海洋论坛︳深水采矿船技术发展趋势分析
一、海底采矿船概述海洋是“聚宝盆”，有全人类取之不尽用之不竭的巨大财富。据估计，世界大洋海底锰结核的总储量达30000亿吨，仅太平洋就有17000亿吨，其中含锰4000亿吨，镍164亿吨，铜88亿吨，钴58亿吨。根据世界大洋海底的地貌构成和分布位置以及多金属结核丰度、成分、地球化学特征，将世界大洋划分为15个多金属锰结核聚集区，其中分布在太平洋的多达8个，分布在大西洋的有3个，4个分布在印度洋。
海底采矿是指将赋存在海底的固体矿物采集起来，通过提升系统输送到海面上。20世纪50年代末，国际上已开始进行深海固体矿产资源开采技术的研究，并重点进行多金属结核开采技术的研究。海底采矿船是具有一定动力和矿产资源储存能力，并携带采矿机、集矿机和提升系统（矿物输送系统）及其释放装置的工作母船。
二、国外海底采矿船发展进程20世纪50年代末,美国、英国、法国、德国、日本、加拿大等发达国家以及原苏联开始研究开发大洋锰结核资源勘查与开采技术。●1972年，日本对连续链斗法进行采矿试验，该方案是在一条8km长的回转链上每隔一定距离挂一个挖斗，从采矿船船首投放、船尾回收。虽然这些挖斗也采集了一些结核，但作业中链索缠在一起而使试验终止。●1979年，法国工程师提出穿梭艇式采矿系统方案，该系统设想由一系列能自由潜入海底的独立采集器（穿梭艇）组成，到达海底后采集器排出压载物采集结核后再浮上水面，但可行性研究表明系统过于昂贵。●20世纪70年代，国际上对深海采矿技术的研究便进入了试验阶段，最初是在传统的波浪水池中进行模型试验，之后的第一次海洋试点试验是由合资企业OMI（海洋管理有限公司，由美、日、加、德等国财团组成）成功完成。●1978年，OMI公司从5000m深的太平洋底提取了800t结核。OMI的此次试验采用改装的钻井船作为水面支持母船，5500m长的提升管道，拖行的集矿器，成功测试了气力提升与泵提升两种提升系统，并测试了两种收集矿石的方式：水力与机械的方式。紧随其后，OMA（海洋矿业协会）、OMCO（海洋矿物公司）也分别在太平洋海域进行了深海开采试验，并成功地采集到锰结核。●1983年建造的MAFUTA号采矿船，该船总吨位15851t，自重7935t，船长169.5m，船宽25.7m。20世纪80年代初，受世界金属价格波动的影响，以及深海采矿技术受环境影响方面的可行性研究不足，该项目最后被搁置，此后的研究重点被转移到了深海富钴结壳之上。近年来，在加拿大注册上市的澳大利亚公司鹦鹉螺矿业在巴布亚新几内亚专属经济区内开展深海多金属硫化物资源的商业性勘探开发。2006年10月，鹦鹉螺公司与总部位于比利时的Jan De Nul公司达成了建造特殊深海采矿船和合作进行海底采矿的协议。根据协议，Jan De Nul公司是采矿船的船主，负责建造船只和进行采矿作业，并负责提供驳船、拖船等一应作业装备，如图3所示。鹦鹉螺公司则将投资1.2亿美元，负责建造两套海底采矿机、动力电缆、深水泵、1800m长的扬矿管及相应的设备。
2011年，鹦鹉螺公司从巴布亚新几内亚获得俾斯麦海20年的开采租赁权。第一个站点被称为Solwara1，约有21个足球场的大小，包含24万吨铜、2.5万磅黄金，还有银和锌，总价值可达到30亿美元。为此，鹦鹉螺公司为Solwara1矿区准备最新的深海采矿船及采矿系统设计，将从世界上第一座大型深海矿开采贵金属。它与一家深海挖掘机专业公司合作，制造了3种遥控机器：海底挖掘机、深海机器人和真空抽吸机，它们将协同作业，从海底采集矿石，粉碎成适当大小的颗粒运送到地面。
三、我国海底采矿船的发展现状与差距
⒈ 我国获准开采的锰结核矿区我国开发海洋矿产资源的时间晚于发达国家，从“八五”以后开始研发设计深海采矿系统。20世纪70年代末我国开始着手进行大洋锰结核的勘探调查，1990年国务院批复同意以“中国大洋矿产资源研究开发协会”的名义向“联合国海底筹委会”申请矿区登记，并将大洋锰结核资源勘探开发作为国家长远发展项目，给予专项投资。我国于1990年8月向联合国海底筹委会提出了矿区申请，分别于2001年和2011年取得了位于东太平洋国际海底区的7.5万平方公里多金属结核资源合同区和西南印度洋国际海底区的1万平方公里多金属硫化物资源矿区的专属勘探权和优先开发权。中国大洋协会向国际海底管理局申请的第3块矿区位于太平洋的富钴结壳区。2013年7月，在牙买加召开的国际大洋理事大会核准了该委员会的意见，标志中国正式获得太平洋富钴结壳区，这是中国大洋协会在国际海底区域获得的第3块矿区。
