海底采礦技術(shù)

摘要：隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)資源、能源的依賴性逐漸加大。這樣就使得采礦技術(shù)的發(fā)展成為一個(gè)國(guó)家的頭等大事。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和陸地高品位易開采礦產(chǎn)資源逐漸減少，海底采礦日益引起重視。

關(guān)鍵詞：海底礦產(chǎn) 資源 采礦技術(shù) 采礦機(jī)器人

整個(gè)地球，陸地只占地球表面積的四分之一，海洋占地球表面積的四分之三。隨著工業(yè)的發(fā)展，地球陸地礦產(chǎn)資源開始枯竭問題的日益加劇，開發(fā)海洋礦產(chǎn)資源日益起人們的關(guān)注。海洋礦產(chǎn)包括錳、銅、鎳、金屬銀等十幾種礦物。已探明儲(chǔ)量多達(dá)15000億噸的錳結(jié)核是目前海底礦產(chǎn)資源開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。錳結(jié)核賦存于水深四千米到六千米的深海底表面。表現(xiàn)為直徑0.5～25厘米的黑色礦物塊群。已知的賦存海域廣泛分布于從東太平洋的夏威夷群島到北美大陸之間的深海底以及印度洋等。中國(guó)目前正在開采的海底礦物有建筑用的砂礫和鈦鐵礦，鋯石，獨(dú)居石。磷釔礦等重砂礦，以及石油和天然氣等。也已從太平洋底取得了一定數(shù)量的錳結(jié)核。

一、海底采礦法

開采海底礦產(chǎn)資源所使用的方法、裝備和設(shè)施因海底礦產(chǎn)資源種類繁多，狀態(tài)各異，分布廣闊，埋深懸殊，也不近相同。

海底采礦技術(shù)一般分表層礦開采和基巖礦開采兩大類。表層大都呈散粒狀或結(jié)核狀，存在于海底各類松散沉積層中例如分布在海濱的磁鐵礦，鈦鐵礦鉻鐵礦、錫砂、鋯石、金紅石、獨(dú)居石、金鉑、金剛石等，重砂礦和砂、礫石等，分布在近海底的磷灰石、海綠石、硫酸鋇、結(jié)核鈣、貝殼和砂礫石等，分布在深海底的錳結(jié)核、多金屬軟泥、紅粘土等，基巖礦是指存在于海底巖層和基巖中的礦產(chǎn)如非固態(tài)的石油、天然氣和固態(tài)的硫黃、巖鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫、重晶石等。在開采海底礦產(chǎn)之前，須查明所采礦床的分布范圍、面積、埋深、儲(chǔ)量、品位。以及當(dāng)?shù)刈匀粭l件和海陸運(yùn)輸能力等，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦產(chǎn)的形態(tài)選擇合適的開采方法、裝備和設(shè)備。

1、海底表層礦開采，由于淺海與深海采礦技術(shù)上的難度不同，因而多為兩種。

（1）海灘、近海底礦的開采。露出水面的海濱、砂礦。通常采用露天開采方法。陸地上使用的挖掘機(jī)械如拉桿電鏟、鋼索電鏟、推土機(jī)等都可用于海濱砂礦的開采作業(yè)。水面以下砂礦礦床的開采，目前作業(yè)水深大多在30米～40米范圍內(nèi)，使用的采礦工具有4種，鏈斗式采砂船、吸物式采礦船，抓斗式采礦船和空氣提升式采礦船。前三種的構(gòu)造和工作原理與挖泥船廠類似。空氣提升式采礦裝置由氣管、氣泵和吸砂管等部分組成。氣管與吸砂管的中部或下端相連通，作業(yè)時(shí)將吸砂管下端靠近砂礦床，啟動(dòng)氣泵，壓縮空氣使吸砂管內(nèi)產(chǎn)生向上流動(dòng)的摻氣水柱。從而帶進(jìn)砂礦固體顆粒，連續(xù)壓氣就可以達(dá)到采礦的目的。這種裝置的缺點(diǎn)是作業(yè)水深增加時(shí)，壓縮空氣的成本費(fèi)呈指數(shù)倍增長(zhǎng)。

