韩国多金属结核深海采矿技术研究与发展

　　1994年8月，国际海底筹委会批准了韩国成为先驱投资者和圈选开辟区的申请。

　　韩国深海多金属结核勘探与开发的研究发展工作，始地科技部支持的国家“深海采矿技术开发和深海环境保护”项目。该国家项目从1994年到2003年实施，共10年时间，分为勘探技术开发与环境研究、采矿技术开发和冶炼技术开发三个部分。参加韩国“深海采矿技术开发和深海环境保护”项目的主要是韩国海洋研究所（Kordi）、韩国船舶工程研究所（KRISO）和韩国资源研究所（KIGAM）。

　　勘探活动

　　韩国目前勘探活动最受关注的工作就是区域放弃。韩国已经在1999年8月放弃15万平方公里勘探区域的30％到2002年将放弃另外的20％之后，韩国的7.5万平方公里的开辟区将最后确定。

　　在探矿阶段，测线距离约30公里，而在勘探阶段，测线间距应为5公里。通过动用现有勘探设备的改进技术和数据解读技术，使每次考察的质量与效率得到不断提高，以便对区域做出尽可能准确的评价。

　　韩国勘探活动的第二个目的是进行采矿对水域和深海底潜在影响的环保研究。自1995年以来，对区域周围的化学生物和地质条件的变化做了详尽的调查。

　　在勘探活动中使用的仪器、设备是：自落式抓斗、箱式取样器、活塞取样器、多管取样器、罗塞特海水取样到温盐深仪和其它传感器、bongo拖网，束状拖网、多波束、窄幅波束、浅层剖面仪、水下照相等。

　　韩国目前正在执行一项高级勘探技术的开发项目，即：

　　开发技术的发展工作

　　在深海采矿技术研究开发基础上中，多金属结核的商业开采被认为将在2010年或以后的一个时期进行，在10年研究开发项目之后，接下来将是在海上进行技术实验和商业开采系统在矿区正式启用前的准备阶段。

　　国家研究开发项目的第一阶段（1994～1996年）计划包括3个步骤。

　　在深海采矿技术的可行性研究中，借鉴了70年代由国际财团OMA OMI和OMCO进行的多金属结核海上模拟试采的经验和连续开采的设想，即结核从海底的集矿机连续不断地输送到提升管道的原理是可行的。整个采矿系统包括：采矿船、提升管道、泵、集矿机（一部或多部）、集矿机与提升管道之间的软管联接。将模拟采矿系统采用的技术进行升级是可行性研究和最终目的。商业采矿系统的概念设计一直以核心子系统的强化为基础。如：自治式结核集矿机，强化中间仓的作用和集成采矿操作系统，90年代的热点活题—环境的接受能力和采矿技术的潜在影响，特别是在集矿机的研究开发中受到高度的重视。多金属结核商业采矿系统的概念设计中包括以下几个子系统。

　　早期核心技术成果的战略在中期得到了采用。水力结核集矿设备的开发是KRISO、HMRI和德国THETIS合作进行的项目，它为加速研究开发项目的进程打下了基础。HHI的现代海洋研究所（HMRI）的参与促进了技术向私营企业的转让，并提高了国家收益。在实验室进行采矿技术的研究开发，并采用了计算机模拟研究。

　　在第二阶段（1997－1999年），研究开发的主要目的是开发中期实验模型，并将其功能在此阶段的条件范围内进行调整。对功能的实验评估将在200米水深进行。经集成的试验系统应该适应遥控和集成控制系统的变化。现考虑将自行式集矿机样机的效率设计成为商业采矿用机的十分之一。

　　第三阶段（2000－2003年）计划设计中试采矿系统的操作使用，即国家研究开发项目的最终目标。中期试验系统将在海上进行试验，并做评估与优化。所有的技术数据将被用于研制韩国自己的深海多金属结核商业采矿系统。

　　结核集矿机

　　深海底集矿机的功能与效率是决定进行大洋多金属结核商业开采可能性的基本因素。结核集矿机的效率取决于行驶器的运用和采集设备的发挥效果。行驶器的设计需要有关海底地形和沉积物土工力学特性的勘测数据。由于在开辟区沉积物的承载能力和可行驶性很低，我们考虑选用优化的适合软泥底面的行驶器，安装在行驶吕丰的采集设备必须不断地将金属结核与沉积物进行分离。采集金属结核的过程将不可避免地引起对深海底沉积物的搅动。如何尽量使对环境的扰动减少到最小是一个关键问题。由于采集效率有可能受到行驶器发挥状况、速度和行为的影响，所以对行驶器和采集设备应采用集成控制。

　　结核采集设备在初期采集技术是被选择作为核心技术。KRISO、HMRI与混合式结核采集设备的专利持有者THETIS签订了一个合作项目合同，以进行复合式结核采集设备的技术转让。混合式采集设备包括水力提升器和机械传送带。

　　混合式集矿设备的运转情况在KRISO通过数次的模型测试进行了评价与改进。对水力提升器的动作和特点也进行了实验研究，复合式采集设备的基本系统运作也已通过了验收。

　　KRISO自身的研究工作大大促进了复合式采集设备的初期设计。除了模型测试技术，还需要其它各种知识，包括：人工仿造的结核和底部沉积物；喷水器与行驶速度的相互作用；挡板不同形状的效果与几何作用；旋转叶片的设计与制作等。

