童 波 刘学勤 任 铁

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，目前关注最多的是多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳，这些矿产资源主要集中于太平洋、大西洋和印度洋的国际海底区域，以及沿海国家专属经济区内的海底。深海矿产资源量巨大，拥有许多陆地稀有的重要战略性资源和贵金属资源，且品位普遍高于陆地。多金属结核多赋存于水深4000 ～ 6000 m的深海平原，全球资源总量约3万亿t［1］，其中太平洋底克拉里恩-克里帕顿断裂带（简称“CC区”）的多金属结核数量最多且品位最富。多金属硫化物多存在于水深800 ～ 3000 m的大洋中脊，富钴结壳多存在于水深800 ～ 4000 m的海山、海脊和海台。作为首批海洋矿产资源勘探先驱投资者，我国先后与海管局签订了5个矿区（图1中标示的A、B、C、D和E这5处区域）的勘探合同，成为世界上首个在国际海底区域拥有3种资源矿区的国家。

图1 我国深海矿产五大区块分布

20世纪70年代世界深海矿产开发开创期，美国、英国、德国、加拿大、日本和法国等国家，以多金属结核为研究对象，开展了大量海上原位开采试验，相继完成了5000米级的多金属结核采矿系统技术原型的整体联动试验，验证了深海采矿技术的可行性，打通了采矿系统流程。自21世纪初以来，深海矿产资源的开发工作进入以商业开采为目标以及维护国家海洋权益和经济利益并重的激烈竞争期，欧盟及各参与国已展开新一轮较量：欧盟计划开展国际海底矿区4500 m水深的多金属结核采矿和环境试验；日本已成为唯一开展3种矿物开采试验的国家；加拿大已基本具备硫化物商业开采能力。我国自20世纪90年代便进行多金属结核采矿技术研发，目前也已掌握了海底采矿原理，并进行了陆上试验和仿真研究，完成了部分采矿系统135 m水深湖试。我国在“十二五”期间已开展了“多金属结核集矿系统500 m海上试验”，“十三五”期间也安排了“深海多金属结核采矿试验工程”等项目，这些均为未来研制更高性能的采矿系统奠定了基础［2］。

本文结合深海矿产开发技术发展趋势，分析了目前采矿模式的关键技术与挑战，提出水面分布式和水下分布式矿产开发新模式以及总体方案构想。

1 深海矿产开发现有模式

深海采矿需要解决的一个重要问题是如何高效地采集海底矿石并提升至海面。为此，美国、英国、法国和日本等国自20世纪70代开始，便围绕多金属结核开展形式多样的采矿系统开发和可行性验证，先后研制出拖斗式采矿系统、连续绳斗法采矿系统、穿梭艇式采矿系统和集矿机结合管道提升的采矿系统（水力和气力提升）等［1］。历经多年，如今采矿方法已从拖斗、拖曳式水力/机械集矿机和阿基米德螺旋驱动自行式集矿机，不断升级到自行履带式集矿机等，而水面采矿船集成矿浆水力提升管和自行式集矿机（如图2所示），是目前公认的最具商业开采优势的深海采矿模式［3］。

图2 管道提升采矿系统图

目前我国筹备的“深海多金属结核采矿试验工程”项目也是履带式集矿机与管道水力提升相结合的采矿系统，该项目拟于2021年下半年开展1700 m海上整体联动试验。此外，日本于2017年成功完成的海底多金属硫化物采掘与矿石提升试验，以及加拿大鹦鹉螺矿业公司积极推进的富含铜金的深海多金属硫化物采矿项目，都采用了管道水力提升式采矿系统［4］。

该模式的水面采矿船是整个水下采矿设备布放、作业支持，以及矿物水面处理、储存、外输的浮动工作平台。由于深海采矿至今还没有进入规模化的商业开采阶段，无论是系统试验还是海上试开采，大多是基于技术原理和设计验证的短期行为。因此出于经济性考虑，现阶段的采矿船基本上是根据海试验证要求对旧船进行改造所得，专业化、集成化、模块化和智能化等的程度都较低，未达到商业采矿实际工程化作业要求［5］。由于当前全球首艘用于商业开采的深海采矿船“鹦鹉螺新纪元”仍未交付，故缺少实际工程检验和行业规范的指导。

