姜 月 劉 放 黃世平

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，德陽 618300）

海洋占地球表面2/3，約有15%的海底表面覆蓋著錳結(jié)核。作為重要的資源產(chǎn)地，海洋采礦與陸地采礦采用完全不同的工藝和設(shè)備，涉及海洋地質(zhì)、潛水機(jī)械、揚礦系統(tǒng)以及遙控遙感等一系列復(fù)雜而又先進(jìn)的技術(shù)及裝備。海洋采礦是一項全新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，開發(fā)大洋礦產(chǎn)資源已經(jīng)成為世界許多國家的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，其中世界沿海國家和地區(qū)已進(jìn)入全面開發(fā)海洋資源的新時期。鸚鵡螺礦產(chǎn)公司（NAUTILUS MINERALS）是一家在多倫多上市的初級勘探公司，是深海礦業(yè)的開拓者。這家公司在西太平洋海底發(fā)現(xiàn)多處銅、金、銀和鋅礦床。它的第一個項目索爾瓦拉1（SOLWARA 1）位于巴布亞新幾內(nèi)亞的俾斯麥海域，并已獲得巴布亞新幾內(nèi)亞頒發(fā)的采礦證書，是世界上第一份深海礦產(chǎn)開發(fā)證書。本文主要介紹該艘世界首條深海采礦船的作業(yè)工藝流程及主要配套系統(tǒng)裝備。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢

國內(nèi)深海采礦技術(shù)研究開始于20世紀(jì)90年代初期，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)及研究成果，經(jīng)多年努力研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海采礦系統(tǒng)及相關(guān)配套裝備，初步構(gòu)建了“海底履帶自行水力集礦機(jī)采集-水力管道礦漿泵提升-海面支持采礦船”的深海采礦技術(shù)方案，并完成了大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計和樣機(jī)加工制造。

國外深海采礦技術(shù)研究開始于20世紀(jì)70年代開始，其中美國、英國、加拿大、日本、德國以及法國等已相繼完成深海多金屬結(jié)合開采的技術(shù)儲備。管道提升采礦系統(tǒng)被國際社會列為重點研究試驗的多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)，目前逐步將開發(fā)領(lǐng)域擴(kuò)展到富鈷結(jié)殼、海底熱流硫化物以及天然氣水合物等海底資源開采等，同時注重開采時對海洋生物和海洋環(huán)境的保護(hù)[1]。

2 深海采礦技術(shù)方案

海洋的礦產(chǎn)資源分布在海水中、大陸架以及深海底部，主要分為海水中的溶解礦產(chǎn)資源、海底表面礦床以及海底基巖內(nèi)礦床3類。深海采礦系統(tǒng)的總體目標(biāo)是將海洋礦產(chǎn)資源通過有效的集輸方式運送至海面，經(jīng)過初加工后轉(zhuǎn)運至陸地。根據(jù)開采方式的不同，它主要分為拖斗式采礦、連續(xù)繩斗式采礦、自動穿梭艇式采礦以及管式提升式采礦4種[2]。其中，管式提升式采礦根據(jù)海底采礦車與礦石中繼倉軟管的長度不同，分為硬管采礦和軟管采礦。海洋采礦系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

深海礦藏多儲藏在水深數(shù)千米以下，如多金屬結(jié)合儲藏于水深5 000～6 000 m的海床，富鈷結(jié)殼生長在水深2 000～4 000 m的海山上，熱液硫化物多儲藏于水深2 000～2 500 m的海床[3]。本文研究的深海多金屬硫化物礦藏儲藏在1 600 m的海底，其中水下礦石切割提取的設(shè)備和技術(shù)方法已取得重要進(jìn)展。使用油氣工業(yè)的遙控技術(shù)可開采高品位礦石（泥），并抽送到海面貨船，經(jīng)脫水后運到陸上選礦。

鸚鵡螺商業(yè)采礦船設(shè)計吃水13.2 m，航速12 n mile/h，適應(yīng)水深2 500 m，配置了深海礦物采集系統(tǒng)、礦物提升系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物儲存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、水下機(jī)器人、大型甲板吊車以及直升機(jī)平臺等。海底開采的礦漿為由礦物、泥沙以及海水等成分組成的混合流體，固體體積占比約12%，礦產(chǎn)固體平均密度3.3 t·m-3，最大顆粒直徑50 mm，礦物年產(chǎn)量1.8×106t，可裝載貨物39 000 t，總載質(zhì)量能力45 000 t。該船由福建馬尾造船股份有限公司承制，水下挖掘機(jī)由英國SMD公司提供，水下舉升泵由GE公司提供，水力提升系統(tǒng)由TECHNIP提供。系統(tǒng)還包括可逆式皮帶機(jī)、堆垛設(shè)備、鏟斗機(jī)、斗提機(jī)以及伸縮式裝船機(jī)等。

