我国深海矿产资源开发核心技术研究现状与展望

邹丽,孙佳昭,孙哲,王静远,于宗冰

(1.大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连116024;2.清华大学 水利系,北京100084)

浩瀚的大洋底部蕴含着丰富的战略性矿产资源,目前已探明的具有巨大的商业化开采前景的主要包括多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等,其富含的钴、锰、镍等稀有金属资源储量远超陆地[1]。随着陆地资源的不断枯竭,以及新兴的新能源行业对稀有金属的巨大需求,深海矿产资源的合理开发是未来推动民生、资源、科技、经济可持续发展的必然选择。深海矿产资源勘探和开发技术将会是衡量国家综合国力和前沿科技水平的关键因素,对于维护国家海洋资源安全和推进海洋强国建设具有重要战略意义。因此,世界各国都在加紧深海矿产资源开发技术研究,以期加快实现深海矿产的商业化开采[2]。深海矿产资源开发关键核心技术是目前深海开发领域的重要科研攻关方向,对于保障国家战略性矿产资源安全具有重要意义。美国、欧洲、日本等发达国家和地区基本掌握了深海矿产资源开发的核心技术,随着海底环保问题的逐渐解决即可进行商业化开采。我国目前处于深海矿产开发的起步阶段,急需加大资金支持力度,开展关键核心技术攻关,解决一系列“卡脖子”问题,为早日实现多金属结核商业化开采奠定基础。

本文首先梳理了国内外深海矿产资源开发技术的研究现状,剖析了我国深海矿产资源开发存在的关键问题,进而分析了亟待解决的关键核心技术和未来一段时间内重点研发方向,最后提出我国深海矿产资源开发的发展对策和建议。

1 深海矿产资源开发技术国内外研究进展

深海矿产资源开发受制于复杂严苛的作业环境,成熟完备的陆地采矿技术和相关装备不能直接在深海矿产开采中应用[3]。目前深海矿产资源开发技术的核心研究主要集中在深海矿产资源勘探、深海矿产资源开采和输运及矿区环境监测、评估与保护等方面。本节主要从以上3方面出发,结合国外发展现状,着重梳理了我国相关技术的研究进展。

1.1 深海矿产勘探技术研究进展

深海矿产资源勘探阶段是整体开采工作的基础,主要研究集中在矿产资源抵近勘探装备技术方面[4]。目前的深海矿产资源勘探技术装备情况见表1。在当今深海矿产资源勘探评估工作不断推进、深海矿产开发技术水平不断发展的大环境下[5],深海矿产资源开发行业已经步入高度活跃的上升时期。这种迹象从国际海域矿区的开发申请数量上可见一斑,从2010年的全球仅有7处矿区,至2019年时,矿区(ISA)数量已经增长至29处[6]。目前深海资源开发工作处于从海底环境勘测至海底资源开采的过渡阶段,这使得海域信息的全面勘查成为关键环节,因此对于深海勘测技术的要求愈发严格。

表1 深海资源勘探装备发展Table 1 Development of deep-sea resources exploration equipment

其中,深海载人潜水器由于其自身机动性能优越,且能够将科学人员载至深海资源海域开展近距离勘查研究,相比于传统海底勘查技术手段,其可以获得更加准确精细的海底数据勘探结果。深海载人潜器研发最早是在20世纪20年代进入萌芽时期,功能十分有限。20世纪60年代时载人潜水器的研发热度达到了顶峰,仅美国就投入了上百艘载人潜水器用于进行海洋科学研究和海洋技术装备开发,载人潜水器的技术水平又一次得到飞跃,现代载人潜水器应运而生。相比传统载人潜水器,现代载人潜水器具备小体积化和轻量化的设计理念,同时拥有优秀的水下导航定位技术,可满足长时间长距离大水深的海洋潜航作业要求。

