国际海底区域的性质与中国的战略选择

国际海底区域的性质与中国的战略选择

0参与区域活动的基本情况浩瀚的海洋是人类拥有巨大的资源宝。海洋的表面积为3.6亿km2,约占地球表面积的71%。根据1994年生效的《联合国海洋公约》(下简称公约)规定,国际海底区域(下简称区域)指国家管辖海域以外的海床和洋底及其底土,其面积约2.517亿km2,占地球表面积的49%,区域及其资源是人类共同继承的财产。深海则包括了绝大部分区域和部分国家管辖的海域。区域因其在海洋中所处的独特的政治法律地位,更因其拥有的具有多样性的资源,包括战略金属资源能源资源和生物资源等既为世界各国提供了一个延展可控制的疆界、争取海洋空间权益的机遇,又为世界各国开辟了一个培育、发展和应用高新技术的重大领域。在不断谋求生存空间和社会发展需求这个不竭动力的推动下,区域既是国际社会经济、科技乃至政治、外交、军事等多方位合作的重要基地,也是综合实力展示与角逐的竞技场。我国参与区域的研究开发活动时点可追溯到1978年,当年4月,首次从太平洋特定海区4784m水深处采集到多金属结核。然而真正意义上向国际海底进军,当以1991年3月5日获准登记为国际海底区域先驱投资者,及紧随后成立的中国大洋矿产资源研究开发协会(下简称大洋协会)为标志。中国深海采矿技术研发始于1990年代初,其后,在实施1991年9月完成的中国大洋多金属结核资源研究开发第一期(1991~2005年)发展规划的15年中,深海采矿技术实现了从无到有,从单元技术研究突破到成组技术集成的验证,取得了一些以当代最新科学发现和创造为基础,具有重要应用价值的自主创新成果,初步构建出了我国深海采矿的技术体系,奠定了多种矿物资源开采技术的发展基础。与此同时,形成了以长沙矿山研究院和长沙矿冶研究院为主体,具有参与国际技术竞争综合能力的中国深海采矿技术研发团队。从深海开采技术层面上,为增强我国在区域活动的影响力提供了有力支撑。显现出了强大的后发之势。当前,区域的活动方式及其科技、经济、政治及法律环境正处于深刻的变化时期,科学地分析变化的背景,积极地把握变化的趋势,审时度势,乘势而上,无疑将会促进我国的大洋事业实现跨越式发展。1发展的背景1.1针对不同多金属核资源运行的“绿色目标”活动法律制度的确立:上世纪50年代末开始,以美国为主体的跨国公司在公海自由支配的原则下,进行了大规模的深海资源勘查等活动,由此导致了国际法律关系的调整。从1970年联合国大会通过宣言,确定区域及其资源是人类共同继承的财产,到1994年公约生效,历时20余年坎坷征程,使得区域的活动从无章可循到有法可依。活动方式也变无序为有序。至此,作为地球上具有特殊法律地位的最大的政治地理单元的区域,在其中活动则要受到超越国家的特殊的法律制度约束。区域由联合国专门设立的国际海底管理局代表全人类负责管理。新世纪的区域及其资源的竞争将在有序合法的形式下进行。目前,国际海底管理局已核准了先驱投资者提交的多金属结核勘探工作计划,正着手制定针对多金属结核以外的其他深海资源的有关规章,有些可望在2007年获得通过。区域活动中的政治:区域问题的核心是权益。一个国家在区域活动的强度、广度及表现出的影响力、控制力最能反映出其参与决定国际事务的能力及影响力、当前及未来国际地位、实际拥有的区域利益份额、对国家权益和国家安全的维护状态。罗马的政治家西塞路(Cicero)曾言:谁能控制海洋,谁就能控制世界。当今在区域的权益分配控制上进行的区域活动,集中表现为20世纪的以多金属结核矿区权属确定为代表的第一轮“蓝色圈地”和21世纪正在进行的以富钴结壳等矿物资源矿区权属确定为代表的第二轮“蓝色圈地”。基于政治及其它多重因素,近年来,有关国家在区域及深海的活动均呈加强的态势。