國際海底區(qū)域的性質(zhì)與中國的戰(zhàn)略選擇

國際海底區(qū)域的性質(zhì)與中國的戰(zhàn)略選擇

0參與區(qū)域活動的基本情況浩瀚的海洋是人類擁有巨大的資源寶。海洋的表面積為3.6億km2,約占地球表面積的71%。根據(jù)1994年生效的《聯(lián)合國海洋公約》(下簡稱公約)規(guī)定,國際海底區(qū)域(下簡稱區(qū)域)指國家管轄海域以外的海床和洋底及其底土,其面積約2.517億km2,占地球表面積的49%,區(qū)域及其資源是人類共同繼承的財產(chǎn)。深海則包括了絕大部分區(qū)域和部分國家管轄的海域。區(qū)域因其在海洋中所處的獨特的政治法律地位,更因其擁有的具有多樣性的資源,包括戰(zhàn)略金屬資源能源資源和生物資源等既為世界各國提供了一個延展可控制的疆界、爭取海洋空間權(quán)益的機遇,又為世界各國開辟了一個培育、發(fā)展和應(yīng)用高新技術(shù)的重大領(lǐng)域。在不斷謀求生存空間和社會發(fā)展需求這個不竭動力的推動下,區(qū)域既是國際社會經(jīng)濟(jì)、科技乃至政治、外交、軍事等多方位合作的重要基地,也是綜合實力展示與角逐的競技場。我國參與區(qū)域的研究開發(fā)活動時點可追溯到1978年,當(dāng)年4月,首次從太平洋特定海區(qū)4784m水深處采集到多金屬結(jié)核。然而真正意義上向國際海底進(jìn)軍,當(dāng)以1991年3月5日獲準(zhǔn)登記為國際海底區(qū)域先驅(qū)投資者,及緊隨后成立的中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(下簡稱大洋協(xié)會)為標(biāo)志。中國深海采礦技術(shù)研發(fā)始于1990年代初,其后,在實施1991年9月完成的中國大洋多金屬結(jié)核資源研究開發(fā)第一期(1991~2005年)發(fā)展規(guī)劃的15年中,深海采礦技術(shù)實現(xiàn)了從無到有,從單元技術(shù)研究突破到成組技術(shù)集成的驗證,取得了一些以當(dāng)代最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造為基礎(chǔ),具有重要應(yīng)用價值的自主創(chuàng)新成果,初步構(gòu)建出了我國深海采礦的技術(shù)體系,奠定了多種礦物資源開采技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。與此同時,形成了以長沙礦山研究院和長沙礦冶研究院為主體,具有參與國際技術(shù)競爭綜合能力的中國深海采礦技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊。從深海開采技術(shù)層面上,為增強我國在區(qū)域活動的影響力提供了有力支撐。顯現(xiàn)出了強大的后發(fā)之勢。當(dāng)前,區(qū)域的活動方式及其科技、經(jīng)濟(jì)、政治及法律環(huán)境正處于深刻的變化時期,科學(xué)地分析變化的背景,積極地把握變化的趨勢,審時度勢,乘勢而上,無疑將會促進(jìn)我國的大洋事業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。1發(fā)展的背景1.1針對不同多金屬核資源運行的“綠色目標(biāo)”活動法律制度的確立:上世紀(jì)50年代末開始,以美國為主體的跨國公司在公海自由支配的原則下,進(jìn)行了大規(guī)模的深海資源勘查等活動,由此導(dǎo)致了國際法律關(guān)系的調(diào)整。從1970年聯(lián)合國大會通過宣言,確定區(qū)域及其資源是人類共同繼承的財產(chǎn),到1994年公約生效,歷時20余年坎坷征程,使得區(qū)域的活動從無章可循到有法可依?；顒臃绞揭沧儫o序為有序。至此,作為地球上具有特殊法律地位的最大的政治地理單元的區(qū)域,在其中活動則要受到超越國家的特殊的法律制度約束。區(qū)域由聯(lián)合國專門設(shè)立的國際海底管理局代表全人類負(fù)責(zé)管理。新世紀(jì)的區(qū)域及其資源的競爭將在有序合法的形式下進(jìn)行。目前,國際海底管理局已核準(zhǔn)了先驅(qū)投資者提交的多金屬結(jié)核勘探工作計劃,正著手制定針對多金屬結(jié)核以外的其他深海資源的有關(guān)規(guī)章,有些可望在2007年獲得通過。區(qū)域活動中的政治:區(qū)域問題的核心是權(quán)益。一個國家在區(qū)域活動的強度、廣度及表現(xiàn)出的影響力、控制力最能反映出其參與決定國際事務(wù)的能力及影響力、當(dāng)前及未來國際地位、實際擁有的區(qū)域利益份額、對國家權(quán)益和國家安全的維護(hù)狀態(tài)。羅馬的政治家西塞路(Cicero)曾言:誰能控制海洋,誰就能控制世界。當(dāng)今在區(qū)域的權(quán)益分配控制上進(jìn)行的區(qū)域活動,集中表現(xiàn)為20世紀(jì)的以多金屬結(jié)核礦區(qū)權(quán)屬確定為代表的第一輪“藍(lán)色圈地”和21世紀(jì)正在進(jìn)行的以富鈷結(jié)殼等礦物資源礦區(qū)權(quán)屬確定為代表的第二輪“藍(lán)色圈地”。基于政治及其它多重因素,近年來,有關(guān)國家在區(qū)域及深海的活動均呈加強的態(tài)勢。