國際海底區(qū)域資源開發(fā)技術(shù)體系的發(fā)展趨勢

國際海底區(qū)域資源開發(fā)技術(shù)體系的發(fā)展趨勢

海洋占地球表面的2.3%。人類使用海岸帶和公海進行海上捕魚和移民，歷史悠久，但對海洋和月球表面的了解遠低于對月球表面的了解。深海,特別是公海區(qū)域,作為人類最后一個未知疆界,各國的科學家進行了大量的探查與研究活動,并有愈演愈烈之勢,其中海底資源的利用與開發(fā)一直是這些活動涉及的主要內(nèi)容。迄今為止,已在海底發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核、鈷結(jié)殼、油氣資源、熱液礦床及其它礦藏,且近海岸帶的開發(fā)也有很久歷史。人類所有這些活動都是以技術(shù)作為支撐而進行的。本文就國際海底管理局所指的國際海底區(qū)域資源開發(fā)技術(shù)體系的發(fā)展趨勢進行綜合評述,以供讀者參考。1國際海底區(qū)域資源開發(fā)的技術(shù)組成用于國際海底區(qū)域資源開發(fā)的技術(shù)種類繁多,它們涉及航天、航海、機械、電子、材料、通訊、近海石油開采、造船、生物等多種技術(shù),而且國際海底區(qū)域具有水深、遠離陸地等特點,可以說國際海底區(qū)域是現(xiàn)代前沿技術(shù)的一個練兵場。國際海底區(qū)域資源開發(fā)的技術(shù)組成大體上可歸納為裝備設(shè)施技術(shù)和資源開發(fā)技術(shù)兩大部分。前者包括探測技術(shù)、潛水技術(shù)和貫穿海洋各領(lǐng)域的信息處理技術(shù),其中探測技術(shù)又包括多波束測深系統(tǒng)、深海光學與聲學觀測系統(tǒng)以及新近正在發(fā)展的流體地球化學與微生物探測系統(tǒng);而潛水技術(shù)則包括ROV、載人或自治深潛器。后者涵蓋了多金屬結(jié)核、鈷結(jié)殼、熱液硫化物、氣體水合物和生物基因等多種資源的開發(fā)技術(shù)。深海礦物開發(fā)技術(shù)由采掘、輸送、儲運和加工等幾個環(huán)節(jié)組成,其核心是通訊和系統(tǒng)控制技術(shù);生物基因資源的開發(fā)技術(shù)由采集和加工處理構(gòu)成,難點是采集技術(shù)。這兩部分是國際海底區(qū)域技術(shù)的有機組成,它們相互滲透而又相輔相成。下面重點對探測與開采技術(shù)予以分析。2當前總結(jié)2.1測量技術(shù)2.1.1海底勘探的綜合集成技術(shù)與一般船只航行時的定位與導航不同,海底勘查定位十分困難,精密勘查定位尤其復(fù)雜。精密定位的要求很高,其定位數(shù)據(jù)不僅應(yīng)提供水面船只的位置,而且還要準確反映水下載體的精確位置,以便指導并控制它們的近海底行為。這類高技術(shù)包括差分全球定位(DGPS)、超短基線/長基線水下定位、慣性導航和動力定位以及它們的綜合集成技術(shù)(組合導航/定位技術(shù))。過去慣性導航技術(shù)主要應(yīng)用于軍事方面,特別是潛艇長時期盲航的導航定位,80年代以來國外部分海洋調(diào)查船和漁船為提高導航和定位的精度也開始使用這類精密技術(shù)。我國現(xiàn)已引進了航空用慣性導航設(shè)備與技術(shù),但對于海上導航與定位中使用的慣導技術(shù)仍是空白,國外將這種技術(shù)列為“禁止輸出”的技術(shù)。然而,海底勘查技術(shù)的迅猛發(fā)展又提出了水面、水下定位技術(shù)的集成要求,它需要在GPS/DGPS定位技術(shù)、水下聲學定位技術(shù)和精密微波定位技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合集成。因此,高精度海底探測系統(tǒng)要求引入當代各類尖端技術(shù),并在高度集成的基礎(chǔ)上研制出適合海底勘查要求的新技術(shù)。由此可見“下五洋捉鱉”與“上九天攬月”的技術(shù)完全可以等量齊觀。