世界深海采矿技术的发展

tlm511 · 发表于 2012-6-19 23:21

　　一、深海采矿技术概况

　　浩瀚的海洋是人类拥有的巨大的资源宝库。海洋的表面积为3．6亿平方千米，约占地球表面积的71%。根据1994年生效的《联合国海洋公约》(下简称公约)规定，国际海底区域(下简称区域)指国家管辖海域以外的海床和洋底及其底土，其面积约2．517亿平方千米，占地球表面积的49%，区域及其资源是人类共同继承的财产。深海则包括了绝大部分区域和部分国家管辖的海域。区域因其在海洋中所处的独特的政治法律地位，更因其拥有的具有多样性的资源，包括战略金属资源、能源资源和生物资源等，既为世界各国提供了一个延展可控制的疆界、争取海洋空间权益的机遇，又为世界各国开辟了一个培育、发展和应用高新技术的重大领域。在不断谋求生存空间和社会发展需求这个不竭动力的推动下，区域既是国际社会经济、科技乃至政治、外交、军事等多方位合作的重要基地，也是综合实力展示与角逐的竞技场。
　　我国参与区域的研究开发活动时点可追溯到1978年，当年4月，首次从太平洋特定海区4784 m水深处采集到多金属结核。然而真正意义上向国际海底进军，当以1991年3月5日获准登记为国际海底区域先驱投资者，及紧随后成立的中国大洋矿产资源研究开发协会(下简称大洋协会)为标志。中国深海采矿技术研发始于1990年代初，其后，在实施1991年9月完成的中国大洋多金属结核资源研究开发第一期(1991～2005年)发展规划的15年中，深海采矿技术实现了从无到有，从单元技术研究突破到成组技术集成的验证，取得了一些以当代最新科学发现和创造为基础，具有重要应用价值的自主创新成果，初步构建出了我国深海采矿的技术体系，奠定了多种矿物资源开采技术的发展基础。与此同时，形成了以长沙矿山研究院和长沙矿冶研究院为主体，具有参与国际技术竞争综合能力的中国深海采矿技术研发团队。从深海开采技术层面上，为增强我国在区域活动的影响力提供了有力支撑。显现出了强大的后发之势。当前，区域的活动方式及其科技、经济、政治及法律环境正处于深刻的变化时期，科学地分析变化的背景，积极地把握变化的趋势，审时度势，乘势而上，无疑将会促进我国的大洋事业实现跨越式发展。

　　二、深海资源环境概况

　　矿产资源状态：人类的生存和创造均以资源消耗为前提，矿产资源的利用水平从一个侧面直接反映了社会生产力的水平。矿产资源的危机将对人类社会发展带来灾难性的后果，这是一个全球性的问题。据科学预测，全球矿产资源的储量增长速度始终高于产量的增长速度。陆地资源在本世纪大多趋于耗竭，在陆地资源耗竭之前，尽早开辟新的资源供给渠道已是当今各国共同的抉择。区域是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大的潜在战略资源基地，其中海底矿物资源的矿种多，数量大，品位富，有巨大的开发利用前景。如多金属结核富含铜、钴、镍、锰等，其平均品位分别为1．00%，0．22%，1．30%，25．00%;富钴结壳富含钴、镍、铂、稀土元素等，其平均品位分别为1．7%，1．1%，1．3%，0．1%～0．3%;海底热液硫化物富含锌、铜、金、银等，其品位分别为3．3%，5．5%～40．0%，1．4%～55．0g/t，42．0%～129．0g/t;天然气水合物是重要的能源矿产。已探明的深海矿产资源占我国支柱矿产数的67%，占我国主要矿产数的42%，占我国可保障矿产数的13．6%，占我国基本保障矿产数的58．3%，占我国短缺矿产数的72．7%。深海矿产资源对我国资源需求的保障具有重要意义。

　　据统计，全球洋底具有商业开发价值的多金属结核700亿t。天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1．8×108～2．1×108亿t，约相当于全球煤、石油和天然气总储量的两倍。位于太平洋西部火山和麦哲伦海山两处富钴结壳的资源量约15亿t。在加拉帕戈期的一个热液硫化物矿床的资源储量就达2500万t，目前发现的潜在金属资源量达14亿t。经济价值评估：我国在太平洋7．5万平方千米的多金属结核资源专属区，目前控制了4．2亿t干结核量， 11175．52万t锰，406．40万t铜，514．42万t镍，98．49万t钴的资源量，可形成年产300 万t干结核、开采周期20年的深海产业。初步测算，投资该规模的产业总资本14 ～19 亿美元，回收期7 ～12年，可获利润40～50亿美元。

　　三、世界深海采矿技术研究环境

　　变理论上的占有区域资源为实际上的可使用区域资源，是进军大洋的主要目的。区域活动竞争制胜的关键取决于技术创新与进步。国际社会深海开发技术的发展均以多金属结核开采技术研发为起点。1970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，完成了深海多金属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。

　　3．1多金属结核的开采技术历程

　　多金属结核的开采技术可行性已得到验证。其发展过程中形成的具有标志性意义的成果如下。

　　(1)拖斗式采矿系统。该系统由美国加利福利亚大学Mero教授1960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。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、索斗和牵引机等部分组成。1968年和1970年，日本住友商事社等单位分别在1410 m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。试验完成后，由来自日本、法国、美国、德国等的20余家公司组成了CLB采矿法国际协会，并于1972年8月在北太平洋进行了一次目标为日产结核百吨级的试验，但仅采到十余吨结核。双船采矿系统的详细试验计划由法国等在1973年9月至1974年5月完成，因经费问题计划最终被放弃。CLB采矿法存在铲斗在海底不能得到有效控制、作业不能适应海底地形和丰度的变化等问题，尤其是无法达到工业开采的要求，国际社会的这一研究工作在1970年代末期基本终止。