我国对于海洋潜水器的研究始于中国大洋协会成立,海洋潜水器性能与国际海底区域作业标准进行对标,发展至今,在深海资源勘测技术及装备领域实现了多次更新换代。基于这些技术的综合应用,我国自助研发设计了以“蛟龙”号载人潜水器、“潜龙”系列自主潜水器、“海龙”系列遥控潜水器、“翼龙”系列水下滑翔机为领军技术装备的一系列深海资源勘探装备,突破了多项深海环境资源勘探领域的瓶颈。

值得一提的是,2012年6月我国“蛟龙”号载人潜水器顺利完成7 000 m级海试,之后随即便投入到海洋科学研究的应用环节。“蛟龙”号领衔的多艘深海载人潜水器,能够对各类水面支持设备实现功能适配,相继完成了多个海洋资源勘探作业,资源勘探范围包含多种深海矿产资源[3]。我国自主研发载人潜水器的应用,极大地增强了我国高精尖海洋装备研发的信心,带领我国海洋资源勘探技术进入到一个新的阶段。

1.2 深海矿产资源开采技术

深海矿产资源开采技术始于深海采矿系统,深海采矿系统的发展历程如表2所示[7]。其中,随着研发深入,“海底集矿车-提升泵-提升硬管-水面支持系统”的采矿方案逐渐得到认可,成为当前主流的采矿方法。在韩国、比利时相继完成该种方法的海上试验后,我国于2021年完成了1 000 m级全系统深海采矿海上试验,进一步验证了该技术方案的可行性[7-8]。国内外深海采矿技术海上试验典型进展如表3、表4所示。

表2 国外深海采矿系统发展Table 2 Development of deep-sea mining systems abroad

表4 我国深海采矿典型海上试验进展Table 4 Typical sea trial progress of deep-sea mining in China

1.2.1 海底矿物开采技术

深海固体类矿产资源在海底的迥异存在形态衍生了不同的采集技术,各类海底矿产资源形态和开采技术要求特点如表5所示[9-10]。

表5 深海各类矿产资源特点Table 5 Characteristics of all kinds of deep-sea mineral resources

在海底集矿机技术方面,自20世纪80年代国外研发团队先后进行了机械式、水力式、复合式的海底集矿技术研发,海底集矿机的行进方式也由最初的拖曳式、阿基米德螺旋式升级到地形适应性和越障能力强的履带自行式[11]。履带式深海集矿机通过配置高精度水下定位导航技术装备,可以实现海底稀软土质上稳健运动和精准路径控制,已成为当前国际范围内主流的海底集矿形式。

1990年以来,我国将目光重点聚焦于海底集矿机的原理研究和模型试验机的研发工作上,实现了能够进行海底采集、破碎矿石及矿石脱泥处理多项工作的自行履带式集矿机的自主研发,并于“十一五”期间完成了1 000 m级水深的深海采矿系统实验验证[12]。在2014年,我国进行了135 m级的自行履带式集矿机和软管输送系统组合矿石采集方案的验证。针对试验期间暴露的技术问题,相关研究团队开展了面向深海多金属结核矿产资源开采的集矿机性能优化研究,并最终成功研发了深海多金属结核集矿机“鲲龙500”,于2018年在我国南海完成采矿车单体海试,其最大工作水深514 m,多金属结核矿物集矿效率为10 t/ h,单次作业运动范围距离最大为2 881 m,水下定位精度达0.72 m。“鲲龙500”履带式自行集矿机实现了稀软土质正常作业且具备高精度定位和路径控制功能,将我国深海采矿技术水平提升至国际领先的水准[13-14]。2019年,中科院深海科学与工程研究所研发的采矿车成功完成2 490 m水深的富钴结壳试采,验证了对富钴结壳的深水开采能力。

1.2.2 深海矿物输运技术

由于多金属结核是当前最有可能率先实现商业开采的深海矿种,20世纪70年底末至80年代初,以美国为首的西方国家组织了多次针对多金属结核开采的海试,其研发的管道水力提升式采矿系统的技术可行性经过这些海试得到了充分验证[15]。

