劉磊 楊建民 徐文豪 金城 吳琪/上海交通大學(xué)

由馬尾造船公司承建的全球首制227米深海采礦船“鸚鵡螺新紀(jì)元”號(hào)

綜合采礦船需要配備綜合電力推進(jìn)裝置，月池結(jié)構(gòu)，礦石處理、儲(chǔ)存和外輸裝置，系統(tǒng)十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)還不具備相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

隨著人口不斷增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各國(guó)對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求量與日俱增，陸上礦產(chǎn)資源的日漸短缺已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題。近半個(gè)世紀(jì)的大洋勘探發(fā)現(xiàn)，占地球面積3/4浩瀚大洋的底部蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其種類眾多、儲(chǔ)量巨大、品位極高，是地球上尚未被人類充分認(rèn)識(shí)和利用的最大的潛在戰(zhàn)略資源基地。如果可以實(shí)現(xiàn)海底礦產(chǎn)安全、高效的商業(yè)開采，并且控制好對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響，豐富的海洋礦產(chǎn)資源將成為陸上礦產(chǎn)資源的替代，滿足未來(lái)一段時(shí)間人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

深海采礦技術(shù)作為海洋資源開發(fā)技術(shù)的最前沿，技術(shù)含量高，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家開發(fā)海洋資源的綜合能力和技術(shù)水平。深海多金屬結(jié)核開采技術(shù)的研究更是關(guān)系到國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。深海采礦的開發(fā)成功不僅可為我國(guó)建立深海金屬礦產(chǎn)開采產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)保證，還可為其他海洋資源開發(fā)和海洋工程提供相應(yīng)的技術(shù)支撐，使我國(guó)在海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)甚至海洋資源開發(fā)領(lǐng)域參與國(guó)際商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)成為可能。

深海采礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

深海采礦系統(tǒng)由海底采礦車、水下輸送系統(tǒng)和水面支持系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)包含諸多關(guān)鍵設(shè)備，因此需要提煉出關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題，深入剖析并展開深入研究，突破深海采礦技術(shù)。下文將分別針對(duì)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海底采礦車、水下輸送系統(tǒng)和水面支持系統(tǒng)，分析關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，簡(jiǎn)要闡述相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

總體設(shè)計(jì)

深海采礦系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)即為系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，包括：根據(jù)生廠目標(biāo)設(shè)計(jì)深海采礦總體系統(tǒng)；在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)總體動(dòng)力學(xué)特性，包括水動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、疲勞特性等進(jìn)行分析；此外，采礦車和輸送系統(tǒng)的布放和回收是深海采礦的重要環(huán)節(jié)，要對(duì)布放回收過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及布放纜繩中的應(yīng)力波等進(jìn)行深入研究。

（1）系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

根據(jù)深海采礦的生產(chǎn)能力等要求，對(duì)深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，包括如下方面的研究：

●水面支持平臺(tái)：根據(jù)水深及開采區(qū)域風(fēng)浪流環(huán)境條件， 設(shè)計(jì)平臺(tái)主尺度、系泊系統(tǒng)、月池、布放回收系統(tǒng)平臺(tái)甲板區(qū)域、混合物分離裝置、礦石存儲(chǔ)系統(tǒng)、升沉補(bǔ)償裝置等。

●水下輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)產(chǎn)能需求，設(shè)計(jì)輸送硬管、提升泵、中繼站、輸送軟管、軟管泵；同時(shí)需要根據(jù)管道力學(xué)特性設(shè)計(jì)管道連接方式以及管道與采礦車、中繼站、水面支持系統(tǒng)的連接。

●海底采礦車：根據(jù)長(zhǎng)距離管道輸送特性，設(shè)計(jì)顆粒采集和破碎系統(tǒng)；設(shè)計(jì)采礦車區(qū)域海底環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；根據(jù)海底條件設(shè)計(jì)采礦車行進(jìn)系統(tǒng)；同時(shí)需要在采礦車內(nèi)設(shè)計(jì)礦石暫存裝置。

●整體聯(lián)動(dòng)控制：針對(duì)深海采礦系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)特性，設(shè)計(jì)升沉補(bǔ)償裝置、水下輸送系統(tǒng)、采礦車行進(jìn)和采集的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)深海采礦整體系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。