我国是继印度、法国、日本、苏联(现为俄罗斯)之后,于1991年3月成为第五个国际海底区域先驱投资者的国家,1996以海底最大投资国的身份当选为国际海底管理局第一届理事会B组成员,2004年当选为理事会A组成员。目前已全面介入国际海底管理局各级机构的工作,并发挥了重要的基础作用。我国积极参与了在国际海底区域内的第一轮的“蓝色圈地”竞争,于1999年正式获得了东太平洋区域的7.5万km2的多金属结核矿区的专属勘探权和优先开发权,其面积与我国的渤海面积相当。在此基础上,初步圈定了富钴结壳申请区,并开展了其它资源的调查,这些活动为改变我国在区域内第二轮蓝色圈地竞争中的被动地位奠定了基础然而,由于我国进军区域时,世界经济强国美、日、英、法、德、苏(现为俄罗斯)和印度等国,已在上世纪80年代基本完成了对最具商业价值的多金属结核富矿区的分割,我国的多金属结核资源矿区的质量如结核品位、丰度等,以及海底地形的条件均相对较差。当今区域活动的特点是,各国均由单一多金属结核资源开发调整为面向多种资源(富钴结壳、热液硫化物、天然气水合物、生物基因等)开发利用。在新一轮的竞争中,与发达国家甚至某些发展中国家相比,我国在区域的活动存在着较大差距。1.2天然气水合物资源矿产资源状态:人类的生存和创造均以资源消耗为前提,矿产资源的利用水平从一个侧面直接反映了社会生产力的水平。矿产资源的危机将对人类社会发展带来灾难性的后果,这是一个全球性的问题。据科学预测,全球矿产资源的储量增长速度始终高于产量的增长速度。陆地资源在本世纪大多趋于耗竭,在陆地资源耗竭之前,尽早开辟新的资源供给渠道已是当今各国共同的抉择。区域是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大的潜在战略资源基地,其中海底矿物资源的矿种多,数量大,品位富,有巨大的开发利用前景。如多金属结核富含铜、钴、镍、锰等,其平均品位分别为1.00%,0.22%,1.30%,25.00%;富钴结壳富含钴、镍、铂、稀土元素等,其平均品位分别为1.7%,1.1%,1.3%,0.1%~0.3%;海底热液硫化物富含锌、铜、金、银等,其品位分别为3.3%,5.5%~40.0%,1.4%~55.0g/t,42.0%~129.0g/t;天然气水合物是重要的能源矿产。已探明的深海矿产资源占我国支柱矿产数的67%,占我国主要矿产数的42%,占我国可保障矿产数的13.6%,占我国基本保障矿产数的58.3%,占我国短缺矿产数的72.7%。深海矿产资源对我国资源需求的保障具有重要意义。据统计,全球洋底具有商业开发价值的多金属结核700亿t。天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1.8×108~2.1×108亿t,约相当于全球煤、石油和天然气总储量的两倍。位于太平洋西部火山和麦哲伦海山两处富钴结壳的资源量约15亿t。在加拉帕戈期的一个热液硫化物矿床的资源储量就达2500万t,目前发现的潜在金属资源量达14亿t。经济价值评估:我国在太平洋7.5万km2的多金属结核资源专属区目前控制了亿干结核量,11175.52万t锰,406.40万t铜,514.42万t镍,98.49万t钴的资源量,可形成年产300万t干结核、开采周期20年的深海产业。初步测算,投资该规模的产业总资本14~19亿美元,回收期7~12年,可获利润40~50亿美元。1.3深水技术创新的起点变理论上的占有区域资源为实际上的可使用区域资源,是进军大洋的主要目的。区域活动竞争制胜的关键取决于技术创新与进步。国际社会深海开发技术的发展均以多金属结核开采技术研发为起点。