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1、 D 第五章海底矿产资源开发技术 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13,2020 第五章 海底矿产资源开发技术 海洋不仅覆盖地球面积的 71%，而且淹没着及其丰富的海底矿产资源。其种类之多、储量之大、品味之高，是陆地同类矿产无法比拟的。在地球上已发现的百余种元素中，有 80余种在海洋中存在，其中可提取的有 60余种。可以说，海水是巨大的“液体矿床”。此外，已经探明，海底还富集着大量固体矿床，包括多金属结核、铁锰结壳、热液，估计贮量约有 3万 m3。目前已经开采的石油，有 30%来自海洋。1
2、海洋石油的产值在海洋经济总产值中名列首位，而海滨与浅海矿砂是目前投入开发的第二大矿种。海洋矿砂品种繁多，已开采的有锡石、锆英石、钛铁矿、磁铁矿、金江石、金、独居石、磷、红柱石等。海底矿产资源中，更大量的是潜在资源，如大洋锰结核、海底热液矿、富钴结壳等。海底矿产资源概述 海洋矿产资源主要是指海底油气、多金属结核、海底热液和海滨、浅海中的砂矿资源。5.1.1 海底矿产的分类（1）按性质可分为金属矿产、非金属矿产和燃料矿产。（2）按矿产的结构形态可分为沉积物矿（非固结矿）和基岩矿（固结矿）。沉积矿包括海滩矿砂、大陆架沉积矿和深海沉积物矿；基岩矿主要是指海底松软沉积物以下硬岩中的矿藏，包括非固态的石油
3、、天然气和固态的硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡和重晶石等。2（3）按照可持续发展的战略思想及人们的认识和勘探开发程度海洋矿产资源可划分为已开发利用的矿产资源、尚待开发利用的矿产资源、具有潜在开发价值的矿产资源。3 5.1.2 海洋矿产开采的特点 由于海洋是一个独立的自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同的特点。（1）由于深海的极端环境。深海矿产资源都赋存于水深千米的深海底，多金属结核赋予水深 50006000m的海底表面、富钴结壳生长在水深 20004000水深的海山上，热液硫化物多赋存与 20002500m水深的海床。极端环境的表现如下：海水腐蚀；海底无自然光；海洋环
4、境的风、浪、六等构成复杂流场；深海大部分地方处于 1的低温，而热液口的温度高达近 400。这样一个复杂超长的极端环境，给深海作业及装备的可靠性和维修更换维修周期等提出许多极高的要求，工作设备要承受高达 2060MPa的巨大水压，海水中电磁波传播衰减严重，其技术开发难度毫不逊色于太空技术。（2）由于海底矿产资源的特殊赋存状态。目前陆地上具有经济开采价值的金属矿产资源，不论是露天开采还是地下开采，基本上都是采用钻孔爆破，有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采。然而，深海底的多金属结核以及直径仅数厘米的结核状赋存于极稀软的海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米的壳层黏附在地幸福在的海山基岩上
5、、热液硫化物虽然已大块矿床形式存在，但矿床规模都相对较小，沿用陆地上的现有开采技术不具备经济开采价值。因此，深海矿场资源的开采原理、工艺和装备都不能直接移植陆地上已发展成熟的采矿技术。海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程,如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科和造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产的开发。同样,海洋采矿的发展势必促进这些行业和学科的进一步发展,这就具有重要的战略意义。（3）深海采矿环保限制标准。除与陆地采矿一样有废水废渣的处理外，深海采矿作业中对海底的扰动程度将是一个极为重要的有别于陆地采矿的限制标准，使得深海采矿的技术难度进一步增加。
