深海开采装备技术的研究现状与展望

深海开采装备技术的研究现状与展望

1中国的海洋战略随着矿产资源的增加（据有关部门估计，中国大部分矿产资源在50年内将枯萎），国际海底矿产资源的开发是大势所趋。国际海底及深海作为人类尚未开发的宝地和正在形成的高新技术领域之一,已经成为各国的重要战略目标和竞争焦点。占世界海洋面积65%的国际海底蕴藏着丰富的矿产资源,其中多金属结核、富钴结壳等深海矿产可望在21世纪20年代后期进入商业性开采阶段,以替代日益枯竭的陆地资源,成为人类可持续发展的重要物资基础。中国人均陆地面积只有0.008km2,远低于世界人均0.3km2的水平,矿产资源人均占有量还不到世界水平的一半,但中国90%的能源消耗和工业材料都依赖于矿产资源。据统计,占中国矿产消耗量90%的45种主要矿产,进入21世纪后将有半数不能满足经济发展的需要,资源紧缺将制约中国经济的持续快速发展,所以走向大洋,向深海开辟新资源是中国一项重大的海洋发展战略。从1976年开始,中国便组织海洋调查船在太平洋赤道附近的国际海底区域进行深海资源的调研,并分别于1978年和1979年在4214～5443m深处采集了多金属结核。20世纪80年代中国投资几千万美元在该海域进行了综合性的资源调查和初步评估,1990年“中国大洋矿产资源研究开发协会”成立,负责组织、协调全国在国际海底区域的研究开发活动,并向联合国海底筹委会申请矿区登记,1991年3月5日获得批准,成为继法、日、俄、印之后的第五位“先驱投资者”,并将位于北太平洋上夏威夷岛东南方向,西经138°～157°、北纬7°～14°海域的克拉里昂一克林帕顿断裂带的15万km2的采矿区分配给中国作为开辟区。根据《联合国海洋法公约》规定,中国分别于1996年和1999年,将分配区域中的50%面积交还联合国,作为人类的共同继承财产,其余7.5万km2海域中的矿物资源让渡给中国,由中国进行专属性开采,使中国在太平洋上获得了一块“中国地”,向跨世纪的海洋大国迈出了坚实的一步。据调查,中国采矿区平均水深5000m左右,水域环境复杂,气象海况多变,实现深海多金属结核开采难度极大,需经过深海勘探、优选矿址、高压采集、高位提升、远程运输、精析矿物、加工冶炼等一系列开发程序,是集造船、运输、导航、电子、遥测、自控、水声、水力、光学、物化和环保等各领域高新技术的综合运用。1990年国务院决定将“大洋多金属结核资源勘探开发”作为国家长远发展项目给予专项投资资助,1994年我国从俄罗斯购买了现代化的“大洋一号”远洋科学考察船,装备了从美国引进的具有20世纪90年代新技术的多波束测深系统和装有测扫声呐、浅地层剖面仪、测深测高声呐、深海摄像机等设备的6km深海拖曳观测系统,又同俄罗斯合作研制了6km自治水下机器人并在1995年深海试验中获得成功,使我国能够对海沟以外的占世界海洋面积97%的大洋海底进行精确、高效、全覆盖的观察、测量、储存和进行数据实时传输,并能精确绘制深海矿区的两维、三维海底地形地貌图,还完成了以资源库、环境库和文件库组成的“大洋矿产资源研究开发数据库”,以便及时掌握和交流世界大洋地质、资源和环境资料,以上这些工作推动了中国海洋科技的发展,缩短了与海洋先进国家间的差距,为中国成为“先驱投资者”和在21世纪进一步开拓大洋资源提供了强有力的技术基础。2开发平台的组成按照海底资源开发工作的先后顺序,可将深海资源开发技术归纳为资源勘查、资源开采和深海运载技术,其中深海运载工具及其技术是资源勘探和开采技术所共用的技术平台,它主要涉及系统通信、导航和定位、控制、能源和材料等各种通用深海基础技术。深海运载技术、资源勘查技术和资源开发技术构成了国际海底区域资源开发的总体技术体系。由于国际海底区域资源的多样性,以及它们的赋存状态和产出形式的不同,因此采用的勘查、开采和加工利用技术必须适应它们各自不同的特点,需要有专业的作业工具、勘查设备和开采装备。以下主要介绍资源开采技术的研究现状。2.1自行式集矿机加管道输送采矿系统的实践深海资源开采技术的实现主要是依赖开采装备的研究和制造,由于所处的海洋环境十分复杂和一些不为人所知的情况,因此安全而可靠的开采装备的研究就显得十分必要。此外,开采装备所涉及的工程领域十分广泛,包括采矿工程、机械电子、系统控制、材料科学、空间导航和定位以及通信工程等高新技术。