000 m 海试采用水力式集矿工作原理。总体上选定了富钴结壳开采系统集矿机构的原理和机构形式，完成了水力吸扬式集矿机构的设计和制造。

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4　扬矿技术

　　扬矿是深海矿产资源开采技术的重要组成部分，可用于不同矿种的开采，属于深海采矿工艺系统中的共性技术。深海矿产资源赋存在最深达 6 000 m 的海底，如何在这段漫长的距离中克服海流、温差、高压、腐蚀和海面恶劣的自然天气等因素的影响，用最大提升能力、最高提升效率、最安全和稳定的提升方法将海底集矿机采集的矿石输送到海面，是扬矿技术必须解决的问题。

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　　前面已简述了西方发达国家早期探索过的几种开采系统，相应的扬矿方法主要划分为：缆绳加拖网提升、连续绳斗 (单船式或双船式) 提升、自动穿梭艇式潜浮提升和垂直管道提升 3 种。按照提升方式不同，管道提升又可分为水力、气力、管道容器、轻介质和重介质等提升方法。以上各种方法中，水力提升和气力提升方法经过多次海试检验，被认为是目前最有前途和切实可行的方法。

　　各深海采矿国家和商业公司在前期的技术资料基础上，通过试验对各种采矿系统进行认真的比较和评估，基本上将管道提升技术确立为扬矿技术的发展方向。近期，扬矿技术的重点纷纷转入到扬矿工艺和参数的研究，发达国家和各商业公司更加注重对扬矿技术经济效益和环境影响的研究。我国自“八五”期间以来进行了多种扬矿工艺、参数和扬矿设备的研究，选定了潜水矿浆泵和清水泵 2 种提升方案，确定了中试采矿系统扬矿子系统由软管输送段、中间仓、硬管输送段和船上脱水与存储 4 部分组成。按照中试的要求，积极准备1 000 m 海试的相关设备和技术。

5　水面支持系统

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　　水面支持系统是采矿作业的中心，为水下设备提供存放、布放回收、作业支撑和维修，并储存结核矿石。同时，该系统又是人员居住、工作的基地，在采矿系统中占据重要的位置。在 20 世纪 70 年代末进行的几次试验开采中都是使用改装的钻井船或打捞船作为水面支持系统，专业的商业采矿船由于技术复杂、成本高昂，制造尚不现实。海洋管理公司 OMI 在国际深海采矿技术研讨会上提出了商业开采系统投资估算，其中采矿船制造费用预计为 5 亿美元，运行费用为 0.853 亿美元/a。2006 年 10 月，Nautilus 公司与总部位于比利时的 Jan De Nul 公司 (国际上第二大采掘公司，拥有目前世界上最大的采掘船) 达成了建造特殊深海采矿船和合作进行海底采矿的协议。采矿船定名为“Jules Verne”，船身长 191 m，吨位为 24 000 t，计划于 2009  年完工，以赶上 Nautilus 公司计划的进行商业开采业务的日期。我国在“十五”期间共进行了 20 多艘船只的调研，鉴于投资大、试后处理等问题，尚未确定最后的方案。鉴于目前成熟的海洋油气开发平台技术，开采深度越来越接近金属矿产资源的赋存深度，我国正积极研究用海洋石油平台取代造价巨大的采矿船的这一项目。

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6　测控及动力系统

　　测控及动力系统是为整个采矿系统提供动力和能源支持，集成所有子系统的信息，并具备安全可靠和符合要求的控制、通信、监测和导航定位等功能的深海采矿综合管理系统，它保障开采作业安全、可靠、高效、连续地运行。我国的测控技术发展迅速，出色地完成了集矿测控系统、扬矿测控系统和动力输配方案的设计。

7　深海采矿技术的发展趋势

　　深海资源的争夺是各国政府瓜分国际共有资源的一个重大领域，对发达国家而言其基础工业实力雄厚，配套能力强，多以科学研究的名义出现，科学家们在世界各大洋辛勤地探索，积累着丰富的知识，也对资源的分布情况了如指掌。而发展中国家在知识积累和基础工业都不如发达国家，所以在勘探和配套技术上都处于追赶阶段，总的说来深海资源在不同的区域和品种方面都有所发现，资源的赋存条件和开采技术都在变化，目前是以海底硫化物为主要开发研究对象。勘探则是以探测水体温度异常和浊度异常为主要手段，电法探测亟待加强。开采技术的工艺流程仍是以管道提升，采矿机采掘和水面转运为主，选冶处理安排在陆地进行。管道输送以稀疏流体输送为主，使用离心泵和轴流泵的混合泵型作为输送动力。使用的采矿机是与采煤机原理类似的设备，以机械掘削为主，目前的技术水平仅考虑采海底表层 15 m 厚的矿体。

　　深海矿产资源作为人类未来的初级原材料供应来源的这一愿望在不远的将来一定会实现。

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