國際深海礦產資源開發技術裝備發展綜述

    深海開采是一個多環節串聯的系統工程，在數千米水深、承受海流和風浪流影響及海水腐蝕的環境下作業，作業條件惡劣，開采難度很大，這就對開發技術提出了很高的要求和需要較長的周期。據國外的經驗，深海開采技術研究開發周期需要15—20年的時間，才能達到深海預開采中間試驗的目標。如以美國為首的幾個國際財團自上世紀60年代中期研究開發至70年代末進行深海試驗，花了近15年時間；日本從1981年開始進行集礦機采集、管道提升開采方案研究，至90年代后期尚未實現深海試驗目標。
 
　　盡管研制和開發深海礦產資源技術困難重重，但海底礦產資源具有長遠戰略意義，世界各國仍很重視這項技術及其配套技術系統地研制和開發。目前，世界發達國家和部分新興工業國家利用其技術優勢，已經開始了包括多金屬結核、富鈷結殼、熱液硫化物和天然氣水化合物在內的多元化海底礦產資源的綜合勘查與研究開發工作。
 
　　國際上，深海采礦技術從1972年開始研制，經過30年的開發研究，技術日趨成熟。迄今美國、日本、加拿大、德國、法國等已提出了多種開采方案，諸如液壓提升式、氣壓提升式、鏈斗提升式，深潛器開采等等，作業深度為5000—6000m。液壓提升式采礦原理如同水泵，把海底礦物吸揚上來。這種方法被認為是一種較好的開采方法，目前已經研制出若干樣機，如日本1989年開發的一種樣機，其作業水深達5000m，具有日產礦10000t的能力。
　　采礦機技術、向水面輸送技術及水面支持系統研究進入工業實用化試驗階段
　　采礦機技術在深海采礦中占據十分重要的地位，也是專有技術之一，許多國家都進行了大量的研究工作，提出的專利和設計幾十種，有代表性的屬70年代末80年代初包括美、日、德、法等國在內的跨國財團研制出的工作原理和土豆收獲機相似的鏈板式機械集礦機，同期日本人還研制出了抽吸式水力集礦機，80年代末90年代初德國人研制出了將水力和機械復合在一起的復合式集礦機，對鈷結殼的采掘機也進行過原理研究。
 
　　從海底向水面輸送采集到的礦物技術，研究了水力提升技術、氣力提升技術、輕介質提升、重介質提升、管道容器提升，以及將收集和運輸結合在一起的連續繩斗法、穿梭艇法等近10種方法。以美國為首的幾個財團70年代末的海上試驗中進行過的輸送方法有，OMCO的氣力提升，OMI的水力和氣力提升，OMA的氣力提升，試驗證明水力提升和氣力提升技術對開采多金屬結核具有可行性和工業應用前景。
 
　　在已進行過的海試中，水面系統是采用采礦船、鉆井船或打撈船改裝而成，用于水下采礦設備的吊放回收則要專門設計加工。采礦系統的測量和控制技術由于是6000m水深條件下使用，也是專門設計的，如動力通訊復合電纜，成像聲納等。進入90年代，西方國家已經具備了進行多金屬結核商業開采前的工業實用化試驗的技術儲備。目前西方發達國家的研究重心轉向了深海多種資源的全方位技術開發。俄羅斯2005年前建造3—6艘排水量2萬—2.5萬噸級的采礦船，船上分別配備有采集洋底多金屬結核及采集海山區富鈷殼的遙控潛水器。
錳結核的開采技術初步進入商業性階段
　　總體上，錳結核的開采至今仍處于詳查、評估和試開采階段，從6000m深的海底開采錳結核要解決一系列技術難題，作為商業性開采和生產還要考慮投入產出比。但是，目前錳結核開采系統的研制技術已基本成熟，大致有流體提升采礦系統、連續鏈斗采礦系統、海底機器人采礦系統、拖網采集法等。世界普遍趨向采用的是以下三種開采技術：
 
　　一種是流體提升采礦系統，這是世界各國試驗研究的重點。根據提升方式不同，又分為水力提升和空氣提升。
 
　　水力提升系統，由海底集礦裝置、高壓水泵、浮筒、采礦管四部分組成。采礦管掛在采礦船和浮筒下，起輸送錳結核的作用。浮筒安裝在采礦管上部15%的地方，其中充以高壓空氣，起支撐水泵的作用。高壓水泵裝置在浮筒內，它的功率為5884kW，通過高壓使采礦管內產生每秒5m的高速上升水流，使錳結核和水一起由海底提升到采礦船內，集礦裝置起著篩選、采集錳結核的作用。
 
