深海開采裝備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

深海開采裝備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

1中國(guó)的海洋戰(zhàn)略隨著礦產(chǎn)資源的增加（據(jù)有關(guān)部門估計(jì)，中國(guó)大部分礦產(chǎn)資源在50年內(nèi)將枯萎），國(guó)際海底礦產(chǎn)資源的開發(fā)是大勢(shì)所趨。國(guó)際海底及深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和正在形成的高新技術(shù)領(lǐng)域之一,已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。占世界海洋面積65%的國(guó)際海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源,其中多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼等深海礦產(chǎn)可望在21世紀(jì)20年代后期進(jìn)入商業(yè)性開采階段,以替代日益枯竭的陸地資源,成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)。中國(guó)人均陸地面積只有0.008km2,遠(yuǎn)低于世界人均0.3km2的水平,礦產(chǎn)資源人均占有量還不到世界水平的一半,但中國(guó)90%的能源消耗和工業(yè)材料都依賴于礦產(chǎn)資源。據(jù)統(tǒng)計(jì),占中國(guó)礦產(chǎn)消耗量90%的45種主要礦產(chǎn),進(jìn)入21世紀(jì)后將有半數(shù)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,資源緊缺將制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,所以走向大洋,向深海開辟新資源是中國(guó)一項(xiàng)重大的海洋發(fā)展戰(zhàn)略。從1976年開始,中國(guó)便組織海洋調(diào)查船在太平洋赤道附近的國(guó)際海底區(qū)域進(jìn)行深海資源的調(diào)研,并分別于1978年和1979年在4214～5443m深處采集了多金屬結(jié)核。20世紀(jì)80年代中國(guó)投資幾千萬美元在該海域進(jìn)行了綜合性的資源調(diào)查和初步評(píng)估,1990年“中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)”成立,負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)全國(guó)在國(guó)際海底區(qū)域的研究開發(fā)活動(dòng),并向聯(lián)合國(guó)海底籌委會(huì)申請(qǐng)礦區(qū)登記,1991年3月5日獲得批準(zhǔn),成為繼法、日、俄、印之后的第五位“先驅(qū)投資者”,并將位于北太平洋上夏威夷島東南方向,西經(jīng)138°～157°、北緯7°～14°海域的克拉里昂一克林帕頓斷裂帶的15萬km2的采礦區(qū)分配給中國(guó)作為開辟區(qū)。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》規(guī)定,中國(guó)分別于1996年和1999年,將分配區(qū)域中的50%面積交還聯(lián)合國(guó),作為人類的共同繼承財(cái)產(chǎn),其余7.5萬km2海域中的礦物資源讓渡給中國(guó),由中國(guó)進(jìn)行專屬性開采,使中國(guó)在太平洋上獲得了一塊“中國(guó)地”,向跨世紀(jì)的海洋大國(guó)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。據(jù)調(diào)查,中國(guó)采礦區(qū)平均水深5000m左右,水域環(huán)境復(fù)雜,氣象海況多變,實(shí)現(xiàn)深海多金屬結(jié)核開采難度極大,需經(jīng)過深?？碧?、優(yōu)選礦址、高壓采集、高位提升、遠(yuǎn)程運(yùn)輸、精析礦物、加工冶煉等一系列開發(fā)程序,是集造船、運(yùn)輸、導(dǎo)航、電子、遙測(cè)、自控、水聲、水力、光學(xué)、物化和環(huán)保等各領(lǐng)域高新技術(shù)的綜合運(yùn)用。