6、海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系。它们之间相互促进、相互制约。此外在开采中还要注意保护海洋环境,避免污染和破坏海洋生态平衡,即注意开发和保护之间的矛盾,所以需要精细的管理,以求获得最佳的经济、环境和社会效益的统一。(4)国外实践表明,海洋(深海)矿产开采新技术,从开始研制到投入实际应用,通常需要 1020 年的时间,周期较长。如日本从 19751997 年投资 10 亿美元,研究锰结核的勘探和技术开发,进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区的勘探和采矿技术的研究,累计投资 15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期的研究。可见各发达国家这种长期的投入研究不仅仅是解决国
7、内经济发展的需求,主要是面向未来,是对未来的研究和投资。(5)海洋矿产开发具有国际性的特点。海底矿产资源可能是跨国界或共享的,涉及各有关国家之间的利益,需要国际之间的协调和合作。4 海底矿产资源勘探方法5 海底矿产资源的勘探方法分为浅海勘探和深海勘探。深海勘探的对象主要是锰结核矿、热液矿；浅海勘探的对象很多，有石油、煤、铁和各种金属矿砂。勘探方法有直接方法和间接方法。直接方法主要有观测和取样；而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法和地球化学方法 5.2.1 直接方法 5.2.1.1 观测 及观测海底矿床在海底中的位置，在浅的水域主要靠潜水员进行观测，而在较深的水域要靠载人潜水器进行观测。较
8、常用的直接观测海底的方法是利用照相机和水下电视。目前水下照相机在海洋地质调查中一发展成一种比较完善的工具，在研究海洋矿床方面已被广泛地采用。水下照相机能够连续的的拍摄海底相片，在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底的位置上拖曳，同时周期性的被触发。目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片的大型静止照相机。德国采用的 70mm 海底静止照相机，能曝光大约 300 次。这种照相机由具有能源和电子控制装置的照相机、闪光灯和触发器三部分构成。当粗发起重锤触及海底。它能够自动摄取海底照片。最新的发展是以声呐控制代替机械能触发器并配备自返式取样装置，在拍摄照片后自动返回海面而被回收。但是水下照相的缺陷是不
9、能连续的进行探矿不得不将照相机从海底回收，并且必须等到照片冲出来以后才能获得光宇海床矿床的资料。利用水下电视可以连续的监测海底，并可将观测结果录制成碟永久保留。但由于海底缺少光线以及摄像系统的分辨率不得不以缓慢的速度拖曳，因此在水下电视操作期间所耗费的船时相对较多。5.2.1.2 取样 采集矿物样品是探查浅海海底及大洋底矿产资源的最基本、也是最重要的手段。主要有以下几种（1）表层取样 即采用工具获取还低表面物质样品。常用的取样器有“绳索抓斗取样器”。抓斗下降时都是开口的，当接触海底后即自动抓砂封闭。利用绳索抓斗取样器在海底捞取矿样，由于它灵活机动，不受海水深度限制，海底不平整和粒度大小不均匀都
10、没关系，因而成本低，使用广泛。单只能捞取海底表层的矿样。另外，较常用的还有金属链条货绳索构成的拖斗式货拖网式表层取样器。斗和网都有细孔，可以漏水，它们一般是在深海中用以捞取结核矿、岩块、砾石等样品这种古老而又新颖的取样方法，因其成本低、灵活机动、不受海水深度的限制而使用较广。但所获取样品往往会混在一起，所以仅能用作定性研究，不能定量分析。（2）柱状取样 未用各种采样管采取海底以下一定深度的柱状样品。常见的取样管有重力取样管、水压取样管、活塞取样管。活塞取样管的工作要点是：着底时，活塞的下面通常要紧紧地黏在海底泥土的表面不动，而只让管子完全插入泥土中。上述柱状取样管都需船只停止航行后用用钢缆吊着
11、取样管到达海底取样这种方法既费时，又费事。近年来，国外研制了一种绳索抓斗取样器 柱状取样“自动返回沉积物取样器”，又称，“无缆取样器管”。这种取样器用漂浮材料制成，可以携带重物和采泥器或照相机，自由降落到海底，在到达海底并采集样品或对海底照相以后，携带的重物自行脱落，而漂浮材料是采泥器货照相机浮出水面，一旦露出水面，讯号器立即启动，发射无线电信号，使船上的工作人员很容易发现它而取回样品。经试验，在水深 1000m 处，整个取样过程仅需15min。利用各种类型的取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米的沉积物柱状样品。据报道，前苏联“勇士”号调查船曾用真空式取样管取得长达 34m 的柱状
