海底多金属硫化物开采系统及装备研究现状
吴鸿云，陈新明，高宇清
(长沙矿山研究院，湖南 长沙，410012)
摘要：介绍针对海底块状多金属硫化物(SMS)试验开采而设计和提出的台阶式连续采矿系统、抓采式半连续开采系统、钻爆间断式开采方法和陡帮式连续开采方法，以及试验开采装备及开采概念车。
关键词：深海采矿；多金属热液硫化物；开采系统；开采装备
中图分类号：TD807 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0209-05
Development of exploitation system and mining equipment of seafloor massive sulfide
WU Hong-yun, CHEN Xin-ming, GAO Yu-qing
(Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012, China)
Abstract: The latest developments of exploitation systems and mining equipment of seafloor massive sulphides (SMS) were introduced. These systems were designed and proposed, which are step type continuous mining system, grasping, mining semi-continuous mining system, drill and blast mining methods and intermittent steep slope-type continuous mining methods.
Key words: ocean mining; seafloor massive sulfide; exploitation system; mining equipment
随着陆地金属矿产资源的日渐枯竭，人类逐渐把目光转向深海矿产资源[1]。海底块状多金属硫化物(Seafloor massive sulfide, SMS)是继多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源人类认识到的又一种新的海底矿产资源，主要元素为铁、铜、铅、锌及银、金、钴、镍、铂等，在世界大洋水深数百米至3.5 km处均有分布，主要出现在2 km深处的大洋中脊和地层断裂活动带。因其所含有色金属和金品位高，赋存水深较浅，距离陆地较近，被认为具有较好的开采价值和优势，进行海洋硫化物矿床的开采具有经济价值，且切实可行。目前，以鹦鹉螺国际矿业公司(简称鹦鹉螺，下同)和海王星国际矿业公司(简称海王星，下同)为代表的矿业公司，在西南太平洋区域的巴布亚新几内亚、新西兰等国专属经济区内申请和获得了面积达50多万km2的勘探区，投入巨资开展了大规模商业勘探活动[2]，目前正积极地准备海底热液矿床的开采。
1 海底块状多金属硫化物(SMS)开采系统
1.1 台阶式连续采矿系统
该采矿试验系统为鹦鹉螺委托Technip(沃利帕森工程咨询公司)针对Solwara l矿区开采计划而设计[3]。2008年，Technip设计的采矿系统由采集系统、管道提升系统和水面支持船组成，其中采集系统采用步履式海底采矿车，管道提升系统采用深海石油成熟的立管提升技术，采矿车前部带有旋转的切割头，边切割边输送，破碎后经软管输送至软管接头经立管输送至水面支持船[3]。2007年，鹦鹉螺与SMD公司签订了 制造2台海底采矿车的合同，合同经费3 000万$，包括采矿车、脐带缆、水面动力系统、控制系统和甲板操作系统等。受2008年世界经济的影响，该计划延迟，鹦鹉螺于当年12 月取消了采矿系统所有开采设备的定购合同。
