日本多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

日本多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

日本只有100%的金屬礦產(chǎn)資源匱乏，其中95%的鉻和鐵資源依賴于進(jìn)口。早在70年代初日本政府就將深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)列為一項(xiàng)基本的礦業(yè)政策,將錳結(jié)核采礦系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)列為日本國(guó)家計(jì)劃,由通產(chǎn)省管理和資助,海洋礦物開(kāi)采系統(tǒng)技術(shù)研究協(xié)會(huì)(1982年成立)和日本國(guó)家資源和環(huán)境研究所負(fù)責(zé),日本金屬采礦社(MMAJ)等單位參加。起止年限為1981～1997年,投資高達(dá)170億日元(1.62億美元),年均10億日元(950萬(wàn)美元)。其開(kāi)發(fā)研究可大致分為三個(gè)階段:1981～1986年,主要是開(kāi)發(fā)單元技術(shù),如,概念設(shè)計(jì)、單元技術(shù)的基礎(chǔ)試驗(yàn),仿真程序的開(kāi)發(fā)、初步設(shè)計(jì);小規(guī)模采礦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)始于1986年,但當(dāng)時(shí)曾因經(jīng)費(fèi)短缺而進(jìn)展緩慢;1986～1995年為開(kāi)采系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造期,如,詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制造、試驗(yàn)的安排、試驗(yàn)仿真;從1995年起又花1年時(shí)間重新評(píng)審了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,決定把用來(lái)檢驗(yàn)所選定的能促進(jìn)將來(lái)整個(gè)海洋開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)安排在最后一個(gè)財(cái)政年度,即1997年。這四個(gè)單獨(dú)的試驗(yàn)為:1)海底采集錳結(jié)核;2)海中提升管的行為和裝卸;3)集礦機(jī)著底時(shí)軟管的行為和陸上回收作業(yè);4)陸地上氣力提升壓縮機(jī)的操作控制。1采礦和采礦系統(tǒng)的改進(jìn)由海底集礦機(jī)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、機(jī)械收放系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。海底集礦系統(tǒng):采用拖曳式雪撬型集礦機(jī),基于加壓水射流的附壁效應(yīng)來(lái)集礦。為便于礦石提升,較大的結(jié)核在集礦機(jī)中進(jìn)行了破碎。集礦機(jī)將由軟管和揚(yáng)礦管組成的管線拖動(dòng),用水射流收集結(jié)核,分離海底沉積物、破碎結(jié)核至所需求的粒級(jí)分布并送至礦石提升系統(tǒng)。礦石提升系統(tǒng):在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和200m深槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了縱向結(jié)核-水二相流和結(jié)核-水-空氣三相流。重要的參數(shù)包括礦漿中結(jié)核的混合比例、摩擦系數(shù)和破損等。開(kāi)發(fā)成功了采用周?chē)錆M絕緣油的壓力補(bǔ)償裝置的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的深潛潛泵并將其用于安裝在1000m和2000m深海水泵的設(shè)計(jì)中。