我國是繼印度、法國、日本、蘇聯(lián)(現(xiàn)為俄羅斯)之后,于1991年3月成為第五個國際海底區(qū)域先驅(qū)投資者的國家,1996以海底最大投資國的身份當(dāng)選為國際海底管理局第一屆理事會B組成員,2004年當(dāng)選為理事會A組成員。目前已全面介入國際海底管理局各級機構(gòu)的工作,并發(fā)揮了重要的基礎(chǔ)作用。我國積極參與了在國際海底區(qū)域內(nèi)的第一輪的“藍(lán)色圈地”競爭,于1999年正式獲得了東太平洋區(qū)域的7.5萬km2的多金屬結(jié)核礦區(qū)的專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開發(fā)權(quán),其面積與我國的渤海面積相當(dāng)。在此基礎(chǔ)上,初步圈定了富鈷結(jié)殼申請區(qū),并開展了其它資源的調(diào)查,這些活動為改變我國在區(qū)域內(nèi)第二輪藍(lán)色圈地競爭中的被動地位奠定了基礎(chǔ)然而,由于我國進(jìn)軍區(qū)域時,世界經(jīng)濟(jì)強國美、日、英、法、德、蘇(現(xiàn)為俄羅斯)和印度等國,已在上世紀(jì)80年代基本完成了對最具商業(yè)價值的多金屬結(jié)核富礦區(qū)的分割,我國的多金屬結(jié)核資源礦區(qū)的質(zhì)量如結(jié)核品位、豐度等,以及海底地形的條件均相對較差。當(dāng)今區(qū)域活動的特點是,各國均由單一多金屬結(jié)核資源開發(fā)調(diào)整為面向多種資源(富鈷結(jié)殼、熱液硫化物、天然氣水合物、生物基因等)開發(fā)利用。在新一輪的競爭中,與發(fā)達(dá)國家甚至某些發(fā)展中國家相比,我國在區(qū)域的活動存在著較大差距。1.2天然氣水合物資源礦產(chǎn)資源狀態(tài):人類的生存和創(chuàng)造均以資源消耗為前提,礦產(chǎn)資源的利用水平從一個側(cè)面直接反映了社會生產(chǎn)力的水平。礦產(chǎn)資源的危機將對人類社會發(fā)展帶來災(zāi)難性的后果,這是一個全球性的問題。據(jù)科學(xué)預(yù)測,全球礦產(chǎn)資源的儲量增長速度始終高于產(chǎn)量的增長速度。陸地資源在本世紀(jì)大多趨于耗竭,在陸地資源耗竭之前,盡早開辟新的資源供給渠道已是當(dāng)今各國共同的抉擇。區(qū)域是地球上尚未被人類充分認(rèn)識和利用的最大的潛在戰(zhàn)略資源基地,其中海底礦物資源的礦種多,數(shù)量大,品位富,有巨大的開發(fā)利用前景。如多金屬結(jié)核富含銅、鈷、鎳、錳等,其平均品位分別為1.00%,0.22%,1.30%,25.00%;富鈷結(jié)殼富含鈷、鎳、鉑、稀土元素等,其平均品位分別為1.7%,1.1%,1.3%,0.1%~0.3%;海底熱液硫化物富含鋅、銅、金、銀等,其品位分別為3.3%,5.5%~40.0%,1.4%~55.0g/t,42.0%~129.0g/t;天然氣水合物是重要的能源礦產(chǎn)。已探明的深海礦產(chǎn)資源占我國支柱礦產(chǎn)數(shù)的67%,占我國主要礦產(chǎn)數(shù)的42%,占我國可保障礦產(chǎn)數(shù)的13.6%,占我國基本保障礦產(chǎn)數(shù)的58.3%,占我國短缺礦產(chǎn)數(shù)的72.7%。深海礦產(chǎn)資源對我國資源需求的保障具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計,全球洋底具有商業(yè)開發(fā)價值的多金屬結(jié)核700億t。天然氣水合物的總量換算成甲烷氣體約為1.8×108~2.1×108億t,約相當(dāng)于全球煤、石油和天然氣總儲量的兩倍。位于太平洋西部火山和麥哲倫海山兩處富鈷結(jié)殼的資源量約15億t。在加拉帕戈期的一個熱液硫化物礦床的資源儲量就達(dá)2500萬t,目前發(fā)現(xiàn)的潛在金屬資源量達(dá)14億t。經(jīng)濟(jì)價值評估:我國在太平洋7.5萬km2的多金屬結(jié)核資源專屬區(qū)目前控制了億干結(jié)核量,11175.52萬t錳,406.40萬t銅,514.42萬t鎳,98.49萬t鈷的資源量,可形成年產(chǎn)300萬t干結(jié)核、開采周期20年的深海產(chǎn)業(yè)。初步測算,投資該規(guī)模的產(chǎn)業(yè)總資本14~19億美元,回收期7~12年,可獲利潤40~50億美元。1.3深水技術(shù)創(chuàng)新的起點變理論上的占有區(qū)域資源為實際上的可使用區(qū)域資源,是進(jìn)軍大洋的主要目的。區(qū)域活動競爭制勝的關(guān)鍵取決于技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步。國際社會深海開發(fā)技術(shù)的發(fā)展均以多金屬結(jié)核開采技術(shù)研發(fā)為起點。1970年代以來,西方發(fā)達(dá)國家通過技術(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,完成了深海多金屬結(jié)核開采的技術(shù)儲備,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)競爭力。1.3.1國際研究重點研究的采礦系統(tǒng)多金屬結(jié)核的開采技術(shù)可行性已得到驗證。其發(fā)展過程中形成的具有標(biāo)志性意義的成果如下。(1)拖斗式采礦系統(tǒng)。