2 现有模式面临的关键技术问题

未来用于商业开采的深海采矿船（如图3所示）是整个深海采矿系统中功能复杂、投资最大的关键系统，是海上作业的基础。其不仅是水下采集输送系统的浮动支持平台，也是整个采矿系统的综合保障平台和操作中控枢纽，还是矿物处理、存储、外输系统，以及工作人员的居住场所。深海采矿船携带采矿机、集矿机、提升系统（矿物输送系统）及其收放装置，对从海底采集并提升至水面的矿物进行处理、存储与转运外输。

图3 采、输、储一体化深海采矿船

深海采矿船集航行、作业和居住和保障等功能于一体，系统复杂且集成度高。下文将对该作业模式存在的主要技术问题和挑战作简要阐述。

2.1 现有深海矿产开发模式可靠性问题

开发深海矿产资源与开发蕴藏于海底泥面以下数千米的高温高压油气资源不同。油气资源开采适合“水面平台+立管系统+水下生产系统”这种串联的定点作业式生产模式，而深海矿产开发模式则采用“多功能水面平台+矿浆水力提升管道+自行式集矿机串联”的作业模式。

以多金属结核为例，其分布于最深达6000 m的数万平方公里海底平原。当采用深海矿产开发模式时，6000 m深水成为了水面、水下的天然阻隔，并且由于附连着数根脐带缆，当持续在数万平方公里的海底平原长期联动采矿时，极易造成水面与水下系统的相互干扰，以及指挥控制延迟和联动采矿效率低等问题。

2.2 全天候作业问题

深海采矿平台通常在公海作业，具有离岸距离远、补给困难、可能遭遇恶劣环境等问题。所以，如何提高海域生存能力、扩大作业窗口期、保障自持力并具备良好总体性能，是首要考虑技术挑战因素。深海采矿平台作业水深达6000 m，仅能采用动力定位，而且需要足够的仓储空间，平台基本采用大尺度的船形设计，即便应用大功率推进系统也难以抵御台风等恶劣海况，难以实现全天候作业，而且在台风来临前后的水下管道及采矿机的解脱、回收布放也严重影响作业效率。

2.3 能耗与新能源应用问题

大型水下设备作业以及船舶系统运行需要水面平台提供强大的动力，能源消耗十分高。目前通过矿浆水力提升至水面平台的结核含量仅约10%，脱水后通过水面运输船送至陆上处理。海底矿物采集、水中长距离矿浆输送和脱水，以及水面平台动力定位等都能耗很大，而且深海采矿平台通常在公海作业，离岸距离远，故补给运输成本很高。因此，采用新能源技术保障能源供给，同时降低深海矿产开发水面与水下系统以及维护保障系统的能耗，已成为商业化运营的主要挑战。

2.4 产量与经济性问题

根据国内外相关机构预测，满足深海多金属结核开采经济性要求的年产量为干结核300万t，以目前的水面、水下联动生产模式，预计我国2035年的技术能力为单系统的干结核年产量110万t。该产量不仅距离经济性指标相差甚远，而且多套系统作业成本又高。因此若要满足矿产开发高产量要求，不仅给现有装备提出了较高的技术挑战，同时也需要创新性的技术来解决水面、水下系统的经济性问题。

2.5 连接与解脱问题

深海采矿平台在海上长周期作业过程中，难免会遇到极端恶劣天气，甚至会出现因来不及回收水下全部采矿系统而危及水面船舶和人员设备安全的状况。此时，如何开展应急避台以及如何实现紧急情况下的水下采矿系统与水面平台的快速连接与解脱，是关系整个系统安全的实际工程问题。

3 水面分布式矿产开发模式

随着深海矿产商业化开发的临近，矿产开采产量和经济性是技术装备模式的基本考量因素。现有水面采矿船集成矿浆水力提升管和自行式集矿机的一体化模式，无法有效扩展采矿和输送系统规模，单套系统也就无法满足年产干结核300万t的指标。因此，为了提高矿产开采产量和矿产价值，扩大作业窗口期，提出了水面分布式矿产开发模式。该模式将采矿船的一体化功能拆分，将海底采集、垂直提升作业系统集中于半潜式平台，将矿物脱水处理和储存集中于大型矿物处理运输船，进而提高采集效率，增加矿舱容量，提高矿物转运周期，降低运输成本。