至于氣體提升系統(tǒng),由在提升管某一深度釋放的空氣泡把結(jié)核帶入固液氣三相流中。氣力提升看來(lái)比較簡(jiǎn)單,但能耗更高。為提高結(jié)核在管中垂直提升的效率,應(yīng)控制采礦速度、提升速率和給料比例等參數(shù)。已制成用高抗拉強(qiáng)度鋼做的提升管,也制成了100m長(zhǎng)的用鋼絲加強(qiáng)的堅(jiān)韌橡膠做的軟管。收放系統(tǒng):管道和集礦系統(tǒng)的快速布放和回收,特別是在暴風(fēng)雨前和暴風(fēng)雨中至關(guān)重要。已開(kāi)發(fā)出來(lái)的收放系統(tǒng)包括搖臂吊機(jī)、提升管的聯(lián)接與拆分機(jī)、提升管把持器、電纜收放機(jī)構(gòu)和其他支持設(shè)備。布放與回收速度主要決定于管道接收所用時(shí)間、氣候、現(xiàn)場(chǎng)海底地形和其他條件。管道的著底和回收時(shí)其行為的精確彷真和監(jiān)控對(duì)安全操作是必不可少的。應(yīng)急方案在已開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中也彷真過(guò)。測(cè)控系統(tǒng):此系統(tǒng)采用了電子學(xué)、聲學(xué)和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。對(duì)于集礦機(jī)與管道船系統(tǒng)的集成控制,在各種氣象條件下作了大量彷真實(shí)驗(yàn)。為采礦開(kāi)發(fā)了聲學(xué)測(cè)量?jī)x表和傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)合電纜。電纜在惡劣的海洋條件下能承受劇烈的三維運(yùn)動(dòng)。2對(duì)我國(guó)錳核開(kāi)采的資日本原計(jì)劃在多年研究開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上先制作錳結(jié)核開(kāi)采系統(tǒng)樣機(jī),然后對(duì)整套的錳結(jié)核集礦系統(tǒng)進(jìn)行綜合海上采礦試驗(yàn),以驗(yàn)證采礦技術(shù)、研究全采礦系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為和性能,收集制造實(shí)用的錳結(jié)核開(kāi)采裝備所必需的資料。但經(jīng)過(guò)1995年的評(píng)審后,他們改變了計(jì)劃。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為:1)冷戰(zhàn)結(jié)束后,世界金屬市場(chǎng)穩(wěn)定、價(jià)低,錳結(jié)核的商業(yè)開(kāi)采時(shí)間比預(yù)想的明顯推遲;2)考慮到近期技術(shù)的發(fā)展,選擇和論證對(duì)促進(jìn)整個(gè)海洋開(kāi)發(fā)有很強(qiáng)適應(yīng)性的通用技術(shù)比進(jìn)行局限于錳結(jié)核開(kāi)采的大規(guī)模海洋試驗(yàn)更可取;3)錳結(jié)核的開(kāi)采系統(tǒng)由互相關(guān)聯(lián)又各自獨(dú)立性很強(qiáng)的子系統(tǒng)組成,因而各子系統(tǒng)分開(kāi)試驗(yàn)獲取更精確的數(shù)據(jù)較為容易。因而選擇了4個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)。2.1海底拖行動(dòng)力學(xué)行為其目的有:檢驗(yàn)集礦機(jī)的收集性能;研究集礦機(jī)在著底與回收及海底拖行時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為;研究包括深海復(fù)合電纜、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)在內(nèi)的輔助設(shè)備的性能;搜集對(duì)由集礦機(jī)引起的對(duì)環(huán)境影響作評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)。