●電力系統(tǒng)：一方面需要設(shè)計(jì)大功率高壓強(qiáng)電系統(tǒng)，包括采礦車、輸送泵、給料機(jī)、軟管泵的能供給；另一方面需要設(shè)計(jì)低功率低電壓弱電系統(tǒng)，主要用于控制系統(tǒng)供電。

●在實(shí)現(xiàn)采礦車基本功能的基礎(chǔ)上，還需要充分考慮深海采礦對(duì)海底生態(tài)環(huán)境的影響，盡可能減小工程作業(yè)對(duì)海洋生態(tài)的影響。

（2）總體動(dòng)力學(xué)特性

總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需校核系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，保證作業(yè)過(guò)程安全性。深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行總體動(dòng)力學(xué)特性分析包括如下方面：總體系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)特性；水面支持平臺(tái)與管道連接處結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性與升沉補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性；泵—管—中繼站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)及疲勞特性；采礦車—地面相互作用力學(xué)特性。

（3）布放回收

采礦車的布放、回收過(guò)程一般在溫和海洋環(huán)境條件下進(jìn)行。一方面，需要根據(jù)水面支持平臺(tái)的能力、月池尺寸、采礦車尺寸及重量等，對(duì)布放、回收方案進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)；另一方面，需要對(duì)布放回收過(guò)程中采礦車的運(yùn)動(dòng)、纜繩張力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。此外，當(dāng)布放水深為數(shù)千米數(shù)量級(jí)時(shí)，需要充分考慮由于布放回收過(guò)程中存在的應(yīng)力波對(duì)布放回收系統(tǒng)中纜繩受力突增的影響。

海底采礦車

海底采礦車是深海采礦的直接作業(yè)單元，是深海礦石研采的“最前線”。典型的采礦車可以根據(jù)其基本功能，分為：環(huán)境感知系統(tǒng)、行進(jìn)系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)。其中環(huán)境感知系統(tǒng)是采礦車的“眼睛”，對(duì)采礦車周圍環(huán)境、礦石分布形式進(jìn)行初步判斷；行進(jìn)系統(tǒng)則控制采礦車的行走、轉(zhuǎn)向、爬坡等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)采礦車在海底的行進(jìn)；采集系統(tǒng)是深海采礦的直接作業(yè)系統(tǒng)，通過(guò)采集裝置將礦石采集、初步破碎、分離和清洗，進(jìn)而通過(guò)輸送軟管輸送到中繼站暫時(shí)存儲(chǔ)和集中輸送。

（1）環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)的主要任務(wù)是克服海底高噪聲、高揚(yáng)塵、多顆粒散射的困難，實(shí)現(xiàn)海底工作區(qū)域環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和測(cè)量，為采礦車的行進(jìn)和礦石的開采打基礎(chǔ)。從感知內(nèi)容來(lái)看，海底環(huán)境感知主要包括海底地形和礦石分布；從測(cè)試尺度來(lái)看，環(huán)境感知包括整體環(huán)境粗略測(cè)量和局部精確測(cè)量；從實(shí)現(xiàn)手段來(lái)看，環(huán)境感知可以通過(guò)光學(xué)成像技術(shù)和聲學(xué)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于海底光學(xué)成像系統(tǒng)，國(guó)外的Deepsea Power & Light公司、康士伯公司以及Subc Imaging公司等已經(jīng)具備海底光學(xué)成像系統(tǒng)的研制能力，而國(guó)內(nèi)的研究仍處在初步探索階段。對(duì)于聲學(xué)成像系統(tǒng)，國(guó)外研究得到聲學(xué)感知技術(shù)的混響具有非常平穩(wěn)的功率譜密度；國(guó)內(nèi)則以中南大學(xué)為代表，對(duì)混響情況下的聲學(xué)感知方式進(jìn)行了一系列的研究，但仍然未能很好的實(shí)現(xiàn)海底渾濁情況下的聲波準(zhǔn)確探測(cè)。

（2）行進(jìn)控制系統(tǒng)

海底采礦車行進(jìn)系統(tǒng)采用自行式行進(jìn)方式，主要分為螺旋槳推進(jìn)式、阿基米德螺旋式和履帶自行式。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的選擇和發(fā)展，目前主流的行進(jìn)系統(tǒng)均采用履帶自行式。履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)自行牽引力大，承載能力高，跨越或繞過(guò)海底障礙容易，對(duì)海底擾動(dòng)較小，操縱性較好，能滿足稀軟海底集礦作業(yè)要求。我國(guó)在“八五”期間研制的采礦車模型機(jī)采用的也是履帶式行走機(jī)構(gòu)，在第二代模型機(jī)中采用尖三角齒特種合金履帶板，進(jìn)一步提高了采礦車在深海稀軟底環(huán)境下的可靠性和行駛性。

