深海采礦工藝流程及主要裝備

姜 月 劉 放 黃世平

（四川宏華石油設備有限公司，德陽 618300）

海洋占地球表面2/3，約有15%的海底表面覆蓋著錳結核。作為重要的資源產地，海洋采礦與陸地采礦采用完全不同的工藝和設備，涉及海洋地質、潛水機械、揚礦系統以及遙控遙感等一系列復雜而又先進的技術及裝備。海洋采礦是一項全新的高技術產業，是一項復雜的系統工程。目前，開發大洋礦產資源已經成為世界許多國家的戰略發展目標，其中世界沿海國家和地區已進入全面開發海洋資源的新時期。鸚鵡螺礦產公司（NAUTILUS MINERALS）是一家在多倫多上市的初級勘探公司，是深海礦業的開拓者。這家公司在西太平洋海底發現多處銅、金、銀和鋅礦床。它的第一個項目索爾瓦拉1（SOLWARA 1）位于巴布亞新幾內亞的俾斯麥海域，并已獲得巴布亞新幾內亞頒發的采礦證書，是世界上第一份深海礦產開發證書。本文主要介紹該艘世界首條深海采礦船的作業工藝流程及主要配套系統裝備。

1 國內外研究現狀及趨勢

國內深海采礦技術研究開始于20世紀90年代初期，借鑒國外先進技術及研究成果，經多年努力研發了具有自主知識產權的深海采礦系統及相關配套裝備，初步構建了“海底履帶自行水力集礦機采集-水力管道礦漿泵提升-海面支持采礦船”的深海采礦技術方案，并完成了大洋多金屬結核采礦系統的技術設計和樣機加工制造。

國外深海采礦技術研究開始于20世紀70年代開始，其中美國、英國、加拿大、日本、德國以及法國等已相繼完成深海多金屬結合開采的技術儲備。管道提升采礦系統被國際社會列為重點研究試驗的多金屬結核開采系統，目前逐步將開發領域擴展到富鈷結殼、海底熱流硫化物以及天然氣水合物等海底資源開采等，同時注重開采時對海洋生物和海洋環境的保護[1]。

2 深海采礦技術方案

海洋的礦產資源分布在海水中、大陸架以及深海底部，主要分為海水中的溶解礦產資源、海底表面礦床以及海底基巖內礦床3類。深海采礦系統的總體目標是將海洋礦產資源通過有效的集輸方式運送至海面，經過初加工后轉運至陸地。根據開采方式的不同，它主要分為拖斗式采礦、連續繩斗式采礦、自動穿梭艇式采礦以及管式提升式采礦4種[2]。其中，管式提升式采礦根據海底采礦車與礦石中繼倉軟管的長度不同，分為硬管采礦和軟管采礦。海洋采礦系統的流程圖如圖1所示。

深海礦藏多儲藏在水深數千米以下，如多金屬結合儲藏于水深5 000～6 000 m的海床，富鈷結殼生長在水深2 000～4 000 m的海山上，熱液硫化物多儲藏于水深2 000～2 500 m的海床[3]。本文研究的深海多金屬硫化物礦藏儲藏在1 600 m的海底，其中水下礦石切割提取的設備和技術方法已取得重要進展。使用油氣工業的遙控技術可開采高品位礦石（泥），并抽送到海面貨船，經脫水后運到陸上選礦。

鸚鵡螺商業采礦船設計吃水13.2 m，航速12 n mile/h，適應水深2 500 m，配置了深海礦物采集系統、礦物提升系統、礦物脫水系統、礦物儲存轉運系統、水下機器人、大型甲板吊車以及直升機平臺等。海底開采的礦漿為由礦物、泥沙以及海水等成分組成的混合流體，固體體積占比約12%，礦產固體平均密度3.3 t·m-3，最大顆粒直徑50 mm，礦物年產量1.8×106t，可裝載貨物39 000 t，總載質量能力45 000 t。該船由福建馬尾造船股份有限公司承制，水下挖掘機由英國SMD公司提供，水下舉升泵由GE公司提供，水力提升系統由TECHNIP提供。系統還包括可逆式皮帶機、堆垛設備、鏟斗機、斗提機以及伸縮式裝船機等。

