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深海采礦發(fā)展現(xiàn)狀及我國深海采礦船需求分析*

1.中國船舶科學(xué)研究中心 2. 福建省福船海洋工程技術(shù)研究院有限公司 杜新光1官良清2周偉新1

該文通過比較深海礦產(chǎn)資源的分布特性、國內(nèi)外深海采礦方式及系統(tǒng)特點，介紹了國內(nèi)外深海采礦裝備發(fā)展現(xiàn)狀，并提出現(xiàn)階段研發(fā)水面支持船的緊迫性?；诂F(xiàn)有最通用的深海采礦模式，歸納了深海采礦水面支持船開發(fā)的難點及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，提出了深海采礦船設(shè)計的基本思路。

深海采礦 集礦系統(tǒng) 管道提升系統(tǒng) 水面支持系統(tǒng) 深海采礦船

1 概述

隨著科技的不斷發(fā)展，人類逐步認識到，占地球表面積約71%的海洋中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其范圍之廣、儲量之大遠超陸地礦產(chǎn)資源。海洋礦產(chǎn)資源種類繁多，這里的礦產(chǎn)不包含傳統(tǒng)的油和氣。在已發(fā)現(xiàn)的深海礦產(chǎn)資源中，對人類生產(chǎn)生活有重大應(yīng)用價值的主要有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等。

目前，約有一半的海底礦產(chǎn)由專屬經(jīng)濟區(qū)（EEZ）的所屬國家控制。沿海國家可將距其海岸線368km（200海里）的范圍劃為專屬經(jīng)濟區(qū)，在這些海域，沿海國有勘探開發(fā)自然資源的主權(quán)，超過各國管轄其它海域則由聯(lián)合國國際海底管理局（ISA）管理，世界各國都可以通過國際海底管理局申請勘探開發(fā)海洋。國際海底區(qū)域內(nèi)的資源是人類共同財產(chǎn)，遵循“誰有能力誰先開發(fā)”的原則[1]。截至2016年4月，國際海底管理局（ISA）已核準包括中國、法國、日本、俄羅斯、英國、德國、韓國、印度等國的國際海底礦區(qū)勘探申請總計27份。其中，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會（簡稱“大洋協(xié)會”）分別于2001年、2011年和2014年與ISA簽訂了太平洋C-C區(qū)多金屬結(jié)核（7.5萬km2）、西南印度洋熱液硫化物（1萬km2）、西太平洋富鈷結(jié)殼（3000 km2）等三份礦區(qū)勘探合同。2015年，中國五礦集團公司獲得了太平洋C-C區(qū)多金屬結(jié)核保留區(qū)（7.3萬km2）礦區(qū)勘探權(quán)的核準。

國際海底管理局已經(jīng)制定了多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物三種主要海底礦產(chǎn)資源的勘探規(guī)章制度，近年來開始制定深海礦產(chǎn)開采規(guī)章制度。這表明國際海底資源開發(fā)正處于從勘探向商業(yè)開采轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。我國作為第五個國際海底區(qū)域“先驅(qū)投資者”以及ISA理事會A組成員，應(yīng)當具備與身份相匹配的深海采礦能力。隨著我國第一批申請的多金屬結(jié)核礦區(qū)勘探合同即將到期、2011年申請的多金屬硫化物礦區(qū)將于2019年放棄50%的勘探區(qū)域面積，現(xiàn)階段迫切需要發(fā)展適合開采多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物深海采礦裝備。

表1列出了三種深海固體礦物的分布特點。

表1 深海礦產(chǎn)資源分布特點

2 深海采礦裝備研發(fā)現(xiàn)狀

深海采礦是一個比較廣義的詞匯，包括對來自海洋環(huán)境的礦產(chǎn)資源的勘查、鑒定描述和開采利用，當然，這里的礦產(chǎn)不包含傳統(tǒng)的油和氣。目前，國際上的主流深海采礦裝備由三部分組成：水面支持系統(tǒng)、揚礦系統(tǒng)和集礦機，海底采礦業(yè)具有悠久的歷史，但卻常被當作新興產(chǎn)業(yè)。

