深海资源开发装备研发待提速

刘磊 杨建民 徐文豪 金城 吴琪/上海交通大学

由马尾造船公司承建的全球首制227米深海采矿船“鹦鹉螺新纪元”号

综合采矿船需要配备综合电力推进装置，月池结构，矿石处理、储存和外输装置，系统十分复杂，目前国内还不具备相关设计经验。

随着人口不断增长、经济的飞速发展，各国对金属矿产资源的需求量与日俱增，陆上矿产资源的日渐短缺已经成为全球性的问题。近半个世纪的大洋勘探发现，占地球面积3/4浩瀚大洋的底部蕴藏着丰富的矿产资源，其种类众多、储量巨大、品位极高，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。如果可以实现海底矿产安全、高效的商业开采，并且控制好对海洋生态环境的影响，丰富的海洋矿产资源将成为陆上矿产资源的替代，满足未来一段时间人类社会的经济发展需求。

深海采矿技术作为海洋资源开发技术的最前沿，技术含量高，标志着一个国家开发海洋资源的综合能力和技术水平。深海多金属结核开采技术的研究更是关系到国家可持续发展和民族长远利益。深海采矿的开发成功不仅可为我国建立深海金属矿产开采产业提供技术保证，还可为其他海洋资源开发和海洋工程提供相应的技术支撑，使我国在海洋矿产资源开发甚至海洋资源开发领域参与国际商业竞争成为可能。

深海采矿系统关键技术

深海采矿系统由海底采矿车、水下输送系统和水面支持系统三个子系统组成，每个子系统包含诸多关键设备，因此需要提炼出关键技术和科学问题，深入剖析并展开深入研究，突破深海采矿技术。下文将分别针对总体系统设计、海底采矿车、水下输送系统和水面支持系统，分析关键科学技术问题，简要阐述相关技术国内外发展现状。

总体设计

深海采矿系统的总体设计即为系统顶层设计，包括：根据生厂目标设计深海采矿总体系统；在总体设计的基础上，对系统总体动力学特性，包括水动力学特性、结构响应、疲劳特性等进行分析；此外，采矿车和输送系统的布放和回收是深海采矿的重要环节，要对布放回收过程中的动力学响应以及布放缆绳中的应力波等进行深入研究。

（1）系统顶层设计

根据深海采矿的生产能力等要求，对深海采矿系统进行顶层设计，包括如下方面的研究：

●水面支持平台：根据水深及开采区域风浪流环境条件， 设计平台主尺度、系泊系统、月池、布放回收系统平台甲板区域、混合物分离装置、矿石存储系统、升沉补偿装置等。

●水下输送系统设计：根据产能需求，设计输送硬管、提升泵、中继站、输送软管、软管泵；同时需要根据管道力学特性设计管道连接方式以及管道与采矿车、中继站、水面支持系统的连接。

●海底采矿车：根据长距离管道输送特性，设计颗粒采集和破碎系统；设计采矿车区域海底环境监测系统；根据海底条件设计采矿车行进系统；同时需要在采矿车内设计矿石暂存装置。

●整体联动控制：针对深海采矿系统联合作业特性，设计升沉补偿装置、水下输送系统、采矿车行进和采集的联动控制系统，实现深海采矿整体系统的联动控制。

●电力系统：一方面需要设计大功率高压强电系统，包括采矿车、输送泵、给料机、软管泵的能供给；另一方面需要设计低功率低电压弱电系统，主要用于控制系统供电。

●在实现采矿车基本功能的基础上，还需要充分考虑深海采矿对海底生态环境的影响，尽可能减小工程作业对海洋生态的影响。

（2）总体动力学特性

总体系统设计完成后，需校核系统的动力学性能，保证作业过程安全性。深海采矿系统进行总体动力学特性分析包括如下方面：总体系统水动力学特性；水面支持平台与管道连接处结构动力学特性与升沉补偿系统运动特性；泵—管—中继站系统结构应力响应及疲劳特性；采矿车—地面相互作用力学特性。

（3）布放回收

采矿车的布放、回收过程一般在温和海洋环境条件下进行。一方面，需要根据水面支持平台的能力、月池尺寸、采矿车尺寸及重量等，对布放、回收方案进行详细的设计；另一方面，需要对布放回收过程中采矿车的运动、缆绳张力进行动力学分析。此外，当布放水深为数千米数量级时，需要充分考虑由于布放回收过程中存在的应力波对布放回收系统中缆绳受力突增的影响。