1990年國(guó)務(wù)院決定將“大洋多金屬結(jié)核資源勘探開發(fā)”作為國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展項(xiàng)目給予專項(xiàng)投資資助,1994年我國(guó)從俄羅斯購(gòu)買了現(xiàn)代化的“大洋一號(hào)”遠(yuǎn)洋科學(xué)考察船,裝備了從美國(guó)引進(jìn)的具有20世紀(jì)90年代新技術(shù)的多波束測(cè)深系統(tǒng)和裝有測(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、測(cè)深測(cè)高聲吶、深海攝像機(jī)等設(shè)備的6km深海拖曳觀測(cè)系統(tǒng),又同俄羅斯合作研制了6km自治水下機(jī)器人并在1995年深海試驗(yàn)中獲得成功,使我國(guó)能夠?qū)弦酝獾恼际澜绾Ｑ竺娣e97%的大洋海底進(jìn)行精確、高效、全覆蓋的觀察、測(cè)量、儲(chǔ)存和進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,并能精確繪制深海礦區(qū)的兩維、三維海底地形地貌圖,還完成了以資源庫(kù)、環(huán)境庫(kù)和文件庫(kù)組成的“大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)”,以便及時(shí)掌握和交流世界大洋地質(zhì)、資源和環(huán)境資料,以上這些工作推動(dòng)了中國(guó)海洋科技的發(fā)展,縮短了與海洋先進(jìn)國(guó)家間的差距,為中國(guó)成為“先驅(qū)投資者”和在21世紀(jì)進(jìn)一步開拓大洋資源提供了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)。2開發(fā)平臺(tái)的組成按照海底資源開發(fā)工作的先后順序,可將深海資源開發(fā)技術(shù)歸納為資源勘查、資源開采和深海運(yùn)載技術(shù),其中深海運(yùn)載工具及其技術(shù)是資源勘探和開采技術(shù)所共用的技術(shù)平臺(tái),它主要涉及系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和定位、控制、能源和材料等各種通用深?；A(chǔ)技術(shù)。深海運(yùn)載技術(shù)、資源勘查技術(shù)和資源開發(fā)技術(shù)構(gòu)成了國(guó)際海底區(qū)域資源開發(fā)的總體技術(shù)體系。由于國(guó)際海底區(qū)域資源的多樣性,以及它們的賦存狀態(tài)和產(chǎn)出形式的不同,因此采用的勘查、開采和加工利用技術(shù)必須適應(yīng)它們各自不同的特點(diǎn),需要有專業(yè)的作業(yè)工具、勘查設(shè)備和開采裝備。以下主要介紹資源開采技術(shù)的研究現(xiàn)狀。2.1自行式集礦機(jī)加管道輸送采礦系統(tǒng)的實(shí)踐深海資源開采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是依賴開采裝備的研究和制造,由于所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和一些不為人所知的情況,因此安全而可靠的開采裝備的研究就顯得十分必要。此外,開采裝備所涉及的工程領(lǐng)域十分廣泛,包括采礦工程、機(jī)械電子、系統(tǒng)控制、材料科學(xué)、空間導(dǎo)航和定位以及通信工程等高新技術(shù)。國(guó)際上在20世紀(jì)60年代開始興起進(jìn)行開采裝備的研究和制造,考慮到海底礦物種類不同,其在海底的賦存形態(tài)各異,開采這些礦物的工藝和所選用的采礦裝備也有很大不同,從幾十年深海采礦技術(shù)發(fā)展的設(shè)計(jì)思路和實(shí)用角度來看,目前主要分為連續(xù)繩斗法、穿梭潛水器采礦法和集礦機(jī)加管道提升法,德國(guó)、美國(guó)、印度、韓國(guó)和日本等國(guó)家先后對(duì)上述三類方法進(jìn)行過理論研究和原理性的試驗(yàn)研究,同時(shí)采用集礦機(jī)加管道輸送采礦方法進(jìn)行的幾次海上試驗(yàn)獲得成功,因此人們普遍認(rèn)為自行式集礦機(jī)加管道提升采礦系統(tǒng)將成為21世紀(jì)最有前途的第一代商業(yè)開采系統(tǒng)(見圖1)。由于深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程,雖歷經(jīng)多年的理論研究和海上試驗(yàn),其開采技術(shù)和開采方式還未成熟,未達(dá)到可靠的商業(yè)性開采階段,但隨著聯(lián)合國(guó)海洋法會(huì)議的召開,激勵(lì)各國(guó)建立一項(xiàng)開采這種海洋資源的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略,因此大大加快了商業(yè)開采過程。目前從技術(shù)角度看,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)的行走機(jī)構(gòu)從拖曳式走向自行式;就輸送技術(shù)而言,也經(jīng)歷了將集礦和輸送合二為一的連續(xù)繩斗法和與集礦機(jī)相對(duì)獨(dú)立的管道提升的發(fā)展過程;作為采礦系統(tǒng)的支持和控制中心,在70年代末進(jìn)行的幾次試驗(yàn)中都是使用船舶作為水面支持系統(tǒng),雖然從穩(wěn)定性出發(fā)也提出了半潛式平臺(tái)作為深海采礦的水面支持系統(tǒng),但是目前的半潛式平臺(tái)只能在1000m水深的海區(qū)作業(yè),離商業(yè)開采還有很大距離。