20世纪90年代至今,针对提升泵管装备、超长管道输送等关键深海矿产资源开采输运技术,中国大洋矿产资源研究开发协会、长沙矿冶研究院有限责任公司、上海交通大学等多家单位对多项技术难题展开了重点攻关,先后出现了一批高质量的科研成果,成功突破了技术瓶颈。“十五”期间,在“1 000 m级深海多金属结核矿产资源开发试验系统”的研究背景下[16],长沙矿冶研究院研发两级提升泵,以清水和矿浆为输运对象,完成提升泵的输运性能试验。“十一五”期间,通过一处矿井完成垂直管道模拟结核矿浆输送试验,矿井深度219 m,对深海采矿技术中的管道输运和提升泵的设计工艺方面提供了宝贵的数据支持和经验积累。2016年,长沙矿冶院、中南大学等科研单位牵头,于我国南海海域实施300 m级水深的水力提升式采矿系统海试[17],矿浆输运体积流量为500 m3/h、多金属结核输送量达50 t/h。2021年,由中国大洋协会牵头,形成了一套深海多金属结核采矿试验系统并在我国东海和南海进行了全系统采矿联动试验,最大作业水深1 306 m,采集天然多金属结核1 166 kg,是国内首次深海多金属结核履带集矿机加水力管道提升的联动海试。同年,大连理工大学牵头联合长沙矿冶研究院等国内10余家优势单位,研制完成了我国首套深海采矿智能化混输装备系统,并在南海完成500 m海上试验[18],极大推动了我国深海采矿泵管混输系统的健康监测和损伤识别面向智能化、可控化。

1.3 海底环境监测、评估和保护技术

深海矿产资源开发利用对于环境的影响一直被广泛关注,其所潜藏的环境风险不容忽视[19]。由于深海矿产资源开发利用行业出现时间尚短,无论是经验积累以及标准化的行业规范均尚未实现。而国际社会环境保护意识也随着时代的变迁而愈发觉醒,深海采矿带来的对于环境的影响和破坏使得其关注度不断上升。相关数据表明,海洋的环境稳定性和生态多样性会因深海采矿作业而产生巨大的破坏,同时海洋储碳能力也会随之降低(地球约93%的二氧化碳均储存于海洋,是地球上最大的碳汇体),气候危机也会随之加剧。基于上述原因,国际针对深海采矿制定行业规范和标准建立的要求,在近年来变得愈发迫切,深海采矿行业规范和标准建立见表6。由此可见,深海采矿所带来的环境影响势必得到国际上的重视,严格的规范和标准的出台势在必行。因此,深海矿区环境评估和保护是深海矿产资源开发研究的核心领域,也将成为衡量深海采矿技术水平的重要标准。

表6 国内外深海采矿行业规范和标准建立Table 6 Establishment of norms and standards for deep-sea mining industry at home and abroad

当前弱化深海采矿作业对海底环境的影响主要通过对矿石-水混合物的高效脱水处理实现再排放和改进集矿机的集矿装置和运动机构,最大程度控制对海底沉积物的扰动。除此之外,深海采矿环境保护技术还涉及尾矿排放和矿物开采诱发的羽状流等关键环境保护问题。目前为止,国际上尚未形成比较成熟的深海采矿环境评估和保护技术方案,海底环保问题依旧是阻碍深海采矿面向商业化的重要因素。

我国对于深海矿产资源开发引起的环境问题一直处于高度关注状态,我国深海环境保护技术主要发展情况见表7。依托我国绵长的海岸线,建立了一系列海洋环境监测计划[21],有力地推进了我国海洋环境监测技术的持续发展;同时我国政府对深海环境保护高度重视,颁布实施了相应的国家法律制度,为我国深海采矿商业化提供了良好的行业规范标准,获得国际普遍的优秀评价。在我国政府和中国大洋协会的共同努力下,我国对深海矿产资源开发中环境的监测和保护技术拥有了巨大的发展空间,并逐步与国际接轨,助力我国进一步推进深海采矿商业化进程。