1970年代以来,西方发达国家通过技术移植、相关技术借鉴和二次开发及技术创新等方面的工作,完成了深海多金属结核开采的技术储备,一旦具备商业开采的其它条件,即可通过吸收当代技术发展的最新成果,进一步提升其技术竞争力。1.3.1国际研究重点研究的采矿系统多金属结核的开采技术可行性已得到验证。其发展过程中形成的具有标志性意义的成果如下。(1)拖斗式采矿系统。该系统由美国加利福利亚大学Mero教授1960年提出,由采矿船、拖缆和铲斗3部分组成。其后虽有人在单斗基础上提出了双斗采矿的改进系统,但因该系统难以实现商业价值,研究工作未持续展开。(2)连续绳斗法采矿系统(CLB采矿法)。1967年,日本孟田善雄根据河道疏浚设备的作业原理,提出了单船采矿系统。1973年初,法国提出了双船采矿系统。这两套系统均由采矿船、拖缆、索斗和牵引机等部分组成。1968年和1970年,日本住友商事社等单位分别在1410m水深和3760~4500m水深进行了单船采矿系统开采试验,取得了预期效果。试验完成后,由来自日本、法国、美国、德国等的20余家公司组成了CLB采矿法国际协会,并于1972年8月在北太平洋进行了一次目标为日产结核百吨级的试验,但仅采到十余吨结核。双船采矿系统的详细试验计划由法国等在1973年9月至1974年5月完成,因经费问题计划最终被放弃。CLB采矿法存在铲斗在海底不能得到有效控制、作业不能适应海底地形和丰度的变化等问题,尤其是无法达到工业开采的要求,国际社会的这一研究工作在1970年代末期基本终止。(3)穿梭潜器采矿系统。该项研究始于1972年由法国人提出系统有两种形式分别是飞艇型和梭车形潜水遥控车。1980年前后,由法国Vertut等人研制了梭车形潜水遥控车,该车实现了集矿扬矿一体化,基本工作原理是利用压载物和自重(550t)遥控潜入海底,集矿装置采集矿物的同时排出压载物,装满矿物后,浮至海面。水下行驶由阿基米德螺旋推进器驱动。主要由于动力、控制和成本问题,该系统完成模型试验后暂停了研究工作,但国际社会认为此系统可能成为第二代的商业开采系统。(4)流体提升采矿系统。该系统技术由集矿、提升、水面支持3大部分构成。因采用的提升方式不同,又有水力提升采矿系统、气力提升采矿系统、轻介质提升采矿系统之分。后者因其作业成本高,不能达到工业开采的要求,且使用煤油会污染海洋环境,故仅将其视为采集结核的一种方法。水力和气力提升开采系统,它是基于美国梅洛设想开发的,被国际社会列为重点研究试验的锰结核开采系统。美国、英国、加拿大、日本4国的有关公司于1974年1月成立的肯尼柯特集团公司(KCON),其后于1978年完成了由集矿器-管道提升组成的模拟系统在5000m水深的陆地采矿模拟试验。成立于1974年10月的海洋采矿协会(OMA)由美国、比利时、意大利3国有关公司创建,1978年夏秋之际,在大西洋的布莱克海底台地进行了拖曳式水力式集矿机-气力提升采矿系统试验,连续作业22h,采集结核约500t,试验于当年11月结束。美国、加拿大、日本、德国的有关公司在1975年2月组建了海洋管理公司(OMI)。1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕顿断裂带,用拖曳式水力集矿机/拖曳式机械集矿机-气力/水力提升组成的采矿系统,进行了3次开采试验,实际作业40h,从5200m海底采集结核800t。试验中机械式集矿机在下放过程中丢失。1977年11月成立的海洋矿业公司(OMCO)由美国的3大公司共同设立。1978年公司进行了1800m水深集矿机试验,1979年3月完成了由阿基米德螺旋驱动自行式集矿机-气力/水力提升系统组成的采矿系统在5000m水深的海上试采试验。法国大洋结核研究开发协会早在1972年就开展了集矿机-管道提升式采矿法的研究工作,1976暂停了该研究。