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中國的海洋戰(zhàn)略隨著礦產(chǎn)資源的增加（據(jù)有關部門估計，中國大部分礦產(chǎn)資源在50年內(nèi)將枯萎），國際海底礦產(chǎn)資源的開發(fā)是大勢所趨。國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)領域之一,已經(jīng)成為各國的重要戰(zhàn)略目標和競爭焦點。占世界海洋面積65%的國際海底蘊藏著豐富的礦產(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20年代后期進入商業(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。中國人均陸地面積只有0.008km2,遠低于世界人均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,占中國礦產(chǎn)消耗量90%的45種主要礦產(chǎn),進入21世紀后將有半數(shù)不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要,資源緊缺將制約中國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展,所以走向大洋,向深海開辟新資源是中國一項重大的海洋發(fā)展戰(zhàn)略。從1976年開始,中國便組織海洋調(diào)查船在太平洋赤道附近的國際海底區(qū)域進行深海資源的調(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80年代中國投資幾千萬美元在該海域進行了綜合性的資源調(diào)查和初步評估,1990年“中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會”成立,負責組織、協(xié)調(diào)全國在國際海底區(qū)域的研究開發(fā)活動,并向聯(lián)合國海底籌委會申請礦區(qū)登記,1991年3月5日獲得批準,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)分配給中國作為開辟區(qū)。根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》規(guī)定,中國分別于1996年和1999年,將分配區(qū)域中的50%面積交還聯(lián)合國,作為人類的共同繼承財產(chǎn),其余7.5萬km2海域中的礦物資源讓渡給中國,由中國進行專屬性開采,使中國在太平洋上獲得了一塊“中國地”,向跨世紀的海洋大國邁出了堅實的一步。據(jù)調(diào)查,中國采礦區(qū)平均水深5000m左右,水域環(huán)境復雜,氣象海況多變,實現(xiàn)深海多金屬結(jié)核開采難度極大,需經(jīng)過深海勘探、優(yōu)選礦址、高壓采集、高位提升、遠程運輸、精析礦物、加工冶煉等一系列開發(fā)程序,是集造船、運輸、導航、電子、遙測、自控、水聲、水力、光學、物化和環(huán)保等各領域高新技術(shù)的綜合運用。1990年國務院決定將“大洋多金屬結(jié)核資源勘探開發(fā)”作為國家長遠發(fā)展項目給予專項投資資助,1994年我國從俄羅斯購買了現(xiàn)代化的“大洋一號”遠洋科學考察船,裝備了從美國引進的具有20世紀90年代新技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)和裝有測掃聲吶、淺地層剖面儀、測深測高聲吶、深海攝像機等設備的6km深海拖曳觀測系統(tǒng),又同俄羅斯合作研制了6km自治水下機器人并在1995年深海試驗中獲得成功,使我國能夠?qū)弦酝獾恼际澜绾Ｑ竺娣e97%的大洋海底進行精確、高效、全覆蓋的觀察、測量、儲存和進行數(shù)據(jù)實時傳輸,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、環(huán)境庫和文件庫組成的“大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)數(shù)據(jù)庫”,以便及時掌握和交流世界大洋地質(zhì)、資源和環(huán)境資料,以上這些工作推動了中國海洋科技的發(fā)展,縮短了與海洋先進國家間的差距,為中國成為“先驅(qū)投資者”和在21世紀進一步開拓大洋資源提供了強有力的技術(shù)基礎。2開發(fā)平臺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、資源開采和深海運載技術(shù),其中深海運載工具及其技術(shù)是資源勘探和開采技術(shù)所共用的技術(shù)平臺,它主要涉及系統(tǒng)通信、導航和定位、控制、能源和材料等各種通用深?；A技術(shù)。深海運載技術(shù)、資源勘查技術(shù)和資源開發(fā)技術(shù)構(gòu)成了國際海底區(qū)域資源開發(fā)的總體技術(shù)體系。由于國際海底區(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)必須適應它們各自不同的特點,需要有專業(yè)的作業(yè)工具、勘查設備和開采裝備。以下主要介紹資源開采技術(shù)的研究現(xiàn)狀。