海底采礦技術

摘要：隨著科學的發展，人們對資源、能源的依賴性逐漸加大。這樣就使得采礦技術的發展成為一個國家的頭等大事。隨著科學技術的進步和陸地高品位易開采礦產資源逐漸減少，海底采礦日益引起重視。

關鍵詞：海底礦產 資源 采礦技術 采礦機器人

整個地球，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。隨著工業的發展，地球陸地礦產資源開始枯竭問題的日益加劇，開發海洋礦產資源日益起人們的關注。海洋礦產包括錳、銅、鎳、金屬銀等十幾種礦物。已探明儲量多達15000億噸的錳結核是目前海底礦產資源開發的一個熱點。錳結核賦存于水深四千米到六千米的深海底表面。表現為直徑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量的錳結核。

一、海底采礦法

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

海底采礦技術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、結核鈣、貝殼和砂礫石等，分布在深海底的錳結核、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如非固態的石油、天然氣和固態的硫黃、巖鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫、重晶石等。在開采海底礦產之前，須查明所采礦床的分布范圍、面積、埋深、儲量、品位。以及當地自然條件和海陸運輸能力等，在此基礎上，根據礦產的形態選擇合適的開采方法、裝備和設備。

1、海底表層礦開采，由于淺海與深海采礦技術上的難度不同，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械如拉桿電鏟、鋼索電鏟、推土機等都可用于海濱砂礦的開采作業。水面以下砂礦礦床的開采，目前作業水深大多在30米～40米范圍內，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，作業時將吸砂管下端靠近砂礦床，啟動氣泵，壓縮空氣使吸砂管內產生向上流動的摻氣水柱。從而帶進砂礦固體顆粒，連續壓氣就可以達到采礦的目的。這種裝置的缺點是作業水深增加時，壓縮空氣的成本費呈指數倍增長。

（2）深海采礦目前最有前景的深海底表層礦是深海錳結核和多金屬軟泥。

深海錳結核已被公認為是一種具有商業開采價值的礦產資源，近20年來，主要在研制低成本、高效率的采礦裝置，由于錳結核松散地分布于深海洋大洋底表層。關鍵問題是需要找到一種合適的垂直提升裝置。目前，公認的最有希望的有3種，鏈式采礦裝置，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度的聚丙二醇脂，繩上每隔25～50米安裝一個采礦戽斗，開采時，船首的牽引機帶動繩索，使戽斗不斷在海底拖過，挖取錳結核并提升到船上。1970年8月，已在太平洋水深4000米處成功進行了試驗。氣壓式采礦裝置是將集礦頭置于洋底，開動船上的高壓氣泵，高壓空氣沿輸氣管道向下，從輸礦管的深、中、淺三個部分注入，在輸礦管中產生高速上升的固、液、氣三相混合流，將經過篩濾系統選擇過的結核提升到采砂船內，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，浮筒內充以高壓空氣，支撐離心泵和管道浮在水中，由于高效離心泵的作用而產生高速上升的水流，使錳結核和水一起沿管道提升至采礦船內。

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

固態的煤、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、現代海底采礦

現代海底自動采礦系統采用搖控潛水器，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上。也有人稱這是水下機器人采礦技術。是一種較為理想有發展前途的采礦高技術，代表了深海采礦技術的發展方向。

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

三、我國的海底采礦技術

我國從20世紀90年代初開始對深海底采礦機器人進行研究，在綜合研究國外機器人作業行走機構基礎上，研制出自行式履帶車模型機。該機器人采用近似漸開線高齒橡膠履帶，雙浮動懸架和橫向擺動梁，雙泵全功率供油，液壓馬達分別驅動，電液壓比例探制，采用水力、機械復合集礦方式。“九五”期間，由我國自行設計，與法國公司合作，研制了第二代采礦機器人。主要改進表現為采用尖三角齒特種合金履帶板，提高了集礦機在深海稀軟底環境下的可靠性和可行駛性。改用全水力集礦方式。進一步提高了集礦機的集礦效率。增加了控制密水箱和相關傳感器，提高了集礦機的可操作性。達到了牽引力大、承載能力強、跨越或繞過海底障礙容易、能適應軟海底行走的預期目標。從130米深的海底采集并回收模擬結核900千克。具有國際先進水平。歷經多年的努力，我國深海底自行走采礦機器人的機械模型研制工作已基本完成。

四、發展方向

現在的深海底采礦機器人在行為上還處于“低級生物”的階段，環境感知能力有限，對路徑的規劃只是基于局部環境信息的簡單規劃方式。由于深海底環境的復雜性和未知性，該種規劃方式效率較低。因此，采用基于聲學傳感器的多傳感器融合技術，研究深海底未知環境的即時定位和環境建模技術將是一個重要的研究方向。

參考文獻：

倪建宇、周懷陽《中國多金屬結核開辟區的深海環境》。