新型深海礦產開發模式的探討

童 波 劉學勤 任 鐵

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

海洋中蘊藏著豐富的礦產資源，目前關注最多的是多金屬結核、多金屬硫化物和富鈷結殼，這些礦產資源主要集中于太平洋、大西洋和印度洋的國際海底區域，以及沿海國家專屬經濟區內的海底。深海礦產資源量巨大，擁有許多陸地稀有的重要戰略性資源和貴金屬資源，且品位普遍高于陸地。多金屬結核多賦存于水深4000 ～ 6000 m的深海平原，全球資源總量約3萬億t［1］，其中太平洋底克拉里恩-克里帕頓斷裂帶（簡稱“CC區”）的多金屬結核數量最多且品位最富。多金屬硫化物多存在于水深800 ～ 3000 m的大洋中脊，富鈷結殼多存在于水深800 ～ 4000 m的海山、海脊和海臺。作為首批海洋礦產資源勘探先驅投資者，我國先后與海管局簽訂了5個礦區（圖1中標示的A、B、C、D和E這5處區域）的勘探合同，成為世界上首個在國際海底區域擁有3種資源礦區的國家。

圖1 我國深海礦產五大區塊分布

20世紀70年代世界深海礦產開發開創期，美國、英國、德國、加拿大、日本和法國等國家，以多金屬結核為研究對象，開展了大量海上原位開采試驗，相繼完成了5000米級的多金屬結核采礦系統技術原型的整體聯動試驗，驗證了深海采礦技術的可行性，打通了采礦系統流程。自21世紀初以來，深海礦產資源的開發工作進入以商業開采為目標以及維護國家海洋權益和經濟利益并重的激烈競爭期，歐盟及各參與國已展開新一輪較量：歐盟計劃開展國際海底礦區4500 m水深的多金屬結核采礦和環境試驗；日本已成為唯一開展3種礦物開采試驗的國家；加拿大已基本具備硫化物商業開采能力。我國自20世紀90年代便進行多金屬結核采礦技術研發，目前也已掌握了海底采礦原理，并進行了陸上試驗和仿真研究，完成了部分采礦系統135 m水深湖試。我國在“十二五”期間已開展了“多金屬結核集礦系統500 m海上試驗”，“十三五”期間也安排了“深海多金屬結核采礦試驗工程”等項目，這些均為未來研制更高性能的采礦系統奠定了基礎［2］。

本文結合深海礦產開發技術發展趨勢，分析了目前采礦模式的關鍵技術與挑戰，提出水面分布式和水下分布式礦產開發新模式以及總體方案構想。

1 深海礦產開發現有模式

深海采礦需要解決的一個重要問題是如何高效地采集海底礦石并提升至海面。為此，美國、英國、法國和日本等國自20世紀70代開始，便圍繞多金屬結核開展形式多樣的采礦系統開發和可行性驗證，先后研制出拖斗式采礦系統、連續繩斗法采礦系統、穿梭艇式采礦系統和集礦機結合管道提升的采礦系統（水力和氣力提升）等［1］。歷經多年，如今采礦方法已從拖斗、拖曳式水力/機械集礦機和阿基米德螺旋驅動自行式集礦機，不斷升級到自行履帶式集礦機等，而水面采礦船集成礦漿水力提升管和自行式集礦機（如圖2所示），是目前公認的最具商業開采優勢的深海采礦模式［3］。

圖2 管道提升采礦系統圖

目前我國籌備的“深海多金屬結核采礦試驗工程”項目也是履帶式集礦機與管道水力提升相結合的采礦系統，該項目擬于2021年下半年開展1700 m海上整體聯動試驗。此外，日本于2017年成功完成的海底多金屬硫化物采掘與礦石提升試驗，以及加拿大鸚鵡螺礦業公司積極推進的富含銅金的深海多金屬硫化物采礦項目，都采用了管道水力提升式采礦系統［4］。

該模式的水面采礦船是整個水下采礦設備布放、作業支持，以及礦物水面處理、儲存、外輸的浮動工作平臺。由于深海采礦至今還沒有進入規?；纳虡I開采階段，無論是系統試驗還是海上試開采，大多是基于技術原理和設計驗證的短期行為。因此出于經濟性考慮，現階段的采礦船基本上是根據海試驗證要求對舊船進行改造所得，專業化、集成化、模塊化和智能化等的程度都較低，未達到商業采礦實際工程化作業要求［5］。由于當前全球首艘用于商業開采的深海采礦船“鸚鵡螺新紀元”仍未交付，故缺少實際工程檢驗和行業規范的指導。

