深海富钴结壳的开发

深海富钴结壳的开发

cobal-key壳，也被称为cobal-key壳，在国外也被称为cobal-key。一般形成于水深为400～4000m的海山斜坡上,其中厚度较厚及钴含量较高的结壳主要赋存于800～2500m的洋底。富钴结壳的钴含量可达1%以上,远高于陆地钴矿的含量(一般低于0.1%),而且钛、铈、镍、铂、锰、铊、锑等稀有金属含量也较高。陆地钴矿资源日益枯竭,而世界每年钴消耗量以4%左右的速度递增。因此,从20世纪80年代开始,美国、德国、日本、俄罗斯、法国、澳大利亚、韩国以及我国等对大洋富钴结壳展开了勘探调查,并对关键技术进行了研究,美国、日本等国还进行了富钴结壳试采。1研究和开发富钴地壳1.1国外海洋采矿研究发达国家对钴等战略金属的需求量大,开展大洋调查的时间较早。1981年德国克劳斯塔尔-策勒费尔德工业大学(TechnicalUniversityofClausthal-Zellerfeld,TUC)的皮特·哈尔巴赫(PeterHalbach)率领的“德国中太平洋1号”(GermanMidpacI)巡航船对夏威夷南部的莱恩群岛(LineIslands)进行了第一次系统地调查。调查结果表明富钴结壳富含钴、铁、铈、钛、磷、铅、铂等元素,但是与铁锰结核相比,锰、镍、铜、锌含量较低。后来德国又对太平洋和大西洋中的海底进行了调查。1989年以后,德国将注意力转到深海采矿的环境研究上。美国是世界上最大的钴消耗国,钴消耗量约占全球的35%,钴极大程度上依靠进口。美国早在20世纪70年代就成立了以美国为首的英、德、意、日等国参与的海洋采矿联合公司(OMA)、肯尼柯特联合公司(KENCON)、海洋管理公司(OMI)以及海洋矿产公司(OMCO)等国际集团,以开发深海资源(主要是锰结核)。美国对富钴结壳的研究步伐随着1983年里根总统宣布200海里的专属经济区而加快。1983～1989年美国地质勘探局(USGS)、夏威夷大学等对夏威夷、约翰斯顿、马绍尔群岛、加利福尼亚以及中太平洋的海山区等进行了8个航次的调查;随后的研究表明,太平洋的马绍尔群岛专属经济区、约翰斯顿岛、莱恩群岛及大西洋的布莱克海底高原最具开发前景,其中莱恩群岛的钴含量达1%。据估计,仅美国专属经济区内就拥有3亿余吨的富钴结壳,其中含有270万t的钴,150万t的镍,7400万t的锰。20世纪80年代,日本金属矿业事业团(MMAJ)开始组织人员进行富钴结壳调查。1988年起,日本每年进行一次富钴结壳调查,目标是中太平洋海山区的50座海山。日本国家资源与环境研究所的Yamazaki和Sharma对其中的主要成果进行了总结。另外,1985年日本政府和南太平洋应用地学委员会(SOPAC)开始了一个为期5a的合作研究项目,以确定SOPAC各成员国专属经济区(EEZ)内的深海矿产资源。但该项目因故2次延长,直到2000年才结束。其中富钴结壳调查情况见表1。1983年,由韩国科学技术部(MOST)及韩国商工能源部(MOTIE)资助的韩国海洋开发研究院(KORDI)开始进行深海采矿的研究。1989～1991年海洋开发研究院与美国地质勘探局对克拉里昂-克林帕顿断裂带(Clarion-ClippertonFractureZone)及西太平洋区进行了联合勘探。1999年韩国政府将富钴结壳开采定为长期项目,2000年韩国科学技术委员会批准其长期工作计划,该计划第二阶段(2005～2010年)的主要任务是调查具有开发潜力的矿区,并准备矿区注册申请。