日本的猛结核大洋开采试验

　　日本本土金属矿产资源匮乏，例如其所需钴的100％和锰的95％依赖进口。因而深海矿产资源开发，早在70年代初就被日本政府采纳，列为一项基本的矿业政策。锰结核采矿系统的研究与开发作为日本的一项国家计划，由通产省管理和资助，海洋矿物开采系统技术研究协会（Technology Research Association of Ocean Mineral Resources Mining System，简称TRAM，成立于1982年）和日本国家资源和环境研究所负责，在日本金属采矿社（MMAJ）等单位参与下将计划付诸实施。该计划始于1981年，结束于1997年，历时17载，花费了大量的人力、物力、财力，总耗资高达170亿日元（1.62亿美元），年均10亿日元（950万美元）。其开发研究可大致分为三个阶段（表1）：1981～1986年，主要是开发单元技术。小规模采矿系统的设计开始于1986年，但当时曾因经费短缺而进展缓慢；1986～1995年为开采系统的详细设计和制造期，从1995年起又花一年时间重新评审了实验计划，决定把用来检验所选定的能促进将来整个海洋开发的关键技术的试验安排在最后一个财政年度即1997年。这四个单独的试验为：1、海底采集锰结核；2、海中提升管的行为和装卸；3、集矿机着底时软管的行为和陆上回收作业；4、陆地上气力提升压缩机的操作控制。

表1 日本锰结核开采系统

　　日本的深海开采系统

　　由海底集矿机系统、提升系统、机械收放系统和测控系统组成。

　　海底集矿系统：可靠、易加工、安全与集矿效率高是此系统的最重要因素。采用拖曳式雪撬型集矿机，基于加压水射流的附壁效应来集矿。为便于矿石提升，较大的结核在集矿机中进行了破碎。集矿机将由软管和扬矿管组成的管线拖动，用水射流收集结核，分离海底沉积物、破碎结核至所需求的粒级分布并送至矿石提升系统。

　　矿石提升系统：结核-水混合物泥浆藉-台潜水泵或气举系统通过提升管输送。在实验室试验和200米深槽试验的基础上研究了纵向结核-水二相流和结核-水-空气三相流。重要的参数包括矿浆中结核的混合比例、磨擦系数和破损等。

　　收放系统：管道和集矿系统的快速布放和回收，特别是在暴风雨前和暴风雨中至关重要。已开发出来的收放系统包括摇臂吊机、提升管的联接与拆分机、提升管把持器、电缆收放机构和其他支持设备。布放与回收速主要决定于管道接收所用时间、气候、现场海底地形和其它条件。管道的着底和回收时 其行为的精确仿真过。

　　测控系统：此系统用了电子学、声学和数据处理领域的先进技术。对于集矿机与管道船系统的集成控制，在各种气象条件下作了大量仿真实验。为采矿开发了声学测量仪表和传输数据的复合电缆。电缆在恶劣的海洋条件下能承受剧烈的三维运动。

　　海上试验

　　日本原计划在多年研究开发的基础上先制作锰结核开采系统样机，然后对整套的锰结核系统进行综合海上采矿试验以验证采矿技术、研究全采矿系统的动力学行为和性能，收集制造实用的锰结核开采装备所必需的资料。但经过1995年的评审后，他们改变了计划。因为他们认为：1、冷战结束后，世界金属市场稳定、价低，锰结核的商业开采时间比预想的明显推迟；2、考虑到近期技术的发展，选择和论证对促进整个海洋开发有很强适应性的通用技术比进行局限于锰结核开采的大规模海洋试验更可取；3、锰结核的开采系统由互相关联又各自独立性很强的子系统组成，因而各子系统分开试验获取更精确的数据较为容易。因而选择了四个单独的实验：