2.1.2地表覆蓋精度傳統(tǒng)的單波束測量技術(shù)已逐漸被近年來興起的多波束測量技術(shù)所取代,后者雖可基本滿足海底地形的測量要求,并具有條幅測量的效果,但其精度只能達到總測程的1/1000～10/1000,這樣的測量精度還不能滿足海底精密勘查的高精度要求。精密地形測量的精度需要達到1m左右,目前只有多波束精密條幅探測技術(shù)可滿足這類精度要求。這種技術(shù)是多波束條幅測深技術(shù)和精密聲相干涉測深技術(shù)的復(fù)合技術(shù),當前國際上精密條幅海底地形測量技術(shù)正處在開發(fā)之中,我國應(yīng)迅速開展這類技術(shù)的研制與開發(fā)。海底淺剖測量的精度(分辨率)對于精密海底探測和海底工程設(shè)計至關(guān)重要,但現(xiàn)有提高分辨率的技術(shù)已到盡頭,應(yīng)另辟蹊徑采用新技術(shù)。研究運動中的穩(wěn)定平臺,并依托此平臺實現(xiàn)多個小尺寸換能器發(fā)射窄波束聲,然后應(yīng)用非線性原理差頻出最佳探測頻率(如3.5kHz),乃是當今國際上剛起步開發(fā)的海底淺剖高精度測量技術(shù)。除此,為提高海底剖面測量精度還可采用Chirp技術(shù)和多頻或變頻聲技術(shù)等。2.1.3海底沉積物捕獲海底采樣技術(shù)主要包括海底巖石采樣技術(shù)和近海底沉積物捕獲技術(shù)。海底巖石與海底固結(jié)礦石的采樣是非常困難的,在采樣之前必須先破碎固結(jié)的巖石或礦層。國外已開發(fā)出一種重力式拖網(wǎng),它用噸級以上的重錘破碎巖石或礦層,然后拖取之。船只在行進中實現(xiàn)采樣,拖網(wǎng)系統(tǒng)裝有可自動破碎的重錘機構(gòu)和海底監(jiān)視作業(yè)的攝像裝置。近海底沉積物捕獲技術(shù)可在深海近底層水或固-液界面處長期、定時和自動地采集沉積物顆粒物質(zhì),它在海洋懸浮物自動觀測技術(shù)的基礎(chǔ)上還可進一步發(fā)展成為近底層多參數(shù)自動探測技術(shù)。海底工程參數(shù)通常是通過海底采樣與室內(nèi)測量來獲取,如此得來的數(shù)據(jù)雖可表征海底的工程力學性質(zhì),但由于取樣與測量是分開進行的,這樣往往會降低數(shù)據(jù)的真實性。為了克服這一缺點,現(xiàn)在采用的方法是盡量做到現(xiàn)場(insitu)測量,使所得結(jié)果更接近于真實狀況,以便獲得工程開發(fā)所要求的準確數(shù)據(jù),用以設(shè)計海底采礦系統(tǒng)(如海底集礦機等)并指導海底采礦作業(yè)。2.1.4未來研究關(guān)鍵技術(shù)深潛器是一種重要的海底探測平臺,它分為2類,即無人與載人深潛器,無人深潛器又可分為遙控深潛器(RemoteOperatedVehicle)和可編程或自治深潛器(AutonomousUnderwaterVehicle)2種。我國在“八五”期間研制成功了6000m水下自治機器人深潛器,為深潛探測技術(shù)的研究與開發(fā)提供了作業(yè)平臺。未來10年中深潛探測技術(shù)應(yīng)著重解決下列關(guān)鍵技術(shù):①能源技術(shù):需要研究高能、長效的動力源;②導航定位技術(shù):包括衛(wèi)星導航、水聲導航和慣性導航在內(nèi)的綜合導航技術(shù);③探測與采樣技術(shù):包括多種采樣機械手技術(shù)、海底物性參數(shù)測量技術(shù)、近底地震物理場測量技術(shù)、海底高精度聲學組合探查技術(shù)、海底攝像-照相技術(shù)以及海底層水溫、鹽度和化學綜合探測技術(shù)等;④水下數(shù)據(jù)通訊技術(shù):遠距離水聲通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)和圖像傳輸技術(shù);⑤智能技術(shù):以知識為基礎(chǔ)的監(jiān)控技術(shù)、環(huán)境建模技術(shù)、決策與規(guī)劃技術(shù)、協(xié)同作業(yè)技術(shù)和故障診斷專家系統(tǒng)。