中國深海多金屬結核采礦車研究的發展

長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室 湖南長沙 410012

國際海底區域蘊藏著豐富的礦產資源，如多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物等，被認為是人類未來最重要的接替資源。多金屬結核富含錳、銅、鎳、鈷等多種元素，受到國內外普遍關注，研究程度很高，極具商業開采前景。目前普遍認為最具有工業發展前景的多金屬結核采礦工藝與方法為“海底履帶自行式水力采礦車采集-水力管道礦漿泵提升-海面采礦船支持”。由此可見，采礦車是整個多金屬結核采礦系統的首要環節，是實現多金屬結核開采作業最關鍵的部分。多金屬結核賦存于數千米深海底稀軟底質表面，呈顆粒狀，海水壓力高達幾十兆帕，底質條件復雜，電磁波及光波在水中迅速衰減，導致多金屬采礦車技術難度非常大。

1990 年，中國國務院將大洋多金屬結核資源勘探開發項目批準為國家長遠發展項目[1]，有關單位開始進行多金屬結核采礦車的研究工作。經過近 30 年的研究，多金屬結核采礦車研究從最初的單體功能到整機的實驗室研究，從實驗室試驗到撫仙湖試驗，再到南海 500 m 海試，已經取得了巨大進步。

1 實驗室研究階段

多金屬結核采礦車的作用是按規劃路徑在礦區稀軟底質上行走，連續采集海底沉積物表面上的多金屬結核顆粒。采礦車必須能夠適應深海底惡劣的工作環境以及復雜地形地貌，采集過程中能夠有效承載與防止沉陷，確定并避開或越過行駛路徑上的障礙[2]。

多金屬采礦車主要由集礦機構和行走機構等部分組成。中國多金屬結核采礦車研究始于“八五”期間，針對集礦、行走、破碎等各功能單元工作原理、合理結構及工作參數進行了理論與試驗研究，研制了各種模型機，展開了實驗室試驗，最終研制出了多金屬結核采礦車模型機。

1.1 集礦機構

集礦機構主要用于采集海底稀軟底質表面的多金屬結核顆粒，應具備采集效率高、能耗低、結構簡單、工作可靠、攜帶沉積物較少等特點。按工作原理可以分為機械式、水力式、復合式 3 類。由于機械式集礦機構較復雜，所以基本被淘汰[3]。

水力式集礦機構的前后 2 排噴管距海底面一定高度，噴嘴相對斜向海底，噴嘴產生一定壓力的水射流沖向海底表面結核顆粒。前排噴嘴射流完成對結核的沖刷、松動，并把結核推向后方，后排噴嘴射流擋住向后移來的結核，前后相對斜向的水射流共同作用形成上升水流，在上升水流帶動下將結核從沉積物表面舉升到一定高度并進入輸送通道口。輸送通道口布置有輸送噴嘴，輸送噴嘴射出的水射流形成一定負壓，使輸送通道口的結核沿通道繼續向上移動[4]。

復合式集礦機構由水力噴嘴與機械鏈條復合組成，利用水力噴嘴作為捕捉機構將結核沖起，然后采用機械鏈條作為傳輸機構將結核向上輸送。簡而言之，就是用機械鏈條取代水力式集礦機構輸送噴嘴的功能。復合式集礦機構利用鏈條可以靈活地改變傳輸高度和距離，并在鏈條輸送過程中實現逐步脫泥。和水力式集礦機構相比，其所需功率略低，但鏈條傳輸機構較復雜，質量較大，運行可靠性較低。

我國“八五”期間進行了水力式、機械式和復合式 3 種集礦機總體方案及工作原理、合理結構和工作參數的試驗研究，成功研制出具有國際先進水平的水力式和復合式 2 種集礦模型機[2]。長沙礦山研究院于 1996 年研制的復合式集礦機構主要技術性能為[1]：額定生產能力為 5.2～ 8.4 t/h，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 0.95 m/s。長沙礦冶研究院于同年研制成功的水力式集礦機構技術性能與上述復合式集礦機構基本一樣。

1.2 行走機構

多金屬結核采礦車行走機構主要作為一個承載平臺，搭載集礦機構、破碎裝置、液壓和電控系統等單元，并能在預定作業區域按一定的規劃路徑行駛。行走機構須具有牽引力大、承載能力強、海底擾動小、攜帶沉積物少、能耗低、集礦效率高等特點，并具備自動避障、預定軌跡跟蹤和防沉陷等能力。