海底采矿车

海底采矿车是深海采矿的直接作业单元，是深海矿石研采的“最前线”。典型的采矿车可以根据其基本功能，分为：环境感知系统、行进系统以及采集系统。其中环境感知系统是采矿车的“眼睛”，对采矿车周围环境、矿石分布形式进行初步判断；行进系统则控制采矿车的行走、转向、爬坡等动作，实现采矿车在海底的行进；采集系统是深海采矿的直接作业系统，通过采集装置将矿石采集、初步破碎、分离和清洗，进而通过输送软管输送到中继站暂时存储和集中输送。

（1）环境感知系统

环境感知系统的主要任务是克服海底高噪声、高扬尘、多颗粒散射的困难，实现海底工作区域环境的实时感知和测量，为采矿车的行进和矿石的开采打基础。从感知内容来看，海底环境感知主要包括海底地形和矿石分布；从测试尺度来看，环境感知包括整体环境粗略测量和局部精确测量；从实现手段来看，环境感知可以通过光学成像技术和声学成像技术实现。对于海底光学成像系统，国外的Deepsea Power & Light公司、康士伯公司以及Subc Imaging公司等已经具备海底光学成像系统的研制能力，而国内的研究仍处在初步探索阶段。对于声学成像系统，国外研究得到声学感知技术的混响具有非常平稳的功率谱密度；国内则以中南大学为代表，对混响情况下的声学感知方式进行了一系列的研究，但仍然未能很好的实现海底浑浊情况下的声波准确探测。

（2）行进控制系统

海底采矿车行进系统采用自行式行进方式，主要分为螺旋桨推进式、阿基米德螺旋式和履带自行式。经过半个世纪的选择和发展，目前主流的行进系统均采用履带自行式。履带式行进机构自行牵引力大，承载能力高，跨越或绕过海底障碍容易，对海底扰动较小，操纵性较好，能满足稀软海底集矿作业要求。我国在“八五”期间研制的采矿车模型机采用的也是履带式行走机构，在第二代模型机中采用尖三角齿特种合金履带板，进一步提高了采矿车在深海稀软底环境下的可靠性和行驶性。

（3）矿石采集系统

海底矿石采集应满足采集效率高、对海底环境破坏小、矿石—海泥分离能力强、破碎效率高、作业可靠性高等特点。目前主流的采集方法大致可分为水力式、机械式和复合式。三种方式均在海底采矿车模型中得到了应用。

水力式集矿方法集矿效率高，对土壤沉积物的清除十分有效，但该方法需要消耗大量能源，对土壤的破坏较大。机械式集矿结构简单， 耗能低，缺点为集矿效率不高，转速较高时，结核有随水流漂浮现象。复合式集矿法则综合采用水力和机械采集方式，利用水力集矿，采用机械形式的皮带进行传输，具有较高的集矿效率，但仍需要消耗大量能源，对海底土壤影响较为严重。我国从20世纪90年代初开始对深海集矿装备进行研究，“八五”期间研制了第一代用于多金属结核开采的履带自行式集矿装备；“九五”期间，改进研制了第二代集矿装备，采用了水力式矿石采集方法，提高了集矿效率，并于2001年在云南抚仙湖进行了135米湖试。

水下输送系统

水下输送系统将采集和初步处理后的矿石输送到海面，是连接海底采矿车与水面支持系统的“纽带”。由于水下输送系统面临超长距离、高速混合物料输送等特性，同时需保证长时间稳定、持续工作，因此水下输送系统也是深海采矿系统安全性最薄弱的环节。典型的水下输送系统包含潜水提升泵、垂直输送硬管、中继站以及输送软管。从工程应用和科学研究的角度，对水下输送系统的研究一方面是泵—管—中继站系统的设计，另一方面是对输送系统内矿石海水固液两相流流动保障研究。