（3）礦石采集系統(tǒng)

海底礦石采集應(yīng)滿足采集效率高、對(duì)海底環(huán)境破壞小、礦石—海泥分離能力強(qiáng)、破碎效率高、作業(yè)可靠性高等特點(diǎn)。目前主流的采集方法大致可分為水力式、機(jī)械式和復(fù)合式。三種方式均在海底采礦車模型中得到了應(yīng)用。

水力式集礦方法集礦效率高，對(duì)土壤沉積物的清除十分有效，但該方法需要消耗大量能源，對(duì)土壤的破壞較大。機(jī)械式集礦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 耗能低，缺點(diǎn)為集礦效率不高，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，結(jié)核有隨水流漂浮現(xiàn)象。復(fù)合式集礦法則綜合采用水力和機(jī)械采集方式，利用水力集礦，采用機(jī)械形式的皮帶進(jìn)行傳輸，具有較高的集礦效率，但仍需要消耗大量能源，對(duì)海底土壤影響較為嚴(yán)重。我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開始對(duì)深海集礦裝備進(jìn)行研究，“八五”期間研制了第一代用于多金屬結(jié)核開采的履帶自行式集礦裝備；“九五”期間，改進(jìn)研制了第二代集礦裝備，采用了水力式礦石采集方法，提高了集礦效率，并于2001年在云南撫仙湖進(jìn)行了135米湖試。

水下輸送系統(tǒng)

水下輸送系統(tǒng)將采集和初步處理后的礦石輸送到海面，是連接海底采礦車與水面支持系統(tǒng)的“紐帶”。由于水下輸送系統(tǒng)面臨超長(zhǎng)距離、高速混合物料輸送等特性，同時(shí)需保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、持續(xù)工作，因此水下輸送系統(tǒng)也是深海采礦系統(tǒng)安全性最薄弱的環(huán)節(jié)。典型的水下輸送系統(tǒng)包含潛水提升泵、垂直輸送硬管、中繼站以及輸送軟管。從工程應(yīng)用和科學(xué)研究的角度，對(duì)水下輸送系統(tǒng)的研究一方面是泵—管—中繼站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，另一方面是對(duì)輸送系統(tǒng)內(nèi)礦石海水固液兩相流流動(dòng)保障研究。

采礦船設(shè)計(jì)效果圖

（1）泵—管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泵管系統(tǒng)的研究主要為泵的設(shè)計(jì)和性能分析、硬管和軟管的設(shè)計(jì)和性能分析以及中繼站的設(shè)計(jì)。

泵的設(shè)計(jì)主要根據(jù)深海采礦產(chǎn)能需求，選擇合理的泵的形式以及數(shù)量；依據(jù)礦石顆粒屬性，進(jìn)行泵的流道設(shè)計(jì)；根據(jù)輸送過(guò)程中的沿程阻力損失，選擇合適的揚(yáng)程和功率。

硬管設(shè)計(jì)主要根據(jù)產(chǎn)能需求、泵的性能設(shè)計(jì)管徑尺寸，同時(shí)對(duì)管道重量、連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)采礦區(qū)域的海洋環(huán)境條件進(jìn)行水動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、疲勞特性等進(jìn)行深入分析。

軟管設(shè)計(jì)主要依據(jù)采礦車的作業(yè)能力，設(shè)計(jì)管道尺寸、長(zhǎng)度、力學(xué)特性以及構(gòu)型。

中繼站設(shè)計(jì)主要是依據(jù)輸送特性，設(shè)計(jì)軟管進(jìn)料倉(cāng)、物料存儲(chǔ)倉(cāng)、硬管給料機(jī)等。一方面要根據(jù)產(chǎn)能要求設(shè)計(jì)進(jìn)料形式、物料倉(cāng)尺寸以及給料能力，另一方面需要對(duì)中繼站的作業(yè)能力進(jìn)行數(shù)值或試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)并完善設(shè)計(jì)。