作為通用自行走機構，履帶行走機構于 1972 年開始進行海底行走試驗。履帶接地面積大，產生的牽引力大，能夠實現預定的較低接地比壓，承載大負荷。底質承載能力越低，履帶的優越性越明顯。同時，履帶的可行駛性和操作性較好，容易跨越或繞過海底障礙，對海底底質擾動較小，能很好地滿足稀軟海底底質行走的要求。所以履帶行走機構成為多金屬結核采礦車首選的行走方式。

履帶行走機構基本參數由接地比壓、行走速度、最大牽引力等來確定。接地比壓取決于沉積物的承壓強度。海底表層以下 10～ 15 cm 處剪切強度急劇增加，從 3 kPa 上升到 10 kPa，超過 15 cm 以后有一段平穩值，所以壓陷深度定在小于 15 cm 較為適宜。行走速度是影響采礦效率的重要因素。根據國外的試驗數據，在結核礦石粒徑分布均勻條件下，行走速度不大于 1 m/s 時，采礦效率最高；當大于 1 m/s 時，牽引力隨行走速度提高而明顯增大。最大牽引力由土壤的抗剪強度所決定。履齒的作用很顯著，改善履齒形狀和大小可大大增強履帶車在黏性土壤的可行駛性[5]。通過對不同齒距、齒高和齒形的履帶進行牽引力和壓陷深度的試驗，為履帶車的設計提供了可靠依據，并建立了履帶車行駛動力學模型[6]。

1.3 整機

在復合集礦方式和履帶自行走裝置的基礎研究和原理試驗的基礎上，我國研制出了多金屬結核采礦車模型機。采礦車模型機外形尺寸為 4.6 m×3.0 m×2.1 m，整機質量為 8 t，水下排水量為 4 t，牽引功率為 35 kW，行駛速度為 0～0.8 m/s，爬坡能力為15°，越障高度為 0.5 m，越溝寬度為 1.0 m，最小轉彎半徑為 15 m。行走底盤采用雙浮動懸架和橫向擺動梁，以及近似漸開線高齒橡膠履帶。實驗室水池試驗結果表明，采集結核粒徑為 2～10 cm，采集率 ＞80%，沉積物分離率 ＞ 85%，行走平穩，直線性好，主要技術性能指標已達到同時期室內試驗樣機世界最先進水平[7]。

2 湖試階段

“九五”期間，中國研制出多金屬結核中試采礦系統的采礦車，如圖 1 所示[8]。該采礦車額定生產能力為 30 t/h，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 1 m/s，采礦車集礦寬度為 2.4 m，整機質量為 30 t，水下排水量為 15 t，外形尺寸為 9.5 m×5.3 m×3.2 m[1]。

研制該多金屬結核采礦車過程中，中國與法國自動控制公司進行了實質性技術合作[6]。中方負責采礦車及其控制系統總體方案的設計、采礦專有技術裝備的設計制造、監控軟件的開發、發電與配電設備的設計和配套；法國自動控制公司負責液壓系統、控制系統與檢測儀表、通用配套軟件平臺的施工設計與制造，以及整機的集成調試。

該采礦車采用水力集礦機構，前后雙排噴嘴及輸送噴嘴水射流分別由 2 臺功率為 15 kW，流量為 500 m3/h，壓力為 0.05 MPa 水泵提供。水力集礦機構通過平行四連桿機構與作業車相連，采用液壓缸調節前后排噴嘴離地高度和傾角。履帶采用尖三角金屬高齒和工程塑料履帶板，由液壓馬達分別驅動，速度由變量液壓泵調節，總牽引功率為 160 kW。通過 21 m3浮力材料將采礦車接地比壓調節到 5 kPa。采礦車布放著底方位角通過 2 臺 1.3 kN 推力螺旋槳來控制調整。整個多金屬結核采礦車驅動動力源由 2 臺 175 kW 高壓電動機帶動 2 臺主變量液壓泵和 4 臺輔助定量液壓泵來提供。行走履帶和螺旋槳馬達為閉式液壓回路，電液比例閥控制，其余為開式回路。水泵馬達用調速閥改變轉速[7,9]。

多金屬結核采礦車試驗選擇在云南撫仙湖西北區水深為 80～150 m 的區域進行，通過對撫仙湖底質剪切強度和承載能力測試，選定近似于深海底沉積物特性區域作為試驗區域，并在選定試驗區鋪撒 300 t模擬結核。2001 年 8—9 月，開展了采礦車的下放回收、行駛性能、集礦等多項試驗，最終成功地將鋪撒在 130 m 深湖底的模擬結核采集輸送到湖面試驗船上，共收集到模擬結核 900 kg[1]。