1984年又重开水力提升采矿系统研究工作,在暂停穿梭潜器采矿系统的研制工作后,1985年与德国联合提出了一项开发流体提升采矿系统的计划。日本于1970年代末期也调整了研究方向,重点开展了拖曳式水力集矿机集矿-水力管道提升矿物的采矿系统研制。并于1990年代进行了集矿机构和扬矿装置的单体试验。俄罗斯(前苏联)于1987年和1990年在黑海79m水深同一区域进行了采矿系统试验,参试系统为自行式集矿机-水力管道提升系统,试验的生产能力达到了7.2t/h。印度于2000年9月在400~500m水深处进行海上采集试验,验证了抽吸头式集矿机和软管输送的可行性。目前,发达国家的多金属结核开采技术研究工作基本处于静止状态,相关的研究重点转入到了环境研究上。原因是西方发达国家总体上实现了多金属结核开采技术的技术储备,待国际政治、经济环境条件成熟,在适当吸收技术发展的最新成果后,即可将该技术用于商业开采。1.3.2海底热液硫化开采技术自20世纪80年代中期以来,西方发达国家在取得多金属结核采矿技术领先地位后,及时把研究领域扩展到富钴结壳、海底热液硫化物、天然气水合物等多种资源领域。美国在完成了富钴结壳的采矿机理研究后,提出了结壳采矿车设计方案及采矿系统技术方案。日本、南非等国于1990年代申请了数项富钴结壳采集机的专利。现已提出富钴结壳开采系统技术方案,除采用机械方法剥离附着在海岩上的结壳外,还采用了水压、声波等方法剥离结壳。当前日本已提出了海底热液硫化物开采技术方案设计,并完成了有关开采的技术经济性评价。澳大利亚某公司已取得了巴布亚新几内亚和新西兰的海底硫化物的勘探开发合同,其新南威尔斯大学等开展了对海底热液硫化物的采矿技术方案及技术经济性研究。澳大利亚正着手开发南太平洋的海底硫化矿,预计在2010年进行海上开采试验。加拿大多伦多大学等也开展了对海底热液硫化物的勘探、采矿技术的研究工作,并发表了相关报告。鹦鹉螺矿业公司和海王星矿业公司对海底热液硫化物开采可能性的探索,取得了实质性的进展。美国、日本、印度及欧洲有关国家先后制定了天然气水合物的长远发展规划和实施计划,美国明确宣称到年完成商业开采技术准备韩国、印度等国尽管目前处于基础实验研究阶段,但因起点高,发展迅速。1.4我国色矿资源运营所面临的挑战在世界经济一体化的大格局下,我国已成为世界制造业的重要基地之一,因而大幅度地提高了金属材料的消费量。基础设施建设等新的发展更强化了对矿产资源的强劲需求,据2004年资料显示,我国陆地的主要有色矿产储量的静态保有年限:铜为10a,铅为7a,锌为9a,铝为50a。2004年国内铜、铅、锌、铝原料的60%,40%,15%,50%来自进口。预计到2010年,我国对铜、镍、钴、锰4种金属的需求将有40%~60%依赖进口。基于这种资源状态支撑的经济高速发展,无疑存在着极大的风险。从国家的长远利益和当前发展的需要看,全面进军海洋,开发海底矿产资源,建立新的矿产资源供给地,是一种必然的选择。2技术进步2.1科学设定技术路线的情况我国深海采矿技术研究虽起步相对较晚,但在国家大洋专项的支持和大洋协会的组织协调下,在过去的15年中,由于确定的技术目标科学、采取的技术路线正确、提供的保障条件充分,仍然取得了起点高、发展快的成绩。研究工作已经历了基础研究、扩大试验研究、系统集成与制造、海试技术设计等阶段,技术进步主要体现在以下几个方面。2.1.1中试采矿系统总体设计1997年10月,长沙矿山研究院完成了列入原中国有色金属工业总公司重点研究项目的深海采矿技术经济研究工作。该项研究取得的主要成果,一是在全面系统分析国际上重点研究的4种锰结核开采技术基础上,提出流体提升开采技术是经济合理、最具商业开发前景的一种开采方法;二是基于西方国家研究资料,提出了进行工业开采的两项重要的经济指标,即投资收益率必须达到15%~20%、锰结核年产量为300万t。