圖1 海洋采礦系統的流程圖

水力提升采礦系統由集礦機、揚礦、監控、采礦船以及運輸支持5個子系統組成。集礦機由采礦裝置、分離裝置、行走裝置、液壓以及電氣系統等組成。

利用挖掘機械和輔助粉碎機械挖掘及粉碎礦物沉淀層，利用礦物收集機械收集粉碎后的礦物。挖掘機械、輔助粉碎機械以及礦物收集機械均通過甲板臍帶纜控制，但僅有礦物收集機械與舉升泵通過軟管連接。設備將礦物輸送到舉升泵，利用舉升泵把礦漿泵送到甲板脫水系統處理。脫水后的礦物直接輸送到運輸船或礦物存儲倉。

3 深海采礦主要配套設備

3.1 海底挖掘系統

礦物在海底呈大塊狀，厚度從十幾米到數十米。經過測試大量海底礦產樣本力學性能發現，海底多金屬硫化物斷裂特性類似于煤，韌性和塑性類似于鹽和碳酸鉀。海底挖掘系統借鑒陸地煤礦開采和河道疏浚等工程經驗，實現了海床礦產的挖掘、切割、粉碎及收集處理[4]。

根據作業海床地形情況、海床表層附著物厚度以及海底礦產布置等因素，選用作業機械包括輔助粉碎機械（Auxiliary Cutter，AC）、 挖 掘 機 械（Stockpiling Bulk Cutter，SBC）以及礦物收集機械（Collecting Machine，CM），如圖2所示。這3個設備異同點包括以下幾個方面：均配有控制臍帶纜，但只有CM配接軟管，用于礦漿輸送至SSLP；均使用船尾纜繩下放方式，設備頂部配有喇叭口，便于設備回收時纜繩快速對接；均為水面遠程控制，臍帶纜承擔視頻信號、動作控制信號以及作業工況參數等數據的遠程傳輸；均為履帶式行走方式，配備水下集成液壓站，以便實現水下液壓驅動。

圖2 海底挖掘機械

AC用于礦物沉淀層的挖掘與平整，切削海床時設備端部一副棘齒滾輪向內旋轉破碎巖石。為避免因切削巖體時產生的反扭矩影響設備穩定性，在設備前端兩側分別配置懸臂支撐結構。作業面擺動量11.6 m，俯仰范圍-1～4 m。經AC平整的礦藏仍存在大塊巖石，為滿足水力提升粒徑小于50 mm泵送要求，利用SBC對礦石進行破碎與粉碎。滾筒寬度4.2 m，俯仰范圍-0.5～4 m。CM用于粉碎后的礦產收集。CM在下放海床后啟動前，利用ROV機械手將其與舉升泵通過海底軟管相連，通過切削頭與輸送泵將采收的礦漿輸送至舉升泵，作業面擺動量±4 m，俯仰范圍-2～5 m[4]。該套系統各設備可同時連續作業，需要注意臍帶纜纏繞的風險。圖3為鸚鵡螺礦業深海挖掘作業流程。

圖3 海底挖掘作業流程

3.2 海底軟管

海底軟管為海底挖掘設備與舉升泵間提供礦漿輸送通道。為保證海底軟管懸浮于海底，部分軟管外部需搭配外浮力材料使用，浮力材料與軟管質量比為0.75。在緊急脫離情況下，海洋采礦系統脫離方式與油氣開采系統不同。深海采礦系統在10 s內可完成海底軟管與CM的快速脫離，使得船體及時航離風暴區域。海底系統滿足5天自存，待風暴過后，通過水下定位系統和ROV輔助恢復采礦作業。

