官 雷，張東寬，夏玉超，夏建新

（中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京100081）

關鍵字：多金屬結核；水力式采集系統(tǒng)；結構參數(shù)

開發(fā)深海資源對未來我國國民經濟發(fā)展具有深遠的戰(zhàn)略意義。深海蘊藏著豐富的礦產資源，僅多金屬結核儲量就達數(shù)百億噸，折合銅、鎳、鈷金屬量 20多億噸，這些資源是未來人類發(fā)展重要的物質基礎[1]，尤其是鈷資源，是新能源材料中不可或缺的重要原材料。

目前，深海多金屬采集技術還不夠成熟，關鍵技術正處在從實驗室走向海底的階段。由于稀軟底質原位力學特性數(shù)據(jù)缺乏，采礦車采集機構和行駛機構技術路線和參數(shù)匹配不合理，導致采集效率低[2]?，F(xiàn)在深海多金屬結核采集面臨三方面的技術難題：第一，結核礦石賦存于數(shù)千米深的海底，所在的海洋環(huán)境壓力極高，所有模塊必須適應這種極端壓力環(huán)境，同時，采礦車要有良好的適應性和工作可靠性；第二，結核礦石賦存在海底表層或次表層稀軟沉積物上，有的半埋，有的全埋，有的全露在海水中，且粒徑大小不一（大的直徑達到30 cm，小的僅有幾厘米），采礦車需要對寬級配礦石有較好的適應性和較高的回采率；第三，結核礦石僅存在于海底表面薄薄一層，賦存分散，采礦車需要在大范圍內快速行駛，才能保證采礦效率[3-4]。

本文對中國深海礦產實驗室、韓國海洋科學技術研究院（Korea Institute of Ocean Science and Technology，KIOST）和比利時全球海洋礦物資源公司（Global Sea Mineral Resources，GSR）近期開展的多金屬結核采集頭結構與參數(shù)和采集效果進行比較分析，以確定采集頭參數(shù)范圍，為下一步優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 多金屬結核采集方式

采集方式是采礦系統(tǒng)中技術最復雜、最關鍵的部分。盡管從20世紀60年代開始，人們就對深海多金屬結核的開采方式進行了廣泛的研究，期間出現(xiàn)了上百種采集方式和采集機構專利，但是在深海采礦過程中，將不可避免地對海底產生擾動，破壞海底底棲生物的環(huán)境甚至直接殺死運動能力弱的底棲生物，導致礦區(qū)的底棲生物多樣性降低；采礦廢水排放對水體的污染可能對表層水體的生物多樣性有危害，而深海底部具有與陸地不同的異常高的生物多樣性，但其生態(tài)系統(tǒng)由于生產力極低而異常脆弱，在人類對其了解不充分時開展深海采礦活動可能對海洋環(huán)境造成不可逆轉的破壞，并且由于聯(lián)合國海洋公約法生效，對海洋環(huán)境保護的要求更加嚴格[5]，極大地影響了集礦原理的選擇。綜合比較分析在技術上和經濟上有價值的采集方式主要有3類：水力式、機械式和復合式。

1.1 水力式采集

水力集礦是利用水流分離和移動賦存在海底沉積物表面上的結核。1978年在太平洋的海試驗證了水力式集礦原理的可行性，被認為是第一代商業(yè)集礦機最主要的形式之一[6]。與其他的集礦原理比較評價表明，利用水射流沖采或產生負壓抽吸結核，機構簡單，經久耐用，集礦頭通過各種海底沉積物無需復雜的高度定位控制，故障率低。其缺點是：由于渦流效應導致采集效率不高；采集大量沉積物和有機物，對海底和水體產生的環(huán)境影響大；消耗功率大。這些問題都是在后續(xù)工作中需要改進和創(chuàng)新的重點[7]。而水力式采集又主要有兩種不同的結構：水射流附壁效應集礦即單排噴嘴水力式集礦以及水射流舉升集礦即雙排噴嘴水力式集礦[8]。下面對兩種不同的水力式采集頭結構進行介紹。

