海底采礦技術(shù)

開采海底礦產(chǎn)資源所使用的方法、裝備和設(shè)施。海底礦產(chǎn)資源種類繁多、狀態(tài)各異、分布廣闊、埋深懸殊，開采的方法和使用的裝備也不盡相同。

海底采礦技術(shù)一般分表層礦開采和基巖礦開采兩大類。表層礦大都呈散粒狀或結(jié)核狀存在于海底各類松散沉積層中，例如分布在海濱的磁鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、錫砂、鋯石、金紅石、獨(dú)居石、金、鉑、金剛石等重砂礦和砂、礫石等;分布在近海底的磷灰石、海綠石、硫酸鋇結(jié)核、鈣質(zhì)貝殼和砂、礫石等;分布在深海底的錳結(jié)核、多金屬軟泥、鈣質(zhì)軟泥、硅質(zhì)軟泥、紅粘土等。基巖礦是指存在于海底巖層和基巖中的礦產(chǎn)，如非固態(tài)的石油、天然氣和固態(tài)的硫磺、巖鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫、重晶石等。

在開采海底礦產(chǎn)之前，須查明所采礦床的分布范圍、面積、埋深、儲量、品位以及當(dāng)?shù)刈匀粭l件和海陸運(yùn)輸能力等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦產(chǎn)的形態(tài)選擇合適的開采方法、裝備和設(shè)施。

海底表層礦開采 由于深海與淺海采礦技術(shù)的難度不同，因而分為兩種。

海灘、近海底礦的開采 露出水面的海濱砂礦，通常采用露天開采方法。陸地上使用的挖掘機(jī)械，如拉桿電鏟、鋼索電鏟、推土機(jī)等都可用于海濱砂礦的開采作業(yè)。水面以下砂礦床的開采，目前作業(yè)水深大多在30~40米范圍內(nèi),使用的采礦工具有4種:鏈斗式采礦船、吸揚(yáng)式采礦船、抓斗式采礦船和空氣提升式采礦船(圖1)。前3種的構(gòu)造和工作原理與挖泥船類似(見海上疏浚)。空氣提升式采礦裝置由氣管、氣泵和吸砂管等部分組成，氣管與吸砂管的中部或下端相連通，作業(yè)時(shí)將吸砂管下端靠近砂礦床，啟動氣泵，壓縮空氣使吸砂管內(nèi)產(chǎn)生向上流動的摻氣水柱，從而帶進(jìn)砂礦固體顆粒，連續(xù)壓氣就可達(dá)到采礦的目的。這種裝置的缺點(diǎn)是作業(yè)水深增加時(shí)，壓縮空氣的成本費(fèi)呈指數(shù)倍增長。

此外，70年代以來還發(fā)展了一種海底爬行式采掘機(jī)，可以載人潛到海底作業(yè)，所需空氣和動力由海面船只供應(yīng)。如意大利制造的C-23型潛水挖砂機(jī)的作業(yè)水深達(dá)70米,能在海底挖掘?qū)?米、深2.5米的溝，每小時(shí)前進(jìn)140米，挖砂230立方米。

深海礦開采 目前最有開采前景的深海底表層礦，是深海錳結(jié)核和多金屬軟泥。

深海錳結(jié)核已被公認(rèn)為是一種具有商業(yè)開采價(jià)值的礦產(chǎn)資源，近20年來主要在研制低成本、高效率的采礦裝置。由于錳結(jié)核松散地分布于深海大洋底表層，關(guān)鍵問題是需要找到一種合適的垂直提升裝置。目前公認(rèn)最有希望的有 3種:鏈斗式采礦裝置、水泵式采礦裝置和氣壓式采礦裝置。鏈斗式采礦裝置是在高強(qiáng)度的聚丙二醇脂繩上每隔25~50米安裝一個(gè)采礦戽斗，開采時(shí)船首的牽引機(jī)帶動繩索，使戽斗不斷在海底拖過，挖取錳結(jié)核并提升到船上。1970年 8月日本已在太平洋水深4000米處成功地進(jìn)行了試驗(yàn)。氣壓式采礦裝置，是將集礦頭置于洋底，開動船上的高壓氣泵，高壓空氣沿輸氣管道向下,從輸?shù)V管的深、中、淺三個(gè)部分注入,在輸?shù)V管中產(chǎn)生高速上升的固、液、氣三相混合流，將經(jīng)過篩濾系統(tǒng)選擇過的結(jié)核提升至采礦船內(nèi)，提升效率約30~35%。水泵式采礦裝置，是將高效的離心泵放在輸送管道中間的浮筒內(nèi)，浮筒內(nèi)充以高壓空氣，支撐離心泵和管道浮在水中。由于高效離心泵的作用而產(chǎn)生高速上升的水流，使錳結(jié)核和水一起沿管道提升至采礦船內(nèi)。