2.1自行式集礦機加管道輸送采礦系統(tǒng)的實踐深海資源開采技術(shù)的實現(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域十分廣泛,包括采礦工程、機械電子、系統(tǒng)控制、材料科學、空間導航和定位以及通信工程等高新技術(shù)。國際上在20世紀60年代開始興起進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)展的設計思路和實用角度來看,目前主要分為連續(xù)繩斗法、穿梭潛水器采礦法和集礦機加管道提升法,德國、美國、印度、韓國和日本等國家先后對上述三類方法進行過理論研究和原理性的試驗研究,同時采用集礦機加管道輸送采礦方法進行的幾次海上試驗獲得成功,因此人們普遍認為自行式集礦機加管道提升采礦系統(tǒng)將成為21世紀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)是一項龐大復雜的系統(tǒng)工程,雖歷經(jīng)多年的理論研究和海上試驗,其開采技術(shù)和開采方式還未成熟,未達到可靠的商業(yè)性開采階段,但隨著聯(lián)合國海洋法會議的召開,激勵各國建立一項開采這種海洋資源的長期發(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)歷了機械式、水力式及復合式集礦技術(shù)階段,集礦機的行走機構(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)繩斗法和與集礦機相對獨立的管道提升的發(fā)展過程;作為采礦系統(tǒng)的支持和控制中心,在70年代末進行的幾次試驗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作為深海采礦的水面支持系統(tǒng),但是目前的半潛式平臺只能在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為,20世紀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,其后進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用于深海采礦中。進入90年代,西方發(fā)達國家儲備了足夠的技術(shù),以等待國際政治、經(jīng)濟環(huán)境條件成熟,適當吸收技術(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)的熱點轉(zhuǎn)移到亞洲。韓國自20世紀80年代以來,加快了海底勘探活動的進程,于1994～2003年進行了采礦技術(shù)初期方案的研究,從發(fā)表的文獻來看,韓國目前處于原理研究階段。日本在進行了早期的連續(xù)繩斗法試驗后,將研制工作轉(zhuǎn)移到集礦機、管道提升和水面系統(tǒng)方向,并完成了2000m水深的海上試驗,可以說日本目前處于深海結(jié)核開采技術(shù)的世界領先水平(見圖2)。印度基于20世紀70年代的研究成果,仍然采用水面船只、管道輸送、集礦機集礦這樣一套系統(tǒng),分3個階段進行試驗,并于2000年完成了第一階段的試驗。此外,要達到真正的深海商業(yè)開采,各國家必須完成開采裝備的計算機仿真分析、實驗模擬分析、淺海試采和深海試采等四個階段,目前為止前兩個階段基本完成,而后兩個階段由于采取的研究方法不同,各個國家正在進行中。2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的準備工作我國的深海資源開發(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、揚礦系統(tǒng)研究、水面系統(tǒng)研究、測控系統(tǒng)研究等方面取得重大進展。目前正在準備進行“十五”期間采礦系統(tǒng)淺海試驗的技術(shù)準備工作。另外和國外的研究成果相比,我國開采技術(shù)在技術(shù)研究和試驗的深度和廣度上還有差距,可以說我國目前僅僅完成單體設備的室內(nèi)試驗和打通了部分關鍵設備的工藝流程,經(jīng)過試驗對系統(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。根據(jù)我國“八五”期間深海采礦技術(shù)基礎研究成果和“九五”前期對系統(tǒng)的運動學和動力學特性進行的理論研究和室內(nèi)試驗,對國際上連續(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)濟分析和研究相關技術(shù)的最新發(fā)展,確定我國大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)為自行式集礦機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)的基本任務是在海底采集結(jié)核礦石,將其提升到海面并運輸?shù)娇诎?。在“八五”和“九五”工作的基礎上,根據(jù)深海采礦系統(tǒng)的總體構(gòu)想和海洋環(huán)境,我國科學家確定的深海開采技術(shù)系統(tǒng)包括集礦子系統(tǒng)、揚礦子系統(tǒng)、測控子系統(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構(gòu)和破碎機構(gòu)提供工作平臺的海底作業(yè)車按預定軌跡運行,完成海底采集結(jié)核礦石,并進行脫泥、破碎、輸送作業(yè)。