2009 年，鹦鹉螺从巴布亚新几内亚环境和保护部获得了Solwara1 矿区的环境许可。许可的有效期为25 a将于2035 年期满。鹦鹉螺公司还订立了1个在巴布亚新几内亚的拉包尔每年装运150万t矿石的港口能力协议，可以选择在2012年1月开始运作。
2010年，鹦鹉螺对原采矿系统的海底采矿设备进行了改进，制订了新的开采计划。改进的开采系统方案见图1，海底采矿设备包括3种不同类型的海底作业设备，即：辅矿机(AUX，Auxilary miner)、采矿机(BM，Bulk miner)和集矿机(GM，Gathering miner)。辅矿机主要为采矿机和集矿机开辟采掘带，为采矿机除去尖峰段矿体，准备采掘工作面，并将采掘和破碎后的矿粒输送到集矿机附近。辅矿机准备好采掘工作面，移至下一开采台阶，准备下一采掘带，采矿机进入采掘工作面开始掘削矿体。集矿机收集辅矿机采掘、破碎的矿粒和采矿机掘削的矿粒，并通过输送软管经水下泵输送给管道输送系统至水面采矿船[4-5]。
图1 台阶式连续采矿系统概念图(2010年)
Fig.1 Continuous step-mining system concept diagram
根据鹦鹉螺的新开采计划，SMD公司负责海底采矿车的设计与制造，Technip公司负责管道输送系统的设计、采购与施工，GE Hydril公司负责水下泵的设计与制造，脱水机构由Ausenco技术公司进行概念设计。目前SMD公司和Technip公司已启动了前期的工程设计。
设计的开采步骤为：
(1) 集矿机移去矿体表层覆盖的松散沉积物；
(2) 辅矿机平整烟囱；
(3) 辅矿机为采矿机准备采掘带；
(4) 采矿机掘削矿区表层矿体，深度0.5 m；
(5) 采矿机垂直修平截割层；
(6) 采矿机移至下一采区；
(7) 集矿机采集截割散落0.5 m深的矿体；
(8) 采矿机移回到开采台阶；
(9) 重复步骤(4)~(8)步，直到完成剩余厚度的矿体截割为止(一般为2~8个台阶)；
(10) 辅矿机削去开采台阶的尖角；
(11) 集矿机采集辅矿机采集散落矿料；
(12) 按步骤(4)~(9)，辅矿机(AUX)开采4 m深的矿层。
1.2 抓采式半连续开采系统
该开采试验系统为2008年海王星委托Technip(沃利帕森工程咨询公司)针对Kermadec 07矿区开采计划而设计。该开采试验系统主要由采矿船、软管、管道输送系统、破碎机、电视抓斗和采矿车等组成，采矿船内设有起居室、动力站、空压机、脱水装置、提升装置、辅助和维修设备和ROV，为半连续采矿系统。
试验开采系统包括2个分系统，即：由电视抓斗和破碎机等组成的分拣破碎系统和履带式采矿车开采系统，系统原理图见图2。电视抓斗由采矿船上的A型架下放至海底，抓取热液烟囱和上层露头矿，快速地对突起的矿体进行分拣；抓斗将抓取的矿体输送给破碎机构，破碎后经软管输送到管道输送系统至水面采矿船。履带采矿车进入去烟囱和露头矿的采区，开始采集并破碎矿体，经软管输送到管道输送系统至水面采矿船。空气、水、固体混合物注入采矿船上的加压分离装置，空气压力下降到8×105 Pa，泥浆经闪蒸罐降至1×105 Pa，泥浆通过震荡筛，滤出更大的颗粒，底流经过水力旋流器脱水后，输送至储仓。在200 m深时，底流中粒径小于0.30 mm的颗粒经水落管自动泄出。管道输送系统采用成熟的石油立管输送技术，高压压缩空气注入1 km深的立管中，当混合物的比密度超过一定值时，矿浆被吸升水面船[6-7]。目前，未见该计划的后续报道。
图2 抓采式半连续开采系统原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of grasping-mining semi-continuous mining system
