淺談深海礦產(chǎn)資源開采現(xiàn)狀及發(fā)展形勢(shì).doc

寧波大學(xué)答題紙（20152016學(xué)年第 一 學(xué)期）課號(hào)： 課程名稱： 海洋工程基礎(chǔ) 改卷教師： 朱克強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 1511084924 姓 名： 薛連金 得 分： 淺談深海礦產(chǎn)資源開采現(xiàn)狀及發(fā)展形勢(shì)摘要：本文介紹了深海多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和熱液硫化物等幾種礦產(chǎn)資源的基本情況，然后就相關(guān)采礦技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了陳述，提出了采礦技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采必須做好的工作。關(guān)鍵詞：海洋資源；多金屬結(jié)核；熱液硫化物；采礦技術(shù)；集礦技術(shù)；1引言21世紀(jì)是海洋開發(fā)的世紀(jì)。在當(dāng)前各國(guó)陸地資源日趨減少的情況下，戰(zhàn)略資源的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向海洋。深海礦產(chǎn)資源作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著人類對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增加和陸地礦產(chǎn)資源的不斷枯竭，海底礦產(chǎn)資源必將成為人類21世紀(jì)的接替資源。深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)是海洋資源開發(fā)技術(shù)的最前沿，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家開發(fā)海洋資源的綜合能力和技術(shù)水平。海底礦產(chǎn)資源存在水深大都在幾千米以上，因此通常也被稱為深海礦產(chǎn)資源。顯然，深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)必須依賴深海采礦裝備進(jìn)行。西方各國(guó)從20世紀(jì)50年代末開始投資進(jìn)行商業(yè)開采活動(dòng)，搶先占最具商業(yè)遠(yuǎn)景如多礦產(chǎn)結(jié)核，富鈷結(jié)殼和多礦產(chǎn)硫化物等礦產(chǎn)礦產(chǎn)資源。并且已形成了多金屬結(jié)核等礦產(chǎn)資源商業(yè)開采前的技術(shù)儲(chǔ)備。隨著科技的不斷進(jìn)步，人類所能到達(dá)的海洋開采深度逐漸增加。目前，海洋油氣資源領(lǐng)域的海上工業(yè)平臺(tái)最大開采深度已經(jīng)突破了3000m，深海各項(xiàng)開采技術(shù)也在不斷跟進(jìn)和完善。照此趨勢(shì)可以推測(cè)，人類將于2019年達(dá)到多金屬結(jié)核的開采深度。世界著名的深海商業(yè)采礦公司Nautilus和Neptune正在作開采技術(shù)和資金方面的積極準(zhǔn)備，擬在他國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)現(xiàn)海底熱液硫化物預(yù)期的商業(yè)開采。隨著深海越來(lái)越多的富礦區(qū)進(jìn)入人類的視野，深海采礦技術(shù)發(fā)展的步伐正在加快，商業(yè)開采的時(shí)代即將來(lái)臨。2深海蘊(yùn)藏豐富的礦產(chǎn)資源多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，主要分布于水深40006000m海底表層，富含銅、鈷、鎳、錳（平均品位分別是1.00%、0.22%、1.30%、25.0%）。全球洋底具有商業(yè)開發(fā)潛力的多金屬結(jié)核達(dá)11011t，主要集中在太平洋的CC區(qū)、東南太平洋秘魯海盆、北印度洋中。多金屬硫化物位于大洋中脊和斷裂活動(dòng)帶，多存在較淺的水域，一般2500m左右。多數(shù)礦點(diǎn)分布于東太平洋海隆和大西洋中脊。近期，中國(guó)大洋科考隊(duì)首次在西南印度洋中脊發(fā)現(xiàn)了大范圍的海底熱液硫化物區(qū)。礦體富含鋅、銅、鉛、金、銀（平均品位分別是3.3%、5.5%40%、3%23%、1.455g/t、42129g/t）。目前發(fā)現(xiàn)的潛在資源量達(dá)1.4109t。