概述

随着科技的不断发展，人类逐步认识到，占地球表面积约 71%的海洋中蕴藏着丰富的矿产资源，其范围之广、储量之大远超陆地矿产资源。海洋矿产资源种类繁多，这里的矿产不包含传统的油和气。在已发现的深海矿产资源中，对人类生产生活有重大应用价值的主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等。 目前，约有一半的海底矿产由专属经济区（EEZ）的所属国家控制。沿海国家可将距其海岸线 368km（200 海里）的范围划为专属经济区，在这些海域，沿海国有勘探开发自然资源的主权，超过各国管辖其它海域则由联合国国际海底管理局（ISA）管理，世界各国都可以通过国际海底管理局申请勘探开发海洋。国际海底区域内的资源是人类共同财产，遵循“谁有能力谁先开发”的原则[1]。截至 2016 年 4 月，国际海底管理局（ISA）已核准包括中国、法国、日本、俄罗斯、英国、德国、韩国、印度等国的国际海底矿区勘探申请总计27 份。其中，中国大洋矿产资源研究开发协会（简称“大洋协会”）分别于 2001 年、2011 年和 2014 年与 ISA 签订了太平洋 C-C 区多金属结核（7.5 万 km2）、西南印度洋热液硫化物（1 万 km2）、西太平洋富钴结壳（3000 km2）等三份矿区勘探合同。2015 年，中国五矿集团公司获得了太平洋 C-C 区多金属结核保留区（7.3 万 km2）矿区勘探权的核准。 国际海底管理局已经制定了多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物三种主要海底矿产资源的勘探规章制度，近年来开始制定深海矿产开采规章制度。这表明国际海底资源开发正处于从勘探向商业开采转变的关键时期。我国作为第五个国际海底区域“先驱投资者”以及 ISA 理事会 A 组成员，应当具备与身份相匹配的深海采矿能力。随着我国第一批申请多金属结核矿区勘探合同即将到期、2011 年申请的多金属硫化物矿区将于 2019 年放弃 50%的勘探区域面积，现阶段迫切需要发展适合开采多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物深海采矿装备。

深海采矿装备研发现状

深海采矿是一个比较广义的词汇，包括对来自海洋环境的矿产资源的勘查、鉴定描述和开采利用，当然，这里的矿产不包含传统的油和气。目前，国际上的主流深海采矿装备由三部分组成：水面支持系统、扬矿系统和集矿机，海底采矿业具有悠久的历史，但却常被当作新兴产业。

深海采矿总体技术方案

国际上大规模的深海固体矿产资源开采技术研究始于20 世纪 50 年代末，发达国家围绕多金属结核、富钴结壳和多属硫化物等不同矿物的采集作业特点，相继研发了拖斗式采矿系统、连续绳斗法采矿系统(CLB 采矿法) 、穿梭潜器采矿系统和集矿机结合管道提升的深海采矿等.

研究现状及其关键技术

深海固体矿产资源的采集方法和技术主要取决于矿产资源在海底的存在状态，由于多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳资源在海底存在状态不同，所以其采集技术也有不同。目前，各国先后研制了各种的水下采矿机器人，主要包括三种行走方式[6]：拖曳式、阿基米德螺旋自行式和履带式，其中履带式是现在发展的主流.

管道提升系统相关研究

利用不同深度上的潜水泵将集矿机采集的结核矿石与海水混合通过一扬矿管提升到海面采矿船。特点是提升矿浆体积浓度达 15%，容易控制，能耗(20k W/h·t)比气力(27k W/h·t)低，缺点是水下设备维修需回收影响作业时间长，采用多级泵时还存在运行控制问题。 管道提升系统的研究主要涉及到矿物从水下输送到水面的相关工艺技术。分别是：（1）深海底向海面输送技术，研究能从深海底向海面输送多种固体矿物的输送技术（包括适合不同水深和开采条件的机械提升、管道提升和机械管道联合提升技术）；（2）固体矿物制备装载技术，适用于深海矿物提升和设备定位、提升设备作业控制的测控技术；（3）固体物料在柔性管道中的输送技术，能适应深海工作、空间形态变化的柔性管道输送工艺和技术及相应的监测技术。