1.3 钻探爆破式间断开采方法
以美国为首的相关研究机构正在研发自动钻探爆破开采技术，其开采水深达3 km，适合分布集中、矿石硬度高、密度大的矿床。钻探装置下放到矿体的预定布孔位置，通过声相装置和控制系统，进行海底钻探，在孔内遥控装入爆炸材料，爆炸材料受控进行爆破，矿体破碎，破碎机对大矿块进行破碎，集矿机收集破碎后的矿体，采用水力提升系统输送到水面[8]。该开采系统的程序主要分为：钻探和爆破、集矿/破碎、输送，由爆破装置、集矿机、提升系统、采矿船、运输船和钻探供应船等组成，计划2020年投入生产。
1.4 陡帮式连续开采方法
我国专利(ZL2009100428719)[9]所示的一种陡帮开采方法与装置，主要用于丘状矿床，矿体硬度适中。该开采系统包括水面工作船、海底采矿车、输送系统、采集系统和采掘机构，输送系统上、下端分别连接水面工作船和采集系统，采集系统和采掘机构固定在海底采矿车上，海底采矿车采用履带式行走机构，海底采矿车的台车架上、下设置有采掘机构和采集系统；输送系统由钢立管、扬矿泵、中间仓、软管和万向接头等组成，钢立管上部与水面工作船连接，下部与采集系统的料仓上部连接，在离心泵的作用下，料仓内的硫化物矿石经软管至中间仓，中间仓内的硫化物矿石和水的混合物在扬矿泵的抽吸作用下，经钢立管到达水面工作船。
工作时，采掘机构在挖掘臂作用下自上而下采掘矿体，矿体散落在下部采集系统的矿石槽内，由刮板输送装置经离心泵送至料仓，在矿泵作用下，料仓内矿体经输送管输送到水面船。
2 海底块状多金属硫化物(SMS)开 采车
2.1 台阶式连续采矿系统采矿车
开采车主要包括辅矿机、采矿机和集矿机等。
辅矿机为履带式作业车，具有机动性和采掘能力，前置1个采掘头，搭载在铰接臂上，铰接臂回转和上下运动，带动采掘头上下、左右采掘矿体；后置推铲，可为采矿车提供额外牵引力。长约13.5 m，高约5.2 m，宽约7 m，功率为1.6 MW，空气中质量约150 t，最小作业区域达25~30 m。采掘头功率600 kW，采掘作业高度达4.0 m。可完成最大高度为4.0 m和倾角为10○的开采台阶。
采矿机为履带式采矿车，主要用于对散落于海底的大矿块进行截切和研磨并对开采台阶的矿床进行掘削、破碎。其主要设计参数是为采掘头采掘岩面所需的最大动力。为重载履带式作业车，采用陆地路面/巷道采矿机械，带有硬质合金加工的截割滚筒头。前端滚筒头与本体同宽，底盘重心低，空气中质量约250 t，功率为2 MW，滚筒头功率约为900 kW，掘削深度可达0.3~1.0 m。
集矿机为履带式集矿机，其主要功能是收集经采矿车掘削和破碎的矿粒和辅矿车截割破碎散落的矿粒，并经软管输送到管道系统。结构类似于海底埋缆机，长约8.5 m，宽约7.7 m，高约6.4 m，空气中质量约100 t，底盘采用双履带结构，安装有浮力材料和推进器，可使集矿机的水下质量减少约10 t，在水下可浮游。机前摆杆端配置有吸盘和螺旋机构，吸盘抽吸矿区表层的松散沉积物并经离心泵泵送到远处，螺旋机构开槽并引导矿粒进入离心泵口。底盘装载的大型离心泵主要用于采集矿粒并输送到管道系统。集矿机通过软管与管道输送系统连接。
2.2 抓采式半连续开采车
连续开采车为挪威Nexans公司生产的Spider履带车辆，其工作深度为1.5 km，装备有垂直可视系统，满足在能见度不高的地方工作：履带车装载切割头用于切削硫化物矿，采用挖泥泵抽吸，然后输送至立管基座。矿浆通过柔性连接器输送到软管，软管在海底1.2~2.5 km。
2.3 多金属热液硫化靶区开采原理样机
依托国家大洋专项，开展了多金属热液硫化靶区的开采原理样机的研制，形成了3种不同行走原理机构的原理样机[10]。