⒉ 我国海底采矿船的发展现状我国的海底采矿试验研究还局限于浅水，对深海采矿系统的性能研究尚未成熟。长沙矿山研究院、中南大学、广东工业大学、武汉理工大学等科研机构已开展了一些关于深海采矿系统的相关研究工作，主要研究内容大体分为三块：采矿船、集矿系统与提升系统。关于采矿船的研究，有少量涉及总体设计方面的内容，其他内容主要集中在动力定位系统上。对集矿系统的研究主要是由中南大学和长沙矿冶研究院完成的，涉及到集矿车体的开发与设计，集矿车的控制，以及集矿车越障避障等方面的探索，还有关于采矿头的一些研究。对于提升系统的分析，除少量关于经济流速等研究外，主要是针对提升管的运动响应开展的。在“十五”期间，我国深海采矿研究浅水逐步向深水迈进；“十一五”开始,我国计划完成1000m海试总体设计及其集矿、扬矿、水声、测检等水下部分的设计，并在云南抚仙湖完成300米水深的湖试。
2012年6月我国载人深潜器“蛟龙”号7000m级海试最大下潜深度达7062m，并成功坐底，再创中国载人深潜纪录，这说明我国对深海技术日益重视，并且意味着我国在这一领域已经跻身世界先进行列。
⒊ 我国与国外在深海采矿上的差距
①缺乏总体战略规划我国于2001年取得东太平洋国际海底区的7.5万km2多金属结核资源合同区，2011年取得西南印度洋国际海底区的1万km2多金属硫化物资源矿区，2013年7月又取得太平洋的富钴结壳区的专属勘探权和优先开发权，但我国仍未有总体勘探和商业开发的战略规划，国家部委的支持力度不够。
②开采技术不成体系海底采矿技术是未来海洋产业中的先导性行业技术。我们要抓住大洋开发受国家高度重视的历史机遇，加快构建完善且具有自主知识产权和技术特色的海底矿产资源开采技术体系。特别是针对采矿机、集矿机、提升系统等关键技术的突破和技术体系的建设。
③海底采矿产业建立的滞后我国在海底采矿机、集矿机以及提升系统等方面已具备一定的研制水平，相关样机已取得300m水深湖试的成功。随着近几年海洋石油天然气勘探开发装备的大力发展，我国在深水半潜式钻井平台（如海洋石油981）、深水钻井船、深水铺管船等设计和建造技术领域已取得突破。及时孕育并催生我国深海矿物资源开采及深海技术装备制造产业, 对我国深海产业的形成和发展具有战略意义和现实意义。④人才机制与国际合作不够未来海底采矿的重任必然寄托于新一代的科研人员，加强中青年人的培养，积极学习有关深海采矿的各方面技术，同时派人参加国际合作研究项目，开拓国际合作的研究领域，力争短时间内缩短或赶上国际深海采矿领域的先进水平，并积极开展海底采矿的技术情报研究。四、海底采矿船自主设计与关键技术研究⒈ 海底矿产资源采集矿技术富钴结壳主要处于水深800m～3000m的海山、海台和海岭的顶部和斜坡上，以及顶面平坦、两翼陡峭的海山斜坡上。海底多金属硫化物是指海底热液作用下形成的富含铜、锰、锌等金属的火山沉积矿。而多金属锰结核主要分布在中生代或年轻的深海盆地表层，包括太平洋、印度洋以及部分大西洋海盆。海底采矿是指将赋存在海底的固体矿物采集起来，通过提升系统输送到海面上。采集矿技术主要研究采矿作业车在稀软海底上行走时，其定位、姿态、行走、破碎、收集、测控等技术。⒉ 海底矿产采出物向水面的输送技术海底矿产采集之后，通常采用拖斗式采矿系统、连续绳斗（CLB）开采系统、自动穿梭艇式开采系统和集矿机与管道输送相结合的采矿技术。其中管道提升被认为是最有发展前景的提升方法，而管道提升又分为水力提升、气力提升、管道容器、轻介质和重介质等提升方法。⒊ 海底采矿工作母船技术海底采矿船需在4000～6000m深海及其恶劣环境下悬挂大吨位的水下设备（如采矿机/集矿机、提升系统等），克服风浪流条件下的升沉补偿技术；采矿机、输送系统及动力通讯电缆等的吊放与回收，所需的吊放回收技术和控制技术，以及此作业过程中的测控技术；在作业期间遭遇台风等极端天气时水下采矿与输送系统和水面工作母船间的紧急解脱技术；采矿船在风、浪、流作用下的动力定位技术；采矿机海底高精度动态定位技术，及采矿船动态跟踪和采矿路线的导航与控制技术；采集和输送过程中的监测控制技术；采矿过程中的故障诊断及修复保障技术。五、小结采矿船是海底矿产资源开采的工作母船，我国海洋矿产资源勘探的研究时间晚于发达国家，目前深海采矿技术仍处于的试验研究阶段，与发达国家存在较大的差距。本文围绕海底采矿船，及国外海底采矿船的发展进程，和我国海底采矿船的发展现状与差距进行了介绍，最后重点论述了海底采矿船自主设计与关键技术，以期对我国海底采矿技术与装备的研究开发具有参考价值与指导作用。