該系統(tǒng)由美國加利福利亞大學(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)難以實現(xiàn)商業(yè)價值,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,法國提出了雙船采礦系統(tǒng)。這兩套系統(tǒng)均由采礦船、拖纜、索斗和牽引機等部分組成。1968年和1970年,日本住友商事社等單位分別在1410m水深和3760~4500m水深進(jìn)行了單船采礦系統(tǒng)開采試驗,取得了預(yù)期效果。試驗完成后,由來自日本、法國、美國、德國等的20余家公司組成了CLB采礦法國際協(xié)會,并于1972年8月在北太平洋進(jìn)行了一次目標(biāo)為日產(chǎn)結(jié)核百噸級的試驗,但僅采到十余噸結(jié)核。雙船采礦系統(tǒng)的詳細(xì)試驗計劃由法國等在1973年9月至1974年5月完成,因經(jīng)費問題計劃最終被放棄。CLB采礦法存在鏟斗在海底不能得到有效控制、作業(yè)不能適應(yīng)海底地形和豐度的變化等問題,尤其是無法達(dá)到工業(yè)開采的要求,國際社會的這一研究工作在1970年代末期基本終止。(3)穿梭潛器采礦系統(tǒng)。該項研究始于1972年由法國人提出系統(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Vertut等人研制了梭車形潛水遙控車,該車實現(xiàn)了集礦揚礦一體化,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。主要由于動力、控制和成本問題,該系統(tǒng)完成模型試驗后暫停了研究工作,但國際社會認(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,且使用煤油會污染海洋環(huán)境,故僅將其視為采集結(jié)核的一種方法。水力和氣力提升開采系統(tǒng),它是基于美國梅洛設(shè)想開發(fā)的,被國際社會列為重點研究試驗的錳結(jié)核開采系統(tǒng)。美國、英國、加拿大、日本4國的有關(guān)公司于1974年1月成立的肯尼柯特集團(tuán)公司(KCON),其后于1978年完成了由集礦器-管道提升組成的模擬系統(tǒng)在5000m水深的陸地采礦模擬試驗。成立于1974年10月的海洋采礦協(xié)會(OMA)由美國、比利時、意大利3國有關(guān)公司創(chuàng)建,1978年夏秋之際,在大西洋的布萊克海底臺地進(jìn)行了拖曳式水力式集礦機-氣力提升采礦系統(tǒng)試驗,連續(xù)作業(yè)22h,采集結(jié)核約500t,試驗于當(dāng)年11月結(jié)束。美國、加拿大、日本、德國的有關(guān)公司在1975年2月組建了海洋管理公司(OMI)。1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕頓斷裂帶,用拖曳式水力集礦機/拖曳式機械集礦機-氣力/水力提升組成的采礦系統(tǒng),進(jìn)行了3次開采試驗,實際作業(yè)40h,從5200m海底采集結(jié)核800t。試驗中機械式集礦機在下放過程中丟失。1977年11月成立的海洋礦業(yè)公司(OMCO)由美國的3大公司共同設(shè)立。1978年公司進(jìn)行了1800m水深集礦機試驗,1979年3月完成了由阿基米德螺旋驅(qū)動自行式集礦機-氣力/水力提升系統(tǒng)組成的采礦系統(tǒng)在5000m水深的海上試采試驗。法國大洋結(jié)核研究開發(fā)協(xié)會早在1972年就開展了集礦機-管道提升式采礦法的研究工作,1976暫停了該研究。1984年又重開水力提升采礦系統(tǒng)研究工作,在暫停穿梭潛器采礦系統(tǒng)的研制工作后,1985年與德國聯(lián)合提出了一項開發(fā)流體提升采礦系統(tǒng)的計劃。日本于1970年代末期也調(diào)整了研究方向,重點開展了拖曳式水力集礦機集礦-水力管道提升礦物的采礦系統(tǒng)研制。并于1990年代進(jìn)行了集礦機構(gòu)和揚礦裝置的單體試驗。俄羅斯(前蘇聯(lián))于1987年和1990年在黑海79m水深同一區(qū)域進(jìn)行了采礦系統(tǒng)試驗,參試系統(tǒng)為自行式集礦機-水力管道提升系統(tǒng),試驗的生產(chǎn)能力達(dá)到了7.2t/h。印度于2000年9月在400~500m水深處進(jìn)行海上采集試驗,驗證了抽吸頭式集礦機和軟管輸送的可行性。目前,發(fā)達(dá)國家的多金屬結(jié)核開采技術(shù)研究工作基本處于靜止?fàn)顟B(tài),相關(guān)的研究重點轉(zhuǎn)入到了環(huán)境研究上。原因是西方發(fā)達(dá)國家總體上實現(xiàn)了多金屬結(jié)核開采技術(shù)的技術(shù)儲備,待國際政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件成熟,在適當(dāng)吸收技術(shù)發(fā)展的最新成果后,即可將該技術(shù)用于商業(yè)開采。1.3.2海底熱液硫化開采技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期以來,西方發(fā)達(dá)國家在取得多金屬結(jié)核采礦技術(shù)領(lǐng)先地位后,及時把研究領(lǐng)域擴(kuò)展到富鈷結(jié)殼、海底熱液硫化物、天然氣水合物等多種資源領(lǐng)域。