1999年元月,大洋协会采矿总师组完成了大洋多金属结核矿产资源研究开发中试采矿系统总体设计(下简称总体设计)。该设计主要意义:其一,确定了我国的单套采矿系统的年生产干结核的能力为150万t(我国矿区结核平均丰度比国外矿区低50%左右,商业开采时拟用两套系统作业);其二,确定了中试采矿系统生产能力与商业采矿系统生产能力的比例为1∶10,即年产量为15万t(年工作250d、日工作20h计),小时生产能力30t;其三,确定了我国多金属结核采矿系统为自行式集矿机-水力管道提升-水面船组成的采矿系统。该设计的完成,标志着我国第一代深海采矿技术体系的构造任务基本完成。根据总体设计,2001年4月大洋协会采矿总师组完成了中试采矿系统的技术设计。2002年1月完成了1000m海上试验总体设计。随后于2004年11月,完成了1000m海上试验总体系统技术设计。设计提出的试验系统为串联系统:由履带自行集矿机-软管输送装置-中间仓-硬管输送装置-水面支持及水声定位装备组成。2.1.2全热管优化试验(1)回采工艺研究。回采的基本要求是,回采效率高、集矿机采集的轨迹基本不重复交叉、集矿机和采矿船相对转向少、避免管线扭曲和沉积物云雾对集矿摄像机的影响等。多金属结核在海底呈二维分布,赋存于海底沉积物表面,根据管道提升采矿系统的特点和海底地质条件,可选择的回采方式通常有4种。折返式回采:这种方式适合于作业距离长的区域。集矿机的行走路径为直行-调头拐弯(接近360°)-直行-调头拐弯。作业时需要控制直行段的平行度、间距及掉头曲率半径(或圆弧长度)。折返式回采分为纵向式和横向式两种,前者集矿机与船同向、同速行驶,后者为集矿机相对船横向左右行驶200m后折返,要求船缓慢行驶。阿基米德螺线式回采:它适合于小块结核区域的采集。这种方式要求整个采矿系统随采集路径运动,对系统的运行和控制要求较高。重叠式折返回采:类似于折返式回采行驶,区别在于调头后走一小段直线,这方式的辅助作业时间有所降低,但轨迹重叠的可能性增加。此外,当采用全软管提升方案时,扇形折返式回采方法也被列为选择方式之一。通过专题研究,我国将折返式回采工艺确定为中试采矿系统试验的首选方案。(2)关键技术研究。在基础研究阶段,开展的关键技术研究工作主要是:水力式、机械式、复合式集矿方法与模型机的研究;气力提升技术研究;水力提升技术(包括潜水矿浆泵、射流泵、清水泵系统)研究轻介质提升技术研究过程级和控制回路的研究;通用级和通讯系统的研究;多金属结核物理力学特性研究及模拟结核试样制作。通过上述研究,对多金属结核物理力学特性有了系统全面的定量表达,取得了一系列的可作为集矿、扬矿技术设计依据的技术理论成果。在扩大试验研究阶段,进行的关键技术研究工作主要是:深海采矿中试整体、集矿、扬矿、监控及动力配置系统的技术设计研究和水面系统方案设计研究;深海采矿中试集矿机构研究;自行式海底作业车的研究;深海采矿中试破碎机的研究;输送软管对集矿机行驶性能影响的研究;扬矿硬管、软管输送系统工艺和参数研究;深海采矿中试扬矿中间仓研究;自行式海底集矿机监控、测控系统研究;中试硬管、软管输送监控研究;深海采矿中试系统运动学和动力学研究;深海沉积物土工力学参数测试及测试系统研究。以经过上述工作,确定了矿区开采的条件、开采规划及海上中试方案;高齿履带行走机构行驶和水力式集矿机构采集矿物的集矿机机型;潜水矿浆泵扬矿系统及其工艺流程、工作参数、设备配套方式;通过罗盘导航和声学定位对集矿机行走进行控制的方案;水下高压供电、水面低压侧软启动和控制的动力配置系统。