圖1 海洋采礦系統(tǒng)的流程圖

水力提升采礦系統(tǒng)由集礦機(jī)、揚礦、監(jiān)控、采礦船以及運輸支持5個子系統(tǒng)組成。集礦機(jī)由采礦裝置、分離裝置、行走裝置、液壓以及電氣系統(tǒng)等組成。

利用挖掘機(jī)械和輔助粉碎機(jī)械挖掘及粉碎礦物沉淀層，利用礦物收集機(jī)械收集粉碎后的礦物。挖掘機(jī)械、輔助粉碎機(jī)械以及礦物收集機(jī)械均通過甲板臍帶纜控制，但僅有礦物收集機(jī)械與舉升泵通過軟管連接。設(shè)備將礦物輸送到舉升泵，利用舉升泵把礦漿泵送到甲板脫水系統(tǒng)處理。脫水后的礦物直接輸送到運輸船或礦物存儲倉。

3 深海采礦主要配套設(shè)備

3.1 海底挖掘系統(tǒng)

礦物在海底呈大塊狀，厚度從十幾米到數(shù)十米。經(jīng)過測試大量海底礦產(chǎn)樣本力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，海底多金屬硫化物斷裂特性類似于煤，韌性和塑性類似于鹽和碳酸鉀。海底挖掘系統(tǒng)借鑒陸地煤礦開采和河道疏浚等工程經(jīng)驗，實現(xiàn)了海床礦產(chǎn)的挖掘、切割、粉碎及收集處理[4]。

根據(jù)作業(yè)海床地形情況、海床表層附著物厚度以及海底礦產(chǎn)布置等因素，選用作業(yè)機(jī)械包括輔助粉碎機(jī)械（Auxiliary Cutter，AC）、 挖 掘 機(jī) 械（Stockpiling Bulk Cutter，SBC）以及礦物收集機(jī)械（Collecting Machine，CM），如圖2所示。這3個設(shè)備異同點包括以下幾個方面：均配有控制臍帶纜，但只有CM配接軟管，用于礦漿輸送至SSLP；均使用船尾纜繩下放方式，設(shè)備頂部配有喇叭口，便于設(shè)備回收時纜繩快速對接；均為水面遠(yuǎn)程控制，臍帶纜承擔(dān)視頻信號、動作控制信號以及作業(yè)工況參數(shù)等數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；均為履帶式行走方式，配備水下集成液壓站，以便實現(xiàn)水下液壓驅(qū)動。

圖2 海底挖掘機(jī)械

AC用于礦物沉淀層的挖掘與平整，切削海床時設(shè)備端部一副棘齒滾輪向內(nèi)旋轉(zhuǎn)破碎巖石。為避免因切削巖體時產(chǎn)生的反扭矩影響設(shè)備穩(wěn)定性，在設(shè)備前端兩側(cè)分別配置懸臂支撐結(jié)構(gòu)。作業(yè)面擺動量11.6 m，俯仰范圍-1～4 m。經(jīng)AC平整的礦藏仍存在大塊巖石，為滿足水力提升粒徑小于50 mm泵送要求，利用SBC對礦石進(jìn)行破碎與粉碎。滾筒寬度4.2 m，俯仰范圍-0.5～4 m。CM用于粉碎后的礦產(chǎn)收集。CM在下放海床后啟動前，利用ROV機(jī)械手將其與舉升泵通過海底軟管相連，通過切削頭與輸送泵將采收的礦漿輸送至舉升泵，作業(yè)面擺動量±4 m，俯仰范圍-2～5 m[4]。該套系統(tǒng)各設(shè)備可同時連續(xù)作業(yè)，需要注意臍帶纜纏繞的風(fēng)險。圖3為鸚鵡螺礦業(yè)深海挖掘作業(yè)流程。

圖3 海底挖掘作業(yè)流程

3.2 海底軟管

海底軟管為海底挖掘設(shè)備與舉升泵間提供礦漿輸送通道。為保證海底軟管懸浮于海底，部分軟管外部需搭配外浮力材料使用，浮力材料與軟管質(zhì)量比為0.75。在緊急脫離情況下，海洋采礦系統(tǒng)脫離方式與油氣開采系統(tǒng)不同。深海采礦系統(tǒng)在10 s內(nèi)可完成海底軟管與CM的快速脫離，使得船體及時航離風(fēng)暴區(qū)域。海底系統(tǒng)滿足5天自存，待風(fēng)暴過后，通過水下定位系統(tǒng)和ROV輔助恢復(fù)采礦作業(yè)。