　　对采集设备的联接与行为控制韩国专门研究了采集设备的联接部件的设计。联接部件把采集设备与结核矿机行驶器的底盘相联，同时根据行驶器的活动控制采集设备的行为。要使采集设备发挥到最佳状态，水力提升器应该安装在垂直间隙的适当范围之内，并且应调节到与海底地形呈平行状态，行驶器的行为从根本上影响着水力提升的控制，所以叫复合式采集设备。

　　一套新型的采集设备的联接部件已经开发出来了。这个新型设计包括6个铰链和4个线型传动装置。它可以对采集设备的行动分开进行控制，即平移运动和旋转运动是单独控制的，这一特性是根据采集设备在海底的实时控制的要求而设计的。这个新型联接部件其优点是：

　　—简单且可以分别控制采集设备的高度和状态

　　- 联接结构稳定性设计。

　　集矿车的技术开发是一个具有挑战性的任务，集矿车与结核采集设备共同决定着集矿机的生产率和在深海底采集结核的可行性。

　　投资与收益分析显示，只有使用一个年生产能力在100万吨到300万吨湿结核的大型采矿系统时，深海采矿才会产生效益。每小时最多采集500吨结核的集矿机是完成整个深海商业采矿系统的必备条件。

　　由于深海底沉积物可行驶性很低，我们的集矿机采用了履带式行驶器。较大的接触面积和较低的接地压力不仅减少了下沉，也推动了行驶器的前进，松软的沉积物要求强力橡胶制作的履带，高履带齿片，高弹力履带，窄轮距等。

　　为了结核集矿机的开发和核心技术的研究，我们做了以下的调查工作。

　　- 计算机模拟履带式行驶器程序的开发；

　　- 土工力学的实验研究；

　　- 实验室履带行驶器模型测试；

　　- 计算机模拟程序的有效性研究；

　　- 适度滑动状态的试验研究。

　　一个测试模型设备已完成了设计并正在制作当中，装有泥的测试池长为4.8米，宽2.6米，深0.6米。测量设备也已完成制作。3个由电动机用来控制测量设备的速度和位置，6个测压仪用来测量底部压力和牵引力。

　　测试样机功效的研究在一个长56米，宽30米，深4.5米的水池中进行。准确地测试履带器的功能，需要在一个露天的大水池中进行。测试机是按照利用电动液压驱动形式设计的测试机的基础设计包括以下子系统和或组成部分：

　　测试机的制造与使用计划定于2000年底。

　　提升技术

　　研究开发项目的第一阶段（1994－1996年）进行了提升泵水流特点的基础研究与调查。根据在垂直管道中两相流（固体－液体）和三相流（固体－液体－气体）的分析模式，完成了计算机模拟稳定水流和非稳定水流的程序设计。

　　开发出的电脑指令程序被用来进行提升系统的可行性研究和概念性设计。通过对稳定流的分析，对商业开采规模的水力和气力提升系统所需要的电量做了估算。并对最佳设计参数如管内经、流速和结核浓度等进行了调查研究。

　　通过对非稳定水流的分析，获得了安装泵的深度、充气的位置，气力提升系统管道最佳直径和分离器的设计参数。

　　在第二阶段（1997－1998年），我们在实验室中建造了一个小规模的两相流的实验设施。流体形式通过改变结核的浓度、结核直径和管道内径来检测。实验结果将用于验收已开发的计算机程序。

　　近海油气工业带动着海洋工程技术的开发，尤其是提升技术和动力定位系统（DPS）使得开发深水油田成为可能，对于500米水下多金属结核的商业采矿来说，近海石油工业技术也可利用在一些极端高深复杂的系统中。集成采矿操作技术研究开发包括以下内容：

　　提升管道的动态模拟要从水下5000米采集结核，提升管道的可靠性和动态情况是非常重要的。提升管道在整个采矿系统中起着主动脉的作用，它不仅要将多金属结核提升到水面，还要提供对动力电缆和信号传输缆的支持作用。

　　为了提升管道和软管的动态模拟开发了三维计算机程序即OMPA3，OMOA3的时域程序被用在：

　　采矿船的动力定位和路线跟踪KRISO在过去的几年中着力进行了动力定位控制程序和模型测试技术的开发。在一个长56米，宽30米，深4.5米的长方形水池中建造了一套用于动力定位系统模型测试的试验系统。

　　并模拟海洋环境条件、多方向不规则波浪、水流和风。这个试验系统是设计用来进行路线跟踪试验和定位试验的。

　　今后的计划

　　要达到国家研究开发项目提出的最终目标，即在2003年以前完成采矿中试系统的设计，这需要各研究机构之间充分的合作和将实验室技术升级为中期规模所需技术的转化过程。中期规模的过渡对深海采矿技术的研究开发战略极为重要，在实验室中获得的技术成果都必须适应深海底的压力条件、集成程度、远程操作的控制能力，操纵系统，可发出指令的电讯系统的复杂性。

　　在研究开发项目的剩余阶段，国家的工作和投资将着重于以下几个方面：

　　韩国政府近期正在计划第二个长期项目，它将确定完成区域放弃后深海矿产资源的开发计划和战略作为研究水下采矿起步较晚的国家，韩国希望通过与其它先驱投资者的合作共同降低风险，减少高额投资的负担。

　　考虑到技术升级和海上试验所需投入将迅速增长，韩国非常愿意在中试之前的过渡阶段与其他先驱投资者进行合作。与具有相似采矿设想和/或研究工作处于可比阶段的先驱投资者之间的合作将对双方都是最有成效的。

（丛摘）