2.1 深海采礦總體技術(shù)方案

國際上大規(guī)模的深海固體礦產(chǎn)資源開采技術(shù)研究始于20世紀50年代末，發(fā)達國家圍繞多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等不同礦物的采集作業(yè)特點，相繼研發(fā)了拖斗式采礦系統(tǒng)[2]、連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)(CLB采礦法)[3]、穿梭潛器采礦系統(tǒng)[4]和集礦機結(jié)合管道提升的深海采礦系統(tǒng)[5]等，詳見圖1。

圖1 典型的采礦系統(tǒng)

（1）拖斗式采礦系統(tǒng)

1960年，美國加利福利亞大學(xué)Mero教授提出了拖斗式采礦系統(tǒng)，由采礦船、拖纜和鏟斗組成。2004年，韓國釜慶大學(xué)繼續(xù)研究了采用集礦機加拖網(wǎng)提升系統(tǒng)，用于海底錳結(jié)核的小規(guī)模開采。由于該系統(tǒng)可操作性差，采集效率低，難以實現(xiàn)商業(yè)開采的目標。

（2）連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)(CLB采礦法)

1967年，日本提出了單船采礦系統(tǒng)。分別在1410 m水深和3760～4500m水深進行了單船采礦系統(tǒng)開采試驗，取得了預(yù)期效果。

1973年初，法國提出了雙船采礦系統(tǒng)，從一定程度上解決了纏繞問題，但由于技術(shù)上未取得根本突破，終因開采時資源損失大，采礦效率低，于20世紀70年代末被放棄。

該系統(tǒng)的缺點是：鏟斗在海底無法控制、繩索易纏結(jié)、不能適應(yīng)海底復(fù)雜地形和結(jié)核豐度的變化、采礦效率和資源回收率低。

（3）穿梭潛器采礦系統(tǒng)

1972年，法國人提出了穿梭潛器采礦系統(tǒng)，系統(tǒng)有兩種形式，分別是飛艇型和梭車形潛水遙控車。

1980年前后，由法國Vertut等人研制了梭車形潛水遙控車，該采礦系統(tǒng)的最大特點是集礦與揚礦的一體化。由于開發(fā)難度大，投資回收期長，在幾十年內(nèi)沒有經(jīng)濟效益，法國大洋結(jié)核研究開發(fā)協(xié)會只進行了模型試驗，于1983年停止了研究并放棄了該項目。

法國AFERNOD公司完成了自動模型“PLA-2.600”的設(shè)計，于1987年在水深約500m的水下完成了實驗研究。

該系統(tǒng)的缺點是：造價高、開發(fā)難度大，運行成本高，現(xiàn)有材料性能不滿足要求、系統(tǒng)動力問題難以解決，而且投資回收期長。

（4）集礦機結(jié)合管道提升的深海采礦系統(tǒng)

上世紀70年代，管道提升式采礦系統(tǒng)由美國KENNECOTT、OMA、OMI、OMCO四大財團共同研究提出，被認為是最具前景的商業(yè)開采系統(tǒng)，已成功進行多次海試。系統(tǒng)的采礦流程如圖2所示，主要包括揚礦動力泵（水力式、氣力式）、輸送軟管、中繼倉、揚礦管（硬管）、升沉補償裝置、控制閥、接頭和存儲艙等部分。其特點是可配用自行車式遙控集礦機，具有較好的靈活性，能達到較高的采集效率，且有避開海底障礙物與不利地形的能力，實現(xiàn)開采規(guī)模大，技術(shù)難度小，更容易應(yīng)用鉆探船、漿體管道輸送、淺海采礦挖掘設(shè)備等方面的技術(shù)，因此，管道提升系統(tǒng)是優(yōu)先選取的采礦系統(tǒng)。