3.3 水下舉升泵

水下舉升泵（Subsea Slurry Lift Pump，SSLP）懸掛于海床附近，下部在月池區(qū)域完成與海底軟管的連接，通過連接隔水管系統(tǒng)實現(xiàn)下放。下放的同時通過連接隔水管法蘭盤管卡，將兩根臍帶纜（一用一備）固定在隔水管法蘭盤。臍帶纜為3層環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為光纖纜提供控制信號，中間為動力電纜，外部為保護(hù)層。舉升泵為隔膜泵形式，利用海水驅(qū)動。正常工況下，舉升泵排量為863 m3·h-1，由水面發(fā)出電控制信號控制水下液壓系統(tǒng)動作。另外，它配備有水下定位GPS和水下應(yīng)急電源UPS。

3.4 隔水管系統(tǒng)

隔水管系統(tǒng)主要包括伸縮接頭鵝頸管、伸縮短節(jié)、帶浮力塊隔水管、不帶浮力隔水管、帶渦激抑制旋流板的隔水管、填充閥以及上部/下部撓性接頭等，為SSLP與脫水系統(tǒng)提供礦漿輸送通道。隔水管主要分為帶浮力塊和不帶浮力塊兩種形式，最大外徑1.2 m，隔水管主管尺寸30.48 mm，輔管尺寸20.32 mm。隔水管在存儲區(qū)存放時，各層隔水管間用卡板分隔，可避免浮力材料受壓損壞，確保堆疊的隔水管間不接觸。采礦所配置隔水管系統(tǒng)較常規(guī)油氣開采使用的隔水管系統(tǒng)的不同包括以下幾個方面。第一，采礦隔水管單根，中間主管為礦漿輸送提供通道，兩根輔管與月池礦漿回收艙相連，用于將脫水后的礦漿利用流體泵回排海底。油氣開采所用隔水管單根，中間主管用于將鉆井液和鉆桿隔離海水。4根輔管用于節(jié)流/壓井、鉆井液增壓管線以及液壓管線等。第二，采礦隔水管系統(tǒng)主管線連接脫水系統(tǒng)，僅為管礦漿提供單向舉升通道。油氣開采隔水管系統(tǒng)主管線連接泥漿循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)嵌鉆桿，為鉆井泥漿提供循環(huán)通道。第三，采礦隔水管系統(tǒng)無需配備分流器。深海油氣開采時存在淺層氣等風(fēng)險，故需在隔水管系統(tǒng)頂部配備分流器。第四，采礦隔水管系統(tǒng)下端部連接SSLP，提升礦漿水力。油氣開采隔水管系統(tǒng)下部連接底部鉆井隔水管總成和防噴器。第五，采礦隔水管系統(tǒng)與油氣開采系統(tǒng)相比，采礦系統(tǒng)未配備隔水管張緊系統(tǒng)和鉆井設(shè)備升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。由于采礦系統(tǒng)的SSLP懸掛于海床上部，與海底不接觸，故對海浪升沉要求精度不高。水力提升系統(tǒng)質(zhì)量可由鉆臺面卡盤、月池夾持系統(tǒng)等承擔(dān)。但是，隨著作業(yè)水深的增加，隔水管系統(tǒng)的升沉慣量增加，需考慮對船體造成風(fēng)險。油氣開采時，隔水管系統(tǒng)與井口系統(tǒng)直接相連，對升沉補(bǔ)償精度要求高。

3.5 脫水系統(tǒng)

海底開采的礦漿為礦物、泥沙以及海水等組成的混合流體。礦產(chǎn)固體平均密度3.3 t·m-3，最大顆粒直徑50 mm。為便于礦物存儲及運輸，需經(jīng)脫水系統(tǒng)處理。脫水系統(tǒng)主要分為3個模塊。首先，經(jīng)篩分模塊（Screen Module）進(jìn)行礦漿粗分離，篩出粒徑范圍12～50 mm的顆粒。其次，經(jīng)艙柜模塊（Tank Module）篩分粒徑大于20 μm的顆粒。最后，經(jīng)過濾模塊（Filter Module）進(jìn)行超細(xì)分離，篩分出粒徑范圍為15～20 μm[5]的顆粒。脫水系統(tǒng)主要包括振動篩、多級旋流器、離心機(jī)以及壓濾系統(tǒng)。經(jīng)各級脫水后的礦物集中到傳送帶，進(jìn)行分倉移運、篩分及組分檢測系統(tǒng)。脫水后的礦砂通過輸送帶運至貨倉或直接運至駁船。脫水處理后的礦漿以海水、海洋微生物以及超細(xì)礦渣為主，在回收艙匯集后經(jīng)提升系統(tǒng)注入海底，能夠最大程度減少對海洋環(huán)境的破壞。