　　一、锰结核海洋集矿试验

　　其目的有四：检验集矿机的收集性能；研究集矿机在着底与回收及海底拖行时的动学行为；研究包括深海复合电缆、数据传输系统和水下定位系统在内的辅助设备的性能；搜集对由集矿机引起的对环境影响作评价所需的数据。

　　试验场地

　　位于北太平洋Marcus-Wake一个海山上的一块狭窄梯田状区域，长约2km，宽约0.5km，水深约2200m，坡度小于4°，结核平均丰度15.6kg/m，结核粒径15mm，由于钙质沉积厚度从几厘米到数米不等，被锰结壳覆盖的基岩在一些地方又暴露在外，因而地质条件恶劣。该区域在试验前经详细勘探并绘有海底地形地貌详图。

　　试验系统配置：见图1。（略）

　　试验船：试验母船长122m、宽32m、排水量16600吨，它有足够空间放置集矿机、电缆、钢丝绳和其他设施如研究人员用房和发电厂等，但该船无推进器，而用一艘总重692吨的船拖行导航。来自TRAM的试验人员约50人，包括拖船与其他辅助船的船员在内。

　　集矿机：其外形尺寸和重量见表2。它的设计和结构是按每小时采125吨结核进行的。但实际的试验作了一些改动：新装了进行一次集矿试验用的容量5吨的结核仓，撤去破碎机与进料机。从4套集矿装置中拆除2套并去掉部分的集矿机拖橇下的将结核吹起来的喷咀，使拾矿宽度从4.5m减至1m。

　　为减小集矿机着底时对稀松沉积物的冲击，在集矿机尾部装有蜂窝（状）铝制的冲击吸收器。当集矿机带有下坠的钢缆时，为加大集矿机的仰角，在集矿机上装有浮力材料。

　　集矿机上安装的传感器和仪器有航向测定仪、斜角测定仪、三维加速测量仪、高度计、水速仪、牵引力测量仪、着底加速测量仪、结核计量器、浊度计和两架电视摄像机。它们的信号通过复合缆传输到母船实时监控。

　　集矿机理为：基于附壁效应，海底的结核被加压水射流掘起，大量的沉积物和结核一起被收集并经导管进结核仓，藉仓顶的篦条筛将沉积物从结核分出并排放至周围的水中，篦子筛中装有测量结核数量的传感器。

　　复合缆和钢丝缆：由6.6kv供结核掘起泵用、660v供液压泵用、660v测量设备用和1.65kv辅助应用的四根电缆及四根信号测控用光缆组成，总长2825mm，外径73mm。集矿机的下放、着底、拖行和回收都靠一根能过可自由旋转的接头与集矿机相连的Ф50mm的钢丝绳。复合缆每50m用一个可转动的夹具同钢丝绳固定以支持其重量并避免绕钢丝绳扭曲。

　　导航和水下定位：试验母船和拖船上装有差分地球定位仪，现场定位精度5米。使用母船船上的超短基线系统对集矿机进行水下声学定位。

　　锚系系统：为了初步观测结核集矿试验期间接近海底的沉积物的羽状分布。在试验现场周围布放了五套带海流计和沉积物捕收器的锚系系统。海流计和沉积物捕收器离海底高度分别为10米和2米。

　　试验结果：见表2。

表2  集矿机参数明细表

　　试验期间将集矿机沿不同路线从西北向东南拖行二次。由于结核仓容量有限，在第一次拖行后立即把集矿机收回到母船上，然后把它下放作第二次拖行。根据导航与水下定位系统和结核计量器的数据确定集矿机运行的实际开采距离第一次是215米，第二次施行包括断续的三次集矿总行程320天，两次集矿行程合计535米。第一次施行和第二次拖行分别集矿2.9吨和4.4吨，合计7.3吨，根据现场结核丰度15.6kg/m²，集矿宽度1米和行程合计535米。计算出集矿效率为87％，由于集矿机的拖用长钢丝绳，由于集矿机的质量与惯性及动、静磨擦系数之间的差别，在试验期间观察到集矿机时动时停的所谓“粘移”运动。第一次拖行时母船速度维持0.6～0.7节，集矿机速度在0～0.8节间波动；第二次被速度0.1～0.9节的母船牵引时，集矿机速度在0～0.6节之间。结核计量器的数据表明，其他条件相同时较慢的集矿机行进速度有较高的集矿效率。