在系统集成与制造、海试技术设计等阶段,开展的关键技术研究工作主要有:大洋多金属结核采矿系统虚拟现实研究;大洋多金属结核采矿系统1000m海上试验总体系统研究;集矿机控制技术研究;深潜硬管提升电泵、软管输送泵及其潜水电机的研制;扬矿硬管及接头的研制;恶劣环境水下高精度水声定位系统研究。2.1.3试验机构及设备完成了水下采集输送作业的单体模型设备及成套流程试验主要设备的研制。同时开展了水面支持系统设备的选型及改造设计工作。(1)具有自主知识产权的单体模型设备主要有如下3种。履带自行式复合式集矿机:该机采用的集矿原理是,前后双排喷嘴冲采-链板输送分离结核。1996年由长沙矿山研究院研制成功,主要技术性能为:额定生产能力5.2~8.4t/h,采集率≥80%,脱泥率≥85%,采集结核矿石粒径2~10cm,采集行驶速度0~0.95m/s,水下重量4t,空气中重量8t,总功率外形尺寸水力式集矿机:由长沙矿冶研究院等单位1996年研制的水力集矿机的主要特点是全水力集矿,采用前后双排喷嘴冲采-附壁喷嘴喷射输送。其技术性能与复合式集矿机基本一样。水下阿基米德螺线模型行驶机构:该机构由长沙矿山研究院研制,外型尺寸3415mm×2440mm×2100mm(长×宽×高),总功率22kW。(2)湖试采矿试验系统的主要设备包括如下4个部分。履带自行式集矿机湖试样机:该机的主要技术性能:额定生产能力30t/h,采集率≥80%,脱泥率≥85%,采集结核矿石粒径2~10cm,采集行驶速度0~1m/s,水下重量15t,空气中重量30t,总功率385kW,外形尺寸9.5m×5.3m×3.2m。软管输送装置:由输送软管、中间泵站、浮力件、测控装置及附件组成。其中泵站的外形尺寸5m×2m×2m,空气中重量4.5t,离心砂砾泵的扬程43m,总功率140kW。测控系统装置:由发电集装箱、配电集装箱、控制室集装箱3部分组成,总重20t。水面支持装备:主要设备有排水量380t、供电能力400kW的主试验船,以及辅助试验船、模拟结核铺撒船、服务船、环境调查船等。(3)浅海试验的主要设备包括如下3部分。履带自行式集矿机中试样机:该机系湖试样机的改进完善机型,部分机构的结构设计更合理,主要技术性能基本没有变化。中间仓:该装置包括中间仓体、给矿机、料位计、紧急排矿阀等设备与部件。硬管输送装置:主要包括潜水电泵、扬矿硬管和升沉补偿装置。目前已完成了两级潜水电泵的研制,其扬矿浆体流量420m3/h,提升泵扬程80mH2O。2.1.4基于实测数据的方法的研究虚拟现实的概念是1980年代初由JaronLanier提出,虚拟现实技术是利用计算机图形技术、仿真技术、传感技术、显示技术等,在多维信息空间上创建了一个虚拟信息环境,使用户可以在计算机上与虚拟对象进行交互作用,进而获得最佳的设计方案和制造使用效果。我国于2001年开展了深海多金属结核开采虚拟现实研究工作,现已完成了基于具有自主知识产权的多金属结核1000m海试系统及其作业条件的虚拟样机和采矿作业虚拟环境的构建实现了深海多金属结核1000m海试作业过程的计算机模拟和可视化显示。在解决履带式行走机构在软泥、沉积物上行驶的仿真等多项关键技术上,取得了突破。总体技术研究水平居该领域的领先地位。该项研究成果为深海采矿系统的设计研制和运行操纵,提供了新的理论研究基础和分析手段;同时也为采矿系统的改进完善提供了技术支持,为系统运行状态评估提供了重要的鉴别支持。2.1.5实验场所及设备设施在国家专项经费和业务承担单位积极投资的支持下,深海采矿实验基地建设已完成了基础研究综合实验室的建设,目前正在进行扩大试验综合实验室的建设。(1)基础研究综合实验室的设施及功能。建于长沙矿山研究院的实验室占地面积4000m2,建筑面积500m2。主要设施包括5大部分。