（2）深海采礦目前最有前景的深海底表層礦是深海錳結(jié)核和多金屬軟泥。

深海錳結(jié)核已被公認(rèn)為是一種具有商業(yè)開采價(jià)值的礦產(chǎn)資源，近20年來，主要在研制低成本、高效率的采礦裝置，由于錳結(jié)核松散地分布于深海洋大洋底表層。關(guān)鍵問題是需要找到一種合適的垂直提升裝置。目前，公認(rèn)的最有希望的有3種，鏈?zhǔn)讲傻V裝置，水泵式采礦裝置和氣壓式采礦裝置。鏈斗式采礦裝置是高強(qiáng)度的聚丙二醇脂，繩上每隔25～50米安裝一個(gè)采礦戽斗，開采時(shí)，船首的牽引機(jī)帶動(dòng)繩索，使戽斗不斷在海底拖過，挖取錳結(jié)核并提升到船上。1970年8月，已在太平洋水深4000米處成功進(jìn)行了試驗(yàn)。氣壓式采礦裝置是將集礦頭置于洋底，開動(dòng)船上的高壓氣泵，高壓空氣沿輸氣管道向下，從輸?shù)V管的深、中、淺三個(gè)部分注入，在輸?shù)V管中產(chǎn)生高速上升的固、液、氣三相混合流，將經(jīng)過篩濾系統(tǒng)選擇過的結(jié)核提升到采砂船內(nèi)，提升效率約30～35%。水泵式采礦裝置是非曲直將高效的離心泵放在輸送管道中間的浮筒內(nèi)，浮筒內(nèi)充以高壓空氣，支撐離心泵和管道浮在水中，由于高效離心泵的作用而產(chǎn)生高速上升的水流，使錳結(jié)核和水一起沿管道提升至采礦船內(nèi)。

2、海底基巖礦開采，非固態(tài)的石油和天然氣，開采使用的開采工程設(shè)施主要為固定式平臺(tái)，在平臺(tái)鉆井采集到油（氣）后通過輸運(yùn)系統(tǒng)差額往岸上，水深較淺處也有用填筑人工島進(jìn)行鉆井采油（氣），而在水深較大的海域多應(yīng)用浮式平臺(tái)或海底采油（氣）裝置進(jìn)行開采。

固態(tài)的煤、鐵、錫等基巖礦開采一般都從岸上打豎井通過海底巷道開采，也有利用天然島嶼和人工島鑿井開采的，使作業(yè)巷道與海水隔絕，從而與開采陸地同類礦藏的方法基本相似。

二、現(xiàn)代海底采礦

現(xiàn)代海底自動(dòng)采礦系統(tǒng)采用搖控潛水器，可在海底自行采礦，自行上浮，并可將采集的礦石卸到海上半潛式采礦平臺(tái)上。也有人稱這是水下機(jī)器人采礦技術(shù)。是一種較為理想有發(fā)展前途的采礦高技術(shù)，代表了深海采礦技術(shù)的發(fā)展方向。

深海底采礦機(jī)器人作為深海底多金屬結(jié)核采集系統(tǒng)的重要組成部分，主要任務(wù)為收集海底的多種結(jié)核經(jīng)破碎后泵送至揚(yáng)礦軟管。再由軟管泵和6000米硬管輸送泵泵送至海面采礦船。工作中對(duì)象為海底表層的多種金屬結(jié)核。由于深海底質(zhì)的“軟稀”性及深海環(huán)境的未知性，如何保證機(jī)器人在海底的安全按預(yù)定軌跡精確行走，以及高效的采礦效率，是深海底采礦機(jī)器人的主要研究對(duì)象。

三、我國(guó)的海底采礦技術(shù)

我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開始對(duì)深海底采礦機(jī)器人進(jìn)行研究，在綜合研究國(guó)外機(jī)器人作業(yè)行走機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，研制出自行式履帶車模型機(jī)。該機(jī)器人采用近似漸開線高齒橡膠履帶，雙浮動(dòng)懸架和橫向擺動(dòng)梁，雙泵全功率供油，液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，電液壓比例探制，采用水力、機(jī)械復(fù)合集礦方式。“九五”期間，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)，與法國(guó)公司合作，研制了第二代采礦機(jī)器人。主要改進(jìn)表現(xiàn)為采用尖三角齒特種合金履帶板，提高了集礦機(jī)在深海稀軟底環(huán)境下的可靠性和可行駛性。改用全水力集礦方式。進(jìn)一步提高了集礦機(jī)的集礦效率。增加了控制密水箱和相關(guān)傳感器，提高了集礦機(jī)的可操作性。達(dá)到了牽引力大、承載能力強(qiáng)、跨越或繞過海底障礙容易、能適應(yīng)軟海底行走的預(yù)期目標(biāo)。從130米深的海底采集并回收模擬結(jié)核900千克。具有國(guó)際先進(jìn)水平。歷經(jīng)多年的努力，我國(guó)深海底自行走采礦機(jī)器人的機(jī)械模型研制工作已基本完成。

四、發(fā)展方向

現(xiàn)在的深海底采礦機(jī)器人在行為上還處于“低級(jí)生物”的階段，環(huán)境感知能力有限，對(duì)路徑的規(guī)劃只是基于局部環(huán)境信息的簡(jiǎn)單規(guī)劃方式。由于深海底環(huán)境的復(fù)雜性和未知性，該種規(guī)劃方式效率較低。因此，采用基于聲學(xué)傳感器的多傳感器融合技術(shù)，研究深海底未知環(huán)境的即時(shí)定位和環(huán)境建模技術(shù)將是一個(gè)重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

倪建宇、周懷陽(yáng)《中國(guó)多金屬結(jié)核開辟區(qū)的深海環(huán)境》。