12、样品，而其沉积结构没有受到任何重大的破坏和扰乱。这种采样设备的问世，将过去的单点采样改变为连续采样。（3）钻探取样 海上钻探取样和陆上钻探取样的工艺过程相似，也分浅孔钻探和深孔钻探两类。浅孔钻探适用于海底砂层下部矿物的取样，也可用于采集锰结核和海底沉积的柱状样品。金刚石、锡石和砂金由于密度大，都富集在砂层的下部，越接近下部底岩，矿砂就越丰富，所以需要用钻孔提取矿砂层下部的矿样、钻孔深度不等，视砂层厚度而定，由 1m 到 30m 以上，钻孔直径由 10cm 到 90cm。在砂层中钻孔速度很快，因而成本也不高。使用的都是空心钻，以便提出岩心，这样取的岩心矿样在质量上有保证，可以做定量分析用。常用的
13、钻探装置有旋转钻，落锤钻，打桩钻，震动钻。（4）深孔钻探 对海底坚硬岩层勘探就要用深孔钻探。深孔钻探是最后的钻探手段，费用很高。对于石油、天然气、煤、铁等矿床应先用地球物理方法进行初步勘探，然后才能决定是否需要打钻机，并决定打孔的位置和钻孔的深度。近年来，深孔钻钻技术发展的很快，现在陆地上钻孔最大深度已超过万米，海底钻孔深度则已达 6966m。随着水下矿产勘探重要性的日益增长，已出现将观测和取样合并为一个系统的设备。如把水下电视系统与拖网相结合的拖网使用。拖网悬挂在电视机外壳下面，在电视机框架到达海底时，拖网就在海底上取样。用这种方法，在电视观测期间就能够获取样品，保证了取样区就是想要观测的区
14、域。此外深潜技术的发展，是大洋矿产资源的调查勘探出现新的突破。载人潜水器可将观测人员送入几千米的水下，利用观察窗或声呐直接观测海底矿物，并利用机械手采集矿物样品。5.2.2间接方法 间接方法是在勘探中并不与岩石矿物直接接触，而是利用精度很高的仪器来探测岩石矿物的性质和埋藏深度的勘探方法。如利用声学探测技术中的回声探测仪、旁侧扫描声呐等，利用岩石矿石具有各种不同的物理性质，如密度、容重、磁性、导电性等物理性质，采用地球物理方法等。（1）水声学探测技术 利用回声侧探测仪可以了解海底的地形，获取海底图像。还可以利用它测定中层水发射面的存在。如在对红海充满卤水的盆地进行勘探中已经证明回声测深特别有用，
15、他可以观测到深部的卤多普勒流速剖面仪 水和海水之间的密度界面。低频回声测深仪可以穿透沉积物上层，并能准确判定海底地形地貌，如可以显示是否存在海底火山岩。这种火山岩对于采矿作业危害极大，因为采矿作业主要使用海底拖曳工具。侧扫描声纳可以测量精细的海底地形地貌，因此，对海底的砂坡和砂带的探测非常有效，在大洋矿产资源勘探中具有广阔的使用前景。由于锰结核往往富集在小山坡上和起伏不大的海底上，而不是富集在平滑的海底平原上，所以利用远程侧扫描声纳在含锰结核的海底上拖曳，就可以勾划出所勘探的几十公里宽的海底上的不同地形的位置，然后在每个位置上采集回收锰结核样品，已决定丰富的高品位锰结核所需要的最有利的深海环境
16、。因此，利用侧扫描声纳可以发现任意含锰结核地区中的其他的富集区。此外，高分辨率的侧扫描声纳还可以绘出粗糙海底锰结核分布地区的概况。用于海底探矿的其他声学设备，还有声学地层剖面仪。深水多普勒海流剖面仪和水下高速声信息传输系统。利用地层剖面仪可以探测数千米水下的海底沉积层厚度及地质构造，实时获得海底地质剖面图，利用多普勒流苏剖面仪可以在航行中连续测量水层剖面的多个层次的流速，最多可达 64个层次，甚至更多。测量的数据由计算机实时处理。水下高速声信息传输系统可以将海底观察到的电视图像和声图像输送到水面。（2）地球物理方法 侧扫声纳 此方法为应用物理学原理来研究地质构造，寻找地下矿藏的方法。岩石矿石具
17、有各种不同的物理性质，物理勘探就是测探它们的物理性质，如密度、弹性、磁性、电性、放射性等物理性质的差异，及探测地球物理场的变化，然后分析所获得的资料，从而推断矿产分布情况。如不同岩石矿石对声波（振动波）传播的速度不同，岩石矿石越密传播声波的速度就越大，利用这种原理来勘探的勘探方法就是地震法。同岩石矿石有不同的密度，密度大的岩体就产生大的吸引力。岩石矿石都或多或少的带有磁性，不同岩石有不同的磁性，探测岩石矿石的磁性以区分其种类，这就是磁力法。不同岩石矿石的导电性能不同，个别的矿体还能产生自然电流，这就要用电法来勘探，在电法中又有电阻法和电磁法等。（3）地球化学勘探 此方法为系统的测量海水、海底沉
18、积物和岩石等的地球化学性质，以发现与矿化有关的地球化学异常的一种探矿方法。海洋地球化学勘探通常采集海水、海底表层沉积物的岩石样品，在船上实验室进行分析测定某些元素的微迹含量等工作。在油气勘探、滨海砂矿、磷块岩、热液矿床、铁锰结核、铁锰矿等重要海洋矿产的发现中都起到了十分重要的作用。近年来，对海域地球化学测量给予了肯定的评价，认为这是一种经济、快速而有效的方法。据报道，近十几年来，世界各国对近海地区 100多万平方公里进行了油气地球化学调查，圈定了 123 个油气远景区，并在大量的数据的基础上研制出预测油气资源的地球化学模式。（4）导航技术 在深海探矿中必须具备精确的导航定位能力，特别是在探矿过