綜合上述工作可以認(rèn)為,20世紀(jì)70年代的試驗(yàn)開采限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和工業(yè)水平,僅僅證明了深海采礦是可行的,其后進(jìn)行的工作除專有技術(shù)繼續(xù)研究之外,主要是將電子技術(shù)和材料等新科技成果應(yīng)用于深海采礦中。進(jìn)入90年代,西方發(fā)達(dá)國(guó)家儲(chǔ)備了足夠的技術(shù),以等待國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件成熟,適當(dāng)吸收技術(shù)發(fā)展的最新成果后便可馬上投入商業(yè)開采。深海采礦研究工作轉(zhuǎn)入與此有關(guān)的環(huán)境研究,多金屬結(jié)核開采技術(shù)研究開發(fā)的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到亞洲。韓國(guó)自20世紀(jì)80年代以來,加快了海底勘探活動(dòng)的進(jìn)程,于1994～2003年進(jìn)行了采礦技術(shù)初期方案的研究,從發(fā)表的文獻(xiàn)來看,韓國(guó)目前處于原理研究階段。日本在進(jìn)行了早期的連續(xù)繩斗法試驗(yàn)后,將研制工作轉(zhuǎn)移到集礦機(jī)、管道提升和水面系統(tǒng)方向,并完成了2000m水深的海上試驗(yàn),可以說日本目前處于深海結(jié)核開采技術(shù)的世界領(lǐng)先水平(見圖2)。印度基于20世紀(jì)70年代的研究成果,仍然采用水面船只、管道輸送、集礦機(jī)集礦這樣一套系統(tǒng),分3個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn),并于2000年完成了第一階段的試驗(yàn)。此外,要達(dá)到真正的深海商業(yè)開采,各國(guó)家必須完成開采裝備的計(jì)算機(jī)仿真分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析、淺海試采和深海試采等四個(gè)階段,目前為止前兩個(gè)階段基本完成,而后兩個(gè)階段由于采取的研究方法不同,各個(gè)國(guó)家正在進(jìn)行中。2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)備工作我國(guó)的深海資源開發(fā)技術(shù)研究雖然起步較晚,但是歷經(jīng)“八五”、“九五”的研究,已在采礦車研制、揚(yáng)礦系統(tǒng)研究、水面系統(tǒng)研究、測(cè)控系統(tǒng)研究等方面取得重大進(jìn)展。目前正在準(zhǔn)備進(jìn)行“十五”期間采礦系統(tǒng)淺海試驗(yàn)的技術(shù)準(zhǔn)備工作。另外和國(guó)外的研究成果相比,我國(guó)開采技術(shù)在技術(shù)研究和試驗(yàn)的深度和廣度上還有差距,可以說我國(guó)目前僅僅完成單體設(shè)備的室內(nèi)試驗(yàn)和打通了部分關(guān)鍵設(shè)備的工藝流程,經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的特性有了初步的了解,距離系統(tǒng)掌握總體系統(tǒng)的特性還相差很遠(yuǎn)。根據(jù)我國(guó)“八五”期間深海采礦技術(shù)基礎(chǔ)研究成果和“九五”前期對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行的理論研究和室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)國(guó)際上連續(xù)索斗法、穿梭潛水采礦車法和流體管道提升法三種主要采礦系統(tǒng),及其各種變型方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和研究相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展,確定我國(guó)大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)為自行式集礦機(jī)加水力管道提升采礦系統(tǒng)。3集礦系統(tǒng)的主要作用采礦系統(tǒng)的基本任務(wù)是在海底采集結(jié)核礦石,將其提升到海面并運(yùn)輸?shù)娇诎丁Ｔ凇鞍宋濉焙汀熬盼濉惫ぷ鞯幕A(chǔ)上,根據(jù)深海采礦系統(tǒng)的總體構(gòu)想和海洋環(huán)境,我國(guó)科學(xué)家確定的深海開采技術(shù)系統(tǒng)包括集礦子系統(tǒng)、揚(yáng)礦子系統(tǒng)、測(cè)控子系統(tǒng)和水面支持子系統(tǒng)等四大部分(見圖3)。