从2000年开始,韩国每年执行1次为期1个月左右的富钴结壳调查,地点为麦哲伦海山区及中太平洋海山区。2001年的调查是在马绍尔群岛北部的国际区域进行的,共选择了6座海山。研究结果表明,在深度低于2000m的海底,富钴结壳厚度较大,其中钴含量为0.5%～0.8%,镍为0.4%～0.5%,锰为20%～22%。另外,俄罗斯重点调查了麦哲伦海山区,并率先于1998年9月向国际海底管理局(ISA)申请富钴结壳矿区“先驱投资者”资格。法国海洋开发研究所(IFREMER)、新西兰海洋协会(NZOI)、澳大利亚地质勘探局(AGSO)等也进行了富钴结壳勘探调查。1.2我国富类富铬结壳研究的意义我国钴金属资源量约为140万t,绝大多数为伴生资源,而且钴矿品位较低、生产成本高。近几年我国钴的年消费量稳定在1200t左右,国内钴产量每年总计约600～700t,因此每年约有半数需进口,到2010年将主要依靠进口(预计年需求量3000t)。因此,对富含钴金属的大洋富钴结壳进行调查和开采具有重要的现实意义和战略意义。我国对富钴结壳的调查起步较晚,1987年“海洋4号”科学考察船首次采取了富钴结壳样品。1997～1998年“大洋1号”和“海洋4号”两艘科考船从海底拖出3t富钴结壳样品,随后科研人员对富钴结壳的物质组成、金属品位及丰度、物理参数等做了初步分析研究。1997年以来,中国大洋协会(COMRA)组织“大洋1号”和广州海洋地质调查局“海洋4号”调查船在中、西太平洋进行了8个航次、数十座海山的富钴结壳前期调查工作(表2),在麦哲伦海山区和中太平洋海山区都已发现资源前景较好的富钴结壳矿区。浙江大学、国家海洋局第二海洋研究所及国家海洋局海底科学重点实验室等单位对中太平洋海山区富钴结壳地质特征、地球化学特征及富钴结壳与基岩的关系等做了详细研究。1999年我国获得了位于东太平洋中部克拉里昂-克林帕顿断裂带(Clarion-ClippertonFractureZone)海域、面积为7.5万km2的国际海底矿区专属勘探权和优先开采权,并初步圈定出部分富钴结壳申请的候选区。2管等或管相关的研究中,做无所不在的研究国内外对采矿系统(如海面采矿船、水力扬矿管等)的研究较多,此文不再介绍。以下将重点探讨富钴结壳开采的关键环节——富钴结壳的切削破碎方法和采矿头适应微地形的控制。2.1富铬结壳破碎方法富钴结壳多赋存于海山基岩上。基岩比较复杂,可分为玄武岩、碳酸盐岩(含礁灰岩)、燧石岩、火山碎屑岩(包括火山角砾岩、火山凝灰岩)等。富钴结壳的剥离破碎是富钴结壳开采过程中的重要步骤,因此寻找一种合适的富钴结壳破碎方法是开采富钴结壳资源的前提。1987年,DALarson等人受美国采矿局委托对富钴锰结壳进行了物理属性和机械切削特性研究,结果表明富钴结壳强度与中等硬度煤相当,易于切割开采。美国JohnEHalkyard等在试验基础上,通过整理大量资料得出,富钴结壳及其基岩最佳的破碎方法应为螺旋滚筒式截齿切削、冲击钻冲击破碎等几种。但是,不同的方法消耗的能量不同,经比较,最佳的选择应是螺旋滚筒式切削或拖头切削。1990年,日本的KatsuyukiAoshika等人根据富钴结壳和基岩的物理特性,制造出富钴结壳的模型,对真实富钴结壳及其模型进行了铣刀切削、滚筒切割等6种不同的机械切割试验。经过试验对比得出,滚筒切割为富钴结壳开采的最佳破碎方法。国内中南大学智能机械研究所设计了富钴结壳振动切削剥离试验台,并做了一系列试验。