19、程的最后阶段，利用导航定位技术，以便当完成使命的自返式采样器和自返式水下照相机返回海面时，海面船只能够找到它们，将它们回收上来。目前，应用比较广泛的是卫星导航与远程无线电导航系统结合，并由雷达系统加以补充。对比较小的区域进行详细勘察时，作为导航参考点可以使用无线电或雷达浮标以及置于海底的声纳应答器。近年来，国际上出现了多用途海底矿产资源综合勘探船，集采样、光学、声学、导航技术为一体。船上配备了精密导航仪器，勘探装置和采样装置，可以在远离陆地的深海环境中工作。这种勘探船的问世，大大提高了探矿速度和精度。海洋矿产开采技术方法 编号 海底矿产 可采用的开采方法 使用现状 最终产品 1 石油、天然气
20、石油钻井平台、钻探装置、海底采油系统 早已进入工业化生产,是非常成熟的开采技术。我国自主开发研制的一批技术装置达到或接近国际先进水平 提取石油、天然气 2 多金属结核矿 1.连续铲斗提升采矿系统 2.管道提升采矿系统 3.穿梭潜水集矿机系统 4.海底自动采矿系统 基本完成小试,进入中试阶段。管道提升采矿系统被认为是非常有前途的开采方法。国内首先对这种方法进行研究取得了初步成果 提炼出具有战略意义的多种金属 3 海底热液矿床 3 其它矿产 各种采掘装置和大深度挖泥机 基本成熟的方法,进入工业化生产。但我国以土法采选为主,技术落后、生产效率低 提取铁砂、金砂、锡砂及其它矿物 5.3.1近海油气资源
21、6 天然气水合物是一种在低温(-10+100)和高压(19Ma)条件下由气体和水合成的类冰固态物质，又称可燃冰。它的分子结构比较特殊，是刚性的等轴笼架结构六方晶体的水分子中存在甲烷分子。所以，天然气水合物中的有用组分主要为，此外还含有少量的 H2S、CO2、N2和其它烃类。它具有极强的储载气体的能力,一个单位体积的天然气水合物可储载 100200 倍于这个的气体储载量。5.3.1.1 天然气水合物的赋存环境 饱和的天然气水合物的能量密度很大,因为晶体结构迫使甲烷分子相互紧密结合在一起不论压力或深度如何变化,水合物的能量密度总是固定的。在一定的压力温度条件下,原生赋存具有经济潜力的天然气水合物广
22、泛分布在永久冻土带和大陆外部边缘的浅层沉积物中。（如图 1）（1）海洋中的天然气水合物 海洋中的天然气水合物通常存在于水深 5004000 m(压力为 540 MPa)、温度25的环境中。迄今为止,发现最富集的海洋水合物矿床位于沿紧邻老洋壳的被动大陆边缘沉积物中,最著名的是美国东南海岸的布莱克外海岭。对布莱克海岭的初步评价认为,其中很小的地区所含的甲烷等量于美国数百年来的天然气用量总和。（2）永冻层中的天然气水合物 永冻层中的天然气水合物存在于极地的低压低温区,在俄罗斯、加拿大和阿拉斯加的陆地及大陆架上均有发现,是以一种永冻的水冰和水合物的混合物形式存在的。Max 等认为,海域永冻层水合物是在
23、陆架暴露出水面时,最近一次冰川作用下形成的,之后在海进期陆架被淹没。（3）水合物层之下的常规天然气藏 含水合物岩层可对常规油、气藏起到屏蔽作用,气水合物层之下往往有大型常规气藏。与水合物相关的甲烷既可产出于水合物本身,也可圈闭于水合物稳定带下方。圈闭于天然气水合物带的常规天然气或石油比包含于气水合物中的非常规天然气在目前更具经济价值。5.3.1.2 天然气水合物的开采方法 天然气水合物的开采实质上就是使地下的水合物分解，再将分解出来的甲烷气体抽到地面上来。依据水合物相平衡原理，天然气水合物的开采通常有降压法、热激法和试剂注入法 3 种基本方法。（1）减压法 减压法是指通过钻探方法或其他途径降低
24、水合物层下面的游离气体聚集层位的平衡压力,当压力达到水合物分解压力时,界面附近的天然气水合物转化为气体和水。降低压力能达到水合物分解的目的。一般是通过在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”(由热激发或化学试剂作用人为形成),与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。这种技术在西西伯利亚的 Messoyhaka气田得到了应用。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果。减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一