(1)集礦子系統(tǒng)主要功能是為集礦機(jī)構(gòu)和破碎機(jī)構(gòu)提供工作平臺(tái)的海底作業(yè)車按預(yù)定軌跡運(yùn)行,完成海底采集結(jié)核礦石,并進(jìn)行脫泥、破碎、輸送作業(yè)。(2)揚(yáng)礦子系統(tǒng)主要功能是將采集的結(jié)核礦石經(jīng)管道提升到海面船上。由垂直提升硬管段、中間倉(cāng)和軟管段三部分組成。為了保證自行式集礦機(jī)的機(jī)動(dòng)性,避免揚(yáng)礦管對(duì)其產(chǎn)生動(dòng)力影響,揚(yáng)礦管通過一段軟管與集礦機(jī)相連。中間倉(cāng)設(shè)置在垂直管與軟管之間,當(dāng)結(jié)核豐度化引起采集結(jié)核量改變時(shí),保持向揚(yáng)礦管供礦穩(wěn)定,提高揚(yáng)礦效率。(3)測(cè)控部分測(cè)控與動(dòng)力配置是集成所有子系統(tǒng)信息,并提供安全可靠的動(dòng)力及符合要求的控制、通信、監(jiān)測(cè)和導(dǎo)航定位等功能的深海采礦綜合控制管理系統(tǒng),它確保了開采作業(yè)安全、可靠、高效、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。(4)水面支持子系統(tǒng)(采礦船)它是采礦作業(yè)中心,為水下設(shè)備提供存放、布放、回收、作業(yè)支撐和維修,并貯存結(jié)核礦石。水面支持子系統(tǒng)配置有全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng),具有良好的操縱與回轉(zhuǎn)性能;配置采礦系統(tǒng)水下設(shè)備所必須的布放、回收、懸吊系統(tǒng);配置發(fā)電機(jī)組和相應(yīng)的變送電設(shè)備,滿足水下動(dòng)力供給要求;船舶中部設(shè)置月池,具有存放水下設(shè)備的空間和操作空間以及維修間;配置水文測(cè)量系統(tǒng),包括海浪、水流、水深、風(fēng)及航速、航跡等測(cè)量系統(tǒng);設(shè)置結(jié)核脫水及尾礦初步處理與排放系統(tǒng);配置水下系統(tǒng)必須的操作控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng),操作定位及通信系統(tǒng);試驗(yàn)完成后船應(yīng)較容易恢復(fù)原來的功能。4計(jì)算機(jī)模擬研究虛擬樣機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代工程分析和設(shè)計(jì)中一個(gè)新的方法,已在國(guó)內(nèi)外空間技術(shù)、國(guó)防技術(shù)、海洋技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)研究方面取得過大量成功應(yīng)用實(shí)例,與傳統(tǒng)的研制物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)相比,利用虛擬樣機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)估更加具有優(yōu)越性并適合我國(guó)國(guó)情。采用虛擬技術(shù)進(jìn)行裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真,對(duì)系統(tǒng)的作業(yè)性能、穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行分析和評(píng)估,并對(duì)可能出現(xiàn)的故障及應(yīng)對(duì)措施和處理效果進(jìn)行分析和模擬,同時(shí)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低設(shè)計(jì)成本等方面將起到十分重要的作用。為了以最小的代價(jià)獲得最大的收獲,各國(guó)的研究開發(fā)單位在深海資源開發(fā)系統(tǒng)中亦十分注意虛擬技術(shù)的應(yīng)用。日本在實(shí)際開采試驗(yàn)之前進(jìn)行了大量計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn),對(duì)各種氣候條件下?lián)P礦管道的布放和回收行為、集礦機(jī)與管道船的集成控制等進(jìn)行了精確的分析和校驗(yàn)。韓國(guó)在其“深海采礦技術(shù)開發(fā)和深海環(huán)境保護(hù)”計(jì)劃中將采礦系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬作為主要研究?jī)?nèi)容之一,已完成了采礦系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)模擬程序的開發(fā),可進(jìn)行采礦船、軟管、硬管、集礦車等的動(dòng)態(tài)模擬以及采礦船的動(dòng)力定位和路線跟蹤模擬。