水面支撑系统相关研究

水面支持系统不仅可以作为水下提升系统的支持平台，而且是海底采矿装备的操纵控制中心和所有工作人员的居住场所，还具备对海底提升上来的矿浆进行脱水处理、矿石短暂存储以及将矿石卸至运输驳船等特殊功能。目前采用的水面支持系统主要包括船舶式水面支持系统和平台式水面支持系统。 船舶式水面支持系统要求有较大电力系统、较高动力定位精度、较长生存能力和一定自航能力的水面平台或特殊船舶。目前采用一艘满载排水量约为 90000t、动力定位在 DP2级的新型采矿船为水面支持平台；此外，对水下采矿设备的安全布放与回收、数百吨重的管道提升系统进行升沉补偿、运输船的动力定位系统的控制均是水面支持系统设计中需考虑的关键技术和装备。 在勘探甚至采矿阶段，由于受经费和时间的限制，有些国际采矿财团为能按计划试采太平洋锰结核而放弃研制新采矿船的想法，选用还在服役的货船、钻探船或甲板驳船进行改装。值得一提的是，在全球范围内，目前只有 Nautilus（鹦鹉螺）一家公司在建造新的采矿船。

我国深海采矿船的需求分析

深海采矿船作为采矿作业的生产支持和矿物存储母船，是整套采矿作业系统的中枢环节，不仅需要为采矿/集矿系统、扬矿系统及矿物存储转运系统提供动力保障，也为各采矿系统的正常作业提供推进器定位、实时监测与智能遥控等辅助支持，同时还需对采集到的矿物进行脱水处理，有效提供矿物存储空间并能适时将矿物转运至靠帮货船以便运输至陆地。因此，旧船改造受到旧船主尺度和功能的限制，仅仅适用于科研或者采矿系统中试，无法有效满足商业开采的需要。目前深海采矿船设计技术和相关专用技术完全被国外所垄断，我国基本处于空白状态，这使得我国无法进行大规模的海上矿物开采，极大地制约了我国深海采矿产业的发展。 此外，深海采矿船是深海矿物开采系统中最为重要的水面支持系统，造价约占整个深海采矿系统总投入的 40%，属于典型高附加值船舶。深海采矿船涉及学科多、设计难度大、技术集成度高，目前我国船舶行业正处于转型升级的关键期，开发具有自主知识产权的深海采矿船，开辟新船型市场，增强竞争能力，将为船舶行业的跨越式发展提供有力支撑。

结语

我国是世界上第一个在国际海底区域拥有三种资源矿区的国家，根据目前多金属结核合同区的执行情况，我国多金属结核合同区内推断的干结核资源量为 3.54 亿 t，我国富钴结壳矿区内预测的湿钴结壳资源量 2.6 亿 t，我国西南印度洋多金属硫化物矿区已发现矿点 7 处，初步估算潜在资源2 亿 t，具有较好的资源前景，这为我国深海矿产资源开发奠定了良好的条件和基础。 深海采矿装备发展已具备技术可行性。近年来海洋油气开采已获得巨大成功。目前，世界海洋油气的开采已接近3000m 水深。伴随海洋油气开采而发展起来的深海动力传输与通信技术、深海电动机和液压等基础装备与组件等可直接应用于深海采矿系统；深海油气工业中管道输送技术、深海调查和作业的各类海底作业机器人技术可借鉴和移植到深海采矿工业；“鹦鹉螺”矿业采矿系统的研制进程已经证明，全球顶尖专业厂家的参与以及“设计—采购—建造”的全程生产组织与管理模式已经极大地加快了其研发进度，也可以预测，该方式将为深海采矿系统的开发提供世界一流的技术支撑和质量保障。 2016 年 2 月，工信部和国家海洋局签订的《关于促进海洋经济发展的战略合作协议》，将深海矿产资源开发列为首位。深海采矿船作为采矿作业的生产支持和存储母船，与常规海洋工程船相比，采矿船对水下作业装备布放回收系统、矿物脱水系统、矿物存储与转运系统等关键设备的安装及总装联调提出了更高的要求。建立深海采矿船船型开发，研制关键设备，对于未来我国自主建造深海采矿船、实现勘探矿区的商业化开采具有重要意义。