（2）流動(dòng)保障

水下輸送系統(tǒng)的流動(dòng)保障主要是針對(duì)泵—管系統(tǒng)內(nèi)，研究礦石顆粒—海水形成的大顆粒固液兩相流在經(jīng)過(guò)軟管、硬管、提開泵的過(guò)程中的流動(dòng)特性，并針對(duì)可能出現(xiàn)的段塞流、堵塞、磨蝕等問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，給出合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)或解決方案。與海洋油氣開采相比，由于深海礦石輸送過(guò)程中的溫度變化、化學(xué)變化過(guò)程不明顯，對(duì)輸送過(guò)程影響可以忽略；由于管道內(nèi)存在大尺寸、較高濃度的固體礦石顆粒，因此在輸送過(guò)程中堵塞、顆粒對(duì)泵葉輪的沖擊和磨蝕發(fā)生的可能性明顯增大。

流動(dòng)保障的另一個(gè)重要問(wèn)題是系統(tǒng)緊急狀態(tài)下內(nèi)部的流動(dòng)控制和解決方案。對(duì)系統(tǒng)停止、重啟等瞬時(shí)狀態(tài)以及部分關(guān)鍵部件，比如提升泵、給料機(jī)等，停止工作狀態(tài)下泵—管系統(tǒng)內(nèi)固液兩相流的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析，并提出合理的解決方案。

水面支持系統(tǒng)

深海采礦水面支持系統(tǒng)與深海油氣開發(fā)海洋平臺(tái)較為相似，主要不同點(diǎn)集中在連接支持平臺(tái)與水下輸送系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下文將從支持平臺(tái)設(shè)計(jì)和升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面闡述目前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

（1）支持平臺(tái)設(shè)計(jì)

深海采礦船的發(fā)展可以分為三個(gè)階段，一是通過(guò)改造現(xiàn)有的船舶，將性能相近的貨船、鉆井船和甲板駁船等改造為采礦船；二是以現(xiàn)有的船型為基礎(chǔ)，新建單體非自航的寬型采礦船；三是以長(zhǎng)期遠(yuǎn)海采礦活動(dòng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，新建大型綜合采礦船。目前，世界上唯一一艘大型綜合采礦船由新加坡SeaTech Solutions公司為加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司設(shè)計(jì)，我國(guó)福建省馬尾造船股份有限公司建造。雖然在大型特種船舶建造上我國(guó)有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是綜合采礦船需要配備綜合電力推進(jìn)裝置，月池結(jié)構(gòu)，礦石處理、儲(chǔ)存和外輸裝置，系統(tǒng)十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)還不具備相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（2）升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，首先應(yīng)用于鉆井船及半潛式平臺(tái)等海洋結(jié)構(gòu)物上，由于國(guó)外海洋工程技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)成熟，形成了完整的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研發(fā)與建造能力。國(guó)內(nèi)對(duì)波浪升沉補(bǔ)償?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ某晒?，但是幾乎沒(méi)有能夠直接工程應(yīng)用的波浪升沉補(bǔ)償技術(shù)方案，目前仍主要處于理論探討階段。

未來(lái)發(fā)展方向

綠色采礦

目前，歐美、日本等具有海底多金屬結(jié)核的開采能力，開展深海采礦系統(tǒng)的海上聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，部分國(guó)外公司已經(jīng)接近商業(yè)開采。在商業(yè)開采前，評(píng)估深海采礦對(duì)海底生態(tài)環(huán)境的影響是必不可少的環(huán)節(jié)。在開采過(guò)程中，應(yīng)該盡可能減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，一方面需要在開采過(guò)程中做到減小對(duì)環(huán)境的破壞，另外一方面，在產(chǎn)生破壞的基礎(chǔ)上需要盡可能彌補(bǔ)造成的損失。

智能采礦

深海礦石開采如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化是商業(yè)開采需要著重考慮的問(wèn)題，也決定著商業(yè)化開采是否可行。而深海采礦的智能化是解決采礦安全性與經(jīng)濟(jì)效益最大化的重要途徑。

深海大面積的礦石開采需要在對(duì)海底環(huán)境條件、礦石分布情況正確判斷的基礎(chǔ)上，從開采安全性、開采效率等多指標(biāo)最優(yōu)化的角度出發(fā)，根據(jù)深海采礦系統(tǒng)的開采能力，自主選擇最優(yōu)的開采路線、開采速度、輸送速度和濃度等，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，在保證深海采礦安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的最大化和經(jīng)濟(jì)效益的最大化?！?/p>