美國在完成了富鈷結(jié)殼的采礦機理研究后,提出了結(jié)殼采礦車設(shè)計方案及采礦系統(tǒng)技術(shù)方案。日本、南非等國于1990年代申請了數(shù)項富鈷結(jié)殼采集機的專利。現(xiàn)已提出富鈷結(jié)殼開采系統(tǒng)技術(shù)方案,除采用機械方法剝離附著在海巖上的結(jié)殼外,還采用了水壓、聲波等方法剝離結(jié)殼。當(dāng)前日本已提出了海底熱液硫化物開采技術(shù)方案設(shè)計,并完成了有關(guān)開采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價。澳大利亞某公司已取得了巴布亞新幾內(nèi)亞和新西蘭的海底硫化物的勘探開發(fā)合同,其新南威爾斯大學(xué)等開展了對海底熱液硫化物的采礦技術(shù)方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究。澳大利亞正著手開發(fā)南太平洋的海底硫化礦,預(yù)計在2010年進(jìn)行海上開采試驗。加拿大多倫多大學(xué)等也開展了對海底熱液硫化物的勘探、采礦技術(shù)的研究工作,并發(fā)表了相關(guān)報告。鸚鵡螺礦業(yè)公司和海王星礦業(yè)公司對海底熱液硫化物開采可能性的探索,取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。美國、日本、印度及歐洲有關(guān)國家先后制定了天然氣水合物的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃和實施計劃,美國明確宣稱到年完成商業(yè)開采技術(shù)準(zhǔn)備韓國、印度等國盡管目前處于基礎(chǔ)實驗研究階段,但因起點高,發(fā)展迅速。1.4我國色礦資源運營所面臨的挑戰(zhàn)在世界經(jīng)濟(jì)一體化的大格局下,我國已成為世界制造業(yè)的重要基地之一,因而大幅度地提高了金屬材料的消費量?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)等新的發(fā)展更強化了對礦產(chǎn)資源的強勁需求,據(jù)2004年資料顯示,我國陸地的主要有色礦產(chǎn)儲量的靜態(tài)保有年限:銅為10a,鉛為7a,鋅為9a,鋁為50a。2004年國內(nèi)銅、鉛、鋅、鋁原料的60%,40%,15%,50%來自進(jìn)口。預(yù)計到2010年,我國對銅、鎳、鈷、錳4種金屬的需求將有40%~60%依賴進(jìn)口?；谶@種資源狀態(tài)支撐的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,無疑存在著極大的風(fēng)險。從國家的長遠(yuǎn)利益和當(dāng)前發(fā)展的需要看,全面進(jìn)軍海洋,開發(fā)海底礦產(chǎn)資源,建立新的礦產(chǎn)資源供給地,是一種必然的選擇。2技術(shù)進(jìn)步2.1科學(xué)設(shè)定技術(shù)路線的情況我國深海采礦技術(shù)研究雖起步相對較晚,但在國家大洋專項的支持和大洋協(xié)會的組織協(xié)調(diào)下,在過去的15年中,由于確定的技術(shù)目標(biāo)科學(xué)、采取的技術(shù)路線正確、提供的保障條件充分,仍然取得了起點高、發(fā)展快的成績。研究工作已經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究、擴(kuò)大試驗研究、系統(tǒng)集成與制造、海試技術(shù)設(shè)計等階段,技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下幾個方面。2.1.1中試采礦系統(tǒng)總體設(shè)計1997年10月,長沙礦山研究院完成了列入原中國有色金屬工業(yè)總公司重點研究項目的深海采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究工作。該項研究取得的主要成果,一是在全面系統(tǒng)分析國際上重點研究的4種錳結(jié)核開采技術(shù)基礎(chǔ)上,提出流體提升開采技術(shù)是經(jīng)濟(jì)合理、最具商業(yè)開發(fā)前景的一種開采方法;二是基于西方國家研究資料,提出了進(jìn)行工業(yè)開采的兩項重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),即投資收益率必須達(dá)到15%~20%、錳結(jié)核年產(chǎn)量為300萬t。1999年元月,大洋協(xié)會采礦總師組完成了大洋多金屬結(jié)核礦產(chǎn)資源研究開發(fā)中試采礦系統(tǒng)總體設(shè)計(下簡稱總體設(shè)計)。該設(shè)計主要意義:其一,確定了我國的單套采礦系統(tǒng)的年生產(chǎn)干結(jié)核的能力為150萬t(我國礦區(qū)結(jié)核平均豐度比國外礦區(qū)低50%左右,商業(yè)開采時擬用兩套系統(tǒng)作業(yè));其二,確定了中試采礦系統(tǒng)生產(chǎn)能力與商業(yè)采礦系統(tǒng)生產(chǎn)能力的比例為1∶10,即年產(chǎn)量為15萬t(年工作250d、日工作20h計),小時生產(chǎn)能力30t;其三,確定了我國多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)為自行式集礦機-水力管道提升-水面船組成的采礦系統(tǒng)。