表7 我国深海环境监测和保护技术发展Table 7 Development of deep-sea environmental protection technology in China

2 我国深海矿产资源开发技术发展面临的问题

1)基础性科学问题研究不充分。

基础性研究是提高原始创新的重要途经,是所有关键技术问题的总机关。深海采矿模式和技术的创新都依赖于大量相关性的基础性理论和试验研究。我国深海矿产资源开发领域基础问题研究稍显不足,诸如：提升管道内粗颗粒固液两相流流动机理及内部管道力学特性、复杂激励条件下的弱约束超长管道动力特性、海底羽状流演化过程等。

2)核心技术存在短板,研发能力不足。

我国深海资源开发中的高精尖技术与国外先进水平存在差距,关键核心技术和装备存在短板,对国外具有一定的依赖性。一方面,针对通用技术,如：导航通讯技术,国产导航定位装置和国际先进装备仍有差距,大水深情况下定位精度不足;另一方面,针对专用技术,如：矿物输运技术中泵管系统固液两相流的健康监测和流动保障、全系统复杂激励下的动力响应预报技术等研究尚不充分。

3)特种材料、先进装备制造能力有待提高。

我国深海装备制造能力亟待提升,特种材料、先进装备制造能力薄弱。大部分水下关键元器件、深海传感器、高分辨率光纤等制造水平低,仍较多依赖进口;深水电机、深水电缆、大水深浮力材料等深水装备制造成本高、质量保证程度低。提高先进制造能力是我国深海矿产资源开发进一步发展的重要环节,是我国突破关键核心技术瓶颈的战略实施点。

4)缺乏矿区环境监测和评估方法。

海底环保是制约深海采矿面向商业化开采极为重要的环节。一些发达国家和地区正在逐渐完善深海采矿环境监测和评估体系,建立可靠的分析预报模型。我国针对深海矿物开采环境评价技术处在研究初期,尚无比较成熟的绿色开采技术方案和环境保障评估体系。绿色开发是未来深海采矿的主题,研发低扰动的环境友好型开采装备,构建成熟可靠的环境健康监测、预报、评价方法也将成为深海矿产资源开发重要的研究目标。

5)海试经验不足,创新产品缺乏认证和应用。

截至目前,我国已经开展了多次深海采矿单体海试,同时在2021年6月,由中国大洋协会牵头成功开展了1 000 m级全采矿系统联动试验。尽管我国深海采矿海试取得了显著的成就,但尚未进行全系统的规模化海试和商业化试采,全天候采矿作业系统的安全性难以得到保障,这与发达国家还是有一定差距。海试经验的缺乏很大程度上导致我国自主创新产品应用推广难,较低的国产产品使用率、装船率导致产品缺乏认证和应用,极大地降低了自主技术创新的内在动力。

3 我国亟待解决的关键核心技术和未来重点研发的方向

3.1 我国亟待解决的关键核心技术

深海矿产资源开发是一项高挑战技术,不仅涉及数个技术领域,而且技术体系复杂,高新技术集中且密度高,难度和技术复杂性并存。我国深海采矿技术经过几十年的发展已经取得了可观的成就,但是距离商业化开采之路仍然面临着许多重大的技术挑战。随着当今世界科技突飞猛进的发展,技术创新研发低成本的绿色深海采矿技术是加速开展深海矿产资源开发的最大驱动力,也将进一步推进深海采矿商业化进程。本节从深海探矿、深海采矿和环境评估等方面凝练了我国亟待解决的关键核心技术,以期突破深海采矿技术制约瓶颈,促进商业化进程。

3.1.1 深海矿产勘探技术

随着深海矿产资源开发活动越来越频繁,深海金属矿产资源的详细勘探和调查显得异常重要[22]。通过对深海矿产勘探关键核心技术攻关,开展精准、稳定、可靠的深海矿产勘查是未来发展的重要方向。