2.2 集礦系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

深海固體礦產(chǎn)資源的采集方法和技術(shù)主要取決于礦產(chǎn)資源在海底的存在狀態(tài)，由于多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼資源在海底存在狀態(tài)不同，所以其采集技術(shù)也有不同。目前，各國先后研制了各種的水下采礦機器人，主要包括三種行走方式[6]：拖曳式、阿基米德螺旋自行式和履帶式，其中履帶式是現(xiàn)在發(fā)展的主流，詳見圖3。

圖3 幾種機器人的原理樣機圖

集礦系統(tǒng)研究主要涉及采礦機器人的運動、采集礦及其控制技術(shù)。分別是：（1）適應(yīng)深海礦區(qū)地形的采礦作業(yè)車，研究作業(yè)車的定位、姿態(tài)、行走測控技術(shù)及其控制技術(shù)；（2）適應(yīng)深水、豐度變化和微地形變化的固體礦物集礦技術(shù)；（3）采礦機器人的行走技術(shù)和采集技術(shù)、礦石破碎與收集技術(shù)，自適應(yīng)技術(shù)；（4）采礦、破碎、集礦等水下機器人間的控制和協(xié)同工作技術(shù)。

2.3 管道提升系統(tǒng)相關(guān)研究

2.3.1 水力管道提升采礦系統(tǒng)[7]

利用不同深度上的潛水泵將集礦機采集的結(jié)核礦石與海水混合通過一揚礦管提升到海面采礦船。特點是提升礦漿體積濃度達15%，容易控制，能耗(20kW/h·t)比氣力(27kW/h·t)低，缺點是水下設(shè)備維修需回收影響作業(yè)時間長，采用多級泵時還存在運行控制問題。

圖4 水力管道提升工藝系統(tǒng)

2.3.2 氣舉泵管道提升采礦系統(tǒng)

圖2顯示的是長春市2017年機動車與非機動車交通事故發(fā)生頻數(shù)。小型客車仍舊是肇事主體，而最易受到生命財產(chǎn)安全威脅的則是步行出行的市民。由于交通事故多是由不特定的人員違反交通管理法規(guī)造成的，而某類車輛的保有量越高，出現(xiàn)司機違反交通規(guī)定現(xiàn)象的概率就越高，因此，預(yù)防城市交通事故的重點應(yīng)該放在小型客車、摩托車、行人等角度，才能從根本上減少交通事故的發(fā)生。

氣舉泵提升是利用安裝在采礦船上的空氣壓縮機，通過壓氣管道向提升管道一定水深處(約2000m)的混合室注入壓氣，借助管內(nèi)外流體的密度差和壓氣的動能把結(jié)核從海底提升至洋面。氣舉泵提升的突出優(yōu)點是水下沒有揚礦動力設(shè)備、工藝簡單、工作可靠、維修和管理方便，而其致命的弱點是效率低、能耗大，揚礦效率(能量利用率)小于15%。圖5為氣舉泵提升工藝系統(tǒng)。

圖5 氣舉泵提升工藝系統(tǒng)

表2 氣力提升和水力提升的比較

2.3.3 涉及的關(guān)鍵技術(shù)

管道提升系統(tǒng)的研究主要涉及到礦物從水下輸送到水面的相關(guān)工藝技術(shù)。分別是：（1）深海底向海面輸送技術(shù)，研究能從深海底向海面輸送多種固體礦物的輸送技術(shù)（包括適合不同水深和開采條件的機械提升、管道提升和機械管道聯(lián)合提升技術(shù)）；（2）固體礦物制備裝載技術(shù)，適用于深海礦物提升和設(shè)備定位、提升設(shè)備作業(yè)控制的測控技術(shù)；（3）固體物料在柔性管道中的輸送技術(shù)，能適應(yīng)深海工作、空間形態(tài)變化的柔性管道輸送工藝和技術(shù)及相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)。