1.1.1 雙排噴嘴水力式采集頭結構

雙排噴嘴沖采水力式其工作原理是利用離海底一定高度的前后排相對斜向海底的噴嘴產生的水射流，將結核沖離沉積層，洗掉一部分沉積物，在形成上升水流的作用下將結核舉起來，并在集礦裝置向前移動時利用康達效應的作用將結核送入破碎機料口[9]。我國和德國錫根大學（Universit?t Siegen）的研究者們均選取了這種采集方式，其結構簡單，由三臺泵、輸送流道和噴嘴組成，工作可靠，拾取率高，含沙量低，結構形式如圖1（a）所示。

1.1.2 單排噴嘴水力式采集頭結構

比利時GSR公司研究了機械式和水力式，經過探索性概念研究和小型實驗室測試后，由于水力式的簡單性和預期的生產可靠性，發(fā)現(xiàn)其是最有前景的，因此選擇了水力式集礦機。不同于中國的采集頭，GSR公司采用的是單排噴嘴。其采集頭系統(tǒng)由集電極頭、射流水泵，以及高度、流速等傳感器組成。采集頭上配有兩個不同的高度讀取系統(tǒng)，放置在采集頭的前面。由于海水濁度可能會影響讀數(shù)，因此還安裝了一個額外的機械備用系統(tǒng)。采集頭上安裝了6個相同的噴射水泵：4個用于接送噴射泵，2個用于輸送噴射泵。另外，采集和傳輸射流的速度將由射流水泵的轉速控制：通過改變轉速，調整射流速度，以應付不同的采集條件。采集頭示意圖如圖1（b）所示。

圖1 采集頭示意圖

1.2 機械式采集

機械集礦是利用猶如旋轉斗輪和鏈式輸送機的機械運動件實現(xiàn)采集和運輸結核。實際上，無附加噴嘴或其他水力輔助件配合，純機械集礦結構是不切實際的，主要原因是純機械結構會挖取大量沉積物[10]。雖然機械式的采集效率比水力式高，對環(huán)境的影響是可以接受的，甚至最初考慮為有可能用于商業(yè)采礦系統(tǒng)之一，但是其缺陷是：運動件較多，挖齒容易損壞；集礦口容易被大塊堵塞；挖斗式卸載困難，結核易黏在斗內；滾筒耙齒—齒鏈輸送式由于障礙物和置換流作用，結核多半被推入沉積層內，更換維修困難，無法滿足深海采礦無故障地連續(xù)工作幾十個小時。因此不考慮這種采礦方式作為將來海底采礦的選擇[11-12]。

1.3 水力機械混合式采集

水力式混合采集也稱復合式集礦，主要是利用水射流沖采和傾斜鏈帶輸送機輸送結核，或利用水射流和機械齒耙聯(lián)合挖取結核。組合方式可以多種多樣。最典型的是雙噴嘴沖采、舉升結核與傾斜齒鏈輸送機組合。

韓國海洋科學技術研究院設計之初提出了三種不同類型的深海采礦的采集裝置：機械型、水力型和混合型。綜合研究比較下來，研究者考慮到機械式集礦收集效率高，但是其結構復雜，故障率高且對海底環(huán)境會造成直接的機械擾動[13]；而水力式雖具有結構簡單、可靠性高且不會因海底的變化而產生性能特性的變化的優(yōu)點，但是在采集過程中它不僅收集錳結核，與此同時還會收集到海底的沉積物和有機質，對海底環(huán)境造成了一定的影響，并且負壓輸送的消耗功率較大。因此韓國海洋科學技術研究院最后選擇了混合式采集系統(tǒng)，該裝置在一定程度解決了上述存在的問題[14]。在混合型采集系統(tǒng)中，其采集頭結構由兩臺液壓升降機噴水泵，同時工作，以提高提升收集效率。前水射流可以稍微提升結核，而后水射流則作為一個顛簸板。該類型的收集裝置精確控制水射流的速度和角度是至關重要的前提，裝置的示意圖如圖2所示。

圖2 韓國采集頭示意圖

混合式集礦機的優(yōu)點是：采集阻力小，通過障礙時采集機構不易損壞；射流過程中使結核上黏附的沉積物大部分被洗掉，齒鏈輸送功率比負壓輸送功率小。但是其缺陷是：集礦口離地面的高度變化不能過大，否則影響集礦的效率，與此同時離地高度不能過大這一限制就決定了該方式無法開采大粒徑的礦石結核；水力系統(tǒng)的參數(shù)和流道形狀的確定比較困難，需要大量的模擬與試驗加以修正優(yōu)化才能投入使用，距離投入到商業(yè)開采還有很長一段距離。