1)深海数字矿区建设技术。发展海底勘探全流程数字模拟技术,建成真实坐标、三维可视化的海底矿区数字化环境,在开采过程中通过高精度再现作业场景实现三维虚拟现实模拟;构建海底矿物资源种类和分布信息数据库,广泛收集海洋矿区立体监测信息,涵盖矿产类型、分布和丰度等全方位数据、三维精细海底地形地貌等;基于矿区数据库和海底成矿机理开发数字化的矿区分布规律分析算法,助力未知矿区的勘探和开发。

2)复杂环境近底探测和取样技术。复杂环境近底探测的分辨率远远大于水面探测,同时基于深潜器悬停定位技术的深海潜器,可以克服海底洋流的干扰开展高端原位取样作业,这为深海矿产资源详细勘查提供了强有力的手段。主要研究包括深水潜器自动航行技术、复杂环境近底作业防碰撞技术、高速水声通讯技术、三维结构光微地形测绘技术、高端原位取样技术等。

3)新型智能大水深勘探机器人制造技术。深海资源勘探开发活动得益于深海技术装备的支撑,深海技术装备的制造技术直接决定了深海资源勘探开发活动的广度、深度和精度。主要包括深潜器优化设计和安全评估技术、高能量密度动力技术、深水高精度导航和悬停技术、复杂海底环境下航行控制技术等。

3.1.2 深海矿产资源开采技术

我国深海采矿技术经过不断的发展已经取得了一系列重大进展,但整体的发展还远远不够,亟需开展深海采矿技术创新,绿色、智能、安全、高效、协同的深海采矿技术是未来的主要研发方向。

1)多集矿车协同控制技术。面向复杂、恶劣的海底采矿作业环境,无人化和智能化的多机协同控制和联合作业是今后主要的发展方向。其主要核心技术包括智能决策和指挥技术、分布式协同控制技术、故障监测和诊断技术等。

2)沉积物扰动抑制和水下噪声控制技术。深海采矿海底作业过程中对海洋环境的影响不容小觑,主要包括集矿车对于沉积物的扰动以及作业产生的水下噪声等。开展沉积物扰动抑制和水下噪声控制技术研究是进行绿色采矿的努力方向和硬性条件。可以通过优化集矿机的采矿头和行走履带等相关装置,比如研发高性能吸收装置,减小悬浮固体颗粒对于周边环境的影响。

3)复杂激励条件下全系统动力响应监测和分析技术。复杂风浪流和内波联合作用下,深海采矿全系统的力学响应实时监测和分析是一项保障整体设备安全、稳定运行的关键技术。包括对水面支持系统、泵管系统、集矿机系统的运动响应、应力应变、结构安全进行监测,兼顾超长管道的损伤识别和疲劳分析等。基于全时段的监测和分析,及时对系统作业状况进行研判,确保整个作业装备的稳定和安全。

4)超长泵管系统流动保障分析技术。流动保障主要研究粗矿粒-海水形成的固液两相流动经过泵管系统的流动特性,探究流态演化机理;对堵塞发生的临界条件进行研究,预测可能出现的段塞流、堵塞、泵管磨蚀和泄露等问题,进而提出合理的输运策略。开展泵管系统流动保障分析技术研究,确保深海采矿超长泵管系统的安全、高效、稳定运行,是深海采矿系统需要着重解决的关键技术之一,具有重要的实际工程意义。

5)声光融合的水下环境实时感知技术。深海采矿机器人通过基于光学和声学成像的环境感知技术来获取工作环境信息,对周边环境以及矿石分布进行实时判断;基于智能化控制算法,机器人可以自动进行规划最佳行进路径、越障避障等操作。主要难点是克服高噪声、高扬尘等严苛的海底作业环境。

3.1.3 环境监测和健康评估技术

深海采矿作为一项新兴产业,其对海底环境的影响越来越受到国际社会的广泛关注,开展海底作业矿区环境监测和健康评价是深海矿产资源开发面向商业化进程中必不可少的重要环节,技术创新引领下的绿色采矿是未来主要的研发方向。

