深海礦產(chǎn)資源開采及揚礦技術(shù)運用
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摘要：為有效解決深海多金屬結(jié)核開采中海洋地質(zhì)資源勘探技術(shù)落后，海底各類風險預測熟練程度不足，海洋資源可持續(xù)性利用設(shè)計不完善等問題，提出了深海條件下的揚礦技術(shù)，并對礦漿泵提升、清水泵提升、射流泵提升和氣舉泵管道提升技術(shù)進行了詳細介紹和對比分析。結(jié)果表明，礦漿泵提升技術(shù)綜合效率最高能達到50%，而且工藝簡單，是目前最具市場前景的揚礦技術(shù)，具有一定的研究推廣價值。
關(guān)鍵詞：深海礦產(chǎn)；資源開采；揚礦技術(shù)
隨著當前工業(yè)4.0時代來臨，海洋礦產(chǎn)資源已成為廣泛關(guān)注的焦點之一。中國開發(fā)的海洋礦產(chǎn)資源主要包括天然氣、石油、濱海砂礦、多金屬結(jié)核和天然氣水合物等，而且蘊藏豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國海洋石油儲量和天然氣儲量分別占到全國總儲量的23%和28%，濱海砂礦資源中多金屬結(jié)核儲量約1.0×108t[1]。但由于開采技術(shù)落后，海洋礦產(chǎn)資源利用率還非常低，無法滿足資源利用及可持續(xù)發(fā)展要求。因此有必對深海采礦技術(shù)進行研究，滿足對海洋資源不斷增長的需求。
1海洋礦產(chǎn)開采存在的問題
海洋礦產(chǎn)資源儲量豐富，其中價值最高的是大洋多金屬結(jié)核。目前中國已取得了東太平洋和西南印度洋2個國際海底共計85000km2的專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開發(fā)權(quán)，如圖1所示。目前多金屬結(jié)核開采主要存在三方面問題：a)海洋地質(zhì)資源勘探技術(shù)較為落后，缺乏配套的勘探設(shè)備，特別是對多金屬結(jié)核資源勘探程度不足，資源回收程不高。b)開采難度大，對海底存在的風、浪、洋流預測程度不足，開采設(shè)備耐腐蝕性差，無法滿足海底作業(yè)要求[2]。c)海洋資源利用的可持續(xù)性不高，頂層設(shè)計不到位，只注重資源開采，缺乏對應的環(huán)境保護措施，造成海洋生態(tài)污染和不可恢復性破壞。
2揚礦技術(shù)系統(tǒng)
揚礦技術(shù)是將海底錳結(jié)核吸揚、提升到海面上來的施工技術(shù)，是海洋礦產(chǎn)資源開采的主要技術(shù)。目前常用的揚礦技術(shù)包括礦漿泵提升技術(shù)、清水泵提升技術(shù)、射流泵提升技術(shù)和氣舉泵管道提升技術(shù)。
2.1礦漿泵提升技術(shù)
礦漿泵提升技術(shù)原理如圖2所示。如圖2所示，礦漿泵提升工藝包括礦漿泵、中繼倉、浮體和采礦車等主要部分。現(xiàn)場采礦時，首先由采礦車將多金屬結(jié)核收集，經(jīng)浮體牽拉的軟質(zhì)管道傳輸至中繼倉，在礦漿泵的持續(xù)作用下，多金屬結(jié)核經(jīng)揚礦硬管管道輸送至采礦船。該技術(shù)工藝簡單，結(jié)核提升量大，而且輸送期間結(jié)核磨損小，具有廣闊的市場前景和發(fā)展空間。目前中國主要使用的是轉(zhuǎn)速1500r/min、揚程120m、流量800m3/h的4級揚礦泵，能夠滿足1000m結(jié)核水中揚礦工藝的基本要求[3]。
2.2清水泵提升技術(shù)
如圖3所示，清水泵提升工藝主要包括采礦船、礦倉、給料機、清水泵、采礦車、浮體等主要部分。與礦漿泵提升工藝相似，該技術(shù)也是通過浮體將結(jié)核運輸至礦倉內(nèi)。但清水泵工藝將泵體安裝在海底平臺，這樣在傳輸結(jié)核時，能夠有效防止結(jié)核通過泵體，從設(shè)計層面避免結(jié)核破碎粉化，提高揚礦效率。但因為工作位置較深，對泵體的選型、安裝和維護提出了更高要求。目前，該技術(shù)在洋流、氣候相對穩(wěn)定，結(jié)核礦藏豐富區(qū)域應用較多。
2.3射流泵提升技術(shù)
射流泵提升工藝包括礦倉、射流泵、給料機、礦倉、采礦車等主要部件，其主要是在泵體外串聯(lián)了多個射流裝置，為錳結(jié)核的輸送提供了動能。該技術(shù)揚礦管道內(nèi)無動力設(shè)備，工藝簡單，輸送方便可靠，但效率較為低下，最大不超過10%[4]，而且需要多級射流泵串聯(lián)作業(yè)，效率更低。
2.4氣舉泵管道提升技術(shù)
如圖4所示，氣舉泵管道提升工藝主要由采礦船、空氣壓縮機、尾礦排放管、空氣閥、空氣球、中間平臺和采礦車組成。結(jié)核提升時，首先通過壓氣管向中間平臺注入壓縮氣體，通過壓縮機和空氣閥的邏輯動作，利用壓縮空氣動能將管內(nèi)錳結(jié)核傳輸至采礦船。該技術(shù)操作簡單，可靠性高，便于后期維護修理，但提升效率低，空氣壓縮時能耗較高，目前國內(nèi)使用較少。
2.5揚礦技術(shù)對比分析
對上述四種提升技術(shù)進行對比，如表1所示。如表1所示，通過對比分析可知，礦漿泵提升技術(shù)綜合效率最高能達到50%，而且工藝簡單，是目前最具市場前景的揚礦技術(shù)，具有一定的研究推廣價值。
3結(jié)語
綜上可知，揚礦技術(shù)作為深海礦產(chǎn)開采的核心技術(shù)，越來越受到關(guān)注。而礦漿泵提升技術(shù)綜合效率高，工藝簡單，后期維護方便，已成為當前的研究重點。目前要重點突破的技術(shù)難題是如何提升礦井泵的工況參數(shù)，延長礦漿泵的使用周期，減少海洋環(huán)境污染，為中國深海礦產(chǎn)的大規(guī)模商業(yè)化開采提供技術(shù)思路。
參考文獻：
［1］高亞峰.海洋礦產(chǎn)資源及其分布［J］.海洋環(huán)境保護，2009(1)：13-15.
［2］陽寧，陳光國.深海礦產(chǎn)資源、開采技術(shù)的現(xiàn)狀綜述［J］.礦山機械，2010，38(10)：4-9.
［3］肖林京，方媚，張文明.大洋多金屬結(jié)核開采研究進展與現(xiàn)狀［J］.金屬礦山，2000(8)：11-14.
［4］簡曲，成湘圳.大洋多金屬結(jié)核資源開發(fā)的回顧與展望［J］.中國礦業(yè)，1996，5(6)：14-18.
作者:寧卓 單位:天津國土資源和房屋職業(yè)學院