浅谈深海矿产资源开采现状及发展形势

宁波大学答题纸（2015—2016学年第一学期）课号：课程名称：海洋工程基础改卷教师：朱克强学号：1511084924姓名：薛连金得分：浅谈深海矿产资源开采现状及发展形势摘要：本文介绍了深海多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等几种矿产资源的基本情况，然后就相关采矿技术的国内外现状进行了陈述，提出了采矿技术要实现商业开采必须做好的工作。关键词：海洋资源；多金属结核；热液硫化物；采矿技术；集矿技术；1引言21世纪是海洋开发的世纪。在当前各国陆地资源日趋减少的情况下，战略资源的国际竞争焦点逐步转向海洋。深海矿产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。随着人类对矿产资源需求的不断增加和陆地矿产资源的不断枯竭，海底矿产资源必将成为人类21世纪的接替资源。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。海底矿产资源存在水深大都在几千米以上，因此通常也被称为深海矿产资源。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。西方各国从20世纪50年代末开始投资进行商业开采活动，抢先占最具商业远景如多矿产结核，富钴结壳和多矿产硫化物等矿产矿产资源。并且已形成了多金属结核等矿产资源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3000m，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。世界著名的深海商业采矿公司Nautilus和Neptune正在作开采技术和资金方面的积极准备1，拟在他国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，商业开采的时代即将来临。2深海蕴藏丰富的矿产资源多金属结核又称锰结核，主要分布于水深4000～6000m海底表层，富含铜、钴、镍、锰（平均品位分别是1.00%、0.22%、1.30%、25.0%）。全球洋底具有商业开发潜力的多金属结核达1×1011t，主要集中在太平洋的CC区、东南太平洋秘鲁海盆、北印度洋中2。多金属硫化物位于大洋中脊和断裂活动带，多存在较浅的水域，一般2500m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海底热液硫化物区。矿体富含锌、铜、铅、金、银（平均品位分别是3.3%、5.5%～40%、3%～23%、1.4～55g/t、42～129g/t）3。目前发现的潜在资源量达1.4×109t。由于海底热液硫化物富含大量的贵矿产，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要开采对象。富钴结壳分布于400～4000m水深海山表面、富含铁、锰、钴、镍、钛（平均品位分别是17%、23%、0.7%、0.48%、1.2%）。海底有6.35×106km2被钴结壳覆盖，可生产1010t的钴4。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。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1.8×1011～2.1×1011m3，相当于全球煤炭、石油和天然气储量的两倍，被认为是21世纪可供开发的潜力很大的新能源；生活于深海热液泉区的生物，因高压、高温、强腐蚀等特殊环境，基因有特殊价值，已引起国际社会高度重视，同时产生了巨大的产业价值。3深海采矿技术的现状3.1深海采矿系统概述深海矿产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。国际社会深海开发技术的发展均以多矿产结核开采技术研发为起点。19世纪70年代以来,西方发达国家通过技术移植、相关技术借鉴和二次开发及技术创新等方面的工作,完成了深海多矿产结核开采的技术储备,一旦具备商业开采的其它条件,即可通过吸收当代技术发展的最新成果,进一步提升其技术竞争力。3.2深海矿产资源的开采技术历程深海采矿系统在不断发展的过程，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、经脱水以后运输到港口。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、穿梭潜器采矿系统、流体提升采矿系5统。(1)拖斗式采矿系统。该系统由美国加利福利亚大学Mero教授61960年提出,由采矿船、拖缆和铲斗3部分组成。其后虽有人在单斗基础上提出了双斗采矿的改进系统,但因该系统难以实现商业价值,研究工作未持续展开。(2)连续绳斗法采矿系统(CLB采矿法)。1967年,日本孟田善雄根据河道疏浚设备的作业原理,提出了单船采矿系统7。1973年初,法国提出了双船采矿系统。这两套系统均由采矿船、拖缆和牵斗牵引机等部分组成。1968年和1970年,日本住友商事社等单位分别在1410m水深和3760~4500m水深进行了单船采矿系统开采试验,取得了预期效果8。(3)穿梭潜器采矿系统。该项研究始于1972年,由法国人提出,系统有两种形式,分别是飞艇型和梭车形潜水遥控车。