由于海底熱液硫化物富含大量的貴礦產(chǎn)，礦藏量大，水淺易開采，按照目前深海技術(shù)發(fā)展水平推斷，熱液硫化物有望成為深海采礦的首要開采對(duì)象。富鈷結(jié)殼分布于4004000m水深海山表面、富含鐵、錳、鈷、鎳、鈦（平均品位分別是17%、23%、0.7%、0.48%、1.2%）。海底有6.35106 km被鈷結(jié)殼覆蓋，可生產(chǎn)1010 t的鈷。礦床主要分布在全球海洋的海山、中脊和海臺(tái)的斜坡和頂部。 勘探表明目前最具開采潛力的結(jié)殼礦床位于赤道附近的中太平洋海底。天然氣水化合物主要分布在北半球，以太平洋邊緣海域最多。全球大洋中天然氣水化合物的總量換算成甲烷氣體約為1.810112.11011m，相當(dāng)于全球煤炭、石油和天然氣儲(chǔ)量的兩倍，被認(rèn)為是21世紀(jì)可供開發(fā)的潛力很大的新能源；生活于深海熱液泉區(qū)的生物，因高壓、高溫、強(qiáng)腐蝕等特殊環(huán)境，基因有特殊價(jià)值，已引起國(guó)際社會(huì)高度重視，同時(shí)產(chǎn)生了巨大的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。3深海采礦技術(shù)的現(xiàn)狀3.1深海采礦系統(tǒng)概述深海礦產(chǎn)礦產(chǎn)資源開采技術(shù)和裝備的研究中，開采對(duì)象是人類至今尚未涉足、地形和環(huán)境復(fù)雜多變、最大水深6000m的洋底，開采作業(yè)受到風(fēng)浪、海流、高壓、腐蝕等惡劣自然條件的影響，具有很大的不確定性。因此自20世紀(jì)60年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入大量資金和人力物力，進(jìn)行采礦技術(shù)的全面開發(fā)研究。國(guó)際社會(huì)深海開發(fā)技術(shù)的發(fā)展均以多礦產(chǎn)結(jié)核開采技術(shù)研發(fā)為起點(diǎn)。19世紀(jì)70年代以來(lái),西方發(fā)達(dá)國(guó)家通過技術(shù)移植、相關(guān)技術(shù)借鑒和二次開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新等方面的工作,完成了深海多礦產(chǎn)結(jié)核開采的技術(shù)儲(chǔ)備,一旦具備商業(yè)開采的其它條件,即可通過吸收當(dāng)代技術(shù)發(fā)展的最新成果,進(jìn)一步提升其技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。3.2深海礦產(chǎn)資源的開采技術(shù)歷程深海采礦系統(tǒng)在不斷發(fā)展的過程，必須始終解決最基本的問題：即如何最高效率地將海底的礦石采集、提升到海面、經(jīng)脫水以后運(yùn)輸?shù)礁劭?。西方發(fā)達(dá)國(guó)家早期探索過幾種開采系統(tǒng)，按照提升方式主要?jiǎng)澐譃椋和隙肥讲傻V系統(tǒng)、連續(xù)繩斗（CLB）開采系統(tǒng)、穿梭潛器采礦系統(tǒng)、流體提升采礦系。(1)拖斗式采礦系統(tǒng)。該系統(tǒng)由美國(guó)加利福利亞大學(xué)Mero教授1960年提出,由采礦船、拖纜和鏟斗3部分組成。其后雖有人在單斗基礎(chǔ)上提出了雙斗采礦的改進(jìn)系統(tǒng),但因該系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值,研究工作未持續(xù)展開。(2)連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)(CLB采礦法)。1967年,日本孟田善雄根據(jù)河道疏浚設(shè)備的作業(yè)原理,提出了單船采礦系統(tǒng)。1973年初,法國(guó)提出了雙船采礦系統(tǒng)。這兩套系統(tǒng)均由采礦船、拖纜和牽斗牽引機(jī)等部分組成。1968年和1970年,日本住友商事社等單位分別在1410 m水深和37604500m水深進(jìn)行了單船采礦系統(tǒng)開采試驗(yàn),取得了預(yù)期效果。(3)穿梭潛器采礦系統(tǒng)。該項(xiàng)研究始于1972年,由法國(guó)人提出,系統(tǒng)有兩種形式,分別是飛艇型和梭車形潛水遙控車。1980年前后,由法國(guó)Vertut等人研制了梭車形潛水遙控車,該車實(shí)現(xiàn)了集礦揚(yáng)礦一體化,基本工作原理是利用壓載物和自重(550t)遙控潛入海底,集礦裝置采集礦物的同時(shí)排出壓載物,裝滿礦物后,浮至海面。水下行駛由阿基米德螺旋推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)。