2.1.1地質(zhì)條件惡劣位于北太平洋MarcusWake一個(gè)海山上的一塊狹窄梯田狀區(qū)域,長(zhǎng)約2km,寬約0.5km,水深約2200m,坡度小于4°,結(jié)核平均豐度15.6kg/m2,結(jié)核粒徑15mm,由于鈣質(zhì)沉積厚度從幾厘米到數(shù)米不等,被錳結(jié)殼覆蓋的基巖在一些地方又暴露在外,因而地質(zhì)條件惡劣。該區(qū)域在試驗(yàn)前經(jīng)詳細(xì)勘探并繪有海底地形地貌詳圖。2.1.2復(fù)合纜、錨系和測(cè)距系統(tǒng)試驗(yàn)船:試驗(yàn)?zāi)复L(zhǎng)122m、寬32m、排水量16600t,它有足夠空間放置集礦機(jī)、電纜、鋼絲繩和其他設(shè)施,如研究人員用房和發(fā)電機(jī)組等,但該船無(wú)推進(jìn)器,而用1艘總重692t的船拖行導(dǎo)航。來(lái)自TRAM的試驗(yàn)人員約50人,包括拖船與其他輔助船的船員在內(nèi)。集礦機(jī):其外形尺寸和重量見(jiàn)表1。它的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)是按每小時(shí)采125t結(jié)核進(jìn)行的。但實(shí)際的試驗(yàn)作了一些改動(dòng):新裝了進(jìn)行一次集礦試驗(yàn)用的容量5t的結(jié)核倉(cāng),撤去破碎機(jī)與進(jìn)料機(jī)。從4套集礦裝置中拆除2套并去掉部分的集礦機(jī)拖橇下的將結(jié)核吹起來(lái)的噴嘴,使拾礦寬度從4.5m減至1m。為減小集礦機(jī)著底時(shí)對(duì)稀松沉積物的沖擊,在集礦機(jī)尾部裝有蜂窩(狀)鋁制的沖擊吸收器。當(dāng)集礦機(jī)帶有下墜的鋼纜時(shí),為加大集礦機(jī)的仰角,在集礦機(jī)上裝有浮力材料。集礦機(jī)上安裝的傳感器和儀器有航向測(cè)定儀、斜角測(cè)定儀、三維加速測(cè)量?jī)x、高度計(jì)、水速儀、牽引力測(cè)量?jī)x、著底加速測(cè)量?jī)x、結(jié)核計(jì)量器、濁度計(jì)和2臺(tái)電視攝像機(jī)。它們的信號(hào)通過(guò)復(fù)合纜傳輸?shù)侥复瑢?shí)時(shí)監(jiān)控。集礦機(jī)理:基于附壁效應(yīng),海底的結(jié)核被加壓水射流掘起,大量的沉積物和結(jié)核一起被收集并流經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)結(jié)核倉(cāng),借倉(cāng)頂?shù)捏鳁l篩將沉積物從結(jié)核分出并排放至周?chē)乃?篦子篩中裝有測(cè)量結(jié)核數(shù)量的傳感器。復(fù)合纜和鋼絲纜:由6.6kV供結(jié)核掘起泵用、660V供液壓泵用、660V測(cè)量設(shè)備用和1.65kV輔助應(yīng)用的4根電纜及4根信號(hào)測(cè)控用光纜組成,總長(zhǎng)2825m,外徑73mm。集礦機(jī)的下放、著底、拖行和回收都靠一根能夠可自由旋轉(zhuǎn)的接頭與集礦機(jī)相連的〉50mm的鋼絲繩。復(fù)合纜每50m用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具同鋼絲繩固定以支持其重量并避免繞鋼絲繩扭曲。導(dǎo)航和水下定位:試驗(yàn)?zāi)复屯洗涎b有差分地球定位儀,現(xiàn)場(chǎng)定位精度5m。使用母船上的超短基線系統(tǒng)對(duì)集礦機(jī)進(jìn)行水下聲學(xué)定位。錨系系統(tǒng):為了初步觀測(cè)結(jié)核集礦試驗(yàn)期間接近海底的沉積物的羽狀分布。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)周?chē)挤帕?套帶海流計(jì)和沉積物捕收器的錨系系統(tǒng)。海流計(jì)和沉積物捕收器離海底高度分別為10m和2m。