初步研究结果表明,振动加载切削破碎富钴结壳相对于静态加载切削破碎富钴结壳在降低截齿所受切削力及切削力矩方面具有非常明显的效果,降幅可达35%,并可以降低切削力波动范围。另外,中南大学罗春雷等人提出使用激振破碎法开采富钴结壳,并研究设计了开采装置。2.2海底微地貌的测量要提高富钴结壳的开采率,必须提供合理方便的富钴结壳微地貌(以cm为单位)及厚度探测方法和测量系统。探测微地形的方法有声纳成像、海底照相、电视录像与立体摄影成像等。采用高分辨率高频声纳技术或者其他声测技术与立体照相结合的技术,可以使海底微地貌的分辨率达到cm级。日本的Yamazaki等通过对中太平洋的海山拍摄立体照片、视频数据处理、图像分析等得出:在3m×4m的观察范围内,其微地表起伏从几厘米到几米不等。国内中国科学院声学研究所研制成功了高分辨率测深侧扫声纳(IOA-1HRBSSS,即IOA-1海底微地貌测量系统)。另外,国外对海底地貌测量方法的理论研究比较多,但大多数是针对广义上的地貌(几十米到几百米),对微地貌的研究较少,其中具有代表性的是JonathonMBerkson和JEMatthews,他们在IEEE上发表的关于海底粗糙度(seafloorroughness)统计特性的文章中指出,声音与海底的相互作用与海底密度、声音衰减、声速以及海底表面粗糙度有关。为了表示海底某区域的三维波数光谱(spatialwavenumberspectra),可以使用公式:P(K)=CK−b‚Ρ(Κ)=CΚ-b‚式中,P(K)为三维波数功率谱密度;C为比例常数;K为三维波数;b为粗糙度等级常数。JohnEHalkyard和夏威夷大学海洋资源技术中心的CharlesLMorgan等分别在发表的关于富钴结壳微地貌分析的文章中引用了该方法,并且用计算机进行了模拟切割。2.3采矿头联离式采矿为适应海底微地形及结壳厚度变化,提高富钴结壳破碎采集率,须对采矿头进行有效的控制(日本使用的CLB法基本上不涉及此类问题)。JohnPLatimer等提出每个刀齿都可升降的拖刀式切削采矿头。其主要机构如图1所示:一系列相同的刀具排成1排,每个上面都安装1个声换能器,以测量其下的富钴结壳厚度,然后根据返回来的信号调整各自的液压缸,使刀具能独立调整高度。该采矿头适应微地形的能力强,但为了保证一定的开采效率,采矿机必须具有许多单独可以控制的切削刀具,从而使机构复杂,控制任务繁重。1995年,JohnEHalkyard在“海洋工程及其环境”国际会议上,提出了开采深海富钴结壳的采矿车设计方案和有关技术问题,其推荐的采矿机的结构如图2所示,其采矿头由一组各自独立的切割头组成(图3),每个切割头能根据前方分担区的富钴结壳厚度独立调整其切割位置,这样就可以尽量减少基岩的切割,提高富钴结壳开采率。采矿机主要尺寸为长13m,宽8m,高6m,质量100t,总功率900kW。以上两种方案理论上都可以提高富钴结壳的开采率,但涉及到每个切削刀具(切割头)下的富钴结壳厚度探测及刀具的单独控制,因此控制起来相对复杂。国内中南大学、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院等合作设计了滚筒式采矿样车,其中滚筒式采矿头上面安装有富钴结壳微地貌探测设备,通过升降油缸的伸缩可以控制滚筒采矿头的高度,通过偏转油缸可以调节采矿头的倾斜角度。因此,当富钴结壳微地貌信息经过处理传给控制单元后,控制单元将自动调节采矿头的最佳切削位置,以提高富钴结壳开采率。3深水富铬结壳的研发展望21世纪将是各国争夺海洋资源、竞相海洋开发的世纪。深海富钴