主要由于動(dòng)力、控制和成本問題,該系統(tǒng)完成模型試驗(yàn)后暫停了研究工作,但國(guó)際社會(huì)認(rèn)為此系統(tǒng)可能成為第二代的商業(yè)開采系統(tǒng)。(4)流體提升采礦系統(tǒng)。該系統(tǒng)技術(shù)由集礦、提升、水面支持3大部分構(gòu)成。因采用的提升方式不同,又有水力提升采礦系統(tǒng)、氣力提升采礦系統(tǒng)、輕介質(zhì)提升采礦系統(tǒng)之分。后者因其作業(yè)成本高,不能達(dá)到工業(yè)開采的要求,且使用煤油會(huì)污染海洋環(huán)境,故僅將其視為采集結(jié)核的一種方法。我國(guó)的深海采礦技術(shù)自1991年啟動(dòng)，通過“八五”、“九五”、“十五”三個(gè)五年計(jì)劃的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與研究，在集礦、揚(yáng)礦和遙控遙測(cè)等方面從無(wú)到有取得了較大進(jìn)展。在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)（COMRA）十多年的努力下，通過不同原理采礦模型機(jī)的研究、綜合比較，確定了我國(guó)“海底履帶自行水力集礦機(jī)采集-水力管道礦漿泵提升-海面采礦船支持”的深海采礦技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上完成了大洋多礦產(chǎn)結(jié)核中試采礦系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)和樣機(jī)的加工制造。3.3集礦技術(shù)集礦技術(shù)是深海采礦系統(tǒng)技術(shù)鏈中的首要環(huán)節(jié)，主要功能是能夠按照預(yù)訂的軌跡在海底礦區(qū)稀軟的土質(zhì)表層行走，連續(xù)采集賦存在海底沉積物表面的礦產(chǎn)結(jié)核礦石，并能根據(jù)揚(yáng)礦工藝的要求，對(duì)所采集的礦石進(jìn)行脫泥和破碎處理，然后將礦石輸送至揚(yáng)礦系統(tǒng)。集礦機(jī)在深海底的工作環(huán)境惡劣，地形地貌復(fù)雜采集過程中必須具備承載、自動(dòng)越障、避障和防沉陷的功能。自上世紀(jì)70年代以來(lái)集礦技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式、水力式及復(fù)合式集礦技術(shù)階段，集礦機(jī)的行走方式主要包括拖曳式、螺旋槳式、阿基米德螺旋式和履帶自行式四大類型。上世紀(jì)80年代中期后，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在取得多礦產(chǎn)結(jié)核采礦技術(shù)之后，及時(shí)地把研究方向擴(kuò)展到多礦產(chǎn)硫化物、富鈷結(jié)殼和天然氣水合物等多種資源領(lǐng)域。我國(guó)在“八五”期間進(jìn)行了水力式、機(jī)械式、水力機(jī)械復(fù)合式3種集中總體方案和采集、輸送、行駛機(jī)構(gòu)的工作原理、合理結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，研制成功了具有國(guó)際先進(jìn)水平的水力式和水力機(jī)械復(fù)合式兩種集礦模型機(jī)?！熬盼濉贬槍?duì)集礦機(jī)的行走方式進(jìn)行了選型擴(kuò)大試驗(yàn)，最后確定采用履帶行走作為行走技術(shù)方案，隨后完成了湖試集礦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造。“十五”對(duì)集礦機(jī)集礦機(jī)構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)和水面監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)做了充分的改進(jìn)和完善。并確定中試采礦系統(tǒng)1000m海試采用水力式集礦工作原理。總體上選定了富鈷結(jié)殼開采系統(tǒng)集礦機(jī)構(gòu)的原理和機(jī)構(gòu)形式，完成了水力吸揚(yáng)式集礦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。3.4揚(yáng)礦技術(shù)揚(yáng)礦是深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)的重要組成部分，可用于不同礦種的開采，屬于深海采礦工藝系統(tǒng)中的共性技術(shù)。