3.6 存儲轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

存儲轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的作用是將脫水處理的礦物暫存于貨倉。當(dāng)?shù)V石運輸駁船抵達(dá)后，通過提升系統(tǒng)將礦物轉(zhuǎn)運至駁船。礦物存儲系統(tǒng)主要由分倉系統(tǒng)和布礦系統(tǒng)組成。礦物轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要由提升系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)組成，包括可逆式皮帶機(jī)、堆垛設(shè)備、鏟斗機(jī)、斗提機(jī)以及伸縮式裝船機(jī)等設(shè)備。脫水處理后的礦物暫存于船艙，經(jīng)分倉及布礦系統(tǒng)均布處理后，確保船體不受偏載，并隨時觀測船體吃水深度。駁船抵達(dá)后，通過提升系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)將礦物運至運輸駁船，直至運抵陸地。礦石采集、存儲轉(zhuǎn)運與運輸駁船頻率相匹配，可確保采礦作業(yè)的連續(xù)高效性。

4 其他

近年來，日本深海采礦領(lǐng)域工程應(yīng)用除鸚鵡螺礦產(chǎn)公司的采礦船外，因其礦產(chǎn)資源主要依賴進(jìn)口，故逐步加大了對深海采礦領(lǐng)域的研發(fā)及投入。沖繩外海海底1 600 m水深發(fā)現(xiàn)較大儲量的海底熱水礦藏，以無巖漿的水下火山形式儲備大量水下熱流、金屬礦物及硫化物等。已探明的礦產(chǎn)資源含有金、銀、銅、鉛、錳、鎳等金屬元素，伴隨海底熱流從地層中溢出，最終沉淀于海床表層。

采用海底機(jī)械臂和海底破碎機(jī)等將已覆蓋在海床表面的礦產(chǎn)粉碎，在水下經(jīng)過初級篩選過濾，利用金屬礦物的比重特性和磁力特性等分離出巖石等雜質(zhì)，直接留至海底。提取的礦漿通過水力提升系統(tǒng)將礦漿舉升至水面，提高了礦漿金屬含量和礦產(chǎn)采收率。

對于暫未溢出的地層熱水礦藏資源，日本利用“凡德華力”原理效應(yīng)，提出“養(yǎng)礦法”開采方式，即使用鉆頭對存在熱水礦藏的海床表層強(qiáng)制定向鉆取溢流孔洞，使海底熱流自然噴出，出口溫度約400 ℃。將內(nèi)徑為0.5 m的環(huán)形圓盤坐在此孔洞位置，金屬礦產(chǎn)會在環(huán)形圓盤上逐漸聚合。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定提升質(zhì)量時，此環(huán)形圓盤將被提升至水面。此種開采方式的礦產(chǎn)純度高，日產(chǎn)量110 kg。采礦過程中，白領(lǐng)號深海探測船與采礦船配合使用，具備3D立體HD探查能力，通過下放光纜地質(zhì)探查器提前采樣分析，可探勘海底的山脈分布情況、地下斷層情況及海底礦產(chǎn)儲藏情況等地質(zhì)結(jié)構(gòu)。ROV觀測水下挖掘裝置作業(yè)位置，提高采礦資源勘探效率、選址準(zhǔn)確度及采礦作業(yè)采收率。

5 結(jié)語

為解決我國銅、鈷、鎳、錳等礦產(chǎn)緊缺的現(xiàn)狀，提高國家深海采礦技術(shù)以及在聯(lián)合國規(guī)定區(qū)域內(nèi)的競爭力，我國深海采礦新工藝及成套裝備技術(shù)的研究迫在眉睫。

從環(huán)境保護(hù)方面來看，深海采礦產(chǎn)生的噪聲不僅會影響海洋生物，還會影響海床生態(tài)環(huán)境，甚至?xí)茐暮４惨韵碌牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，產(chǎn)生大量酸性廢水、揚塵污染、噪聲污染及地層下陷等問題，因此需注意海底設(shè)備的降噪減排處理。

從技術(shù)嫁接方面來看，深海裝備已在海上油氣開采裝備、大洋科考船、大洋勘探船以及海上運輸駁船等領(lǐng)域具備成熟的技術(shù)，可整合各領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)力量集中開采海洋礦產(chǎn)資源、海底熱流硫化物以及海洋天然氣水合物等資源。以水合物開采為例，水合物在埋層是固態(tài)，開采后會分解為天然氣和水發(fā)生相態(tài)變化，產(chǎn)生大量不可控的甲烷氣體溢出海面，不僅會增加開采風(fēng)險，而且會帶來巨大的溫室效應(yīng)。因此，輸送過程中要防止水合物二次固化、堵塞輸送通道等問題。對于天然氣水合物開采而言，從其試采到大規(guī)模商業(yè)開采應(yīng)用還需漫長的過程。

除以上系統(tǒng)裝備外，海工水下裝備的研發(fā)與制造不僅需克服深海低溫高壓、高腐蝕以及復(fù)雜地形等困難，還需在大排量舉升泵、深海信號傳輸、深海船體動力定位以及海洋升沉補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。