25、。（2）热激法 该方法是指在压力一定的条件下,注入蒸气、热水、热盐水或其它热流体,也可采用开采重油时使用的火驱法或钻柱加热器法,对水合物稳定层进行加热,将设计区段的温度提高到分解温度,这一温度下,所注热量完全用于水合物的分解作用。再用导管将析出的天然气收集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器。这种方法的问题在于储层和水中的大量热能损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。如果没有热损,注入能量是开发能量的 10%左右;有热损时,注入能量可能会超过气体的价值。这种方法非常昂贵,且要求向下注热和向上采气同步进行。近年来,
26、为了提高热激法的效率,人们采用了井下加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一。实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,其在开采重油方面已显示出它的有效性,该方法的使用将会给热激法带来不错的前景。（3）试剂注入法 采用诸如盐水、酒精等抑制剂流体,可降低水合物的冻结点,将抑制剂注入井内会引起熔融。近来人们又发现了另外两种新型的阻止技术,即以表面活性剂为基础的反聚结技术和阻止晶核成长的动力学技术。其总体思想都是注入某些化学试剂,以改变水合物形成的相平衡条件,促进水合物分解。此方法较热刺激缓慢得多,花费昂贵,但初始输入能量较低。由于海洋水合物中压力太高,用这种方法可有效地改变相界曲线,但回
27、采气体较困难。（4）其他开采技术 Holder等人对水合物的开采技术进行过大量的研究,除上面介绍的 3 种方法外,还提出了置换开采和混合开采的理念。置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较 CO2高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而 CO2水合物却是稳定的,这时 CO2进入到天然气水合物中,与水形成水合物,这时所释放的热量可用于分解天然气水合物。用 CO2 水合物来置换天然气水合物的研究已经开展起来,然而复杂的相变过程可能会给这一方法的实施带来一定的困难。混合法原理是先将洋底粉碎,开采混有固体水合物的混合物,在提升过程中水合物就可能分解。混合开采法目前还没有深入研究,但也很有建设性意义。
28、从以上各方法的使用来看,仅采用某一种方法来开采水合物是不明智的,只有综合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。降压法和热激法技术的联合使用是目前最受推崇的方案,用热激发法分解气水合物,而用减压法提取游离气体。5.3.1.3 水合物勘探开发前景 海洋气水合物是全球天然气水合物资源开发的重头戏,不仅因为海洋气水合物占总资源量的大半以上,而且分布广泛,它不像陆上天然气水合物仅局限在少数的几个高纬度国家的永冻带或两极,对那些滨海而又缺乏能源的国家来说,天然气水合物则带来了很大的希望和寄托。不仅含天然气水合物地层本身存在巨大无比的甲烷资源,而且往往在含天然气水合物层之下同时还蕴藏了巨大的常规天然气资
29、源。在永冻区开发常规天然气,不可避免地会遇到天然气水合物问题。一般来说,永冻区的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度,它像盖层一样封闭了其下的常规天然气,高浓度的水合物和与气有关的水合物盖层的探测为深层的烃类勘探提供了指导。因此,开发天然气水合物不是单一的资源开发,而是一种综合开发。5.3.2 多金属结核矿 多金属结核（亦称锰结核、铁锰结核、锰矿球）是一种富含多种金属元素，主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成的“球状”沉积物。多金属结核由核心和壳层两部分组成。多金属结核为黑色、绿黑色到褐色，其表面有三种类型：粗糙表面、光滑表面、葡萄状表面，结合硬度变化较大。结合核心有四类：老的多金属结合碎块、
30、深海沉积物、火山碎屑、生物骨骼。结核中除有铁锰外，还含有铜、镍、钴、等 30多种金属元素、稀土元素和放射性元素。其中最有价值的是铜、镍、钴、锰。多金属结核矿物种类繁多，其中锰矿物有钡镁锰矿、布塞尔矿、钠水锰矿、水羟锰矿、软锰矿、拉锰矿、恩苏锰矿、硬锰矿、铁锌锰矿、钙锰矿等，铁矿物有针铁矿、赤铁矿、四方纤铁矿、水铁矿、磁赤铁矿等。另外，多金属结核的层间和层内还含有粘土矿物（蒙脱石、伊利石）、沸石矿物（钙十字沸石、斜方沸石）、石英、长石、蛋白石、重晶石。5.3.2.1多金属结核的分布 多金属结核分布与地层水氧的含量有关，含氧量高的地方，结核富集；反之，结核贫乏。多金属结核存在世界各大洋，主要遍布世