水面分布式矿产开发系统面向深海6000 m水深，海底已探明资源和地形地貌的多金属结核矿区。水面由4座半潜式采矿平台、1艘大型矿物处理运输船和浸没式输送管线组成（如图4所示），平台总采集输送结核能力600 t/h，一次运输和整体转运周期为10天，海底开采面积10 km2。

图4 水面分布式采矿模式

半潜式采矿平台满足单台产量150 t/h的采矿机布置、布放、维修和转运；满足6000 m水深硬管和软管的堆放及转运流程；满足塔架、中继站布置及转运流程（如图5所示）。关键指标如下：作业水深500 ～ 6000 m，甲板可变载荷5000 t，采用DP-2动力定位系统，可在5级浪、7级风下进行采矿作业，可在7级浪、12级风下生存。

图5 半潜式采矿平台

水面分布式矿产开发系统的4座半潜式平台区域中央设置大型矿物处理运输船，半潜平台和运输船间通过浸没式管线连接，半潜式平台提升的矿浆经离心泵和浸没式管线水面输送至大型矿物处理运输船进行矿物脱水处理，该船矿物载重量10万t，具备矿浆脱水、处理、储存和自航运输功能。

4 水下分布式矿产开发模式

针对多金属结核开发模式中难以解决的水面水下系统串联联动可靠性，以及恶劣海况作业、能耗与经济性、应急解脱等技术难题，提出了涵盖分布式采矿机和中继站的水下采矿系统、海底长距离的6000 m垂直输送系统，以及以核能供应和维修保障为主的海底综合作业平台，并融合水下环境监测网、水下导航定位系统、水下电网、水下数联智控网和海空岸通信网，构建深远海水下分布式矿产开发系统，形成全天候、高产量、低能耗、无人化、无大型水面平台且可移动转场的商业化开发概念模式。

4.1 方案阐述

矿产开发系统面向深海6000 m水深、海底100 km2（10 km×10 km）已探明资源和地形地貌的多金属结核矿区，该矿区由16个2.5 km×2.5 km的分布式区块组成。

在100 km2的矿区中心设置了具备核能供应、电力分配、中央控制、矿物缓存和维修保障等功能的海底综合作业平台（简称“平台”），外围配置矿物储存堆场，平台连接6000 m垂直输送系统，输送系统顶部连接水面多功能浮筒。该中央系统的四周为4个2.5 km×2.5 km的区块，每个区块中心设有泵送和缓存矿物功能的中继站。中继站不仅通过悬浮式立管和脐带缆连接采矿机，也通过水平输送管道连接矿物储存堆场。

此外，该矿产开发系统还配置了水下有缆遥控潜器（Remote Operated Vehicle，ROV），以实现全系统维修保障；配置了深海潜标、浮标、滑翔机、自主水下航行潜器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等，以构建完善的水下环境监测网；配置了采矿机通导装置、水下无线声光通信装置、水下基站等，以构建水下导航定位系统；配置了深海智能监测设备、立体态势生成显控中心、云边协同综合计算、深海物理场数据融合管理、协同规划控制等，以构建数联智控网。深远海水下分布式矿产开发系统场景图和平面区块分布图见图6和图7。

图6 深远海水下分布式矿产开发系统场景图

图7 深远海水下分布式矿产开发系统平面区块分布图

4.2 作业流程

采矿机进行2.5 km×2.5 km区块的多金属结核采集作业，矿物经悬浮式立管泵送至中继站后由接力泵经浮管送至矿物储存堆场。穿梭矿砂运输船定期航行至预定海域连接水面浮筒的矿物输送接口，由集矿机、平台和垂直输送系统中的提升泵，将矿物储存堆场的矿物通过水力提升至矿砂运输船。4个2.5 km×2.5 km区块完成采集后，由自带行走装置的中继站、采矿机以及悬浮式立管组成的采集系统通过平台中的软管和脐带缆绞车转场移位至临近的2.5 km×2.5 km区块。