該設(shè)計的完成,標(biāo)志著我國第一代深海采礦技術(shù)體系的構(gòu)造任務(wù)基本完成。根據(jù)總體設(shè)計,2001年4月大洋協(xié)會采礦總師組完成了中試采礦系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計。2002年1月完成了1000m海上試驗總體設(shè)計。隨后于2004年11月,完成了1000m海上試驗總體系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計。設(shè)計提出的試驗系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng):由履帶自行集礦機-軟管輸送裝置-中間倉-硬管輸送裝置-水面支持及水聲定位裝備組成。2.1.2全熱管優(yōu)化試驗(1)回采工藝研究。回采的基本要求是,回采效率高、集礦機采集的軌跡基本不重復(fù)交叉、集礦機和采礦船相對轉(zhuǎn)向少、避免管線扭曲和沉積物云霧對集礦攝像機的影響等。多金屬結(jié)核在海底呈二維分布,賦存于海底沉積物表面,根據(jù)管道提升采礦系統(tǒng)的特點和海底地質(zhì)條件,可選擇的回采方式通常有4種。折返式回采:這種方式適合于作業(yè)距離長的區(qū)域。集礦機的行走路徑為直行-調(diào)頭拐彎(接近360°)-直行-調(diào)頭拐彎。作業(yè)時需要控制直行段的平行度、間距及掉頭曲率半徑(或圓弧長度)。折返式回采分為縱向式和橫向式兩種,前者集礦機與船同向、同速行駛,后者為集礦機相對船橫向左右行駛200m后折返,要求船緩慢行駛。阿基米德螺線式回采:它適合于小塊結(jié)核區(qū)域的采集。這種方式要求整個采礦系統(tǒng)隨采集路徑運動,對系統(tǒng)的運行和控制要求較高。重疊式折返回采:類似于折返式回采行駛,區(qū)別在于調(diào)頭后走一小段直線,這方式的輔助作業(yè)時間有所降低,但軌跡重疊的可能性增加。此外,當(dāng)采用全軟管提升方案時,扇形折返式回采方法也被列為選擇方式之一。通過專題研究,我國將折返式回采工藝確定為中試采礦系統(tǒng)試驗的首選方案。(2)關(guān)鍵技術(shù)研究。在基礎(chǔ)研究階段,開展的關(guān)鍵技術(shù)研究工作主要是:水力式、機械式、復(fù)合式集礦方法與模型機的研究;氣力提升技術(shù)研究;水力提升技術(shù)(包括潛水礦漿泵、射流泵、清水泵系統(tǒng))研究輕介質(zhì)提升技術(shù)研究過程級和控制回路的研究;通用級和通訊系統(tǒng)的研究;多金屬結(jié)核物理力學(xué)特性研究及模擬結(jié)核試樣制作。通過上述研究,對多金屬結(jié)核物理力學(xué)特性有了系統(tǒng)全面的定量表達(dá),取得了一系列的可作為集礦、揚礦技術(shù)設(shè)計依據(jù)的技術(shù)理論成果。在擴(kuò)大試驗研究階段,進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)研究工作主要是:深海采礦中試整體、集礦、揚礦、監(jiān)控及動力配置系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計研究和水面系統(tǒng)方案設(shè)計研究;深海采礦中試集礦機構(gòu)研究;自行式海底作業(yè)車的研究;深海采礦中試破碎機的研究;輸送軟管對集礦機行駛性能影響的研究;揚礦硬管、軟管輸送系統(tǒng)工藝和參數(shù)研究;深海采礦中試揚礦中間倉研究;自行式海底集礦機監(jiān)控、測控系統(tǒng)研究;中試硬管、軟管輸送監(jiān)控研究;深海采礦中試系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)研究;深海沉積物土工力學(xué)參數(shù)測試及測試系統(tǒng)研究。以經(jīng)過上述工作,確定了礦區(qū)開采的條件、開采規(guī)劃及海上中試方案;高齒履帶行走機構(gòu)行駛和水力式集礦機構(gòu)采集礦物的集礦機機型;潛水礦漿泵揚礦系統(tǒng)及其工藝流程、工作參數(shù)、設(shè)備配套方式;通過羅盤導(dǎo)航和聲學(xué)定位對集礦機行走進(jìn)行控制的方案;水下高壓供電、水面低壓側(cè)軟啟動和控制的動力配置系統(tǒng)。在系統(tǒng)集成與制造、海試技術(shù)設(shè)計等階段,開展的關(guān)鍵技術(shù)研究工作主要有:大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實研究;大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)1000m海上試驗總體系統(tǒng)研究;集礦機控制技術(shù)研究;深潛硬管提升電泵、軟管輸送泵及其潛水電機的研制;揚礦硬管及接頭的研制;惡劣環(huán)境水下高精度水聲定位系統(tǒng)研究。2.1.3試驗機構(gòu)及設(shè)備完成了水下采集輸送作業(yè)的單體模型設(shè)備及成套流程試驗主要設(shè)備的研制。同時開展了水面支持系統(tǒng)設(shè)備的選型及改造設(shè)計工作。