試驗(yàn)期間將集礦機(jī)沿不同路線從西北向東南拖行二次。由于結(jié)核倉(cāng)容量有限,在第一次拖行后立即把集礦機(jī)收回到母船上,然后把它下放作第二次拖行。根據(jù)導(dǎo)航與水下定位系統(tǒng)和結(jié)核計(jì)量器的數(shù)據(jù)確定集礦機(jī)運(yùn)行的實(shí)際開(kāi)采距離第一次是215m,第二次拖行包括斷續(xù)的三次集礦總行程320m,二次集礦行程合計(jì)535m。第一次拖行和第二次拖行分別集礦2.9t和4.4t,合計(jì)7.3t,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)核豐度15.6kg/m2、集礦寬度1m和行程合計(jì)535m,計(jì)算出集礦效率為87%,由于集礦機(jī)的拖行用長(zhǎng)鋼絲繩,加之集礦機(jī)的質(zhì)量與慣性運(yùn)動(dòng)、靜磨擦系數(shù)之間的差別,在試驗(yàn)期間觀察到集礦機(jī)時(shí)動(dòng)時(shí)停的所謂“粘移”運(yùn)動(dòng)。第一次拖行時(shí)母船速度維持0.6～0.7節(jié)(1節(jié)=1.852km/h),集礦機(jī)速度在0～0.8節(jié)間波動(dòng);第二次被速度0.1～0.9節(jié)的母船牽引時(shí),集礦機(jī)速度在0～0.6節(jié)之間。結(jié)核計(jì)量器的數(shù)據(jù)表明,其他條件相同時(shí)較慢的集礦機(jī)行進(jìn)速度有較高的集礦效率。在拖行中,集礦機(jī)的動(dòng)力學(xué)行為穩(wěn)定,如仰角、偏航角和轉(zhuǎn)動(dòng)在集礦期間均穩(wěn)定,對(duì)集礦效率沒(méi)有明顯影響。拖行中集礦機(jī)對(duì)海底面形成的仰角約0.7°。二套蜂窩狀的沖擊吸收器工作良好,電視攝像和著底加速測(cè)量?jī)x證明集礦機(jī)著底時(shí)動(dòng)作柔和。從電視攝像和裝在篦子篩后的濁度計(jì)觀測(cè)到沉積物的羽狀物產(chǎn)生。它不僅來(lái)源于篦子篩的排出也來(lái)自于底撬的拖動(dòng),但只要停止拖行幾分鐘后又可得到清晰的電視圖像,回到濁度的本底值。羽狀物的情況還受到底流的影響。對(duì)試驗(yàn)后的結(jié)果用了3套設(shè)備觀測(cè):在測(cè)試1個(gè)月之后,用帶電視機(jī)和照相機(jī)的商用ROV對(duì)二次集礦的路徑進(jìn)行了全程觀測(cè);在試驗(yàn)1年后用1個(gè)59kHz、幅度±78°的旁側(cè)聲納在離海底40～50m的高度拖行得到了詳細(xì)的海底圖像;用拖行式海底觀測(cè)照相系統(tǒng)跟隨在旁側(cè)聲納后進(jìn)行海底觀察,得到非常重要的定量數(shù)據(jù),如集礦機(jī)橇的沉陷、所收錳結(jié)核和沉積物的數(shù)量和再沉積作用的范圍等。2.2拖船的試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果主要是利用船壁該試驗(yàn)有2個(gè)目的:1)檢驗(yàn)用于高效安全可靠的著底和水下設(shè)備包括揚(yáng)礦管的回收的收放系統(tǒng)的可操作性與性能;2)檢測(cè)在拖曳條件下?lián)P礦管上的應(yīng)力,研究在揚(yáng)管中的避免因Karman旋渦引起管道振動(dòng)的裝置的效果。這次試驗(yàn)使用1艘靠在壓水箱能縱向與橫向平衡傾斜船身的拖船,船的甲板上裝有搖臂吊、管道接分設(shè)備等收放設(shè)備,所用揚(yáng)礦管每截長(zhǎng)12m,內(nèi)徑174mm。通過(guò)控制船的傾斜角和速度,確定了收放試驗(yàn)設(shè)備的臨界工作條件,證實(shí)設(shè)備具有預(yù)期的性能。繼而檢測(cè)了在揚(yáng)礦管外做出螺旋形條紋以抑制或抵消因Karman旋渦引起的振動(dòng)的效果。三截管子相聯(lián)懸掛在搖臂吊上通過(guò)船的井孔伸到水中。在沒(méi)有減振裝置時(shí),當(dāng)船相對(duì)于水的速度分別為3.11節(jié)和4.45節(jié)的情況下出現(xiàn)一次振動(dòng)和二次振動(dòng)。