国际上在20世纪60年代开始兴起进行开采装备的研究和制造,考虑到海底矿物种类不同,其在海底的赋存形态各异,开采这些矿物的工艺和所选用的采矿装备也有很大不同,从几十年深海采矿技术发展的设计思路和实用角度来看,目前主要分为连续绳斗法、穿梭潜水器采矿法和集矿机加管道提升法,德国、美国、印度、韩国和日本等国家先后对上述三类方法进行过理论研究和原理性的试验研究,同时采用集矿机加管道输送采矿方法进行的几次海上试验获得成功,因此人们普遍认为自行式集矿机加管道提升采矿系统将成为21世纪最有前途的第一代商业开采系统(见图1)。由于深海矿产资源的开发是一项庞大复杂的系统工程,虽历经多年的理论研究和海上试验,其开采技术和开采方式还未成熟,未达到可靠的商业性开采阶段,但随着联合国海洋法会议的召开,激励各国建立一项开采这种海洋资源的长期发展战略,因此大大加快了商业开采过程。目前从技术角度看,集矿技术的发展经历了机械式、水力式及复合式集矿技术阶段,集矿机的行走机构从拖曳式走向自行式;就输送技术而言,也经历了将集矿和输送合二为一的连续绳斗法和与集矿机相对独立的管道提升的发展过程;作为采矿系统的支持和控制中心,在70年代末进行的几次试验中都是使用船舶作为水面支持系统,虽然从稳定性出发也提出了半潜式平台作为深海采矿的水面支持系统,但是目前的半潜式平台只能在1000m水深的海区作业,离商业开采还有很大距离。综合上述工作可以认为,20世纪70年代的试验开采限于当时的技术和工业水平,仅仅证明了深海采矿是可行的,其后进行的工作除专有技术继续研究之外,主要是将电子技术和材料等新科技成果应用于深海采矿中。进入90年代,西方发达国家储备了足够的技术,以等待国际政治、经济环境条件成熟,适当吸收技术发展的最新成果后便可马上投入商业开采。深海采矿研究工作转入与此有关的环境研究,多金属结核开采技术研究开发的热点转移到亚洲。韩国自20世纪80年代以来,加快了海底勘探活动的进程,于1994～2003年进行了采矿技术初期方案的研究,从发表的文献来看,韩国目前处于原理研究阶段。日本在进行了早期的连续绳斗法试验后,将研制工作转移到集矿机、管道提升和水面系统方向,并完成了2000m水深的海上试验,可以说日本目前处于深海结核开采技术的世界领先水平(见图2)。印度基于20世纪70年代的研究成果,仍然采用水面船只、管道输送、集矿机集矿这样一套系统,分3个阶段进行试验,并于2000年完成了第一阶段的试验。此外,要达到真正的深海商业开采,各国家必须完成开采装备的计算机仿真分析、实验模拟分析、浅海试采和深海试采等四个阶段,目前为止前两个阶段基本完成,而后两个阶段由于采取的研究方法不同,各个国家正在进行中。2.2结构参数的准备工作我国的深海资源开发技术研究虽然起步较晚,但是历经“八五”、“九五”的研究,已在采矿车研制、扬矿系统研究、水面系统研究、测控系统研究等方面取得重大进展。目前正在准备进行“十五”期间采矿系统浅海试验的技术准备工作。另外和国外的研究成果相比,我国开采技术在技术研究和试验的深度和广度上还有差距,可以说我国目前仅仅完成单体设备的室内试验和打通了部分关键设备的工艺流程,经过试验对系统的特性有了初步的了解,距离系统掌握总体系统的特性还相差很远。根据我国“八五”期间深海采矿技术基础研究成果和“九五”前期对系统的运动学和动力学特性进行的理论研究和室内试验,对国际上连续索斗法、穿梭潜水采矿车法和流体管道提升法三种主要采矿系统,及其各种变型方案的技术经济分析和研究相关技术的最新发展,确定我国大洋多金属结核采矿系统为自行式集矿机加水力管道提升采矿系统。3集矿系统的主要作用采矿系统的基本任务是在海底采集结核矿石,将其提升到海面并运输到口岸。在“八五”和“九五”工作的基础上,根据深海采矿系统的总体构想和海洋环境,我国科学家确定的深海开采技术系统包括集矿子系统、扬矿子系统、测控子系统和水面支持子系统等四大部分(见图3)。(1)集矿子系统主要功能是为集矿机构和破碎机构提供工作平台的海底作业车按预定轨迹运行,完成海底采集结核矿石,并进行脱泥、破碎、输送作业。(2)扬矿子系统主要功能是将采集的结核矿石经管道提升到海面船上。由垂直提升硬管段、中间仓和软管段三部分组成。为了保证自行式集矿机的机动性,避免扬矿管对其产生动力影响,扬矿管通过一段软管与集矿机相连。中间仓设置在垂直管与软管之间,当结核丰度化引起采集结核量改变时,保持向扬矿管供矿稳定,提高扬矿效率。(3)测控部分测控与动力配置是集成所有子系统信息,并提供安全可靠的动力及符合要求的控制、通信、监测和导航定位等功能的深海采矿综合控制管理系统,它确保了开采作业安全、可靠、高效、连续、经济地运行。