31、界各地 2006000m 深海处，以太平洋深海区的表层特别多。多金属结核的主要控制因素有：水深、沉积物间隙水的 pH 值 Eh值、碱度，构造环境等。7 5.3.2.2多金属结核的开采方法8 多金属结核开采的基本任务是按生产规模,从五、六千米的深海底,将多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上。要求具有高度的可靠性、先进性和经济性。在过去二、三十年的研究开发过程中,一些国家提出并试验过多种开采方案,主要有以下几种。(1)连续铲斗提升采矿系统 连续铲斗提升采矿系统(continuous linebucket system)简称 CLB 法。它由采矿船、铲斗、高强度尼龙缆索等组成。长 15km
32、的尼龙缆索上以一定的间距(2550m)悬挂的系列铲斗,通过尼龙缆索从海面船只(一船或多船)到海底的连续回转来进行采矿作业。该系统具有开采和提升两个功能。这类采矿技术具有系统简单、成本较低的优点。但是若在一船上操作,尼龙缆索环路的两端易缠结,影响开采效率,两只船涉及到配合移动和成本等问题,所以影响了其进一步的发展。(2)管道提升采矿系统 管道提升采矿系统(pipeline lift miningsystem)是目前各国(包括中国)研究开发的重点。该系统基本工作原理是利用液体提升固体悬浮物,即从采矿船上吊下输送管到海底,集矿装置把收集到的多金属结核矿石送到提升管道口,再利用液流的循环(利用气举或射
33、流原理)将矿石通过管道输送到地表。船体可在开采时做有一定限度的纵向或横向移动。该采矿系统适用于大规模有效开采海底多金属结核矿。(3)穿梭潜水集矿机系统 穿梭潜水集矿机系统(cross-country divecollectine convergor system)是由长、宽、高分别为 24m、12m、7.5m的穿梭潜水集矿机在海底采集多金属结核矿石,当采集到一定数量后上升至海面,把采集到的矿山卸到海面平台上,然后用废石料作为压载物再下沉到海底继续开采,如此循环作业。该系统具有灵活机动、采矿效率高的特点。但由于仪器和设备较多,控制操作比较复杂,影响作业的可靠性。(4)海底自动采矿系统 海底自动采
34、矿系统(automatic submarinemining system)是连续铲斗提升采矿系统和穿梭潜水集矿机系统的结合体。即是加设了提升管道的“穿梭集矿系统”，或是由遥控潜水采矿机代替连续铲斗采矿系统。5.3.2.3多金属结核开采前景9 深海采矿的发展主要经历以下几个阶段:第一阶段 1873年英国挑战者号海洋考察船发现锰结核到上世纪 60年代以前,人类的探索只是出于好奇。第二阶段自 60年代到 80年代,由于对深海采矿过于乐观的估计,人类对大洋多金属结核进行大规模研究试采活动。第三个阶段技术储备,由于多方面因素,深海采矿无法进行商业开采,研究开发有所缓慢,但是有两点不容忽视,一是对深海采矿
35、起步较晚的国家出于对未来的考虑,充分利用这一阶段,抓住机遇,力争赶上世界那些技术上已具有开采能力的国家;第二点是早起研究国家充分利用技术优势带动相关产业发展,这反过来对深海采矿技术给予完善和技术储备。第四阶段为商业开采阶段,根据专家预测,本世纪 30年代有可能进入商业开采。作为矿产资源不足的中国,应该抓住机遇,努力开发深海采矿技术,以期达到与其它发达国家同步进入商业开采。5.3.3 海底热液矿的开采方法 海底热液硫化物，亦称多金属硫化物、块状硫化物，是指海底热液作用形成的一种矿物资源，是汇聚或发散板块边界岩石圈与大洋（水圈）在洋脊扩张中心、岛弧、弧后扩张中心及 板内火山活动中心发生热和化学交换
36、作用的产物，一般富含铜、铅、锌、金和银等金属，同时副产物有钴、锡、硫、硒、锰、铟、铋、镓与锗等，是 20世纪 60 年代继大洋多金属结核和富钴结壳后发现的另一种海底金属矿产资源类型。5.3.3.1 海底热液矿的分布 在世界大洋水深数百米至 3500m 处均有分布，从地质构造上看，主要分布在3500m 深处的大洋中脊、海隆和弧后盆地的扩张中心，同时岛弧以及海山等也有少量分布。海底热液矿床的成矿作用多与海底张裂作用有关。矿床多发育在洋中脊（65%）、弧后盆地（22%）、海底火山弧（12%），并且一般在其张裂作用阶段形成。这是由于扩张中心及附近的海水和岩浆在海底对流循环过程中进入断裂裂隙中并发生了水