綜上所述，機械式與水力機械混合式存在明顯缺陷，水力式相較前者更適合投入商業(yè)開采使用。雙排噴嘴射流采集式經過20多年的試驗室原理模擬試驗，取得了良好效果，因為該方式沒有機械運動部件，可靠性好，結構簡單，因此被認為是最具應用前景的采集方式。下面將以水力式采集作為案例深入分析。

2 水力式采集頭的結構參數(shù)確定方法

2.1 采集頭參數(shù)確定方法

采集頭機構之間設計應滿足采集效率最高，能耗最低，攜帶沉積物較少和結構簡單工作可靠等要求。采礦頭是采集機構的核心部件，各個參數(shù)的確定直接影響其收集效率。前后兩排相對傾斜向海底的噴嘴產生的水射流，將結核沖離沉積層后會形成上升水流將結核舉起，并在附壁噴嘴產生的負壓的作用下送入采集車內。整個過程中，噴嘴直徑、排距、間距、方向角、距底高度（射距），以及射流壓力和流量、車輛行駛速度等參數(shù)之間都是環(huán)環(huán)相扣，下面列舉基本參數(shù)的計算式。

（1）礦石粒徑

結核主要分布在海底松軟沉積物的表面或者表面以下幾厘米的表層沉積物中，球狀為主[15-16]。結核粒徑是確定集礦工作參數(shù)和結構參數(shù)的重要依據(jù)，其值應根據(jù)礦區(qū)結核粒徑分布統(tǒng)計結果確定。采樣結果表明，西太礦區(qū)礦石粒徑范圍在2～20 cm之間。

（2）采礦車寬度

集礦寬度根據(jù)采集規(guī)模進行計算。滿足生產能力要求的一次行駛采集寬度按式（1）計算。

式中，A為生產能力，kg/s；a為結核平均豐度，kg/m2；b為集礦寬度，m；Vt為采集行駛速度，m/s；η為采集率，%。由式（1）可以看出，當生產能力和礦區(qū)結核豐度已經確定的情況下，集礦的寬度取決于采集形式的速度與目標采集率。

（3）射流噴嘴工作參數(shù)和結構參數(shù)的確定

射流噴嘴水力參數(shù)主要有噴嘴直徑、排距、間距、方向角、距底高度（射距），以及射流壓力和流量、車輛行駛速度等。由于流場空間形態(tài)復雜，往往需要通過計算程序進行多方案比較才能得到最佳匹配范圍，然后通過模型實驗進行修正，其部分參數(shù)確定方法如下。

噴嘴離地高度。噴嘴應盡可能接近海底，以便獲得較高的回采率。但離底高度必須大于結核突出海底的高度，否則，結核可能被推到集礦頭外，無法進入集礦頭內。原位采樣結果表明，一般結核粒徑在200 mm以下，有部分裸露在沉積物上面，還有部分半埋在沉積物中。為采集更多的礦石，集礦頭底部噴嘴離底高度應設定在200 mm以內。

射流方向角。射流噴嘴與水平方向夾角在39°～50°之間，國外傾向于取小值，而中國傾向于取較大值?；贏NSYS Fluent模擬計算得到采集頭流場結果如圖3所示。射流角度對流場具有重要影響。射流角度將決定射流作用沉積物的力度和深度，必須保證可以將礦石和沉積物攪動，并使之進入流態(tài)化狀態(tài)。

圖3 噴頭射流的流場的流線圖和壓力云圖

前后兩排噴嘴之間間距。由射流產生的上升速度、車輛的行駛速度、噴嘴離地高度和射流角度決定。由圖3可以看出，噴嘴射流后水流左右方向的動量將相互抵消，同時，由于底部邊界阻擋作用，水流將向集礦頭上方流動，由此將帶動礦石也向上運動。礦石上升到集礦頭上方輸送管入口，將在抽吸作用下進入輸送管，完成采集過程。礦石從沉積物剝離、懸浮、上升到輸送管入口需要一段時間，在此時段內，礦石必須仍在集礦頭內（實際采礦時，集礦頭將以一定速度運動）。因此，需要集礦頭噴嘴有一定的前后間距。如圖4所示，當采集車從位置（1）運動至位置（2），其結核運動軌跡如圖。假設結核上升至輸送管道口的時間為ts，結核在水平方向上運動的距離約為前后兩排噴嘴之間間距的二分之一，故噴嘴之間間距為：