(1) 履带式作业车原理样机[11]。底行式ROV原理样机，由机架、行走机构、长机械作业臂(附装工具)、着底平衡机构、机重和重心调节部件(浮力材料)、液压系统、电气系统和水面监控系统、电缆/吊放钢缆接头及其他附件等部分组成。样机外形尺寸为3 m× 2 m×2 m，样机功率不大于30 kW，样机可在室内水下进行直线行驶、转弯和“8”字型封闭路径可控性试验，其最小接地比压为10 kPa，底栖状态下的最大行驶速度为1.5 m/s。
(2) 铰接列车式作业车原理样机。铰接式履带车由前后车体和联接装置组成，通过起伏地形时，2节车体就可以随着地形的变化做出相应的调整，使有限的履带长度能尽可能地保持与地面接触，获得较高的通过能力。前后车体均为履带车，联接装置包含有俯仰液压缸、转向液压缸和摇摆液压缸。
(3) 行星轮式作业车原理样机。行星轮式行走机构由4组行星轮系组成，相当于8×8轮驱动。随着车轮对地面作用力的不同，驱动轮系可相应地演变成定轴轮系或行星轮系。有较大的接地比压，既可在坚硬的底质上行走，又可在稀泥底质上行走。采用主动控制的方式进行越障，复合轮系越过台阶、凸台等障碍物，可越过2倍于轮胎直径的障碍物，越障高度大于轮胎直径。最大跨沟宽度为复合轮系前后轮的轴间距。
2.4 开采车概念设计模型
(1) 步履式采矿概念车。根据我国专利(ZL200910042809X)[12]，所述的步履式采矿车包括自行式平移机构、液压系统、控制箱、料仓、机械臂、抽吸软管、采矿头、矿石斗和输送软管，采矿头安装在可上下摆动的机械臂上，机械臂固定在自行式平移机构的前部，矿石斗固定套在机械臂前端，与采矿头同轴，开口朝外，位于采矿头下方，底部开孔与抽吸软管连接，抽吸软管连接料仓前端的进料口，料仓顶部与输送软管连接。自行式平移机构包括机架、平移架和回转机构。其中：机架为通透式结构，两侧滑动摩擦方式连接两平移架，相互嵌套，相互驱动，相对滑动；机架中心与回转机构通过回转支承连接，回转支撑的上下部分别连接机架和回转机构的回转架，回转架套接在固定支撑上，固定支撑套在加强支撑外，可上下滑动，回转支承由回转马达驱动。
(2) 动力分离概念车。根据我国专利(ZL2009200659507)[13]，所述的动力分离概念车主要由水面操控部件、供电及通讯脐带缆、浮游动力舱、电液复合脐带缆、车体及采掘收集机构、液压动力站、水下电子舱等组成。液压动力站及水下电子舱安装于浮游动力舱中，浮游动力舱通过电液复合脐带缆实现与着底车体之间的电液动力及双向通讯与控制信号传输，并通过供电及通讯脐带缆与水面操控部件对接，其中电液复合脐带缆是一种内部具有液压管线、通讯电缆、电力电缆及承力绳的缆绳。电液复合脐带缆上布置有浮力体，电液复合脐带缆在水中呈“S”形。浮游动力舱上配备海底地形探测声纳和矢量推进器。
3 结论
海底多金属硫化物矿以其高的金属品质而引起国际采矿界的高度关注。国际上不同程度的商业勘探正积极实施，试验性开采也正积极筹备。鉴于此，我国相关部门应组织力量，运用先进技术，借助于相关设备和仪器，实施大规模的调查与勘探，初步圈定具有一定商业开采价值的多金属硫化物矿床，开展矿区环境、地形、地质特征及矿体力学特性分析，结合多金属结核开采研究形成的成熟技术基础，借鉴陆地露天金属矿床开采技术，初步形成我国多金属硫化物矿床的开采系统及方法，并积极实施开采、掘削、破碎等关键设备的前期攻关研究，为多金属硫化物矿床的最终开发提供技术积累。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：中国大洋协会深海资源勘查技术子项目(DYXM-115-04-02-03)
通信作者：吴鸿云(1976-)，男，湖北洪湖人，博士，工程师，从事深海设备的研究；电话：0731-88671485；E-mail: why@cimr.com.cn