2 現有模式面臨的關鍵技術問題

未來用于商業開采的深海采礦船（如圖3所示）是整個深海采礦系統中功能復雜、投資最大的關鍵系統，是海上作業的基礎。其不僅是水下采集輸送系統的浮動支持平臺，也是整個采礦系統的綜合保障平臺和操作中控樞紐，還是礦物處理、存儲、外輸系統，以及工作人員的居住場所。深海采礦船攜帶采礦機、集礦機、提升系統（礦物輸送系統）及其收放裝置，對從海底采集并提升至水面的礦物進行處理、存儲與轉運外輸。

圖3 采、輸、儲一體化深海采礦船

深海采礦船集航行、作業和居住和保障等功能于一體，系統復雜且集成度高。下文將對該作業模式存在的主要技術問題和挑戰作簡要闡述。

2.1 現有深海礦產開發模式可靠性問題

開發深海礦產資源與開發蘊藏于海底泥面以下數千米的高溫高壓油氣資源不同。油氣資源開采適合“水面平臺+立管系統+水下生產系統”這種串聯的定點作業式生產模式，而深海礦產開發模式則采用“多功能水面平臺+礦漿水力提升管道+自行式集礦機串聯”的作業模式。

以多金屬結核為例，其分布于最深達6000 m的數萬平方公里海底平原。當采用深海礦產開發模式時，6000 m深水成為了水面、水下的天然阻隔，并且由于附連著數根臍帶纜，當持續在數萬平方公里的海底平原長期聯動采礦時，極易造成水面與水下系統的相互干擾，以及指揮控制延遲和聯動采礦效率低等問題。

2.2 全天候作業問題

深海采礦平臺通常在公海作業，具有離岸距離遠、補給困難、可能遭遇惡劣環境等問題。所以，如何提高海域生存能力、擴大作業窗口期、保障自持力并具備良好總體性能，是首要考慮技術挑戰因素。深海采礦平臺作業水深達6000 m，僅能采用動力定位，而且需要足夠的倉儲空間，平臺基本采用大尺度的船形設計，即便應用大功率推進系統也難以抵御臺風等惡劣海況，難以實現全天候作業，而且在臺風來臨前后的水下管道及采礦機的解脫、回收布放也嚴重影響作業效率。

2.3 能耗與新能源應用問題

大型水下設備作業以及船舶系統運行需要水面平臺提供強大的動力，能源消耗十分高。目前通過礦漿水力提升至水面平臺的結核含量僅約10%，脫水后通過水面運輸船送至陸上處理。海底礦物采集、水中長距離礦漿輸送和脫水，以及水面平臺動力定位等都能耗很大，而且深海采礦平臺通常在公海作業，離岸距離遠，故補給運輸成本很高。因此，采用新能源技術保障能源供給，同時降低深海礦產開發水面與水下系統以及維護保障系統的能耗，已成為商業化運營的主要挑戰。

2.4 產量與經濟性問題

根據國內外相關機構預測，滿足深海多金屬結核開采經濟性要求的年產量為干結核300萬t，以目前的水面、水下聯動生產模式，預計我國2035年的技術能力為單系統的干結核年產量110萬t。該產量不僅距離經濟性指標相差甚遠，而且多套系統作業成本又高。因此若要滿足礦產開發高產量要求，不僅給現有裝備提出了較高的技術挑戰，同時也需要創新性的技術來解決水面、水下系統的經濟性問題。

2.5 連接與解脫問題

深海采礦平臺在海上長周期作業過程中，難免會遇到極端惡劣天氣，甚至會出現因來不及回收水下全部采礦系統而危及水面船舶和人員設備安全的狀況。此時，如何開展應急避臺以及如何實現緊急情況下的水下采礦系統與水面平臺的快速連接與解脫，是關系整個系統安全的實際工程問題。

3 水面分布式礦產開發模式

隨著深海礦產商業化開發的臨近，礦產開采產量和經濟性是技術裝備模式的基本考量因素。現有水面采礦船集成礦漿水力提升管和自行式集礦機的一體化模式，無法有效擴展采礦和輸送系統規模，單套系統也就無法滿足年產干結核300萬t的指標。因此，為了提高礦產開采產量和礦產價值，擴大作業窗口期，提出了水面分布式礦產開發模式。該模式將采礦船的一體化功能拆分，將海底采集、垂直提升作業系統集中于半潛式平臺，將礦物脫水處理和儲存集中于大型礦物處理運輸船，進而提高采集效率，增加礦艙容量，提高礦物轉運周期，降低運輸成本。