總之,海底勘查作業(yè)復(fù)雜、耗資巨大,因此,每次出海作業(yè)應(yīng)力求做到投入少,耗時短,獲取的數(shù)據(jù)多,目前國際上的先進做法是開發(fā)多傳感器系列的近海底拖體技術(shù)。2.2實用觀點的選取縱觀幾十年深海采礦技術(shù)的發(fā)展,從設(shè)計思想上看,可以分為直接移植疏浚技術(shù)、借鑒相關(guān)行業(yè)技術(shù)以及創(chuàng)新發(fā)展;從實用的觀點來分,具體可分為連續(xù)繩斗法、管道提升法和穿梭艇采礦法;從時間歷程來看,可分為三個階段:①60年代以資源勘探為主,著手開采技術(shù)的研究;②70年代繼續(xù)資源勘探,開采技術(shù)研制達到高潮;③80年代完成資源勘探,開采技術(shù)逐漸提高完善;④90年代轉(zhuǎn)入環(huán)境研究。我國目前處于60年代末與70年代初的水平。2.2.1實驗車臺型采礦系統(tǒng)連續(xù)繩斗(CLB)法采礦系統(tǒng)是日本根據(jù)疏浚設(shè)備提出來的,并于本世紀70年代初進行了大量海試。具有系統(tǒng)簡單、投資少等優(yōu)點,但由于鏟斗在海底無法控制,不能適應(yīng)海底地形和結(jié)核豐度的變化,終因開采時資源損失大,采礦效率低,而于70年代末被放棄。穿梭艇式采礦系統(tǒng)是法國于80年代初提出的概念設(shè)計,類似于潛艇下沉到海底采集結(jié)核,裝滿后上浮到水面卸載。該系統(tǒng)由于動力問題難以解決,而且投資回收期長,所以,只進行了模型試驗就停止了研究。隨著科技水平的提高與發(fā)展,它或許可能成為第二代大洋結(jié)核的商業(yè)開采系統(tǒng)。集礦機與管道提升相結(jié)合的采礦系統(tǒng)是以美國KENNECOTT、OMA、OMI、OMCO4個財團歷經(jīng)約10年開發(fā)出來的,于70年代末在太平洋C-C區(qū)進行了產(chǎn)量為30～40t/h規(guī)模的海上中試。系統(tǒng)由拖曳式水力或機械集礦機、氣力或水力管道提升系統(tǒng)和經(jīng)改裝成2～4.5萬t級寬體雙底采礦船組成。分別采集了結(jié)核500～1000t。幾次海試驗證了這種采礦系統(tǒng)的技術(shù)可行性,人們普遍認為自行式集礦機與管道提升相結(jié)合的結(jié)核開采系統(tǒng)將成為21世紀最有前途的第一代深海商業(yè)采礦系統(tǒng)。2.2.2機械集礦機集礦在集礦機與管道提升相結(jié)合的采礦系統(tǒng)中,采集技術(shù)占據(jù)十分重要的地位,屬于專有技術(shù)之一。為了開發(fā)這項技術(shù),包括我國在內(nèi)的許多國家都進行了大量的研究工作,提出的專利和設(shè)計有幾十種,當中最具代表性的屬70年代末80年代初由美、日、德、法等國組成的跨國財團研制出的其工作原理與土豆收獲機相類似的鏈板式機械集礦機,同期日本研制出了抽吸式水力集礦機,80年代末90年代初德國研制出了將水力和機械結(jié)合在一起的復(fù)合式集礦機,這一時期對鈷結(jié)殼的采掘機構(gòu)也進行過原理研究。我國在“八五”期間對2種原理的集礦機進行了試驗研究,在國外研究工作的基礎(chǔ)上分別研制出了改進型復(fù)合式集礦機構(gòu)和水力式集礦機構(gòu),并與測控系統(tǒng)進行了聯(lián)動調(diào)試,實驗室集礦率達到了90%以上。集礦機的行走方式有拖曳式和自行式兩種,自行式集礦機有輪式、阿基米德螺旋式和履帶式,其中阿基米德螺旋式和拖曳式行走的集礦機已進行過深海采礦的試驗開采。2.2.3試驗方法的選擇為了實現(xiàn)從海底向水面輸送采集到的礦物,研究了水力提升、氣力提升、輕介質(zhì)提升、重介質(zhì)提升、管道容器提升以及將收集和運輸結(jié)合在一起的連續(xù)繩斗法和穿梭艇法等近10種方式。以美國為首的3個國際財團在70年代末的海上試驗中使用的揚礦方法分別是OMCO的氣力提升、OMI的水力和氣力提升、OMA的氣力提升,實踐證明了水力提升和氣力提升對開采多金屬結(jié)核的技術(shù)可行性和工業(yè)應(yīng)用前景。