海底采矿技术

2.海底采矿技术

开采海底矿产资源所使用的方法、装备和设施种类繁多，状态各异，分布广阔，埋深悬殊，开采的方法和使用的装备也不尽相同。

磁铁矿

金红石

锆石

海底采矿技术一般分表层矿开采和基岩矿开采两大类。

表层矿大都呈散粒状或结核状存在于海底各类松散沉积层中，例如分布在海滨的磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿、锡砂、锆石、金红石、独居石、金、铂、金刚石等重砂矿和砂、砾石等；分布在近海底的磷灰石、海绿石、硫酸钡结核、钙质贝壳和砂、砾石等；分布在深海底的锰结核、多金属软泥、钙质软泥、硅质软泥、红黏土等。

基岩矿是指存在于海底岩层和基岩中的矿产，如非固态的石油、天然气和固态的硫黄、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡、重晶石等。

在开采海底矿产之前，须查明所采矿床的分布范围、面积、埋深、储量、品位以及当地自然条件和海陆运输能力等。在此基础上，根据矿产的形态选择合适的开采方法、装备和设施。

海底表层矿开采由于深海与浅海采矿技术的难度不同，因而分为两种。

露出水面的海滨砂矿通常采用露天开采方法。陆地上使用的挖掘机械，如拉杆电铲、钢索电铲、推土机等，都可用于海滨砂矿的开采作业。

水面以下砂矿床的开采，目前作业水深大多在30～40米范围内，使用的采矿工具有4种：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。前3种的构造和工作原理与挖泥船类似。空气提升式采矿装置由气管、气泵和吸砂管等部分组成，气管与吸砂管的中部或下端相连通，作业时将吸砂管下端靠近砂矿床，启动气泵，压缩空气使吸砂管内产生向上流动的掺气水柱，从而带进砂矿固体颗粒，连续压气就可达到采矿的目的。这种装置的缺点是作业水深增加时，压缩空气的成本费呈指数倍增长。

此外，近年来还发展了一种海底爬行式采掘机，可以载人潜到海底作业，所需空气和动力由海面船只供应。如意大利制造的C-23型潜水挖砂机的作业水深达70米，能在海底挖掘宽5米、深2.5米的沟，每小时前进140米，挖砂230立方米。

在深海矿开采方面，目前最具开采前景的深海底表层矿是多金属软泥。

深海锰结核已被公认为是一种具有商业开采价值的矿产资源，因此人们近20年来一直在研制低成本、高效率的采矿装置。

由于锰结核松散地分布于深海大洋底表层，关键问题是需要找到一种合适的垂直提升装置。目前公认最有希望的有3种：链斗式采矿装置、水泵式采矿装置和气压式采矿装置。

链斗式采矿装置是在高强度的聚丙二醇酯绳上每隔25～50米安装一个采矿戽斗，开采时船首的牵引机带动绳索，使戽斗不断在海底拖过，挖取锰结核并提升到船上。1970年8月，日本已在太平洋水深4000米处成功地进行了试验。

气压式采矿装置是将集矿头置于洋底，开动船上的高压气泵，高压空气沿输气管道向下,从输矿管的深、中、浅三个部分注入，在输矿管中产生高速上升的固、液、气三相混合流，将经过筛滤系统选择过的结核提升至采矿船内，提升效率30％～35％。

水泵式采矿装置是将高效的离心泵放在输送管道中间的浮筒内，浮筒内充以高压空气，支撑离心泵和管道浮在水中。由于高效离心泵的作用而产生高速上升的水流，使锰结核和水一起沿管道提升至采矿船内。

多金属软泥也是一种具有开采价值的深海底矿产资源。德国已研制成功一种开采红海多金属软泥的装备，即在采矿船下拖曳一根2000米长的钢管柱，柱的末端有一个抽吸装置。装置内的电控摆筛能搅动象牙膏状的软泥，通过真空抽吸装置、吸矿管，把含有海水的金属软泥吸到采矿船上来，然后经过处理并除去水分，最后即可获得含有32％锌、5％铜和0.074％银的浓缩金属混合物。

再看海底基岩矿开采。

非固态的石油和天然气开采使用的开采工程设施主要为固定式平台，在平台上钻井采集到油（气）后，通过运输系统送往岸上；水深较浅处也有用填筑人工岛进行钻井采油（气）的；而在水深较大的海域，多应用浮式平台或海底采油（气）装置进行开采。

固态的煤、铁、锡等基岩矿开采，一般都从岸上打竖井，通过海底巷道开采。也有利用天然岛屿和人工岛凿井开采的，使作业巷道与海水隔绝，从而与开采陆地同类矿藏的方法基本相似，所用机械设备也完全一样；不同之处是海底硐、坑采掘多采用非爆破掘进法，因此影响采矿速度。但自20世纪70年代后，非爆破掘进速度已提高到每小时4.6米，这些采矿业有可能向远离海岸的海区发展。

海底硫黄矿开采：通常采用井下加热熔融提取法，先把加热的海水用泵从边导管注入硫黄矿层，使融化的硫黄液从内套管上升至一定高度，然后用空气提升法采收。

海底钾盐矿和岩盐矿开采：由于钾盐和岩盐也是可溶性矿物，也可用溶解采矿法。其技术原理与开采硫黄矿相同，但一般都采取竖井开采。

海底重晶石矿开采：由于覆盖层较薄，所以采取水下裸露开采法，进行水下爆破，然后用采矿船采集炸碎的岩石。正在开采的美国阿拉斯加卡斯尔海滨矿离海岸1.6千米，矿脉在海底表土下15.2米。

知识小百科

海底采矿发展概况

海底采矿已有一段历史，如英国从1620年起就开始了海底采煤。但在20世纪60年代以前，海底采矿的规模小、范围窄，离岸近。

21世纪以来，受到了人们的重视，特别是海底石油和天然气的开发有了较快发展，深海锰结核和热液矿床的开发也有迅速发展的趋势。

目前，全世界从海底开采出来的矿物产值以石油和天然气占首位，达总产值的90％以上；其次是煤，占3％～5％，砂砾和重砂矿占2％左右。

中国目前正在开采的海底矿物有建筑用的砂砾和钛铁矿、锆石、独居石、磷钇矿等重砂矿以及石油和天然气等，从太平洋底取得了一定数量的锰结核。