3.3 水下舉升泵

水下舉升泵（Subsea Slurry Lift Pump，SSLP）懸掛于海床附近，下部在月池區域完成與海底軟管的連接，通過連接隔水管系統實現下放。下放的同時通過連接隔水管法蘭盤管卡，將兩根臍帶纜（一用一備）固定在隔水管法蘭盤。臍帶纜為3層環形結構，內部為光纖纜提供控制信號，中間為動力電纜，外部為保護層。舉升泵為隔膜泵形式，利用海水驅動。正常工況下，舉升泵排量為863 m3·h-1，由水面發出電控制信號控制水下液壓系統動作。另外，它配備有水下定位GPS和水下應急電源UPS。

3.4 隔水管系統

隔水管系統主要包括伸縮接頭鵝頸管、伸縮短節、帶浮力塊隔水管、不帶浮力隔水管、帶渦激抑制旋流板的隔水管、填充閥以及上部/下部撓性接頭等，為SSLP與脫水系統提供礦漿輸送通道。隔水管主要分為帶浮力塊和不帶浮力塊兩種形式，最大外徑1.2 m，隔水管主管尺寸30.48 mm，輔管尺寸20.32 mm。隔水管在存儲區存放時，各層隔水管間用卡板分隔，可避免浮力材料受壓損壞，確保堆疊的隔水管間不接觸。采礦所配置隔水管系統較常規油氣開采使用的隔水管系統的不同包括以下幾個方面。第一，采礦隔水管單根，中間主管為礦漿輸送提供通道，兩根輔管與月池礦漿回收艙相連，用于將脫水后的礦漿利用流體泵回排海底。油氣開采所用隔水管單根，中間主管用于將鉆井液和鉆桿隔離海水。4根輔管用于節流/壓井、鉆井液增壓管線以及液壓管線等。第二，采礦隔水管系統主管線連接脫水系統，僅為管礦漿提供單向舉升通道。油氣開采隔水管系統主管線連接泥漿循環系統，內嵌鉆桿，為鉆井泥漿提供循環通道。第三，采礦隔水管系統無需配備分流器。深海油氣開采時存在淺層氣等風險，故需在隔水管系統頂部配備分流器。第四，采礦隔水管系統下端部連接SSLP，提升礦漿水力。油氣開采隔水管系統下部連接底部鉆井隔水管總成和防噴器。第五，采礦隔水管系統與油氣開采系統相比，采礦系統未配備隔水管張緊系統和鉆井設備升沉補償系統。由于采礦系統的SSLP懸掛于海床上部，與海底不接觸，故對海浪升沉要求精度不高。水力提升系統質量可由鉆臺面卡盤、月池夾持系統等承擔。但是，隨著作業水深的增加，隔水管系統的升沉慣量增加，需考慮對船體造成風險。油氣開采時，隔水管系統與井口系統直接相連，對升沉補償精度要求高。

3.5 脫水系統

海底開采的礦漿為礦物、泥沙以及海水等組成的混合流體。礦產固體平均密度3.3 t·m-3，最大顆粒直徑50 mm。為便于礦物存儲及運輸，需經脫水系統處理。脫水系統主要分為3個模塊。首先，經篩分模塊（Screen Module）進行礦漿粗分離，篩出粒徑范圍12～50 mm的顆粒。其次，經艙柜模塊（Tank Module）篩分粒徑大于20 μm的顆粒。最后，經過濾模塊（Filter Module）進行超細分離，篩分出粒徑范圍為15～20 μm[5]的顆粒。脫水系統主要包括振動篩、多級旋流器、離心機以及壓濾系統。經各級脫水后的礦物集中到傳送帶，進行分倉移運、篩分及組分檢測系統。脫水后的礦砂通過輸送帶運至貨倉或直接運至駁船。脫水處理后的礦漿以海水、海洋微生物以及超細礦渣為主，在回收艙匯集后經提升系統注入海底，能夠最大程度減少對海洋環境的破壞。