　　空氣提升采礦系統，由高壓氣泵、采礦管、集礦裝置三部分組成。高壓氣泵裝在船上，采礦作業時，首先在船上開動高壓氣泵，氣泵產生的高壓氣流通過輸氣管道向下，從采礦管得深、中、淺三部分輸入，在采礦管中產生高速上升的固、氣、液三相混合流，將經過集礦裝置的篩濾系統選擇過的錳結核提升到采礦船內，其提升效率為30%—35%。為使采礦管中水流的上升速度達到每秒3m，必須用功率為4340kw的空氣壓縮機，每秒鐘吹進225m3的空氣。這種開采系統構造復雜，造價昂貴，目前已能在水深5000m處作業。
 
　　以上兩種采礦系統已達到日產1萬噸的采礦能力。日本正在研制的流體挖掘式采礦實驗系統，工作水深可達5250m；英國正在研制的空氣提升采礦系統，估計日產結核可達1萬噸。
 
　　第二種是海底機器人采礦系統，它是根據機器人的原理研制的深海錳結核采集系統，由很輕但強度很大的材料制成，在水下重量為零。下水前裝滿壓艙物自動下沉，初始階段加速下降，當阻力等于自身在水中重力時，以勻速下沉。觸底時，機械釋放系統動作，在彈簧拉力下自動抓取樣品，采滿后網袋閉合，同時釋放壓艙物，按程序自動上浮到一個半潛式水上平臺中，把結核礦卸在平臺上，然后再裝上壓艙物重新下潛到海底采集結核。法國研制的最新型錳結核采集裝置可以高速航行，自動下潛到6000m海底采集錳結核，并能沿海底航行，然后用液壓技術按照自控裝置的程序自動返回海面。它包括海上支援設備（6000t半潛平臺），能操縱一條長5000m、直徑400mm的鋼制復合材料管道。管道總重800t，管道底部有一個中間站，其上有一條6000m長的軟管在海底移動，收集錳結核。安裝在管道上的液壓泵將結核礦舉升到水面。由于這一系統具有不受波浪、氣候的影響和不破壞環境的特點，是一項很有發展前途的深海采礦技術。
 
　　第三種是拖網采集，這是最簡單的開采海底錳結核的方法，由采礦船上安裝一拖網斗構成。這種拖網斗按自由落體的速度降到海底，系在拖斗上的音響計提示操作者何時拖網斗到達海底。拖網斗能橫越海底拖動，直到裝滿結核后將它取回。在拖網斗上還裝有電視攝像，以指導拖網斗的裝取工作。
 
　　第一代采礦系統——連續鏈斗采礦系統，雖具有技術比較簡單、造價低、對水深和海底地形的適應性較好等優點，但是由于其采礦回收率較低、采礦軌跡難以控制，難以滿足商業性開采產量的要求，這一方法受到冷落，也仍有人在繼續試驗。近年來，國際上出現了多用途海底礦產資源綜合考察船，船上配備了精密導航儀器、勘探裝置和取樣裝置，這種船可以在深海環境中工作，具有極高的探礦速度和精度。
 
　　值得重視的是，自從70年代結核開采試驗成功以來，錳結核開采規模日益擴大，已由過去各國單獨開采，發展到現在多國聯合大規模合作開采。特別是隨著在《聯合國海洋法公約》上簽字和批準公約的國家越來越多，錳結核開發管理體系已日趨完善。到上世紀末，世界大洋錳結核初步進入商品性開發、生產階段。美國和日本是最先進行商業性開發的國家。以美國為首的海洋礦產業協會計劃1995年以后投資15億美元，每年生產錳結核100—200萬噸，同時在加利福尼亞建一座日處理能力為5000t錳結核的加工冶煉廠。
　　塊狀熱液礦的開采技術進入試驗階段，軟泥狀熱液礦開采技術進入應用階段
　　熱液礦床有塊狀和軟泥狀兩種。對于塊狀，由于分布集中、礦石硬度高、密度大，需用自動控制的海底鉆探，然后在鉆孔內爆炸，炸碎礦體，隨后用集礦機和揚礦機用與采集錳結核類似的方法輸送到水面進行加工。美國正在研制這種自動鉆探爆破采礦技術，用于開采3000m水深的海底熱液礦，它由爆破裝置、礦石破碎機、吸礦管以及采礦船、運輸船、鉆探供應船組成，計劃本世紀初進行試驗，2020年可投入生產。
 
　　對于軟泥狀，需要在采礦船下拖一根2000多米長的鋼管柱，柱末端有一個抽吸裝置。在抽吸裝置內裝一種電控擺篩，使粘稠的軟泥變稀，并使抽吸裝置進一步穿透泥層。通過真空抽吸裝置和吸礦管將金屬軟泥吸到采礦船上。這種方法現已進入商業性應用階段。