我國“八五”期間在深海采礦的揚礦技術(shù)方面開展了水力提升和氣力提升的實驗室研究,取得了多相流提升機理、工藝和參數(shù)等多項研究成果和經(jīng)驗。2.2.4采礦系統(tǒng)的測量和控制裝備在已進行過的海試中,水面系統(tǒng)均是采用鉆井船或打撈船改裝而成,用于水下采礦設(shè)備的吊放與回收的裝置則需專門設(shè)計加工。采礦系統(tǒng)的測量和控制裝備由于是在約6000m水深條件下作業(yè),也要專門設(shè)計,如動力通訊復(fù)合電纜、成像聲納等。80年代,各國為了滿足海洋生態(tài)環(huán)境保護的要求,集中改進了采礦系統(tǒng)中的部分關(guān)鍵技術(shù),出現(xiàn)了復(fù)合式集礦機構(gòu)、履帶式自行作業(yè)車、清水泵提升等新思路和新技術(shù)。3集礦機與海底氣藏技術(shù)的發(fā)展重點綜觀深海采礦技術(shù)的發(fā)展,70年代的試驗開采限于當時的技術(shù)和工業(yè)水平,僅僅證明了深海采礦是可行的,但是集礦機的機動性明顯不足,且運行時間過短;其次對揚礦效率高的水力提升方法試驗也不夠。深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)的發(fā)展趨勢是要在技術(shù)可行性得到驗證的基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)有各相關(guān)領(lǐng)域的高新技術(shù)成果,集成和開發(fā)更高層次的新方法、新工藝和新設(shè)備,解決采礦系統(tǒng)及其設(shè)備工作的可靠性、開采的經(jīng)濟性以及采礦作業(yè)對海洋生態(tài)環(huán)境的影響,進而開發(fā)出能靈活高效連續(xù)作業(yè)的商業(yè)化深海采礦系統(tǒng)。集礦子系統(tǒng)將在高壓低溫的環(huán)境中作業(yè)于低強度的底質(zhì)上,因而要求由特殊的材料和設(shè)備組成。集礦機的發(fā)展側(cè)重2個方面:一是收集采掘技術(shù),開發(fā)出對環(huán)境破壞最小的高效集礦機構(gòu),并以多金屬結(jié)核集礦技術(shù)為基礎(chǔ),研制高效的鈷結(jié)殼和熱液硫化物礦的采掘技術(shù);二是研制能在極稀軟的海底上自動行走的作業(yè)車,同時借鑒集礦機的底盤技術(shù),開發(fā)出能為富鈷結(jié)殼和熱液硫化礦采掘機構(gòu)提供支承和處理這類礦物的裝載設(shè)備。輸送系統(tǒng)的發(fā)展方向是多相流管道提升技術(shù),并借此開發(fā)用于鈷結(jié)殼和熱液硫化礦開采的水力與機械聯(lián)合式提升技術(shù)和設(shè)備。測控技術(shù)方面應(yīng)利用和集成相關(guān)領(lǐng)域的高新技術(shù),完善和發(fā)展深海采礦系統(tǒng)的三維動態(tài)定位與隨動技術(shù),以及系統(tǒng)作業(yè)的監(jiān)控技術(shù)。這些技術(shù)將和其它行業(yè)的高技術(shù)如船舶技術(shù)、深潛技術(shù)、水聲技術(shù)、浮材技術(shù)、防腐技術(shù)以及與采礦技術(shù)密切相關(guān)的海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與控制技術(shù)等同步發(fā)展,可以斷言這些相關(guān)領(lǐng)域里的高新技術(shù)必將為深海開采技術(shù)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支撐。此外,隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展和工程開發(fā)工具的計算機虛擬現(xiàn)實模擬法的采用和普及,在大型工程項目的開發(fā)中,應(yīng)用計算機虛擬模型研究成果已經(jīng)成為加快進度、降低費用和風險的有效方法