2.4 水面支撐系統(tǒng)相關(guān)研究

水面支持系統(tǒng)不僅可以作為水下提升系統(tǒng)的支持平臺，而且是海底采礦裝備的操縱控制中心和所有工作人員的居住場所，還具備對海底提升上來的礦漿進行脫水處理、礦石短暫存儲以及將礦石卸至運輸駁船等特殊功能。目前采用的水面支持系統(tǒng)主要包括船舶式水面支持系統(tǒng)和平臺式水面支持系統(tǒng)。

船舶式水面支持系統(tǒng)要求有較大電力系統(tǒng)、較高動力定位精度、較長生存能力和一定自航能力的水面平臺或特殊船舶。目前采用一艘滿載排水量約為90000t、動力定位在DP2級的新型采礦船為水面支持平臺；此外，對水下采礦設(shè)備的安全布放與回收、數(shù)百噸重的管道提升系統(tǒng)進行升沉補償、運輸船的動力定位系統(tǒng)的控制均是水面支持系統(tǒng)設(shè)計中需考慮的關(guān)鍵技術(shù)和裝備。

在勘探甚至采礦階段，由于受經(jīng)費和時間的限制，有些國際采礦財團為能按計劃試采太平洋錳結(jié)核而放棄研制新采礦船的想法，選用還在服役的貨船、鉆探船或甲板駁船進行改裝。值得一提的是，在全球范圍內(nèi)，目前只有Nautilus（鸚鵡螺）一家公司在建造新的采礦船。

除了采礦船之外，從深海采油的經(jīng)驗來看，海上大型平臺，如Spar 及半潛式海洋平臺，也可以被用來改裝成水面支持系統(tǒng)。盡管我國海上平臺技術(shù)水平相對于國外先進水平還有距離，但我國海上平臺的工作經(jīng)驗可以滿足深海采礦的要求。

水面支撐系統(tǒng)研究主要涉及的相關(guān)技術(shù)有：（1）深海采礦船用懸掛、吊放、解脫及動力定位技術(shù)；（2）深海采礦船用升沉補償裝置，用于懸掛大噸位的水下設(shè)備；（3）深海采礦水下設(shè)備的吊放、回收和控制技術(shù)，包括采礦機、輸送系統(tǒng)及動力通訊電纜的吊放與回收，以及此作業(yè)過程中的測控技術(shù)；（4）深海采礦水下系統(tǒng)和水面系統(tǒng)的緊急解脫裝置，用于惡劣氣候或其他災(zāi)害時將水下系統(tǒng)和水面系統(tǒng)迅速脫開；（5）礦物的脫水處理、分艙存儲及轉(zhuǎn)運技術(shù)；（6）深遠海采礦船在復(fù)雜環(huán)境下多系統(tǒng)裝卸耦合預(yù)報及評估技術(shù)；（7）水面采礦船在風(fēng)、浪、流作用下的動力定位技術(shù)。

3 我國深海采礦船的需求分析

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和礦物存儲母船，是整套采礦作業(yè)系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，不僅需要為采礦/集礦系統(tǒng)、揚礦系統(tǒng)及礦物存儲轉(zhuǎn)運系統(tǒng)提供動力保障，也為各采礦系統(tǒng)的正常作業(yè)提供推進器定位、實時監(jiān)測與智能遙控等輔助支持，同時還需對采集到的礦物進行脫水處理，有效提供礦物存儲空間并能適時將礦物轉(zhuǎn)運至靠幫貨船以便運輸至陸地。因此，舊船改造受到舊船主尺度和功能的限制，僅僅適用于科研或者采礦系統(tǒng)中試，無法有效滿足商業(yè)開采的需要。目前深海采礦船設(shè)計技術(shù)和相關(guān)專用技術(shù)完全被國外所壟斷，我國基本處于空白狀態(tài)，這使得我國無法進行大規(guī)模的海上礦物開采，極大地制約了我國深海采礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