采矿船设计效果图

（1）泵—管系统设计

泵管系统的研究主要为泵的设计和性能分析、硬管和软管的设计和性能分析以及中继站的设计。

泵的设计主要根据深海采矿产能需求，选择合理的泵的形式以及数量；依据矿石颗粒属性，进行泵的流道设计；根据输送过程中的沿程阻力损失，选择合适的扬程和功率。

硬管设计主要根据产能需求、泵的性能设计管径尺寸，同时对管道重量、连接方式进行设计。完成设计后，需要根据采矿区域的海洋环境条件进行水动力性能、结构动力性能、疲劳特性等进行深入分析。

软管设计主要依据采矿车的作业能力，设计管道尺寸、长度、力学特性以及构型。

中继站设计主要是依据输送特性，设计软管进料仓、物料存储仓、硬管给料机等。一方面要根据产能要求设计进料形式、物料仓尺寸以及给料能力，另一方面需要对中继站的作业能力进行数值或试验验证，改进并完善设计。

（2）流动保障

水下输送系统的流动保障主要是针对泵—管系统内，研究矿石颗粒—海水形成的大颗粒固液两相流在经过软管、硬管、提开泵的过程中的流动特性，并针对可能出现的段塞流、堵塞、磨蚀等问题，进行预报分析，给出合理的优化设计或解决方案。与海洋油气开采相比，由于深海矿石输送过程中的温度变化、化学变化过程不明显，对输送过程影响可以忽略；由于管道内存在大尺寸、较高浓度的固体矿石颗粒，因此在输送过程中堵塞、颗粒对泵叶轮的冲击和磨蚀发生的可能性明显增大。

流动保障的另一个重要问题是系统紧急状态下内部的流动控制和解决方案。对系统停止、重启等瞬时状态以及部分关键部件，比如提升泵、给料机等，停止工作状态下泵—管系统内固液两相流的发展状态进行分析，并提出合理的解决方案。

水面支持系统

深海采矿水面支持系统与深海油气开发海洋平台较为相似，主要不同点集中在连接支持平台与水下输送系统的升沉补偿系统设计。下文将从支持平台设计和升沉补偿系统设计两方面阐述目前国内外研究进展。

（1）支持平台设计

深海采矿船的发展可以分为三个阶段，一是通过改造现有的船舶，将性能相近的货船、钻井船和甲板驳船等改造为采矿船；二是以现有的船型为基础，新建单体非自航的宽型采矿船；三是以长期远海采矿活动为设计目标，新建大型综合采矿船。目前，世界上唯一一艘大型综合采矿船由新加坡SeaTech Solutions公司为加拿大鹦鹉螺矿业公司设计，我国福建省马尾造船股份有限公司建造。虽然在大型特种船舶建造上我国有丰富的经验，但是综合采矿船需要配备综合电力推进装置，月池结构，矿石处理、储存和外输装置，系统十分复杂，目前国内还不具备相关设计经验。

（2）升沉补偿系统设计

海上升沉补偿系统的应用始于20世纪60年代，首先应用于钻井船及半潜式平台等海洋结构物上，由于国外海洋工程技术发展较早，相关理论基础及关键技术相对成熟，形成了完整的升沉补偿系统研发与建造能力。国内对波浪升沉补偿的研究也取得了一定的成果，但是几乎没有能够直接工程应用的波浪升沉补偿技术方案，目前仍主要处于理论探讨阶段。

未来发展方向

绿色采矿

目前，欧美、日本等具有海底多金属结核的开采能力，开展深海采矿系统的海上联动试验，部分国外公司已经接近商业开采。在商业开采前，评估深海采矿对海底生态环境的影响是必不可少的环节。在开采过程中，应该尽可能减小对生态环境的影响，一方面需要在开采过程中做到减小对环境的破坏，另外一方面，在产生破坏的基础上需要尽可能弥补造成的损失。

智能采矿

深海矿石开采如何实现经济效益最大化是商业开采需要着重考虑的问题，也决定着商业化开采是否可行。而深海采矿的智能化是解决采矿安全性与经济效益最大化的重要途径。

深海大面积的矿石开采需要在对海底环境条件、矿石分布情况正确判断的基础上，从开采安全性、开采效率等多指标最优化的角度出发，根据深海采矿系统的开采能力，自主选择最优的开采路线、开采速度、输送速度和浓度等，同时对生产过程进行实时监测和调控，在保证深海采矿安全性的同时，实现产能的最大化和经济效益的最大化。★