1980年前后,由法国Vertut等人研制了梭车形潜水遥控车,该车实现了集矿扬矿一体化,基本工作原理是利用压载物和自重(550t)遥控潜入海底,集矿装置采集矿物的同时排出压载物,装满矿物后,浮至海面。水下行驶由阿基米德螺旋推进器驱动。主要由于动力、控制和成本问题,该系统完成模型试验后暂停了研究工作,但国际社会认为此系统可能成为第二代的商业开采系统。(4)流体提升采矿系统。该系统技术由集矿、提升、水面支持3大部分构成。因采用的提升方式不同,又有水力提升采矿系统、气力提升采矿系统、轻介质提升采矿系统之分。后者因其作业成本高,不能达到工业开采的要求,且使用煤油会污染海洋环境,故仅将其视为采集结核的一种方法。我国的深海采矿技术自1991年启动，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矿产结核中试采矿系统的技术设计和样机的加工制造。3.3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，连续采集赋存在海底沉积物表面的矿产结核矿石，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。自上世纪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四大类型。上世纪80年代中期后，西方发达国家在取得多矿产结核采矿技术之后，及时地把研究方向扩展到多矿产硫化物、富钴结壳和天然气水合物等多种资源领域。我国在“八五”期间进行了水力式、机械式、水力机械复合式3种集中总体方案和采集、输送、行驶机构的工作原理、合理结构及工作参数的实验研究，研制成功了具有国际先进水平的水力式和水力机械复合式两种集矿模型机。“九五”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”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1000m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。3.4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6000m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、最安全和稳定提升方法将海底集矿机采集的矿石输送到海面。这是扬矿技术必须解决的问题。3.5水面支持系统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，又是人员居住、工作的基地，在采矿系统中占据重要的位置。在七十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而支持系统，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5x108美元，运行费用为8.53x107美元/年。着眼于2010年进行海底商业开采活动，2006年10月，Nautilus公司与总部位于比利时的JanDeNul公司9(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。采矿船定为“JulesVerne，船身长191m，吨位24000t，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，我国正积极研究拟将海洋石油平台取代造价巨大的采矿船。3.6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。4结束语深海采矿领域是海洋资源开发的一个全新领域,发展深海采矿技术是国家的需求。深海采矿技术的研究,历经了15个春秋,凝结了两代研究人员的辛劳与智慧,基本完成了深海多矿产结核采矿专有技术的体系构建及主要装备研制。然而,距实现商业开发的技术储备的目标,仅仅只是完成了基础阶段的工作,与已拥有该技术储备的先进国家相比,我们还处于落后状态。当前,我们应抓住深海矿产资源商业化开采时间尚不确定的有利时机,积极开展工作,争取与发达国家同期实现商业开采,以综合实力来维护我们的区域权益,在国际事务中发挥作用。为此,要落实好以下几个方面的工作。（1）加强深海矿物资源开采技术发展总体战略的研究。（2）加快发展我国深海矿物资源的开采技术。（3）加大整合利用全球技术资源力度,积极探索有利于跨越式发展的新的技术模式。（4）加速构建深海采矿产业。参考文献[1]中国大洋协会.进军大洋十五年[Ml.北京:海洋出版社，2006.[2]JohnEHalkyard.StatusofLiftSystemsforPolymetallicNoduleMining[c].ProceedingsoftheWorkshoponPolymetallicNoduleMiningTechnology-CurrentStatusandChallengesAhead,Chennai,India,February18-22,2008.[3]易家康.深海采矿势在必行[J].海洋世界,2007,9:62-65.[4]陈新明.中国深海采矿技术的发展[f].矿业研究与开发，2006,26(10):40-48.[5]YOON,GilSu.Collectingandliftingmethodsofmanganeseandminingdevice.KR,PCT/KR200s/OOOls2[P].