37、岩反应，促成硫化物的沉淀与堆积，沉积下来的硫化物在不断进行的构造运动中被快速埋藏，从而形成矿床。10 5.3.3.2 海底热液矿的开采方法11 目前已有多家企业在积极地进行开采海底热液矿床可能性的探索,并纷纷制定了海底硫化物矿床的开采计划。（1）海王星公司 海王星公司委托法国的 TECHNIP 公司对新西兰的矿床完成了工程设计报告,设计了两种可能的开采系统。提出的硫化物开采系统包括动力定位船,软管、空气泵输送系统及由其连接的海底破碎机和采矿机等组成,该系统的优点在于可在大范围内不同的矿点进行开采。试验系统由两个分系统组成,第 1个分系统为分拣破碎系统,主要用于开采突起的海底热液烟囱和上层矿;第
38、 2 个分系统为履带采矿车开采系统,用于经分拣破碎系统平整后的矿区开采。采矿船包括起居室、动力站、空压机、脱水装置、起吊和提升装置、辅助和维修设备、工作级 ROV。ROV由采矿船上的型架下放至海底开采区和岩石分拣器之间,的抓岩机械手抓取海底热液烟囱和上层矿,快速地对突起的矿体进行分拣。开采区域经分拣和破碎后,履带采矿车开始作业,进行采集输送。空气、水、固体混合物注入采矿船上的加压分离装置,空气压力下降到 8,泥浆经闪蒸罐降至 1个大气压,泥浆通过震荡筛,滤出更大的颗粒,底流经过水力旋流器脱水后,输送至储仓。在 200深时,底流中小于 50的颗粒经过水落管时自动泄出。(2)鹦鹉螺公司 根据鹦鹉螺
39、公司年度报告,鹦鹉螺公司针对巴布亚新几内亚的索瓦拉(Sowara)矿藏提出的热液硫化物开采方法,采用特定的海底采矿设备,立柱插入海底,带有旋转的切割头,边切割边输送,破碎后经软管输送至软管接头,通过立管提升至水面船。有两种不同的吊放方式:一种是采矿车和脐带缆一起在月池内下放,另一种是脐带缆由船尾的形架来吊放。（3）其他公司 热液矿床有块状和软泥状两种，对于块状的来说，由于分布集中、矿石硬度高、密度大，需要用自动控制的海底钻探，然后在钻孔内爆炸，炸碎矿体，随后用集矿机和扬矿机与采集锰结核类似的方法输送到水面进行加工。开采多金属软泥管需要用在采矿船下拖一根 2000多米长的钢管柱，柱末端有一个抽吸
40、装置。由于这种多金属软泥比牙膏还稠，要在抽吸装置内装一种电控摆筛，它能使粘稠的软泥变稀，通过真空抽吸装置和吸矿管吸到采矿船上来，经过泡沫浮选法处理，除去水分，最后就可以获得金属的浓缩物。这些浓缩物运往冶炼厂加工提出金属物质。5.3.3.4海底热液矿开采前景12 海底热液矿床是极有开发价值的海底矿床，在我国专属经济区内南海有可能存在但品味可能较低；冲绳海槽区则情况复杂。考虑到许多海底热液矿点都在某些沿海国家的专属经济区内，联合国海洋法公约生效后，对这些矿区的勘探研究也许在深化人类对海底热液矿床上有积极意义，但对我国的资源储备来讲意义不大，我们应立足于寻找国际海底的热液矿床。现代海底金属硫化物成矿
41、作用与陆地上的块状硫化物矿床具有极强的相似性，是古老矿床的现代等同物，因此，现代热液活动区是研究块状硫化物成矿理想的天然实验室。为了在新一轮国际海底“圈地”运动中获得主动权，在硫化物矿床圈定中不失先机，尽快找到高品位、易开采的硫化物矿床，抢占有利资源，是当务之急。我国近期要加强圈矿技术、深海资源评价技术的研发，为我国申请品味高、储量大、开采储运成本低的有价值的海底热液矿区提供基础资料。5.3.4海滩与近海矿砂的开采技术13 砂矿是在水下环境中有碎屑矿物颗粒的机械富集作用形成的矿床，其存在与海滩和近海海底。人们不仅可以从这些灰黄的泥沙中掏出金灿灿的黄金，提炼出原子能、航空、冶金和国防工业的原料，
42、如锆、钛、锡、铂还可以用它来炼铁，就是砂子本身也是建筑上不可缺少的重要材料，如可用来制混凝土，以及用于玻璃和砂轮的生产中。大陆上露于地表的各种岩石和矿藏长期经受着雨淋日晒和冰霜风雪的侵蚀。岩石暴露在地表，白天受太阳强烈照射，因为岩石导热性比较差，岩石表面的温度比内部高，夜间表面的散热失快，温度又比岩石内部低。由于岩石各个部分受热不均，温度变化又不一致，使岩石反复发生不均匀的膨胀、收缩，天长日久便慢慢消解，破碎成有粗有细的碎屑。除了物理风化作用外，物质还会发生化学风化作用，即有些矿物在空气中与氧、水作用，发生氧化、溶解、水解而被破坏。结晶岩中有些矿物含有二价的铁离子，二价铁在空气中也像铁器生锈一