(1)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單體模型設(shè)備主要有如下3種。履帶自行式復(fù)合式集礦機:該機采用的集礦原理是,前后雙排噴嘴沖采-鏈板輸送分離結(jié)核。1996年由長沙礦山研究院研制成功,主要技術(shù)性能為:額定生產(chǎn)能力5.2~8.4t/h,采集率≥80%,脫泥率≥85%,采集結(jié)核礦石粒徑2~10cm,采集行駛速度0~0.95m/s,水下重量4t,空氣中重量8t,總功率外形尺寸水力式集礦機:由長沙礦冶研究院等單位1996年研制的水力集礦機的主要特點是全水力集礦,采用前后雙排噴嘴沖采-附壁噴嘴噴射輸送。其技術(shù)性能與復(fù)合式集礦機基本一樣。水下阿基米德螺線模型行駛機構(gòu):該機構(gòu)由長沙礦山研究院研制,外型尺寸3415mm×2440mm×2100mm(長×寬×高),總功率22kW。(2)湖試采礦試驗系統(tǒng)的主要設(shè)備包括如下4個部分。履帶自行式集礦機湖試樣機:該機的主要技術(shù)性能:額定生產(chǎn)能力30t/h,采集率≥80%,脫泥率≥85%,采集結(jié)核礦石粒徑2~10cm,采集行駛速度0~1m/s,水下重量15t,空氣中重量30t,總功率385kW,外形尺寸9.5m×5.3m×3.2m。軟管輸送裝置:由輸送軟管、中間泵站、浮力件、測控裝置及附件組成。其中泵站的外形尺寸5m×2m×2m,空氣中重量4.5t,離心砂礫泵的揚程43m,總功率140kW。測控系統(tǒng)裝置:由發(fā)電集裝箱、配電集裝箱、控制室集裝箱3部分組成,總重20t。水面支持裝備:主要設(shè)備有排水量380t、供電能力400kW的主試驗船,以及輔助試驗船、模擬結(jié)核鋪撒船、服務(wù)船、環(huán)境調(diào)查船等。(3)淺海試驗的主要設(shè)備包括如下3部分。履帶自行式集礦機中試樣機:該機系湖試樣機的改進(jìn)完善機型,部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理,主要技術(shù)性能基本沒有變化。中間倉:該裝置包括中間倉體、給礦機、料位計、緊急排礦閥等設(shè)備與部件。硬管輸送裝置:主要包括潛水電泵、揚礦硬管和升沉補償裝置。目前已完成了兩級潛水電泵的研制,其揚礦漿體流量420m3/h,提升泵揚程80mH2O。2.1.4基于實測數(shù)據(jù)的方法的研究虛擬現(xiàn)實的概念是1980年代初由JaronLanier提出,虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等,在多維信息空間上創(chuàng)建了一個虛擬信息環(huán)境,使用戶可以在計算機上與虛擬對象進(jìn)行交互作用,進(jìn)而獲得最佳的設(shè)計方案和制造使用效果。我國于2001年開展了深海多金屬結(jié)核開采虛擬現(xiàn)實研究工作,現(xiàn)已完成了基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多金屬結(jié)核1000m海試系統(tǒng)及其作業(yè)條件的虛擬樣機和采礦作業(yè)虛擬環(huán)境的構(gòu)建實現(xiàn)了深海多金屬結(jié)核1000m海試作業(yè)過程的計算機模擬和可視化顯示。在解決履帶式行走機構(gòu)在軟泥、沉積物上行駛的仿真等多項關(guān)鍵技術(shù)上,取得了突破?？傮w技術(shù)研究水平居該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。該項研究成果為深海采礦系統(tǒng)的設(shè)計研制和運行操縱,提供了新的理論研究基礎(chǔ)和分析手段;同時也為采礦系統(tǒng)的改進(jìn)完善提供了技術(shù)支持,為系統(tǒng)運行狀態(tài)評估提供了重要的鑒別支持。2.1.5實驗場所及設(shè)備設(shè)施在國家專項經(jīng)費和業(yè)務(wù)承擔(dān)單位積極投資的支持下,深海采礦實驗基地建設(shè)已完成了基礎(chǔ)研究綜合實驗室的建設(shè),目前正在進(jìn)行擴(kuò)大試驗綜合實驗室的建設(shè)。(1)基礎(chǔ)研究綜合實驗室的設(shè)施及功能。建于長沙礦山研究院的實驗室占地面積4000m2,建筑面積500m2。主要設(shè)施包括5大部分。試驗大水池:規(guī)格56m×10m×3m,地面安裝有自行式地車,其承載能力為5t,主要用于模型集礦機等水下設(shè)備的功能及系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗。試驗小水池:規(guī)格20m×3m×1.8m,水池頂部安裝有可移動式地車,水池兩側(cè)裝有透明玻璃幕墻,西端配有旋轉(zhuǎn)吊裝設(shè)備,主要用于采集機構(gòu)等單體設(shè)備的試驗。維修工作間及可移動式操作室:設(shè)備維修間2間,建筑面積分別為340m2和180m2,分別配裝有20t和5t起重設(shè)備和揚礦系統(tǒng)的動力設(shè)備、試驗料倉、控制系統(tǒng)、試驗臺架、各類電氣電控儀表等,可移動式控制室安裝有500kW、380/3000V發(fā)電、配電設(shè)備。揚礦試驗裝置:揚礦塔架高30m,包括1個主體塔架和4組輔架,可進(jìn)行管道空間狀態(tài)的輸送試驗,包括水平、垂直、各種傾角的空間形態(tài)試驗。可為集礦機與揚礦系統(tǒng)聯(lián)調(diào)提供支持。