此外，深海采礦船是深海礦物開采系統(tǒng)中最為重要的水面支持系統(tǒng)，造價約占整個深海采礦系統(tǒng)總投入的40%，屬于典型高附加值船舶。深海采礦船涉及學(xué)科多、設(shè)計難度大、技術(shù)集成度高，目前我國船舶行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵期，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海采礦船，開辟新船型市場，增強競爭能力，將為船舶行業(yè)的跨越式發(fā)展提供有力支撐。

3.2 全球首艘深海采礦船特點分析

“鸚鵡螺”礦業(yè)公司在Solwara 1工程中進行了新船研發(fā)，船舶設(shè)計由新加坡Sea Tech公司負責(zé)完成，入級美國船級社（ABS），是全球建造的首艘深海采礦船，該船總長227.00 m，型寬40.00 m，型深18.20 m，全船配員199人（其中，船員30人，采礦作業(yè)人員169人），硫化礦儲存量約為45000 t，采礦作業(yè)水深為1600 m，最大設(shè)計作業(yè)水深2500 m，能遠海作業(yè)長達5年以上。采用了6臺5238kW的柴油發(fā)電機組，7臺2000～3500kW級的推進器。

該船特點是：

（1）功能多。深海采礦船集作業(yè)、航行、居住、保障等功能于一體。

（2）航程遠。深海采礦船在深海作業(yè)，作業(yè)水深超過1500m，遠離內(nèi)陸，船舶航程遠。

（3）作業(yè)周期長。為保證經(jīng)濟作業(yè)，要求深海采礦船能實現(xiàn)遠海定位作業(yè)長達5年以上。

（4）系統(tǒng)復(fù)雜且集成度高。深海采礦船具有作業(yè)、航行、居住、保障等四大系統(tǒng)。四大系統(tǒng)又可細分為十余子系統(tǒng)，如作業(yè)系統(tǒng)包括集礦系統(tǒng)、揚礦系統(tǒng)、水面礦物處理系統(tǒng)、礦物存儲轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等，航行系統(tǒng)包括定位推進系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)等，保障系統(tǒng)包括電力供應(yīng)系統(tǒng)、動力能源系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)、補給系統(tǒng)、故障監(jiān)控系統(tǒng)等。整船的系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高。

（5）集中載荷多。特種作業(yè)設(shè)備約占整個空船重量的30%，且多數(shù)位于主甲板，設(shè)計載荷不小于10t/m2。

（6）可變載荷多。集礦、揚礦系統(tǒng)的布放回收狀態(tài)以及工作狀態(tài)等不同工況下，甲板載荷變化大。

（7）船舶舒適度要求高。整船配員199人，相當于一艘小型客船。船上起居室需設(shè)備齊全，且安裝中央空調(diào)，舒適度需滿足ABS船級社對船級符號為 HAB++ (WB)的要求，這也是對此類船舒適度的最高要求。

3.3 我國深海采礦船型研究思路

由于深海采礦船是整體采礦系統(tǒng)的一部分，且不同的深海其固體礦產(chǎn)資源的分布特征及采集方法不一樣，所以，深海采礦船的設(shè)計需要經(jīng)過頂層設(shè)計、概念設(shè)計及基本設(shè)計三個階段，如圖6所示。

3.3.1 頂層設(shè)計

通過收集、分析、整理目標礦區(qū)海洋環(huán)境資料，根據(jù)港口與目標礦區(qū)海洋水文氣象信息數(shù)據(jù)庫，以及硫化礦物的切割、破碎、收集、脫水、存儲、轉(zhuǎn)運等作業(yè)流程和對水面支持系統(tǒng)的要求，綜合論證、分析并提出我國采礦船的駁船運輸方案、礦物采集方案和礦物管道提升方案。在此基礎(chǔ)上結(jié)合作業(yè)、居住、保障、航行和國際相關(guān)法律、法規(guī)等要求，為形成概念設(shè)計方案提供支撐。