　　(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。水力和气力提升开采系统，它是基于美国梅洛设想开发的，被国际社会列为重点研究试验的锰结核开采系统。美国、英国、加拿大、日本4 国的有关公司于1974年1月成立的肯尼柯特集团公司(KCON)，其后于1978年完成了由集矿器-管道提升组成的模拟系统在5000 m水深的陆地采矿模拟试验。成立于1974年10月的海洋采矿协会(OMA)由美国、比利时、意大利3国有关公司创建，1978年夏秋之际，在大西洋的布莱克海底台地进行了拖曳式水力式集矿机-气力提升采矿系统试验，连续作业22 h，采集结核约500 t，试验于当年11月结束。美国、加拿大、日本、德国的有关公司在1975年2月组建了海洋管理公司(OMI)。1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕顿断裂带，用拖曳式水力集矿机/拖曳式机械集矿机-气力/水力提升组成的采矿系统，进行了3次开采试验，实际作业40h，从5200m海底采集结核800t。试验中机械式集矿机在下放过程中丢失。1977年11月成立的海洋矿业公司(OMCO)由美国的3大公司共同设立。1978年公司进行了1800m水深集矿机试验， 1979年3月完成了由阿基米德螺旋驱动自行式集矿机-气力/水力提升系统组成的采矿系统在5000 m水深的海上试采试验。法国大洋结核研究开发协会早在1972年就开展了集矿机- 管道提升式采矿法的研究工作，1976暂停了该研究。1984年又重开水力提升采矿系统研究工作，在暂停穿梭潜器采矿系统的研制工作后，1985年与德国联合提出了一项开发流体提升采矿系统的计划。日本于1970年代末期也调整了研究方向，重点开展了拖曳式水力集矿机集矿-水力管道提升矿物的采矿系统研制。并于1990年代进行了集矿机构和扬矿装置的单体试验。俄罗斯(前苏联)于1987 年和1990 年在黑海79 m水深同一区域进行了采矿系统试验，参试系统为自行式集矿机-水力管道提升系统，试验的生产能力达到了7．2t/h。印度于2000年9月在400～500 m水深处进行海上采集试验，验证了抽吸头式集矿机和软管输送的可行性。目前，发达国家的多金属结核开采技术研究工作基本处于静止状态，相关的研究重点转入到了环境研究上。原因是西方发达国家总体上实现了多金属结核开采技术的技术储备，待国际政治、经济环境条件成熟，在适当吸收技术发展的最新成果后，即可将该技术用于商业开采。

　　3．2其它矿物开采技术的发展状况

　　自20世纪80年代中期以来，西方发达国家在取得多金属结核采矿技术领先地位后，及时把研究领域扩展到富钴结壳、海底热液硫化物、天然气水合物等多种资源领域。美国在完成了富钴结壳的采矿机理研究后，提出了结壳采矿车设计方案及采矿系统技术方案。日本、南非等国于1990年代申请了数项富钴结壳采集机的专利。现已提出富钴结壳开采系统技术方案，除采用机械方法剥离附着在海岩上的结壳外，还采用了水压、声波等方法剥离结壳。当前日本已提出了海底热液硫化物开采技术方案设计，并完成了有关开采的技术经济性评价。澳大利亚某公司已取得了巴布亚新几内亚和新西兰的海底硫化物的勘探开发合同，其新南威尔斯大学等开展了对海底热液硫化物的采矿技术方案及技术经济性研究。澳大利亚正着手开发南太平洋的海底硫化矿，预计在2010年进行海上开采试验。加拿大多伦多大学等也开展了对海底热液硫化物的勘探、采矿技术的研究工作，并发表了相关报告。鹦鹉螺矿业公司和海王星矿业公司对海底热液硫化物开采可能性的探索，取得了实质性的进展。美国、日本、印度及欧洲有关国家先后制定了天然气水合物的长远发展规划和实施计划，美国明确宣称，到2015年完成商业开采技术准备。
　　参考文献：

　　[1]陈新明．深海采矿中试集矿机技术设计课题研究报告[R]．长沙：长沙矿山研究院，2000．

　　[2]中国大洋协会．进军大洋十五年[M]．北京：海洋出版社，2006．

　　[3]金建才，毛彬，张克宁等．国际海底管理局十年[M]．北京：海洋出版社，2005．

　　[4]长沙矿山研究院．深海采矿技术经济研究[R]．长沙：长沙矿山研究院，1997．

　　[5]陈伯镛，李桂香．海洋高技术[M]．上海：上海科学技术技术出版社，1994．

　　[6]陈新明．中国深海采矿技术的发展[J]．矿业研究与开发，2006[S1]．

wky528 · 发表于 2012-6-20 05:33

海底矿产资源丰富啊，中国需要加油啊！

hhua1024 · 发表于 2012-6-21 08:05

蛟龙号是在为深海采矿打基础

jsb · 发表于 2012-6-26 08:34

渔歌宝宝 · 发表于 2012-12-29 13:22

{:soso__6235880048239246314_3:}{:soso__8961432591078930798_3:}{:soso__14347937040236606360_1:}
{:soso__12146131604871077814_2:}{:soso__11209849572829076512_3:}{:soso__2946924916240177724_4:}{:soso__1093266830810478480_3:}