多金屬結核采礦車撫仙湖試驗打通了多金屬結核采礦系統工藝流程，驗證了我國大洋多金屬結核采礦系統技術的可行性，為下一步淺海試驗積累了寶貴經驗，奠定了技術基礎。同時，湖試過程中也暴露出一些問題，如由于采礦車體積和質量大，因履帶打滑而陷入湖底無法行走；由于自身和外部環境等因素，采礦車在軟底質上行駛控制難度較大，現有人工控制效果不夠理想。同時，在湖底行走距離和采集作業時間有限，關鍵技術驗證不夠充分[9]。

3 海試階段

鯤龍 500 多金屬結核采礦車 (見圖 2)由長沙礦冶研究院牽頭完成，采礦車額定生產能力為 10 t/h，總功率為 60 kW，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 1 m/s，采礦車集礦寬度為 0.8 m，整機質量為 9.5 t，水下排水量為 8.0 t，外形尺寸為 5.4 m×3.5 m×1.9 m。它具有海底稀軟底質行駛、海底礦物水力自適應采集、海底綜合導航定位等功能，能夠按照規劃路徑行駛并自適應采集礦石。

圖2 鯤龍 500 采礦車Fig.2 Kunlong 500 mining vehicle

鯤龍 500 采礦車主要由水力式集礦機構、履帶行走機構、車體、液壓系統、方向調整機構、浮力材料等組成。其水力集礦機構采用水泵與相關噴嘴管道直連提供射流水源。水力集礦機構設置有離地高度檢測機構與離地高度調整機構，通過離地高度檢測機構檢測水力集礦裝置離地高度的實際值，離地高度調整機構根據離地高度實際值按照預設控制策略作出相應的響應，使水力集礦裝置的離地高度維持在一個合適的區間，實現較高的結核采集率。履帶行走機構通過平行四桿機構與車體連接，并且履帶行走機構與車體間設置有履帶提升機構。當履帶行走機構陷入海底淤泥時，可以通過履帶提升機構提升履帶，提高履帶通過性。履帶板采用鋁鎂合金材料以減輕質量，采用高履齒實現稀軟底質穩健行走，履齒為薄壁不銹鋼板折彎焊接結構。通過慣導 DVL 組合導航和聲學定位系統實現遠距離定位及軌跡控制。整車通過在水力集礦裝置和車架上安裝浮力材料增大排水量。

鯤龍 500 采礦車海上試驗區域位于中國南海北部上陸坡海域，水深為 500～600 m。由于水深 500 m 的海域沒有天然的多金屬結核，為了驗證集礦系統的采集能力，在海上試驗區域鋪撒模擬結核，模擬多金屬結核賦存狀況，為海試集礦系統提供采集對象。

該次海試歷時 49 d，分別搭載“長和海洋”和“張謇”號試驗船，按照由淺入深的原則，成功進行了海試。海試中，鯤龍 500 采礦車共下水 11 次，其中 70 m 淺海試驗下水 6 次，500 m 海試下水 5 次，海試中最大作業水深為 514 m，多金屬結核采集能力為 10 t/h，單次行駛最長距離為 2 881 m，水下定位精度達 0.72 m，實現了自主行駛模式下按預定路徑進行海底采集作業的能力，在中國南海預定海域行走出一個單邊長度為 120 m 的“中國星”。

這是我國首次開展 500 m 級水深海底多金屬結核集礦系統連續集礦行走試驗，創造了歷史新紀錄。鯤龍 500 采礦車擁有自主知識產權，海試的成功表明我國多金屬結核采礦車關鍵技術均獲得突破，已初步掌握了多金屬結核集礦系統的核心技術，標志著我國深海采礦系統研發由陸上試驗全面轉入海上試驗，也為我國“深海多金屬結核采礦試驗工程”1 000 m 級整體聯動試驗奠定了基礎。

4 結語

我國深海多金屬結核采礦車的發展主要經歷了 3個階段：實驗室研究階段，主要開展采礦車單體功能與整車研究與開發；湖試階段，通過湖試來模擬深海工作環境，對采礦車工藝流程與技術進行驗證；海試階段，通過海試更進一步驗證采礦車關鍵技術。

從國家的長遠利益和當前發展的需要看，開發海底礦產資源，建立新的礦產資源供給來源，是一種必然的選擇。我國多金屬結核采礦車技術經過 30 年的發展，極大地縮小了與國外的技術差距，但距商業開采的要求還有一定差距，需要加快相關研究。