深海采矿现状综述 -深海采矿的危害

小仙居 · 发表于海洋技术专业 2024-4-9 05:49:12

尽管目前各国的深海开采仍处于探索阶段，但是在面积达3.6亿平方公里的广阔深海区域（水深超过200米）中，人们已经发现了包括铜、锌、锰、钴甚至是稀土在内的众多高价值金属矿物。这些资源对于智能手机、笔记本电脑、太阳能电池板、风力涡轮机和电动车至关重要。

这些矿物之中，多金属结核、富钴铁锰结壳以及多金属硫化物（又称海底块状硫化物）三种矿产资源最具有开采价值。

1997年，巴布亚新几内亚成为世界上第一个为海底块状硫化物矿床颁发勘探许可证的国家。2011年1月，巴布亚新几内亚为面积为59平方公里的索尔瓦拉1号颁发了世界上第一个深海采矿许可证(有效期为20年)。索尔瓦拉1号项目是鹦鹉螺矿业公司和巴布亚新几内亚政府(通过政府的资源开发部门Petromin)之间的一个85:15的合资项目。鹦鹉螺公司和巴布亚新几内亚政府之间的纠纷导致该项目被搁置，鹦鹉螺公司与一家制造商签订了合同，但它破产了(由于经济问题)。因此，他们正在寻找新的承包商。到目前为止，鹦鹉螺公司已经绘制了总共12个可行的采矿点，命名为索尔瓦拉1号至索尔瓦拉12号。

结核和SMS勘查开发技术较为成熟，结壳挑战性大。深海采矿通常包括几项关键技术。首先是要有现代化的装备齐全的船。目前，已有好几艘勘查船在运营，它们通常属于国家研究机构和地质调查局。开展巡航研究是很昂贵的事情，一艘船的运营成本约5万～10万欧元/天。另一项关键技术是可用于深海采矿作业的遥控机器人（ROV）。SMS在输送至海面之前，要用ROV进行开采。散落于海底淤泥中的锰结核，可通过ROV真空将其从海底吸出来。锰结壳可通过在洋底作业的ROV进行剥离并磨碎。ROV可将这些混合物运送至提升系统，管运至海面的船上。通常，一套深海采矿系统包括4个子系统：采掘系统、提升系统、海面平台和处理系统。

对于深海采矿技术，行业内似乎对商业化开采很有信心，认为以当前的技术水平足以满足需求。这些技术源自油气钻探，钻进深度通常可达2000米以上。然而，开采不同类型的深海矿产，其技术要求不尽相同。现有的或目前正在建立的第一代深海勘查开采技术只适用于铁-锰结核和SMS，不适用于铁-锰结壳。勘查和开采铁锰结壳需要克服两个主要的技术难题，一个是勘查和描述矿山特征，另一个是开采。勘查工具必须是深海拖曳式或可以装载在ROV上，并且可以在现场测量结壳的厚度以计算储量。最佳途径可能是开发一种多光谱地震探测工具和伽马辐射探测器，但必须解决伽马射线信号在海水中衰减的问题。与铁锰结壳相比，结壳基岩的种类繁多，伽马射线探测器在区别结壳基岩物理性能方面效果最好。开采方面的难题是，采矿工具必须能把铁-锰结壳与结壳基岩分离开，从而做到只开采结壳，不开采基岩，因为基岩开采会大大稀释矿石的品位。困难在于，结壳是牢固地附着在基岩之上的。分离结壳与结壳基岩的工作必须在水下1500m～2500m处的不规则且往往是粗糙的海床上进行，而且结壳以下的各种结壳基岩的韧性又各不相同。攻克这一难关需要进行高水平的技术创新。

上海交大深海重载作业采矿车“开拓一号”完成1300米深海试验

招商工业-深海所联合实验室共同研发的富钴结壳采矿车

（一）确立深海矿产资源开发发展理念

我国未来深海矿产资源开发装备的发展将秉持重装、协同、智能和绿色等理念，加速推进核心技术创新和装备自主研发。开发海底大功率、高效能的重载作业装备，突破海底多装备联合作业全系统协同调控技术，基于信息融合、数字孪生体以及人工智能技术构建海底信息化、无人化、智能化作业系统，全面发展绿色开采技术。深海矿产资源开发基于技术创新、装备研发、海上作业、矿石处理与综合利用，构建技术产业链，实现商业开采和产业化。

（二）明确关键技术装备研发任务

根据我国未来深海矿产资源开发装备的发展理念，梳理技术装备发展的关键科学问题和“卡脖子”技术，基于我国的研究基础和研发现状，明确亟待解决的重要研究任务。针对深海矿产资源开发整体系统，研发全系统协同控制技术、复杂海况下重载装备布放回收技术、整体动力学特性预报技术；发展海底采矿重载作业装备环境感知与精准控制技术；研制大流量、无堵塞、高效率、轻量化的提升泵管装备，突破长距离多相流管道输送流动保障技术、多重复杂激励下动力响应预报分析技术；针对系统长期生产作业，研发实时监测及即时预警技术。应对开采作业的环保要求，全面构建环境影响评估技术体系。

（三）实施深海多金属结核开采示范工程

瞄准我国获得勘探权和优先开采权的深海多金属结核矿区，以绿色环保、高效协同为主要目标，开展海上规模化试采。研究深海矿产资源开发技术方案，开展系统总体设计、集成和融合；研制矿床开采装备、矿石转运装备、水面控制和辅助开采装备，搭载自主核心技术，建立海底矿床的勘探、开采、输送、转运技术链；建立环境监测和评价体系，实现绿色开采。规模化试采应兼顾富钴结壳、多金属硫化物开采，为相关技术验证提供海上试验基地和平台。

规模化试采后，着手商业化开采。注重深海采矿的经济性和环保性，建立分析评估体系。从短期试验发展到商业化开采，必须进一步考虑系统在海上长期作业的运行和维护，形成完整的长期运维、监测、调控系统。兼顾极端情况下的系统应急需求，发展水面–水下快速解脱和回接技术。