深海礦產(chǎn)資源賦存在最深達(dá)6000m的海底，如何在這段漫長(zhǎng)的距離中克服海流、溫差、高壓、腐蝕和海面惡劣的自然天氣等因素的影響，用最大提升能力、最高提升效率、最安全和穩(wěn)定提升方法將海底集礦機(jī)采集的礦石輸送到海面。這是揚(yáng)礦技術(shù)必須解決的問題。3.5水面支持系統(tǒng)水面支持系統(tǒng)是采礦作業(yè)的中心，為水下設(shè)備提供存放、布放回收、作業(yè)支撐和維修，并儲(chǔ)存結(jié)核礦石。同時(shí)，又是人員居住、工作的基地，在采礦系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置。在七十年代末進(jìn)行的幾次試驗(yàn)開采中都是使用改裝的鉆井船或打撈船作為水而支持系統(tǒng)，專業(yè)的商業(yè)采礦船由于技術(shù)復(fù)雜、成本高昂，制造尚不現(xiàn)實(shí)。海洋管理公司OMI在國(guó)際深海采礦技術(shù)研討會(huì)上提出了商業(yè)開采系統(tǒng)投資估算，其中采礦船制造費(fèi)用預(yù)計(jì)為5x108美元，運(yùn)行費(fèi)用為8.53x107美元/年。著眼于2010年進(jìn)行海底商業(yè)開采活動(dòng)，2006年10月，Nautilus公司與總部位于比利時(shí)的Jan De Nul公司(國(guó)際上第二大采掘公司，擁有目前世界上最大的采掘船)達(dá)成了建造特殊深海采礦船和合作進(jìn)行海底采礦的協(xié)議。采礦船定為“Jules Verne，船身長(zhǎng)191m，噸位24000t，計(jì)劃于2009年完工，以趕上Nautilus公司計(jì)劃的進(jìn)行商業(yè)開采業(yè)務(wù)的日期。我國(guó)在“十五”期間共進(jìn)行了20多艘船只的調(diào)研，鑒于投資大、試后處理等問題尚未確定最后的方案。鑒于目前成熟的海洋油氣開發(fā)平臺(tái)技術(shù)開采深度越來(lái)越接近金屬礦產(chǎn)資源的賦存深度，我國(guó)正積極研究擬將海洋石油平臺(tái)取代造價(jià)巨大的采礦船。3.6測(cè)控及動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)控及動(dòng)力系統(tǒng)是為整個(gè)采礦系統(tǒng)提供動(dòng)力和能源支持，集成所有子系統(tǒng)的信息，并具備安全可靠和符合要求的控制、通信、監(jiān)測(cè)和導(dǎo)航定位等功能的深海采礦綜合管理系統(tǒng)，它保障開采作業(yè)安全、可靠、高效、連續(xù)地運(yùn)行。我國(guó)的測(cè)控技術(shù)發(fā)展迅速，出色地完成了集礦測(cè)控系統(tǒng)、揚(yáng)礦測(cè)控系統(tǒng)和動(dòng)力輸配方案的設(shè)計(jì)。4結(jié)束語(yǔ)深海采礦領(lǐng)域是海洋資源開發(fā)的一個(gè)全新領(lǐng)域,發(fā)展深海采礦技術(shù)是國(guó)家的需求。深海采礦技術(shù)的研究,歷經(jīng)了15個(gè)春秋,凝結(jié)了兩代研究人員的辛勞與智慧,基本完成了深海多礦產(chǎn)結(jié)核采礦專有技術(shù)的體系構(gòu)建及主要裝備研制。然而,距實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的技術(shù)儲(chǔ)備的目標(biāo),僅僅只是完成了基礎(chǔ)階段的工作,與已擁有該技術(shù)儲(chǔ)備的先進(jìn)國(guó)家相比,我們還處于落后狀態(tài)。當(dāng)前,我們應(yīng)抓住深海礦產(chǎn)資源商業(yè)化開采時(shí)間尚不確定的有利時(shí)機(jī),積極開展工作,爭(zhēng)取與發(fā)達(dá)國(guó)家同期實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采,以綜合實(shí)力來(lái)維護(hù)我們的區(qū)域權(quán)益,在國(guó)際事務(wù)中發(fā)揮作用。為此,要落實(shí)好以下幾個(gè)方面的工作。 （1）加強(qiáng)深海礦物資源開采技術(shù)發(fā)展總體戰(zhàn)略的研究。 （2）加快發(fā)展我國(guó)深海礦物資源的開采技術(shù)。 （3）加大整合利用全球技術(shù)資源力度,積極探索有利于跨越式發(fā)展的新的技術(shù)模式。 （4）加速構(gòu)建深海采礦產(chǎn)業(yè)。參考文獻(xiàn)1中國(guó)大洋協(xié)會(huì).進(jìn)軍大洋十五年Ml.北京:海洋出版社，2006.2 John E Halkyard. 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