1)羽状流的扩散和沉积机理分析。海底扰动和尾矿排放形成的羽状流是深海矿产资源开发过程中不可忽视的环境问题[23]。通过高精度数值模拟和试验模型等手段,研究羽状流扩散和再沉积机理,进而构建包括海底扬尘和羽状流在内的环境影响评估体系,为绿色开采提供一定的理论和技术支撑。

2)智能化环境健康监测技术。矿区环境健康监测是评判深海采矿作业对生态环境影响程度的重要手段,是绿色采矿作业必不可少的部分。采矿作业对于深海环境的影响是动态的、复杂的和多方面的,同时面向复杂的海洋环境条件,这对健康监测技术提出了更高的要求。实时的健康监测主要依赖智能化深海装备来获取高质量的环境样品和数据。主要装备包括载人潜水器、水下滑翔机、ROV或AUV等运载装备以及定点取样观测装置。同时需要开展科学的观测调查方法研究,保证获得样本数据真实有效。

3)构建矿区环境影响评估技术体系。构建合理、可靠的环境影响评估技术体系是深海采矿环境保护方面另外一个亟待解决的关键问题,也是深海采矿实现商业化必须解决的问题。环境评估体系的主要目的就是分析和预测深海采矿对于矿区环境不利影响的程度,进而提出预防和减轻影响的对策和措施。可以通过数值模拟和试验模型等手段,对海底扬尘和羽状流模拟,准确预报其演化过程,进而指导环境评估技术体系的构建。

4)建立海洋环境信息数据库。发展数字海洋,广泛收集海洋环境立体监测信息,涵盖矿区风浪流环境的实时监测数据等,建立海洋矿区环境信息数据库。发展云计算技术和跨主题数据挖掘技术,对海洋信息数据进行整合、分析和挖掘,更加全面、准确的展示海洋矿区环境信息特征,为深海矿产资源开发提供强有力的战略性决策支持。

3.2 未来我国深海矿产资源开发技术重点研发方向

我国未来深海矿产资源开发应秉持绿色开采、智能可控、高效协同的理念。以精细勘探为目标,发展深水潜器近底观测和精细取样技术;聚焦绿色开采技术,发展低扰动、复杂环境感知、稳健行进、多机协同、智能可控的高性能集矿机技术;发展安全、稳定、高效的矿石输送技术,兼顾泵管装备的智能调控和损伤识别;针对严苛的海底环保规定,构建智能化环境健康监测和评估技术体系;面向未来的商业化开采需求,研发全天候运维技术和紧急避险技术;面向深海特殊作业环境的装备需求,重点发展特种材料的研发制造技术,突破高新技术产品的短板。

4 建议对策、结论与展望

1)秉持绿色、智能、精准、高效协同的发展理念,基于技术创新带动深海采矿产业整体发展,加快推进深海矿产资源开发关键核心技术自主研发。

2)加强基础性关键原理研究。基础性研究是技术创新的源动力,通过加强基础性问题研究,强化原始创新和集成创新,实现深海采矿技术自主创新发展。

3)开展深海矿产资源开发关键核心技术联合攻关。紧密围绕深海矿产资源开发技术瓶颈,整合国内优势力量开展集中攻关,形成深海关键核心技术创新集群。重点对制约深海采矿商业化进程的关键技术进行突破,如矿产资源精准勘探及矿区环境监测、评估和保护技术等,在国际上抢占深海技术战略制高点,提升我国深海科技自主可控能力。

4)加快深海资源开发相关配套技术产业的发展。深海矿产资源开发与其相关的配套产业发展是相互促进的关系,深海矿产资源开发装备和技术的应用与推广将促进配套产业的快速发展;与此同时,配套产业的科技进步也将反馈到深海资源开发的商业化进程中去。

5)持续推动深海采矿科技创新成果的转化和应用。面向深海资源开发的需求牵引和技术导向,充分发挥深海科技创新的引领性作用,推动深海采矿科技创新成果的转化和应用,不断激发科技创新成果的内生动力。