　　在拖行中，集矿机的动力学行为稳定，如仰角、偏航角和转动在集矿期间均稳定，对集矿效率没有明显影响。拖行中集矿机对海底面形成的仰角约0.7°。二套蜂窝状的冲击吸收器工作良好，电视摄像和着底加速测量仪证明集矿机着底时动作柔和。

　　从电视摄像和装在篦子筛后的浊度计观测到沉积物的羽状物产生。它不仅来源于篦子筛的排出也来自于底橇的拖动，但只要停止拖行几分钟后又可得到清晰的电视图像，回到浊度的本底值。羽状物的情况还受到底流的影响。

　　对试验后的结果用了三套设备观测：在测试一个月之后，用带电视机和照相机的商用ROV对二次集矿的路径进行了全程观测；在试验一年后用一个59KHz、幅宽±78°的旁侧声纳在离海底40～50米的高度拖行得到了详细的海底图象；用拖行式海底观测照相系统跟随在旁侧声纳后进行海底观察，得到非常重要的定量数据如集矿机橇的沉陷，所收锰结核和沉积物的数量和再沉积作用的范围等。

　　二、在海上扬矿管的下放与回收

　　该试验有两个目的，1、检验用于高效安全可靠的着底和水下设备包括扬矿管的回收的收放系统的可操作性与性能；2、检测在拖曳条件下扬矿管上的应力，研究在扬管中的避免因Karman旋涡引起管道振动的装置的效果。这次试验使用一艘靠压载水箱能纵向与横向平衡倾斜船身的拖船，船的甲板上装有摇臂吊、管道接分设备等收放设备，所用扬矿管每截长12米，内径174毫米。

　　通过控制船的倾斜角和速度，确定了收放试验设备的临界工作条件，证实设备具有预期的性能。继而检测了在扬矿管外做出螺旋形条纹以抑制抵消因Karman旋涡引起的振动的效果。三截管子相联悬挂在摇臂吊上通过船的井孔伸到水中。在没有减振动装置时，当船相对于水的速度分别为3.11节和4.45节的情况下出现一次振动和二次振动。当安有减振动装置时，一次振动出现在船速3.62节处，然而在4.45节时没有二次振动。

　　三、陆上软管弯曲试验

　　集矿机通过一根软管与扬矿管相连，为使集矿机在海底安全可靠地着地并保持适宜姿态，集矿机应以一定速度前移。在集矿机后端着底到滑移面着底期间，其前移速度与下放速度之间的关系是重要的。这次试验的集矿机在海底着地的条件是应使软管的曲率半径大于3米这一许可值。陆上试验与海上试验是用同一集矿机。

　　从试验前后软管的刚度检测和试验后的拆分研究，证明弯曲软管没出现皱损。

　　四、陆上空气压缩机运转试验

　　鉴于用于气力提升的空气压缩机是装在空间有限的试验船上而且其振动不应影响声学定位系统，研制了由低压、中压和高压三级组成的离心式空气机。在陆上作了没接扬矿管的空压机试验。设计了一根与空压机相连的水下供空气的高压软管，在尾部装有流速调节器与压水调节器。

　　在各种条件下例如起动、停机和因模拟结核的混合比例和运行条件迅速改变引起负载波动等条件下进行了试验。为测量空压机的运行性能和结核提升时空压机的控制方法对负载波动的影响，进行了为时三周的试验。此外，还测量了高压空气软管的特征和软管一扬矿管接头处的负荷，研究了空气静态输送与非静态输送特性的分析方法。