深海采矿系统概述

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6000m的洋底, 开采作业受到风浪、海流、高压、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资金和人力物力, 进行采矿技术的全面开发研究。

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:即如何最高效率地将海底的矿石采集、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, 按照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、集矿机与管道输送相结合的采矿系统。

拖斗式采矿系统由美国加利福利亚大学在1960年提出^[7], 由采矿船、拖缆和铲斗三部分组成。这是最简单的开采海底锰结核的方法, 由采矿船上安装一铲斗。这种铲斗按自由落体的速度降到海底, 系在铲上的音响计提示操作者何时铲斗到达海底。铲斗能横越海底拖动, 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^[8], 用于海底锰结核的小规模开采。

连续绳斗法采矿系统是日本人上世纪60年代末提出来的, 于70年代初进行了大量海试, 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, 致使资源损失大而效率低, 于70年代末被放弃。

穿梭艇式采矿系统是法国于1972年提出的, 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。由于能源和投资回收期长, 进行模型试验后而暂停研究。随着海洋深潜技术的发展, 中国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^[9], 该系统具有灵活性强, 成本低, 机动性好等优点, 可用于深海多金属结核局部开采。

集矿机集矿和管道提升采矿系统是在上世纪70年代深海多金属结核研究高峰期^[10], 以美国为首的KENNECOTT、OMI、OMA和OMCO四个国际财团历经十年的时间开发出来的。该系统主要由集矿、扬矿、水面采矿船和测控动力四个子系统组成。水力和气力提升两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。这两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5000m水深海况的试验。海洋采矿协会 (OMA) 在1978年利用2×10⁴t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-气力和水力提升采矿系统试验, 连续运行22h, 采集结核约500t。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以及仪器仪表。三次试验合计40h, 从5200m海底共采集结核约800t。海洋矿业公司 (OM-CO) 利用改装的6×10⁴t潜艇打捞船在5000m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。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, 1976年暂停了该项研究。1984至1989年间与德国合作重新回到水力提升系统的研制。德国Preussag公司于1979年在红海的四个矿址进行了多金属软泥的海上试采, 试验水深2200m。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把海底软泥稀释, 经稀释后的软泥通过提升管用一台六级离心泵提升到海面采矿船上。扬矿系统累计作业195.1h, 共采集软泥15780m³, 达到了预定试验目标。日本从上世纪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, 90年代中期在小笠原春道群岛附近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79m水深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7.2t/h。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。采矿系统包括水平采矿船、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。国际海洋金属联合组织 (IOM) 成立于2001年^[11], 通过两个五年计划 (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。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开发研究^[12], 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。

深海采矿商业公司Nautilus Minerals正在筹备“solwara1”工程^[13], 拟在2010年对巴布亚新几内亚专属经济区水深约1700m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、1800m长扬矿管、深水泵、动力电缆、两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6000t/d^[14]。Nautilus公司的战略是取得世界上深海矿产资源商业开发“__进入者”的地位与优势。

另一家澳大利亚深海采矿商业公司Neptune Minerals也积极实施“Trident”工程^[15], 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、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120m~1800m^[16]。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。

我国的深海采矿技术自1991年启动^[17], 通过“八五”、“九五”、“十五”三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从无到有取得了较大进展。在中国大洋协会 (COMRA) 十多年的努力下, 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。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130m, 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1000m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、中间仓和软管段三部分组成, 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, 系统可由模拟水面支持系统、提升系统、塔架、背压调节装置、软管悬吊装置及移动支架、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。

综上所述, 发达国家通过上世纪七、八十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。