(4)水面支持子系统(采矿船)它是采矿作业中心,为水下设备提供存放、布放、回收、作业支撑和维修,并贮存结核矿石。水面支持子系统配置有全球导航定位系统和动力定位系统,具有良好的操纵与回转性能;配置采矿系统水下设备所必须的布放、回收、悬吊系统;配置发电机组和相应的变送电设备,满足水下动力供给要求;船舶中部设置月池,具有存放水下设备的空间和操作空间以及维修间;配置水文测量系统,包括海浪、水流、水深、风及航速、航迹等测量系统;设置结核脱水及尾矿初步处理与排放系统;配置水下系统必须的操作控制系统及测量系统,操作定位及通信系统;试验完成后船应较容易恢复原来的功能。4计算机模拟研究虚拟样机技术是现代工程分析和设计中一个新的方法,已在国内外空间技术、国防技术、海洋技术和先进制造技术研究方面取得过大量成功应用实例,与传统的研制物理样机进行试验相比,利用虚拟样机和虚拟现实技术对系统进行分析和评估更加具有优越性并适合我国国情。采用虚拟技术进行装备系统设计和虚拟现实仿真,对系统的作业性能、稳定性和安全性进行分析和评估,并对可能出现的故障及应对措施和处理效果进行分析和模拟,同时利用虚拟样机技术在缩短研发周期、降低开发风险、提高设计质量和降低设计成本等方面将起到十分重要的作用。为了以最小的代价获得最大的收获,各国的研究开发单位在深海资源开发系统中亦十分注意虚拟技术的应用。日本在实际开采试验之前进行了大量计算机模拟试验,对各种气候条件下扬矿管道的布放和回收行为、集矿机与管道船的集成控制等进行了精确的分析和校验。韩国在其“深海采矿技术开发和深海环境保护”计划中将采矿系统计算机模拟作为主要研究内容之一,已完成了采矿系统整体动态模拟程序的开发,可进行采矿船、软管、硬管、集矿车等的动态模拟以及采矿船的动力定位和路线跟踪模拟。美国、德国等国家在深海采矿系统的计算机模拟研究方面亦做了大量工作。我国在深海多金属结核开采系统的研制开发中亦开展了计算机仿真研究。在前期的开采装备设计和研究工作中,我国科学家对开采系统的机电装备设计、开采区气候条件和海况、以及不同作业工况下系统的动力学和运动学特性进行了计算机仿真分析,得到了很多数据。如长沙矿山研究院对扬矿输送软管及对集矿机的作用力进行了计算机仿真分析,得到了集矿机的海底安全行驶区域等结论;702所、北京科技大学对深海采矿系统的运动学和动力学问题进行了计算机模拟,分析了典型气候条件和工况下系统的性能及系统内各部分的相互影响、扬矿管在海水中的运动特性等,这些数据为以后的研究工作提供了许多有价值的技术参考。然而由于我国深海资源开发工作起步较晚,在利用虚拟样机技术对复杂的深海采矿系统进行分析研究方面还有许多工作尚待开展和深入,如虚拟物理子系统VPS(VirtualPhysicalSystem)的作业过程可视化仿真、虚拟控制子系统VCS(VirtualControlSystem)的同步性能及控制策略可视化分析、虚拟信息子系统VIS(VirtualInformationSystem)与VPS和VCS的信息交换与协同作业可视化联合仿真、作业区域大气和海洋虚拟环境可视化建模及仿真等。将虚拟现实技术应用于深海采矿工程在国际上还处于前沿研究阶段,在这方面我国的研究与世界上其他领先国家处于同一起跑线上,某些方面甚至更胜一筹,所涉及的关键技术主要集中在以下几个方面。4.1海底环境的可视化模拟海洋虚拟环境的建立是虚拟样机仿真技术的核心内容之一,其基本思想是根据海洋勘察及相关资料,建立海底矿床地貌、水文条件、资源分布状态等深海底矿产资源开采环境的可视化模型;建立开采区域大气环境和海洋海况变化的可视化模型;通过虚拟环境建模及环境动态可视化仿真,获取海底矿床实际环境的三维可视化动态数据,并根据实际需要利用获取的三维数据建立不同情况下的深海资源虚拟开采环境的动态模型;分析海底复杂条件改变(地形地貌、高压低温、暗流暗礁等)、大气环境和海况变化对采矿系统作业的影响。虚拟海洋环境的建立可以为深海采矿系统的研制开发、资源开采技术以及预测评估体系的构建提供必要理论依据。4.2完善开采新技术根据深海勘测资料和海洋矿产资源的特点,在已经完成实验室试验和现有虚拟样机试验参数及陆地资源开采装备技术较成熟的基础上,利用虚拟样机技术对虚拟产品进行评价并优化设计方案,完善目前尚未成熟的开采原理,降低开采风险;运用计算机支持协同并行产品设计