水面分布式礦產開發系統面向深海6000 m水深，海底已探明資源和地形地貌的多金屬結核礦區。水面由4座半潛式采礦平臺、1艘大型礦物處理運輸船和浸沒式輸送管線組成（如圖4所示），平臺總采集輸送結核能力600 t/h，一次運輸和整體轉運周期為10天，海底開采面積10 km2。

圖4 水面分布式采礦模式

半潛式采礦平臺滿足單臺產量150 t/h的采礦機布置、布放、維修和轉運；滿足6000 m水深硬管和軟管的堆放及轉運流程；滿足塔架、中繼站布置及轉運流程（如圖5所示）。關鍵指標如下：作業水深500 ～ 6000 m，甲板可變載荷5000 t，采用DP-2動力定位系統，可在5級浪、7級風下進行采礦作業，可在7級浪、12級風下生存。

圖5 半潛式采礦平臺

水面分布式礦產開發系統的4座半潛式平臺區域中央設置大型礦物處理運輸船，半潛平臺和運輸船間通過浸沒式管線連接，半潛式平臺提升的礦漿經離心泵和浸沒式管線水面輸送至大型礦物處理運輸船進行礦物脫水處理，該船礦物載重量10萬t，具備礦漿脫水、處理、儲存和自航運輸功能。

4 水下分布式礦產開發模式

針對多金屬結核開發模式中難以解決的水面水下系統串聯聯動可靠性，以及惡劣海況作業、能耗與經濟性、應急解脫等技術難題，提出了涵蓋分布式采礦機和中繼站的水下采礦系統、海底長距離的6000 m垂直輸送系統，以及以核能供應和維修保障為主的海底綜合作業平臺，并融合水下環境監測網、水下導航定位系統、水下電網、水下數聯智控網和?？瞻锻ㄐ啪W，構建深遠海水下分布式礦產開發系統，形成全天候、高產量、低能耗、無人化、無大型水面平臺且可移動轉場的商業化開發概念模式。

4.1 方案闡述

礦產開發系統面向深海6000 m水深、海底100 km2（10 km×10 km）已探明資源和地形地貌的多金屬結核礦區，該礦區由16個2.5 km×2.5 km的分布式區塊組成。

在100 km2的礦區中心設置了具備核能供應、電力分配、中央控制、礦物緩存和維修保障等功能的海底綜合作業平臺（簡稱“平臺”），外圍配置礦物儲存堆場，平臺連接6000 m垂直輸送系統，輸送系統頂部連接水面多功能浮筒。該中央系統的四周為4個2.5 km×2.5 km的區塊，每個區塊中心設有泵送和緩存礦物功能的中繼站。中繼站不僅通過懸浮式立管和臍帶纜連接采礦機，也通過水平輸送管道連接礦物儲存堆場。

此外，該礦產開發系統還配置了水下有纜遙控潛器（Remote Operated Vehicle，ROV），以實現全系統維修保障；配置了深海潛標、浮標、滑翔機、自主水下航行潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等，以構建完善的水下環境監測網；配置了采礦機通導裝置、水下無線聲光通信裝置、水下基站等，以構建水下導航定位系統；配置了深海智能監測設備、立體態勢生成顯控中心、云邊協同綜合計算、深海物理場數據融合管理、協同規劃控制等，以構建數聯智控網。深遠海水下分布式礦產開發系統場景圖和平面區塊分布圖見圖6和圖7。

圖6 深遠海水下分布式礦產開發系統場景圖

圖7 深遠海水下分布式礦產開發系統平面區塊分布圖

4.2 作業流程

采礦機進行2.5 km×2.5 km區塊的多金屬結核采集作業，礦物經懸浮式立管泵送至中繼站后由接力泵經浮管送至礦物儲存堆場。穿梭礦砂運輸船定期航行至預定海域連接水面浮筒的礦物輸送接口，由集礦機、平臺和垂直輸送系統中的提升泵，將礦物儲存堆場的礦物通過水力提升至礦砂運輸船。4個2.5 km×2.5 km區塊完成采集后，由自帶行走裝置的中繼站、采礦機以及懸浮式立管組成的采集系統通過平臺中的軟管和臍帶纜絞車轉場移位至臨近的2.5 km×2.5 km區塊。