3.6 存儲轉運系統

存儲轉運系統的作用是將脫水處理的礦物暫存于貨倉。當礦石運輸駁船抵達后，通過提升系統將礦物轉運至駁船。礦物存儲系統主要由分倉系統和布礦系統組成。礦物轉運系統主要由提升系統和轉運系統組成，包括可逆式皮帶機、堆垛設備、鏟斗機、斗提機以及伸縮式裝船機等設備。脫水處理后的礦物暫存于船艙，經分倉及布礦系統均布處理后，確保船體不受偏載，并隨時觀測船體吃水深度。駁船抵達后，通過提升系統和轉運系統將礦物運至運輸駁船，直至運抵陸地。礦石采集、存儲轉運與運輸駁船頻率相匹配，可確保采礦作業的連續高效性。

4 其他

近年來，日本深海采礦領域工程應用除鸚鵡螺礦產公司的采礦船外，因其礦產資源主要依賴進口，故逐步加大了對深海采礦領域的研發及投入。沖繩外海海底1 600 m水深發現較大儲量的海底熱水礦藏，以無巖漿的水下火山形式儲備大量水下熱流、金屬礦物及硫化物等。已探明的礦產資源含有金、銀、銅、鉛、錳、鎳等金屬元素，伴隨海底熱流從地層中溢出，最終沉淀于海床表層。

采用海底機械臂和海底破碎機等將已覆蓋在海床表面的礦產粉碎，在水下經過初級篩選過濾，利用金屬礦物的比重特性和磁力特性等分離出巖石等雜質，直接留至海底。提取的礦漿通過水力提升系統將礦漿舉升至水面，提高了礦漿金屬含量和礦產采收率。

對于暫未溢出的地層熱水礦藏資源，日本利用“凡德華力”原理效應，提出“養礦法”開采方式，即使用鉆頭對存在熱水礦藏的海床表層強制定向鉆取溢流孔洞，使海底熱流自然噴出，出口溫度約400 ℃。將內徑為0.5 m的環形圓盤坐在此孔洞位置，金屬礦產會在環形圓盤上逐漸聚合。當到達預定提升質量時，此環形圓盤將被提升至水面。此種開采方式的礦產純度高，日產量110 kg。采礦過程中，白領號深海探測船與采礦船配合使用，具備3D立體HD探查能力，通過下放光纜地質探查器提前采樣分析，可探勘海底的山脈分布情況、地下斷層情況及海底礦產儲藏情況等地質結構。ROV觀測水下挖掘裝置作業位置，提高采礦資源勘探效率、選址準確度及采礦作業采收率。

5 結語

為解決我國銅、鈷、鎳、錳等礦產緊缺的現狀，提高國家深海采礦技術以及在聯合國規定區域內的競爭力，我國深海采礦新工藝及成套裝備技術的研究迫在眉睫。

從環境保護方面來看，深海采礦產生的噪聲不僅會影響海洋生物，還會影響海床生態環境，甚至會破壞海床以下的地質結構穩定性，產生大量酸性廢水、揚塵污染、噪聲污染及地層下陷等問題，因此需注意海底設備的降噪減排處理。

從技術嫁接方面來看，深海裝備已在海上油氣開采裝備、大洋科考船、大洋勘探船以及海上運輸駁船等領域具備成熟的技術，可整合各領域的優質力量集中開采海洋礦產資源、海底熱流硫化物以及海洋天然氣水合物等資源。以水合物開采為例，水合物在埋層是固態，開采后會分解為天然氣和水發生相態變化，產生大量不可控的甲烷氣體溢出海面，不僅會增加開采風險，而且會帶來巨大的溫室效應。因此，輸送過程中要防止水合物二次固化、堵塞輸送通道等問題。對于天然氣水合物開采而言，從其試采到大規模商業開采應用還需漫長的過程。

除以上系統裝備外，海工水下裝備的研發與制造不僅需克服深海低溫高壓、高腐蝕以及復雜地形等困難，還需在大排量舉升泵、深海信號傳輸、深海船體動力定位以及海洋升沉補償等方面進行持續攻關。