3.3.2 概念設(shè)計

開展主尺度論證，合理確定符合目標礦區(qū)環(huán)境條件的深海采礦船主尺度方案；通過水動力性能優(yōu)化研究，進行多推進器與深海采礦船之間的水動力流動干擾計算，確定推進及定位方式。根據(jù)頂層設(shè)計提出的作業(yè)模式，完成布放回收設(shè)備、脫水設(shè)備及存儲轉(zhuǎn)運設(shè)備的選型及設(shè)計，結(jié)合深海采礦船的安全性和舒適度的要求，進行居住、航行、保障、作業(yè)

功能區(qū)域的合理劃分，對作業(yè)系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)進行艙室的合理布局，形成深海采礦船的設(shè)計方案。

3.3.3 基本設(shè)計

除按照常規(guī)船型基于規(guī)范、規(guī)則、主管機關(guān)要求的圖紙設(shè)計外，還應(yīng)開展深海采礦船以及與作業(yè)系統(tǒng)耦合運動的水動力性能研究，完成多工況下采礦船與水下作業(yè)系統(tǒng)運動及動力學(xué)耦合響應(yīng)預(yù)報評估；綜合運用水動力分析、結(jié)構(gòu)有限元分析、疲勞分析等技術(shù)手段，識別關(guān)鍵結(jié)構(gòu)并進行特別分析和優(yōu)化，結(jié)合整船的設(shè)計作業(yè)要求，進行機電配置及綜合監(jiān)控設(shè)計。2億t，具有較好的資源前景，這為我國深海礦產(chǎn)資源開發(fā)奠定了良好的條件和基礎(chǔ)。

圖6 深海采礦船設(shè)計思路

深海采礦裝備發(fā)展已具備技術(shù)可行性。近年來海洋油氣開采已獲得巨大成功。目前，世界海洋油氣的開采已接近3000m水深。伴隨海洋油氣開采而發(fā)展起來的深海動力傳輸與通信技術(shù)、深海電動機和液壓等基礎(chǔ)裝備與組件等可直接應(yīng)用于深海采礦系統(tǒng)；深海油氣工業(yè)中管道輸送技術(shù)、深海調(diào)查和作業(yè)的各類海底作業(yè)機器人技術(shù)可借鑒和移植到深海采礦工業(yè)；“鸚鵡螺”礦業(yè)采礦系統(tǒng)的研制進程已經(jīng)證明，全球頂尖專業(yè)廠家的參與以及“設(shè)計—采購—建造”的全程生產(chǎn)組織與管理模式已經(jīng)極大地加快了其研發(fā)進度，也可以預(yù)測，該方式將為深海采礦系統(tǒng)的開發(fā)提供世界一流的技術(shù)支撐和質(zhì)量保障。

2016年2月，工信部和國家海洋局簽訂的《關(guān)于促進海洋經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略合作協(xié)議》，將深海礦產(chǎn)資源開發(fā)列為首位。深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和存儲母船，與常規(guī)海洋工程船相比，采礦船對水下作業(yè)裝備布放回收系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物存儲與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的安裝及總裝聯(lián)調(diào)提出了更高的要求。建立深海采礦船船型開發(fā)，研制關(guān)鍵設(shè)備，對于未來我國自主建造深海采礦船、實現(xiàn)勘探礦區(qū)的商業(yè)化開采具有重要意義。

4 結(jié)語

我國是世界上第一個在國際海底區(qū)域擁有三種資源礦區(qū)的國家，根據(jù)目前多金屬結(jié)核合同區(qū)的執(zhí)行情況，我國多金屬結(jié)核合同區(qū)內(nèi)推斷的干結(jié)核資源量為3.54億t，我國富鈷結(jié)殼礦區(qū)內(nèi)預(yù)測的濕鈷結(jié)殼資源量2.6億t，我國西南印度洋多金屬硫化物礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)礦點7處，初步估算潛在資源量

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江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（BK20130109）。