(2)揚礦子系統(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、中間倉和軟管段三部分組成。為了保證自行式集礦機的機動性,避免揚礦管對其產(chǎn)生動力影響,揚礦管通過一段軟管與集礦機相連。中間倉設置在垂直管與軟管之間,當結(jié)核豐度化引起采集結(jié)核量改變時,保持向揚礦管供礦穩(wěn)定,提高揚礦效率。(3)測控部分測控與動力配置是集成所有子系統(tǒng)信息,并提供安全可靠的動力及符合要求的控制、通信、監(jiān)測和導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)濟地運行。(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)水下設備所必須的布放、回收、懸吊系統(tǒng);配置發(fā)電機組和相應的變送電設備,滿足水下動力供給要求;船舶中部設置月池,具有存放水下設備的空間和操作空間以及維修間;配置水文測量系統(tǒng),包括海浪、水流、水深、風及航速、航跡等測量系統(tǒng);設置結(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)及測量系統(tǒng),操作定位及通信系統(tǒng);試驗完成后船應較容易恢復原來的功能。4計算機模擬研究虛擬樣機技術(shù)是現(xiàn)代工程分析和設計中一個新的方法,已在國內(nèi)外空間技術(shù)、國防技術(shù)、海洋技術(shù)和先進制造技術(shù)研究方面取得過大量成功應用實例,與傳統(tǒng)的研制物理樣機進行試驗相比,利用虛擬樣機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對系統(tǒng)進行分析和評估更加具有優(yōu)越性并適合我國國情。采用虛擬技術(shù)進行裝備系統(tǒng)設計和虛擬現(xiàn)實仿真,對系統(tǒng)的作業(yè)性能、穩(wěn)定性和安全性進行分析和評估,并對可能出現(xiàn)的故障及應對措施和處理效果進行分析和模擬,同時利用虛擬樣機技術(shù)在縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)風險、提高設計質(zhì)量和降低設計成本等方面將起到十分重要的作用。為了以最小的代價獲得最大的收獲,各國的研究開發(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)的應用。日本在實際開采試驗之前進行了大量計算機模擬試驗,對各種氣候條件下?lián)P礦管道的布放和回收行為、集礦機與管道船的集成控制等進行了精確的分析和校驗。韓國在其“深海采礦技術(shù)開發(fā)和深海環(huán)境保護”計劃中將采礦系統(tǒng)計算機模擬作為主要研究內(nèi)容之一,已完成了采礦系統(tǒng)整體動態(tài)模擬程序的開發(fā),可進行采礦船、軟管、硬管、集礦車等的動態(tài)模擬以及采礦船的動力定位和路線跟蹤模擬。美國、德國等國家在深海采礦系統(tǒng)的計算機模擬研究方面亦做了大量工作。我國在深海多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)的研制開發(fā)中亦開展了計算機仿真研究。在前期的開采裝備設計和研究工作中,我國科學家對開采系統(tǒng)的機電裝備設計、開采區(qū)氣候條件和海況、以及不同作業(yè)工況下系統(tǒng)的動力學和運動學特性進行了計算機仿真分析,得到了很多數(shù)據(jù)。如長沙礦山研究院對揚礦輸送軟管及對集礦機的作用力進行了計算機仿真分析,得到了集礦機的海底安全行駛區(qū)域等結(jié)論;702所、北京科技大學對深海采礦系統(tǒng)的運動學和動力學問題進行了計算機模擬,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、揚礦管在海水中的運動特性等,這些數(shù)據(jù)為以后的研究工作提供了許多有價值的技術(shù)參考。然而由于我國深海資源開發(fā)工作起步較晚,在利用虛擬樣機技術(shù)對復雜的深海采礦系統(tǒng)進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)實技術(shù)應用于深海采礦工程在國際上還處于前沿研究階段,在這方面我國的研究與世界上其他領先國家處于同一起跑線上,某些方面甚至更勝一籌,所涉及的關鍵技術(shù)主要集中在以下幾個方面。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)境動態(tài)可視化仿真,獲取海底礦床實際環(huán)境的三維可視化動態(tài)數(shù)據(jù),并根據(jù)實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)境的動態(tài)模型;分析海底復雜條件改變(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)以及預測評估體系的構(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資料和海洋礦產(chǎn)資源的特點,在已經(jīng)完成實驗室試驗和現(xiàn)有虛擬樣機試驗參數(shù)及陸地資源開采裝備技術(shù)較成熟的基礎上,利用虛擬樣機技術(shù)對虛擬產(chǎn)品進行評價并優(yōu)化設計方案,完善目前尚未成熟的開采原理,降低開采風險;運用計算機支持協(xié)同并行產(chǎn)品設計