4套采集系统转场至临近3个区块后继续采集作业，10 km×10 km的多金属结核矿区采集系统共需3次转场，全部采集完成后实施全系统转场。水面浮筒配置全回转推进器辅助垂直输送系统定位；平台配置推进系统和压排载系统实现起浮和移位转场；采矿机、中继站和平台间通过脐带缆实现动力以及控制和通信；平台、垂直输送系统和浮筒间也通过脐带缆实现动力以及控制和通信； 水面浮筒配置通信设备通过卫星实现岸基远程通信。

4.3 关键系统配置

4.3.1 海底综合作业平台

无人化海底综合作业平台具备核能供应、电力分配、矿物缓存和维修保障等功能。深海水下分布式矿产开发系统所有设备工作所需的电能均由海底综合作业平台提供，通过分布式配电系统，实现对各设备的电能分配。分布式配电系统以核电站为核心主电站，纵向延伸至立管顶端的动力浮筒，为浮筒所搭载的设备供电；同时，横向展开覆盖各水下分电站，向采矿机、中继站、集矿机和垂直输送系统等海底设备供电；另外在海底设置了维修保障系统，ROV可对采集矿机以及输送泵组等进行维护和部件更换。维保系统集成在海底综合作业平台内，可由其提供动力，并一起完成转场。

4.3.2 采集矿机

基于水力采集、螺旋桨推进、零浮力和雪橇的浮游式采矿机可有效解决打滑与沉陷等问题，且具有对海底扰动小等优点。本系统采用4台浮游式采矿机进行结核采集，并将结核输送至堆场。堆场处则采用绞吸式集矿机，将矿物经海底综合作业平台输送至垂直立管。

4.3.3 输送系统

水力管道提升被认为是当前最具有商业化前景的深海矿物提升方案。该方案利用矿浆泵等将海底集矿机采集的矿物与海水混合通过立管提升到海面；垂直输送立管系统用于连接海底平台和水面浮筒，并将矿浆输送泵串接在垂直输送立管上。

4.3.4 中继站

中继站为采矿机与海底堆场的中间平台，与采矿机通过浮管相连，以更好地适应采矿机的自由运动。中继站与海底堆场间采用浮管敷设，以免影响采集矿机作业。中继站设有行走装置，自主完成转场；设有矿浆泵，可将采集矿机收集矿物输送至堆场；中继站同时也为深海定位潜标提供安装平台。

4.3.5 水面浮筒

在水面设置具有动力定位功能的浮筒，配置推进器，底部结构与垂直矿物输送系统相连，浮筒辅助输送系统的水平定位。浮筒甲板面配置了转运矿物至运输船的接口管系，并配置了通信设备以实现远程岸基控制。

4.3.6 岸、海、空通信网

为实现矿产开发平台与岸基的必要通信，满足大量水下设备之间的无人通信互联，设计了1套矿产开发平台专用的深海通信网。深海矿产开发系统与岸基中心的信息交互通过布放在立管顶端的水面浮筒实现，水面浮筒下端通过光缆连接水下中继光端机，获取水下设备传输上来的各种信息，通过自身搭载的卫星通信系统，实现“海-岸”信息交互。水下中继光端机依附于立管安装，中继光端机之间通过光纤连接，可建立千兆级通信传输网络，形成沟通海底与水面的“深海信息走廊”。此外，在海底的信息来源端布设深海声光通信潜标，从而实现整个深海工作面通信网络的平面展开。深海通信潜标固定安装在水下中继站顶部，与立管下端的中继光端机通过光纤连接，向4个方向呈辐射状分布，形成覆盖海底工作面的局域网。每个通信潜标搭载声光通信模块，通过声光通信手段与海底各设备建立可靠连接，并将采集到的信息转换成光信号进行传输。

5 结 语

深海矿产开发是海洋新兴产业的重要战略方向，也是未来高新技术的制高点。深海矿产开发不仅涉及多个技术领域，技术体系复杂，还具有高技术集中且密度高等特点。

本文探讨了目前水面采矿船采、输、储一体化模式的技术难点及挑战，提出水面分布式和水下分布式矿产开发模式，阐述此创新模式的概念。鉴于深海矿产开发的难度与技术复杂性，建议我国尽快启动采输储一体化模式下的深海采矿平台和系统装备研究以及工程化开采试验验证，形成深海矿产资源开发能力，并推动水面分布式和水下分布式矿产开发等颠覆性技术研究顶层规划。