43、样，很容易氧化，变成三价铁，这就使原有的矿物遭到破坏，进而使整个岩石分解。分解出来的一部分矿物因为具有硬度小、易破裂等特殊的物理性质，在流水般云中很易破裂而变小消失。当岩石中这些已风化的矿物被破坏后，那些不易风化、化学性质稳定、相对密度大的矿物就分离出来，并被流水、冰川或风搬运到河口和海滩上，又经波浪、沿岸流和潮流日夜不停地反复淘洗、分选，一些硬度低的矿物被进一步磨碎，随同密度低的矿物一起被卷向远离海岸的地方，而密度大的矿物就在海滩上集中起来，从而形成海滨矿砂。所以，矿砂的行程需要有原始物源、风化侵蚀作用。搬运作用和富集作用四个过程。5.3.4.1矿砂的分布 海滨砂矿分布十分广泛，矿种也很多，
44、由于分布在海滨地带或水深不大的海域，因而比其他海底矿产的开采技术容易得多。此外，它们经过水流的掏刷和分选，分布比较集中，品位比较高，往往有含有可供综合利用多种矿产，所以在目前海底矿产资源的开发中，产值仅次于海底石油，而列居第二位。大多数砂矿存在于离源地几公里的范围内，因而海洋矿砂实际上被限制在海滩和近海浅水区，水深不过几十米。但是，古代矿砂可存在于古沉没海滩或是在大陆架最外边的溺谷中。砂矿最富集的地带与现代海岸线或古海岸线相平行，成条带状分布，延伸好几公里到数十几公里以上。有些地区由于海平面的变化，是原来形成的海滨矿砂发生了位移。当海平面下降时，原来的海滨矿砂就会露出海面，被抬高到附近的岸上；
45、当海平面下降时，原来的海滨砂矿又被覆盖在浅海海底，成为埋藏于现代沉积物层下面的旧海滨砂矿和河谷砂矿。沉没在海底下的河谷砂矿往往埋藏的比较深，有事沿着埋没的河谷延伸到离海岸几百公里的地方。例如泰国的海底河谷锡砂矿就埋藏在 2740m 深的古河道沉积层中；印度尼西亚的锡砂矿则从海岸向海延伸 8km 之远。5.3.4.2海滨矿砂的开采 海滨砂矿种类很多，多使用采砂船进行开采。采砂船上没有采矿、选矿和脱水设备。由于砂层厚度和海水深度不同，使用的开采方法也不同。开采海滨矿砂，比开采其他海底矿产要容易得多，但与陆上采矿相比，仍然受到许多条件的限制，特别是海区的风浪，尝试采矿船不能连续作业，所以开采成本比较
46、高。但一般不用炸药爆破和破碎工作；矿床贮存在海底的上部，开采时一般不用剥离，在开采的同时还可以进行初选，把废砂排回海中，提高矿砂品位，以便运输。常用的开采砂矿的方法有链斗式采矿船、吸扬式采矿船、抓斗式采矿船和空气提升式采矿船。（1）多链斗采砂法 多链斗采砂船是大型材砂设备，生产成本也很低，并能在船上进行采、选和排弃尾砂工作，因而使用的很广泛。采矿机械是由许多带戽斗的环链构成的采矿船。船的前部当中有缺口，容纳链斗架及链斗，当主动力轮驱动上部链轮时，链斗按顺时针方向旋转，进行连续挖掘。挖上来的矿砂卸入矿仓，再通过圆筒筛，经洗选后，将尾砂排弃在船后。特 点是生产能力强，生产成本也较低，并能在船上进行
47、采、选和排弃尾砂工作，缺点是当海底有大块砾 石时，会造成困难，开采深度一般不超过 45m。(2)吸扬式采砂法 吸扬式采砂法原理与抽水机相似，由电机、水泵、吸水管和扬水管等组成。利用安装在船上的浆泵，把矿砂和水一起通过吸管吸至船上。扬到船上沉淀后，水再排回海中。主要特点是速度快，广泛用于近海砂矿的开采。多链斗采砂法 吸扬式采砂法 护,协调砂石土资源勘查开发与其他海洋功能之间的矛盾,必须考虑砂石土资源的勘查开发与海域采矿秩序综合治理、海域功能区划、海域管理和利用的关系。14 1 吕炳全.海洋地质学概论.上海：同济大学出版社，2008:262 2 许肖梅.海洋技术概论.北京：科学出版社，2000:1
48、29 3 李伟，陈晨.海洋矿产开采技术.中国矿.2003,12(1):44 4 阳宁.海底矿产资源开采技术研究动态与前景分析.矿业装备，2012，01:54-55 5 许肖梅.海洋技术概论.北京：科学出版社，2000:130-137 6 张志杰，于兴河，郑秀娟，刘博.天然气水合物的开采技术及其应用.天然气工业,2005;25(4):128130 7 吕炳全.海洋地质学概论.上海：同济大学出版社，2008:262-268 8 李伟，陈晨.海洋矿产开采技术.中国矿.2003,12(1):46 9 肖林京，方湄，张文明.大洋多金属结核开采研究进展与现状.金属矿山，2000,08:14 10 张锋，翁立猛.现代海底热液硫化物矿床构造环境综述.西部探矿工程，2013,12:135 11 陈新明，高宇清，吴鸿云，丁六怀，孙大伟.海底热液硫化物的开发现状.矿业研究与开发，2010,28(5):4-5 12 公衍芬，刘志杰，杨文斌，姜丽.海底热液硫化物资源研究现状与展望.海洋地质前沿，2014,30（8）：32-33 13 许肖梅.海洋技术概论.北京：科学出版社，2000:138-143 14 蔡秋蓉,陈俊仁,吴能友.一种具有巨大经济价值的海洋矿产资源砂石土.海洋地质动态，2003,19(2)12-13