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深海金属采矿装备与技术发展现状及分析
金属矿产资源是保障国家经济发展与建设的重要物质基础。在陆地稀有金属供应初显疲态的形势下，世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。开展深海采矿装备与技术的研发攻关，是实现深海矿产资源高效开采的关键。首先，系统论述深海采矿科学技术与装备发展历程，重点分析拖斗式、连续绳斗式、自动穿梭艇式、管道提升式技术特点，总结梳理国内外深海采矿车、深海扬矿装备、深海采矿船三类装备的发展现状；然后，以当前研究与发展动态为基础，围绕采矿、输运、支撑平台三个领域，梳理采集技术、牵引驱动技术、轨迹与规划技术、羽流演变评估技术四项采矿技术上取得的成效和进展，总结气力提升技术、水力提升技术、过流部件保障技术、力学行为分析技术四项输运技术的研究动态，探讨收放技术、升沉补偿技术两项支撑平台技术的研究方向及进展。
最后，鉴于经济、环境、装备与技术三个维度目前的发展形势，提出深海采矿技术科学目标由装备可控转变为绿色采矿、安全采矿，为应对未来深海采矿装备与技术发展面临的环境与安全挑战，分析提出有待于聚焦研究的关键科学与技术问题，以此凝练出绿色行进采集技术、超深安全扬矿技术、全局协同保障技术、数字环境评估技术四项亟待突破的关键技术，以期为我国深海采矿装备体系研究与建设提供参考。
随着陆地矿产资源长期开采利用而趋于枯竭，陆地金属矿产资源供给初显疲态，世界各国将矿产资源开发也从陆地扩展至海洋。更为特别的是，一方面，全球高端装备制造行业兴起，航天航空、新能源、医疗等领域需要大量的铜、镍、钴等金属，尤其是稀有金属等战略性资源需求量激增，国际能源机构（IEA）根据2050年净零排放（NZE）预测铜、镍、钴的需求增长量为40%，168%，372%；另一方面，在海洋海底蕴藏着丰富的战略性矿产资源，全球三大洋富钴结壳潜在资源量为2162亿吨，全球新火山脊上多金属硫化物资源储量6亿吨，太平洋沉积物中稀土资源量相当于陆地储量的800~1000倍，东太平洋CC区多金属结核储量高达210亿吨，而这些矿产资源大多都赋存在水深1000米以上的深海海域。这样，世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海，以期开发利用深海矿产资源来解决日益紧迫的高端装备制造材料需求问题。
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深海采矿车负责采集海底矿产资源，并输送至中继仓。多金属结核主要分布在被沉积物覆盖的深海盆地，深海稀土与多金属结核产出环境相近；富钴结壳主要分布在海山、岛屿斜坡和海底高地；多金属硫化物分布在洋中脊和弧后盆地的热液喷口区；各类矿产资源赋存环境有显著差异。因此，深海采矿车良好的行走性能成为保证商业开采的先决条件。从20世纪70年代开始，陆续研发出拖曳式、自行式等深海采矿车。其中，拖曳式难以控制，依照预定路线采矿难，避障难，该行走方式被逐渐放弃。自行式分为阿基米德螺旋式、螺旋桨推进式和履带式。国外多项海试证明拖曳式、阿基米德螺旋式、螺旋推进式采矿机难以适应稀软底质环境。其中，阿基米德螺旋式存在沉陷量大、牵引力小、转弯困难、易打滑等问题。螺旋推进式牵引力小，容易导致结核被扬起沉积物埋没。因此，近30年，针对不同的矿产资源，各个国家的组织机构主要进行了履带式采矿车研发，如图2所示，近5年，多家组织机构进行研发和海试，研究速度明显加快。
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图2 国内外研制的履带式系列采矿车
2.3 深海扬矿装备
图3 深海提升泵
2.4 深海采矿船
深海采矿船是整个采矿系统的综合保障平台和控制中枢，需要处理由海底提升而来的矿物。此外，还要负责水下装备的布放回收，也要保障深海作业的稳定性。因此，船上搭载着A型架及吊放设施、收放系统（月池区域）、扬矿管道储架、升沉补偿等采矿子系统辅助深海采矿作业，详细结构如图4所示。
图4 深海采矿船
3.1 采矿领域关键技术研究
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图9 沉积物羽流测量
3.2 输运领域关键技术研究
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图11 10~40mm矿物颗粒回流
图12 中继仓和浮力块位移轨迹
3.3 支撑平台领域关键技术研究
图13 升沉补偿负载位移对比效果
4.2 面临的挑战
多金属结核开采要求：采集率不小于85%；含泥率小于15%。采集率与含泥率的要求，都说明了开发低扰动采集的必要性。
万步炎，1964年1月生，博士，二级教授，博士研究生导师，现任湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室主任。获“国家卓越工程师”“时代楷模”“全国杰出专业技术人才”“全国最美教师”、国家百千万人才工程人选及“有突出贡献中青年专家”湖南省“121人才工程”第一层次人选、十二五国家863计划海洋技术领域主题专家组专家、国家海洋技术领域国际合作项目评审专家、“蛟龙”号7000米载人潜水器技术咨询专家。主要学术兴趣为海洋资源勘探装备与技术、海洋采矿技术与装备等。主持完成国家“863”计划、国家重点研发计划、国家长远发展项目及省部级科研项目 40 余项，以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、中国侨界贡献一等奖1项、湖南光召科技奖1项、省部级技术发明及科技进步一等奖3项。获授权专利160余项，发表学术论文50余篇。
金永平，1984年9月生，博士，教授，博士生导师，现任湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室副主任。是科技部第六次国家技术预测咨询专家、“全国高校黄大年式教师团队”核心骨干、我国中长期深海矿产资源开发领域发展战略报告编写组成员、中国研究生能源装备创新设计大赛优秀指导教师，入选湖南省中青年优秀科技人才培养计划、湖南省青年骨干教师、湘潭市高端人才、湘潭市莲城青年英才。近年来，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省科技重大专项课题等项目/课题15项。获国家技术发明二等奖、第二届全国博士后创新创业大赛银奖、湖南省技术发明一等奖、湖南省科技进步一等奖、湖南省高等教育教学成果三等奖、湘潭市青年科技奖各1项。获授权专利100余项，发表学术论文50余篇。
来源：
金永平,董向阳,万步炎,等.深海金属采矿装备与技术发展现状及分析[J/OL].煤炭学报,1-20[2024-08-09].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0220.