试验大水池:规格56m×10m×3m,地面安装有自行式地车,其承载能力为5t,主要用于模型集矿机等水下设备的功能及系统的联调试验。试验小水池:规格20m×3m×1.8m,水池顶部安装有可移动式地车,水池两侧装有透明玻璃幕墙,西端配有旋转吊装设备,主要用于采集机构等单体设备的试验。维修工作间及可移动式操作室:设备维修间2间,建筑面积分别为340m2和180m2,分别配装有20t和5t起重设备和扬矿系统的动力设备、试验料仓、控制系统、试验台架、各类电气电控仪表等,可移动式控制室安装有500kW、380/3000V发电、配电设备。扬矿试验装置:扬矿塔架高30m,包括1个主体塔架和4组辅架,可进行管道空间状态的输送试验,包括水平、垂直、各种倾角的空间形态试验。可为集矿机与扬矿系统联调提供支持。露天试验场:规格50m×20m,地面敷有0.5m厚的河砂,可根据要求设置沟、坎、障碍物,进行模型集矿机构的行走试验等。该实验室不仅能完成设备的性能参数试验研究,包括模型集矿机等的可行驶性试验(地面和水池试验)、可采集性试验、物料输送试验,而且还可以完成单元技术集成试验和采矿项目部分子系统联调试验。(2)在建中的扩大试验综合实验室的主要设施及功能该综合实验室包括集矿实验室和扬矿实验室。集矿实验室:由长沙矿山研究院负责建设。新建实验室总面积8000m2,其中陆地试验场占地3200m2(80m×40m)。工作车间占地面积540m2(36m×15m)。实验水池规格为60m×50m×5m(长×宽×深)。工作间配置35t行车。该实验室可完成中试集矿机的综合试验及其它水下作业试验,如行走机构行驶性能试验、水下速度、方位检校试验、ROV、AUA试验及0°~90°侧壁取芯试验等。扬矿实验室:由长沙矿冶研究院负责改扩建。在原扬矿试验室的基础上,通过改造原试验系统的工艺、提高系统承载能力和扩展试验的功能,构造出开环和闭环两套提升试验系统,完成深海矿产资源的水力提升系统的综合性能提升试验研究工作。2.1.6试验地点及试验过程根据系统试验规划,在进行中试采矿系统海上试验之前,先完成中试采矿系统的部分组成系统的湖上试验。湖试系统由集矿子系统、软管输送系统、测控及动力子系统、湖试水面支持子系统4部分组成。试验地点选择在云南抚仙湖西北区水深80~150m区域。2001年6月23日湖试系统设备进入试验场区,经过模拟结核铺撒及航迹测量等一系列试验基础准备工作后,分别于8月17~21日和9月11~18日两次出航,进行了水下系统的下放回收、集矿机行驶性能、软管扬矿、集矿和扬矿联动及湖试系统运行的可控性等多项试验,实现了预定的调通采矿系统工艺流程、考核成套设备运行状态等基本试验目标,最终成功地将铺撒在130m深的湖底的模拟结核采集输送到湖面的试验船上,收集到模拟结核900kg。湖试验证了我国确定的大洋多金属结核采矿系统技术的可行性,为下一步的浅海试验积累了经验。2.2实验研究及结论富钴结壳开采技术。“十五”期间,在大洋协会的组织下,我国富钴结壳开采技术研究工作全面展开,基础技术研究、设备研制及实验室建设等方面的工作现已取得了较大进展,关键技术的研究取得了新的突破,为构建我国的富钴结壳开采系统奠定了坚实基础。技术进步主要表现在以下几个方面。(1)开展了截齿螺旋滚筒切削破碎方式、振动掘削破碎方式、机械水力复合式破碎方式等采集方法的试验研究在此基础上完成了富钴结壳采集模型车的方案设计和样机试制。(2)进行了4种行走机构的仿真研究,建立了履带式、轮式、步行式和ROV式虚拟样机,相应地建立了富钴结壳区域的虚拟复杂地形。研制成功摇臂悬架结构轮式实验车。(3)完成了模拟富钴结壳的制作及相关的工作。在国际海底管理局的新资源勘探规章制定的大背景下,我国于1998年开始了海底热液硫化物的探索性调查工作,继之于2003年进行了试验性调查工作,此后成功地组织完成了主要针对热液硫化物资源调查的2005年首次环球考察,采集了一批有价值的样品。