當(dāng)安有減振裝置時(shí),一次振動(dòng)出現(xiàn)在船速3.62節(jié)處,然而在4.45節(jié)時(shí)沒(méi)有二次振動(dòng)。2.3速度的移動(dòng)性集礦機(jī)通過(guò)一根軟管與揚(yáng)礦管相連,為使集礦機(jī)在海底安全可靠地著地并保持適宜姿態(tài),集礦機(jī)應(yīng)以一定速度前移。在集礦機(jī)后端著底到滑移面著底期間,其前移速度與下放速度之間的關(guān)系是重要的。這次試驗(yàn)的集礦機(jī)在海底著地的條件是應(yīng)使軟管的曲率半徑大于3m這一許可值。陸上試驗(yàn)與海上試驗(yàn)是用同一集礦機(jī)。從試驗(yàn)前后軟管的剛度檢測(cè)和試驗(yàn)后的拆分研究,證明彎曲軟管沒(méi)出現(xiàn)皺損。2.4田間試驗(yàn)研究鑒于用于氣力提升的空氣壓縮機(jī)是裝在空間有限的試驗(yàn)船上而且其振動(dòng)不應(yīng)影響聲學(xué)定位系統(tǒng),研制了由低壓、中壓和高壓三級(jí)組成的離心式空壓機(jī)。在陸地上作了沒(méi)接揚(yáng)礦管的空壓機(jī)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一根與空壓機(jī)相連的為水下供空氣的高壓軟管,在尾部裝有流速調(diào)節(jié)器與壓水調(diào)節(jié)器。在各種條件下例如起動(dòng)、停機(jī)和因模擬結(jié)核的混合比例和運(yùn)行條件迅速改變引起負(fù)載波動(dòng)等條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。為測(cè)量空壓機(jī)的運(yùn)行性能和結(jié)核提升時(shí)空壓機(jī)的控制方法對(duì)負(fù)載波動(dòng)的影響,進(jìn)行了為時(shí)3周的試驗(yàn)。此外,還測(cè)量了高壓空氣軟管的特征和軟管-揚(yáng)礦管接頭處的負(fù)荷,研究了空氣靜態(tài)輸送與非靜態(tài)輸送特性的分析方法。3開(kāi)展海洋采礦的必要性和意義1)日本的錳結(jié)核大洋開(kāi)采試驗(yàn)計(jì)劃和實(shí)踐表明,日本為維護(hù)自身海洋權(quán)益,開(kāi)拓新的礦產(chǎn)資源,十分重視深海采礦技術(shù)的開(kāi)發(fā),傾注了很大力量,作了大量的工作。他們的不限于錳結(jié)核單一礦種而著眼于開(kāi)發(fā)能促進(jìn)整個(gè)海洋開(kāi)發(fā)的通用性關(guān)鍵技術(shù)的思想是可取的。2)日本學(xué)者認(rèn)為他們采礦系統(tǒng)的海試是非常成功的,因?yàn)檫_(dá)到了87%的集礦率。筆者對(duì)此不完全同意。筆者認(rèn)為日本的海試取得很大成績(jī),但仍有一些不足之處。例如,這次試驗(yàn)中的核心是海洋采礦,準(zhǔn)備有16年,實(shí)采一共不過(guò)20分鐘,行程535m,87%的集礦率是在坡度4°、結(jié)核豐度15.6kg/m2和水深2200m的試驗(yàn)區(qū)取得的。集礦能力只為21.2t/h,這些都還難以說(shuō)明將來(lái)在水深5000m左右,地形復(fù)雜的C-C區(qū)和豐度更低區(qū)域的采集結(jié)核效果,難以說(shuō)明設(shè)備與效果的可靠性與穩(wěn)定性。二是各子系統(tǒng)的試驗(yàn)分開(kāi)單獨(dú)進(jìn)行也難以說(shuō)明聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)可能產(chǎn)生的問(wèn)題和矛盾?？梢哉f(shuō)日本已建立起錳結(jié)核采礦的技術(shù)基礎(chǔ),但未完成必要的成熟技術(shù)儲(chǔ)備。3)日本海試說(shuō)明采用水射流拾取錳結(jié)核并經(jīng)水力輸送至礦倉(cāng)經(jīng)篦條篩脫除沉積物的設(shè)計(jì)是成功的,采用雪橇拖曳式的集礦機(jī)雖動(dòng)力學(xué)行為穩(wěn)定