多金屬軟泥也是一種具有開采價(jià)值的深海底礦產(chǎn)資源。聯(lián)邦德國已研制成功一種開采紅海多金屬軟泥的裝備，即在采礦船下拖曳一根2000米長的鋼管柱，柱的末端有一個(gè)抽吸裝置。裝置內(nèi)的電控?cái)[篩能攪動象牙膏狀的軟泥，通過真空抽吸裝置、吸礦管，把含有海水的金屬軟泥吸到采礦船上來，然后經(jīng)過處理并除去水分，最后即可獲得含有32%鋅、5%銅和0.074%銀的濃縮金屬混合物。

海底基巖礦開采 非固態(tài)的石油和天然氣開采 使用的開采工程設(shè)施主要為固定式平臺，在平臺上鉆井采集到油(氣)后，通過輸運(yùn)系統(tǒng)送往岸上;水深較淺處也有用填筑人工島進(jìn)行鉆井采油(氣)的(見彩圖);而在水深較大的海域，多應(yīng)用浮式平臺或海底采油(氣)裝置進(jìn)行開采(見海上石油(氣)勘探及開發(fā)工程)。

固態(tài)的煤、鐵、錫等基巖礦開采 一般都從岸上打豎井，通過海底巷道開采;也有利用天然島嶼和人工島鑿井開采的(圖2)。使作業(yè)巷道與海水隔絕，從而與開采陸地同類礦藏的方法基本相似，所用機(jī)械設(shè)備也完全一樣。不同之處是海底硐、坑采掘多采用非爆破掘進(jìn)法，因此影響采礦速度。但自20世紀(jì)70年代后,非爆破掘進(jìn)速度已提高到每小時(shí)4.6米，這些采礦業(yè)有可能向遠(yuǎn)離海岸的海區(qū)發(fā)展。

海底硫磺礦開采 通常采用井下加熱熔融提取法，先把加熱到350°F的海水用泵從邊導(dǎo)管注入硫磺礦層,使融化的硫磺液從內(nèi)套管上升至一定高度，然后用空氣提升法采收。

海底鉀鹽礦和巖鹽礦開采 由于鉀鹽和巖鹽也是可溶性礦物，也可用溶解采礦法。其技術(shù)原理與開采硫磺礦相同，但一般都采取豎井開采。

海底重晶石礦開采 正在開采的美國阿拉斯加卡斯?fàn)柡I礦離海岸1.6公里,礦脈在海底表土下15.2米。由于覆蓋層較薄，所以采取了水下裸露開采法，進(jìn)行水下爆破，然后用采礦船采集炸碎的巖石。

發(fā)展概況 海底采礦已有一段歷史，如英國從1620年起就開始了海底采煤，但在20世紀(jì)60年代以前，海底采礦的規(guī)模小、范圍窄、離岸近。60年代以后，受到了人們的重視，特別是海底石油和天然氣的開發(fā)有了較快發(fā)展，深海錳結(jié)核和熱液礦床的開發(fā)也有迅速發(fā)展的趨勢。目前，全世界從海底開采出來的礦物產(chǎn)值以石油和天然氣占首位，達(dá)總產(chǎn)值的90%以上;其次是煤,占3~5%，砂礫和重砂礦占2%左右。中國目前正在開采的海底礦物有建筑用的砂礫和鈦鐵礦、鋯石、獨(dú)居石、磷釔礦等重砂礦以及石油和天然氣等，也已從太平洋底取得了一定數(shù)量的錳結(jié)核。