开采技术的研发工作计划已在制定中。天然气水合物开采技术的研发目前尚未开展实质性的工作,但预研受到了有关专家的关注,已提出的预研项目有:天然气水合物理化学性质及其成藏机理、天然气水合物高分辨地震采集技术与识别处理技术、天然气水合物地球化学探测与资源综合评价技术、天然气水合物的钻探和保真取样及测试技术、天然气水合物的水下空间站工业开发技术、天然气水合物储存和运输技术等。3海底多金属没有实现商业开采的原因分析深海采矿领域是海洋资源开发的一个全新领域,发展深海采矿技术是国家的需求。深海采矿技术的研究,历经了15个春秋,凝结了两代研究人员的辛劳与智慧,基本完成了深海多金属结核采矿专有技术的体系构建及主要装备研制。然而,距实现商业开发的技术储备的目标,仅仅只是完成了基础阶段的工作,与已拥有该技术储备的先进国家相比,我们还处于落后状态。当前,我们应抓住深海矿产资源商业化开采时间尚不确定的有利时机,积极开展工作,争取与发达国家同期实现商业开采,以综合实力来维护我们的区域权益,在国际事务中发挥作用。为此,要落实好以下几个方面的工作。3.1海底采矿技术的发展方向要立足于谋求中华民族长远利益和大国积极推动人类社会发展的高度,尽快提出中国大洋矿产资源研究开发的第二期(十五年)发展规划。及时启动深海采矿技术“十一五”规划的实施工作。21世纪是海洋开发的世纪,已是共识。在这样的大背景下未来的年深海采矿技术的发展将会随着科学技术的整体进步而获得超常发展。在此期间,我们在政治、外交上,要充分利用国际海底管理局这个平台参加和影响国际事务的决策,显示大国的风范。在技术上,要基本完成深海多种资源的商业开发技术储备,完成富钴结壳、海底热液硫化物、天然气水合物等矿物资源的矿区申请和承包合同签订。与此同时通过研究成果的产业化转化获取经济效益。“十一五”期间,深海采矿技术的发展,建议在4个层次上进行目标设计。一是通过子系统扩大试验以及包括水面支持系统等的中试全系统虚拟试验验证,形成多金属结核采矿系统技术原型;二是通过对富钴结壳、海底热液硫化物等矿物资源开采关键技术研究及样机研制,完成多种深海矿产资源开采中试技术设计;三是完成天然气水合物的技术经济研究及开采技术方案制定,构建开采技术体系的基本框架;四是提出海试作业平台设计方案并组织施工。3.2加强研究,提高开发方式的创新能力深海采矿技术是未来海洋产业中的先导性行业技术。作为突破重点技术之举,国家已将研发不同矿种采掘专门技术,列为国家中长期科学和技术发展规划战略研究的优选主题。我们要抓住大洋开发为世界普遍关注、受国家高度重视的历史机遇,以创新务实的精神,加快构建完善具有自主知识产权和技术特色的深海矿物资源开采技术体系。到2020年,基本完成深海矿物资源的商业开发的技术储备。基础理论研究是制约我国开采技术快速发展的薄弱环节。当前要在多金属结核开采技术研究成果基础上,进一步开展基于不同海底固体矿物的行走机理、采集机理、声学定位与控制机理及关键技术的研究,深入开展管道(包括软管及硬管)输送工艺参数及力学特性的研究。我国的开采实验技术和装备的研究开发相对滞后,尤其是实验条件和手段贫乏,目前除多金属结核外,其它矿物资源的实验室建设基本停留在计划上,已对我国开采技术发展的进程产生了不利影响。要在继续加强对多金属结核单元技术验证性实验,对集成技术、成组技术的设计性实验和研究性实验的同时,迅速组织力量开展富钴结壳、海底热液硫化物、天然气水合物等的开采实验技术的开发工作。系统运行的可靠性是技术工程化的最基本要求,已确定的中试深海开采系统从海底到洋面,系由多个子系统串联构成其中任一环节发生故障都将导致整个系统工作异常或停机。开发故