美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家在深海采礦系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬研究方面亦做了大量工作。我國(guó)在深海多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)的研制開發(fā)中亦開展了計(jì)算機(jī)仿真研究。在前期的開采裝備設(shè)計(jì)和研究工作中,我國(guó)科學(xué)家對(duì)開采系統(tǒng)的機(jī)電裝備設(shè)計(jì)、開采區(qū)氣候條件和海況、以及不同作業(yè)工況下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析,得到了很多數(shù)據(jù)。如長(zhǎng)沙礦山研究院對(duì)揚(yáng)礦輸送軟管及對(duì)集礦機(jī)的作用力進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析,得到了集礦機(jī)的海底安全行駛區(qū)域等結(jié)論;702所、北京科技大學(xué)對(duì)深海采礦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,分析了典型氣候條件和工況下系統(tǒng)的性能及系統(tǒng)內(nèi)各部分的相互影響、揚(yáng)礦管在海水中的運(yùn)動(dòng)特性等,這些數(shù)據(jù)為以后的研究工作提供了許多有價(jià)值的技術(shù)參考。然而由于我國(guó)深海資源開發(fā)工作起步較晚,在利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)復(fù)雜的深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行分析研究方面還有許多工作尚待開展和深入,如虛擬物理子系統(tǒng)VPS(VirtualPhysicalSystem)的作業(yè)過程可視化仿真、虛擬控制子系統(tǒng)VCS(VirtualControlSystem)的同步性能及控制策略可視化分析、虛擬信息子系統(tǒng)VIS(VirtualInformationSystem)與VPS和VCS的信息交換與協(xié)同作業(yè)可視化聯(lián)合仿真、作業(yè)區(qū)域大氣和海洋虛擬環(huán)境可視化建模及仿真等。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于深海采礦工程在國(guó)際上還處于前沿研究階段,在這方面我國(guó)的研究與世界上其他領(lǐng)先國(guó)家處于同一起跑線上,某些方面甚至更勝一籌,所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾個(gè)方面。4.1海底環(huán)境的可視化模擬海洋虛擬環(huán)境的建立是虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)的核心內(nèi)容之一,其基本思想是根據(jù)海洋勘察及相關(guān)資料,建立海底礦床地貌、水文條件、資源分布狀態(tài)等深海底礦產(chǎn)資源開采環(huán)境的可視化模型;建立開采區(qū)域大氣環(huán)境和海洋海況變化的可視化模型;通過虛擬環(huán)境建模及環(huán)境動(dòng)態(tài)可視化仿真,獲取海底礦床實(shí)際環(huán)境的三維可視化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),并根據(jù)實(shí)際需要利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立不同情況下的深海資源虛擬開采環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型;分析海底復(fù)雜條件改變(地形地貌、高壓低溫、暗流暗礁等)、大氣環(huán)境和海況變化對(duì)采礦系統(tǒng)作業(yè)的影響。虛擬海洋環(huán)境的建立可以為深海采礦系統(tǒng)的研制開發(fā)、資源開采技術(shù)以及預(yù)測(cè)評(píng)估體系的構(gòu)建提供必要理論依據(jù)。4.2完善開采新技術(shù)根據(jù)深?？睖y(cè)資料和海洋礦產(chǎn)資源的特點(diǎn),在已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)有虛擬樣機(jī)試驗(yàn)參數(shù)及陸地資源開采裝備技術(shù)較成熟的基礎(chǔ)上,利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,完善目前尚未成熟的開采原理,降低開采風(fēng)險(xiǎn);運(yùn)用計(jì)算機(jī)支持協(xié)同并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)