露天試驗場:規(guī)格50m×20m,地面敷有0.5m厚的河砂,可根據(jù)要求設(shè)置溝、坎、障礙物,進(jìn)行模型集礦機構(gòu)的行走試驗等。該實驗室不僅能完成設(shè)備的性能參數(shù)試驗研究,包括模型集礦機等的可行駛性試驗(地面和水池試驗)、可采集性試驗、物料輸送試驗,而且還可以完成單元技術(shù)集成試驗和采礦項目部分子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗。(2)在建中的擴(kuò)大試驗綜合實驗室的主要設(shè)施及功能該綜合實驗室包括集礦實驗室和揚礦實驗室。集礦實驗室:由長沙礦山研究院負(fù)責(zé)建設(shè)。新建實驗室總面積8000m2,其中陸地試驗場占地3200m2(80m×40m)。工作車間占地面積540m2(36m×15m)。實驗水池規(guī)格為60m×50m×5m(長×寬×深)。工作間配置35t行車。該實驗室可完成中試集礦機的綜合試驗及其它水下作業(yè)試驗,如行走機構(gòu)行駛性能試驗、水下速度、方位檢校試驗、ROV、AUA試驗及0°~90°側(cè)壁取芯試驗等。揚礦實驗室:由長沙礦冶研究院負(fù)責(zé)改擴(kuò)建。在原揚礦試驗室的基礎(chǔ)上,通過改造原試驗系統(tǒng)的工藝、提高系統(tǒng)承載能力和擴(kuò)展試驗的功能,構(gòu)造出開環(huán)和閉環(huán)兩套提升試驗系統(tǒng),完成深海礦產(chǎn)資源的水力提升系統(tǒng)的綜合性能提升試驗研究工作。2.1.6試驗地點及試驗過程根據(jù)系統(tǒng)試驗規(guī)劃,在進(jìn)行中試采礦系統(tǒng)海上試驗之前,先完成中試采礦系統(tǒng)的部分組成系統(tǒng)的湖上試驗。湖試系統(tǒng)由集礦子系統(tǒng)、軟管輸送系統(tǒng)、測控及動力子系統(tǒng)、湖試水面支持子系統(tǒng)4部分組成。試驗地點選擇在云南撫仙湖西北區(qū)水深80~150m區(qū)域。2001年6月23日湖試系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入試驗場區(qū),經(jīng)過模擬結(jié)核鋪撒及航跡測量等一系列試驗基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作后,分別于8月17~21日和9月11~18日兩次出航,進(jìn)行了水下系統(tǒng)的下放回收、集礦機行駛性能、軟管揚礦、集礦和揚礦聯(lián)動及湖試系統(tǒng)運行的可控性等多項試驗,實現(xiàn)了預(yù)定的調(diào)通采礦系統(tǒng)工藝流程、考核成套設(shè)備運行狀態(tài)等基本試驗?zāi)繕?biāo),最終成功地將鋪撒在130m深的湖底的模擬結(jié)核采集輸送到湖面的試驗船上,收集到模擬結(jié)核900kg。湖試驗證了我國確定的大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)技術(shù)的可行性,為下一步的淺海試驗積累了經(jīng)驗。2.2實驗研究及結(jié)論富鈷結(jié)殼開采技術(shù)?！笆濉逼陂g,在大洋協(xié)會的組織下,我國富鈷結(jié)殼開采技術(shù)研究工作全面展開,基礎(chǔ)技術(shù)研究、設(shè)備研制及實驗室建設(shè)等方面的工作現(xiàn)已取得了較大進(jìn)展,關(guān)鍵技術(shù)的研究取得了新的突破,為構(gòu)建我國的富鈷結(jié)殼開采系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1)開展了截齒螺旋滾筒切削破碎方式、振動掘削破碎方式、機械水力復(fù)合式破碎方式等采集方法的試驗研究在此基礎(chǔ)上完成了富鈷結(jié)殼采集模型車的方案設(shè)計和樣機試制。(2)進(jìn)行了4種行走機構(gòu)的仿真研究,建立了履帶式、輪式、步行式和ROV式虛擬樣機,相應(yīng)地建立了富鈷結(jié)殼區(qū)域的虛擬復(fù)雜地形。研制成功搖臂懸架結(jié)構(gòu)輪式實驗車。(3)完成了模擬富鈷結(jié)殼的制作及相關(guān)的工作。在國際海底管理局的新資源勘探規(guī)章制定的大背景下,我國于1998年開始了海底熱液硫化物的探索性調(diào)查工作,繼之于2003年進(jìn)行了試驗性調(diào)查工作,此后成功地組織完成了主要針對熱液硫化物資源調(diào)查的2005年首次環(huán)球考察,采集了一批有價值的樣品。開采技術(shù)的研發(fā)工作計劃已在制定中。天然氣水合物開采技術(shù)的研發(fā)目前尚未開展實質(zhì)性的工作,但預(yù)研受到了有關(guān)專家的關(guān)注,已提出的預(yù)研項目有:天然氣水合物理化學(xué)性質(zhì)及其成藏機理、天然氣水合物高分辨地震采集技術(shù)與識別處理技術(shù)、天然氣水合物地球化學(xué)探測與資源綜合評價技術(shù)、天然氣水合物的鉆探和保真取樣及測試技術(shù)、天然氣水合物的水下空間站工業(yè)開發(fā)技術(shù)、天然氣水合物儲存和運輸技術(shù)等。3海底多金屬沒有實現(xiàn)商業(yè)開采的原因分析深海采礦領(lǐng)域是海洋資源開發(fā)的一個全新領(lǐng)域,發(fā)展深海采礦技術(shù)是國家的需求。