圖4 結核運動示意圖

嘴射流速度。當集礦機行駛的過程中，前后噴嘴射流將結核從海底沉積物中剝離出來，并使其懸浮到一定高度，如圖5所示。結核必須在集礦頭離開之前從沉積層被抽吸到輸送管道口，否則，礦石無法進入采礦頭的抽吸管道。噴嘴的射流不僅要能使結核從沉積層中剝離出來還需要將結核舉起一定的高度，因而在確定射流速度時需要同時考慮這兩個因素。根據(jù)水流對顆粒的拖曳力公式和牛頓運動定律，可以計算出結核在上浮至輸送管道口所需的水流上升速度Vf，然后反算出噴嘴出口處壓力。

圖5 噴頭射流作用后結核受力圖

計算方法如下：

式中，F(xiàn)d為拖曳力；CD為阻力系數(shù)；ρ為結核所在環(huán)境的水密度；d為結核直徑；Vs為結核上升的速度；Vf是水流上升速度。

對結核受力分析可知，結核所受合外力F合為拖曳力與結核自身有效重力的差值。

式中，a為結核運動時的實時加速度。

式（5）至式（7）中，Vt為采集車行駛速度；Vs為結核上升的速度；h為結核運動的實時高度；H為離底高度；t為結核運動時間。

噴嘴射流速度V0可按下式進行計算。

式中，P0為噴嘴出口處壓力，Pa；Cd為流速系數(shù)，實驗測得為0.918。

單噴嘴流量可按下式計算。

式中，S0為噴嘴出口面積，m2；

噴嘴直徑可按下式計算。

式中，Q為射流流量，m3/h ；H0為射流壓頭，m。噴嘴直徑大小的確定，要根據(jù)離地高度的變動范圍，保證合理的射距，當噴嘴離地高度在60～200 mm范圍內時，噴嘴直徑大致為10～17 mm。根據(jù)現(xiàn)有試驗結果表明：噴嘴直徑減小，壓頭加大；當噴嘴直徑到達15～20 mm時，不同行駛速度和離地高度對壓頭的影響很小，主要影響流量；水泵的功率很大程度取決于離地高度，離地高度每變化70 mm，功率變化達5～6倍。

2.2 采集頭結構參數(shù)與采集效果比較

德國錫根大學最早開展水力式采集頭的研究，我國借鑒德國錫根大學的技術，也開展了大量的研究工作。對前后兩排噴嘴和導流箱組成的水力集礦原理進行了實驗室試驗研究。通過不同排距、離底高度、直徑、個數(shù)、間距噴嘴和噴射壓力、流量、角度的不同組合試驗，取得了大量數(shù)據(jù)。試驗表明，利用多個小直徑噴嘴（約 2 mm）、離底高度在 18 cm 之內、39°～45°角相對下向噴射，速度達到 7.7～14.3m/s 時，可以將賦存在沉積物 10 cm 深以上的10 cm直徑的結核采集上來[17]。

韓國海洋科學技術研究院所屬船舶與海洋工程研究所從事集礦機和整體系統(tǒng)研發(fā)，經過20年的基礎研究，已經開始進入子系統(tǒng)的海試階段[18]。其開發(fā)的MineRoⅡ型多金屬結核中試采礦系統(tǒng)的集礦機外形尺寸為6 m×5 m×4 m，整機重28 t。結構特點是采用兩個具有完全相同機械和液壓系統(tǒng)的模塊，以便調節(jié)采集寬度，基本集礦寬度為4 m。每個模塊都有兩條履帶，兩個集礦系統(tǒng)，兩臺破碎機和一臺提升泵[19]。車輛行駛速度在0.5～1 m/s，射流速度區(qū)間在13～15 m/s，射流角度在40°～50°隨行駛速度而改變，離底高度在100～150 mm間由高度傳感器控制，可達到80%以上的采集效率。