4套采集系統轉場至臨近3個區塊后繼續采集作業，10 km×10 km的多金屬結核礦區采集系統共需3次轉場，全部采集完成后實施全系統轉場。水面浮筒配置全回轉推進器輔助垂直輸送系統定位；平臺配置推進系統和壓排載系統實現起浮和移位轉場；采礦機、中繼站和平臺間通過臍帶纜實現動力以及控制和通信；平臺、垂直輸送系統和浮筒間也通過臍帶纜實現動力以及控制和通信； 水面浮筒配置通信設備通過衛星實現岸基遠程通信。

4.3 關鍵系統配置

4.3.1 海底綜合作業平臺

無人化海底綜合作業平臺具備核能供應、電力分配、礦物緩存和維修保障等功能。深海水下分布式礦產開發系統所有設備工作所需的電能均由海底綜合作業平臺提供，通過分布式配電系統，實現對各設備的電能分配。分布式配電系統以核電站為核心主電站，縱向延伸至立管頂端的動力浮筒，為浮筒所搭載的設備供電；同時，橫向展開覆蓋各水下分電站，向采礦機、中繼站、集礦機和垂直輸送系統等海底設備供電；另外在海底設置了維修保障系統，ROV可對采集礦機以及輸送泵組等進行維護和部件更換。維保系統集成在海底綜合作業平臺內，可由其提供動力，并一起完成轉場。

4.3.2 采集礦機

基于水力采集、螺旋槳推進、零浮力和雪橇的浮游式采礦機可有效解決打滑與沉陷等問題，且具有對海底擾動小等優點。本系統采用4臺浮游式采礦機進行結核采集，并將結核輸送至堆場。堆場處則采用絞吸式集礦機，將礦物經海底綜合作業平臺輸送至垂直立管。

4.3.3 輸送系統

水力管道提升被認為是當前最具有商業化前景的深海礦物提升方案。該方案利用礦漿泵等將海底集礦機采集的礦物與海水混合通過立管提升到海面；垂直輸送立管系統用于連接海底平臺和水面浮筒，并將礦漿輸送泵串接在垂直輸送立管上。

4.3.4 中繼站

中繼站為采礦機與海底堆場的中間平臺，與采礦機通過浮管相連，以更好地適應采礦機的自由運動。中繼站與海底堆場間采用浮管敷設，以免影響采集礦機作業。中繼站設有行走裝置，自主完成轉場；設有礦漿泵，可將采集礦機收集礦物輸送至堆場；中繼站同時也為深海定位潛標提供安裝平臺。

4.3.5 水面浮筒

在水面設置具有動力定位功能的浮筒，配置推進器，底部結構與垂直礦物輸送系統相連，浮筒輔助輸送系統的水平定位。浮筒甲板面配置了轉運礦物至運輸船的接口管系，并配置了通信設備以實現遠程岸基控制。

4.3.6 岸、海、空通信網

為實現礦產開發平臺與岸基的必要通信，滿足大量水下設備之間的無人通信互聯，設計了1套礦產開發平臺專用的深海通信網。深海礦產開發系統與岸基中心的信息交互通過布放在立管頂端的水面浮筒實現，水面浮筒下端通過光纜連接水下中繼光端機，獲取水下設備傳輸上來的各種信息，通過自身搭載的衛星通信系統，實現“海-岸”信息交互。水下中繼光端機依附于立管安裝，中繼光端機之間通過光纖連接，可建立千兆級通信傳輸網絡，形成溝通海底與水面的“深海信息走廊”。此外，在海底的信息來源端布設深海聲光通信潛標，從而實現整個深海工作面通信網絡的平面展開。深海通信潛標固定安裝在水下中繼站頂部，與立管下端的中繼光端機通過光纖連接，向4個方向呈輻射狀分布，形成覆蓋海底工作面的局域網。每個通信潛標搭載聲光通信模塊，通過聲光通信手段與海底各設備建立可靠連接，并將采集到的信息轉換成光信號進行傳輸。

5 結 語

深海礦產開發是海洋新興產業的重要戰略方向，也是未來高新技術的制高點。深海礦產開發不僅涉及多個技術領域，技術體系復雜，還具有高技術集中且密度高等特點。

本文探討了目前水面采礦船采、輸、儲一體化模式的技術難點及挑戰，提出水面分布式和水下分布式礦產開發模式，闡述此創新模式的概念。鑒于深海礦產開發的難度與技術復雜性，建議我國盡快啟動采輸儲一體化模式下的深海采礦平臺和系統裝備研究以及工程化開采試驗驗證，形成深海礦產資源開發能力，并推動水面分布式和水下分布式礦產開發等顛覆性技術研究頂層規劃。