深海采礦技術(shù)的研究,歷經(jīng)了15個春秋,凝結(jié)了兩代研究人員的辛勞與智慧,基本完成了深海多金屬結(jié)核采礦專有技術(shù)的體系構(gòu)建及主要裝備研制。然而,距實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的技術(shù)儲備的目標(biāo),僅僅只是完成了基礎(chǔ)階段的工作,與已擁有該技術(shù)儲備的先進(jìn)國家相比,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)化開采時間尚不確定的有利時機,積極開展工作,爭取與發(fā)達(dá)國家同期實現(xiàn)商業(yè)開采,以綜合實力來維護(hù)我們的區(qū)域權(quán)益,在國際事務(wù)中發(fā)揮作用。為此,要落實好以下幾個方面的工作。3.1海底采礦技術(shù)的發(fā)展方向要立足于謀求中華民族長遠(yuǎn)利益和大國積極推動人類社會發(fā)展的高度,盡快提出中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)的第二期(十五年)發(fā)展規(guī)劃。及時啟動深海采礦技術(shù)“十一五”規(guī)劃的實施工作。21世紀(jì)是海洋開發(fā)的世紀(jì),已是共識。在這樣的大背景下未來的年深海采礦技術(shù)的發(fā)展將會隨著科學(xué)技術(shù)的整體進(jìn)步而獲得超常發(fā)展。在此期間,我們在政治、外交上,要充分利用國際海底管理局這個平臺參加和影響國際事務(wù)的決策,顯示大國的風(fēng)范。在技術(shù)上,要基本完成深海多種資源的商業(yè)開發(fā)技術(shù)儲備,完成富鈷結(jié)殼、海底熱液硫化物、天然氣水合物等礦物資源的礦區(qū)申請和承包合同簽訂。與此同時通過研究成果的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化獲取經(jīng)濟(jì)效益?！笆晃濉逼陂g,深海采礦技術(shù)的發(fā)展,建議在4個層次上進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計。一是通過子系統(tǒng)擴(kuò)大試驗以及包括水面支持系統(tǒng)等的中試全系統(tǒng)虛擬試驗驗證,形成多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)技術(shù)原型;二是通過對富鈷結(jié)殼、海底熱液硫化物等礦物資源開采關(guān)鍵技術(shù)研究及樣機研制,完成多種深海礦產(chǎn)資源開采中試技術(shù)設(shè)計;三是完成天然氣水合物的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究及開采技術(shù)方案制定,構(gòu)建開采技術(shù)體系的基本框架;四是提出海試作業(yè)平臺設(shè)計方案并組織施工。3.2加強研究,提高開發(fā)方式的創(chuàng)新能力深海采礦技術(shù)是未來海洋產(chǎn)業(yè)中的先導(dǎo)性行業(yè)技術(shù)。作為突破重點技術(shù)之舉,國家已將研發(fā)不同礦種采掘?qū)ｉT技術(shù),列為國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究的優(yōu)選主題。我們要抓住大洋開發(fā)為世界普遍關(guān)注、受國家高度重視的歷史機遇,以創(chuàng)新務(wù)實的精神,加快構(gòu)建完善具有自主知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)特色的深海礦物資源開采技術(shù)體系。到2020年,基本完成深海礦物資源的商業(yè)開發(fā)的技術(shù)儲備?；A(chǔ)理論研究是制約我國開采技術(shù)快速發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)前要在多金屬結(jié)核開采技術(shù)研究成果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展基于不同海底固體礦物的行走機理、采集機理、聲學(xué)定位與控制機理及關(guān)鍵技術(shù)的研究,深入開展管道(包括軟管及硬管)輸送工藝參數(shù)及力學(xué)特性的研究。我國的開采實驗技術(shù)和裝備的研究開發(fā)相對滯后,尤其是實驗條件和手段貧乏,目前除多金屬結(jié)核外,其它礦物資源的實驗室建設(shè)基本停留在計劃上,已對我國開采技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程產(chǎn)生了不利影響。要在繼續(xù)加強對多金屬結(jié)核單元技術(shù)驗證性實驗,對集成技術(shù)、成組技術(shù)的設(shè)計性實驗和研究性實驗的同時,迅速組織力量開展富鈷結(jié)殼、海底熱液硫化物、天然氣水合物等的開采實驗技術(shù)的開發(fā)工作。系統(tǒng)運行的可靠性是技術(shù)工程化的最基本要求,已確定的中試深海開采系統(tǒng)從海底到洋面,系由多個子系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成其中任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作異?；蛲C。開發(fā)故