比利時GSR公司的水力舉升集礦機，使用當前的計算流體動力學（CFD）軟件對注入流體中的固體顆粒進行建模，對液壓舉升系統(tǒng)的工作原理以及執(zhí)行參數(shù)敏感性分析進行了評估[20]，確定了以下初始變量：（1）射流速度：夾帶周圍海水的水流速度在海床上的結核上形成水流，它能夠攪動結核并將其從海底提升起來，在10～20 m/s；（2）噴嘴噴射方向：噴射方向傾斜相對朝下，與行進方向相適應達到更高的采集效率。應避免過于朝下，以盡量減少對土壤的破壞，角度在40°～45°；（3）射流的離地高度：距離應進行調整以獲得最佳的收集效率，高度區(qū)間為50～160 mm；（4）抽吸速度：抽吸區(qū)的抽吸速度范圍在5～8 m/s。

中國、韓國、比利時三國集礦頭結構相似，將三國的采集頭控制參數(shù)進行對比，在實驗室條件下驗證開采效率都可以達到很高的水平，其結果如表1所示。

表1 不同國家采集頭結構參數(shù)

由上表可以看出結核的粒徑大小約為100 mm，平均豐度在20 kg/m3，通過試驗得到了車輛行駛速度、離地高度對采集效率影響[21-22]，如圖6所示。當離地高度超過180 mm時采集效率急劇下降，最佳的行駛速度在0.6～0.8 m/s之間。

圖6 行駛速度對采集效率影響與噴嘴離地高度對采集效率影響

根據(jù)2.1中介紹的采集參數(shù)的確認方法，本文對三個國家的采集參數(shù)進行驗算，根據(jù)式（3）至式（7）及表1中數(shù)據(jù)平均值可分別大致得到中國、韓國和比利時的采集頭對錳結核所產生的上升速度為24.6 m/s、20.01 m/s和28.32 m/s。比利時采集頭這一組數(shù)據(jù)對結核所產生的上升力最大，但效率不穩(wěn)定，相較之下韓國的最小，中國介于二者之間。故可初步確認射流速度為10～20 m/s，離地高度不超過18 cm，抽吸速度為5～15 m/s，采集車行駛速度為0.6～0.8 m/s。

上述試驗研究均是在實驗室完成的，試驗條件可控，如礦石粒徑比較均勻，采集頭離海底的高度不變以及礦石在沉積物里的賦存形態(tài)一致。目前關于采集頭設計參數(shù)研究的成果大都來源于試驗，還有待于理論分析結果的優(yōu)化，尤其是不同條件下淹沒射流流場設計與構建，不同粒級礦石以及不同豐度條件下射流噴嘴結構與噴射壓力等參數(shù)的調整與優(yōu)化[23]。

3 結 論

我國在深海采礦技術方面取得了積極的研究成果，但對比國外一些發(fā)達國家仍存在一定的差距，后期對于采集頭的優(yōu)化還有一段距離才能達到實際的生產挖掘工作中去。初步確定的采集頭參數(shù)大致范圍為：結核粒徑的尺寸為5～12 cm，噴嘴直徑為8～17 mm，射流角度39°～50°，射流速度10～20 m/s，離地高度不超過18cm，抽吸速度為5～15 m/s，采集車行駛速度為0.6～0.8 m/s。上述參數(shù)均是在實驗室完成的，試驗條件可控，與實際情況還存在一定的偏差，這些參數(shù)研究的成果大都來源于試驗，還有待于理論分析結果的優(yōu)化，尤其是不同條件下淹沒射流流場設計與構建，不同粒級礦石以及不同豐度條件下射流噴嘴結構與噴射壓力等參數(shù)的調整與優(yōu)化。同時，深海多金屬結核賦存在深海沉積物上，不同區(qū)域豐度是不同的，埋藏形式也有差異，基于水力射流構建的采集頭如何適應上述變化，采集頭內部流場和輸送參數(shù)如何調整確保高回采率也是采集頭研究開發(fā)面臨另一大的挑戰(zhàn)。接下來擬在已有成果的基礎上，進一步開展試驗和模擬技術解決上述挑戰(zhàn)，使我國深海資源開發(fā)技術能夠快速發(fā)展[24]。