海底富钴结壳开采设备设计地质工程参数及结壳分布特性

（日本 Tetsuo Yamazaki 美国 Jin S.Chung 日本 Katsuya Tsurusaki）

    一、引言：

    赋存于太平洋海山上的富钴结壳矿床被认为是下个世纪潜在的钴的来源（Halbach，1982；Cronan，1984；Manheim，1986）。富钴结壳不仅发现于海山上，而且发现于海岛的岛坡上（Halbach and Manheim，1984；Cronan et al.，1991），从浅水陆坡到深海海盆都有铁锰的沉积，但是小于2500米的浅水区为富钴沉积，大于2500米的深水区为富镍沉积，如深海锰结核（Halbach and Manheim，1984）。近年来，日本白令丸2号在北太平洋马库斯岛附近开展了大量的富钴结壳调查，调查结果表明富钴结壳不仅沉积于海底的表面、缓平和陡峭的海山坡，而且还埋藏于钙质沉积层之下（Yamazaki et al.，1993b）。有人估计调查区域可供回收的储量约为以往估计储量的3－5倍（Yamazaki et al.，1993）。但是目前用于开采系统设计的富钴结壳地质工程参数的文献资料却很少，仅仅发表了海底微地形特征和开采系统概念设计的文章（Morgan et al.，1988；Yamazaki et al.，1992；Chun，1994；Chung et al.，1994a；Chung et al.，1994b）。

    不同矿床需要不同的开采系统，本文只介绍结壳开采系统。Yamazaki于1993年撰文介绍了暴露于海底表面的结壳以及浅埋的结壳巨大的储量情况，但是，目前除结壳分布特性以外，仍没有关于结核、砾石和底层等工程设计方面的充分资料。

    近期的研究仅在局部区域获得了详细的地质工程参数和结壳分布特征参数（Yamazaki et al.，1990，1993a and b，1994a and b），但是仍然没有找出它们之间的相互关系，需要进行数据的重新测定来取得一些新发现和新结果。有关开采系统设计方面的参数要求应当在数据的重新测定中给予充分考虑。

    二、地质工程特性

    1、结壳采矿区域

    结壳、结核以及沉积物的海底地形特征不仅是采矿系统设计的最重要的参数，而且是选择采矿区域的最重要的参数。它们沿调查测线在海底表面的典型分布以及覆盖率的分析可以参阅Yamazaki等1994年的论文。从测线调查的数据看，坡度为0°－4°的区域为贫结壳区，4°－7°时结壳与结核共生区，7°-10°的区域为过度区，当坡度在15°以上时，结壳覆盖率很大。

    有关浅埋结壳和结核的数据是白令丸2号调查船利用大直径重力取样在北太平洋马库斯岛附近的5座海山上得到的（见表1）。50个重力取样分别在特别选定的沉积物较少的区域进行。浅埋结壳和结核的存在，在13个重力样中得到了直接验证。另外，结壳与结核的存在还从其它现象得到了印证：取样管齿受到损坏、部分结壳碎块被取样管齿获取、11个取样站位同时获得的海底照相。对样品的分析表明浅埋的结壳和结核广泛地分布于海山的顶部和上部斜坡上。

    详细的海上勘查更进一步证明了浅埋结壳的存在。为了分析结壳的覆盖率，在海底测线的附近布置了10个重力取样站位（图 2），这10个站位中5个有浅埋结壳、2个有暴露的结壳。在另外3个站位中，2个取到了结核、l个只取到了沉积物。在5个浅埋的结壳样品中，3个在结壳之上还伴有结核，另外2个则只覆盖着沉积物。这些重力取样结果和海底观测结果相一致。海底测线从海山的顶部一直延续到海山上部斜坡，这一测线穿过海山斜坡的较陡区域，但海山的顶部和边缘总体来说是平缓的。这10个站位分布在海山的顶部和边缘。

    浅埋结壳区、贫结壳区、结壳结核共生区、过度区的坡度为0-15°，它们都是潜在的采矿区域。平坦和缓坡（例如＜ 5°）并且较少沉积物的区域是有利于采矿机行走的区域，但坡度更大的区域将对采矿机行走机构的设计是一个挑战。

    2、微地形分布特征

    结壳区域微地形的波动情况是采矿设备行走机构和采掘机构设计的一个重要参数。开发出来的立体摄影测量技术被用来搜集和分析结壳区域微地形波动数据（Yamazaki et al.，1994 a）。测量结果表明，微地形波动与立体摄影结果相互对应，测得的地形波动从几厘米到几米不等，摄影的距离一般为3－4米。

    值得注意的是，大部分结壳表面的起伏来自于基岩的起伏变化，结壳的平均厚度为10厘米，另外，结壳的覆盖率和区域内较大的地形波动也是非常值得注意的。在海山的顶部和边缘，立体摄影测量的地形波动从几厘米到不足1米，这一波动范围，除一些梯田地形外，占具区域的绝大部分。在海山的斜坡上，总的趋势是阶梯式的，因此斜坡上地形波动总是非常大。

    3、海山沉积物地质工程特性

    与富钴结壳共存的海山沉积物的地质工程特性是开采系统设计重要的参数之一（Yamazaki et al.，1993 a）。沉积物的粘性特征为采矿机的设计制造了很多麻烦，因为采矿机必须在沉积物上行走并且在采掘浅埋的结壳之前首先剥离沉积物（或直接采掘）。

    对粘土沉积物测量的结果（表 2）表明，沉积物具有高粘性（14－40Ka）和小内摩擦角（3.l°－18.5°）。这是对50个重力取样中的9个沉积物柱状样的测量结果，实验中这9个柱状样又被细分成26个测试样，其中9个被选做进行粘性测量和内摩擦角测量。这9个样品根据其粒级组成不同被分成砂泥样、亚粘土样、粘土样三种，它们的共同特点是都属于粘性沉积物。其它8个同类沉积物样品的粘性和内摩擦角没有进行测量，但从它们的粒级组成和含水量判断，其结果会与上述9个样品的测量结果类似。沉积物的剪切强度随深度的变化略有增加，因为切向摩擦角随内部压力或轴向压力的增加而增加。但粘度（定义为沉积物表面剪切强度）本身则取决于沉积物自身的粒级分布。

    最后9个样品归类为粉质沙泥，它们的粘性小、内摩擦角大。利用常规的仪器无法测定它们的粘度和内摩擦角。沉积物的剪切强度随深度的增加而增大。但对沙质沉积物来讲，它们产生的问题较少，因为在1米深处估计剪切强度最大只有10Kpa。

    粘性沉积物在富钴结壳上的覆盖程度以及沉积物的敏感性系数也是采矿机设计的重要参数。沉积物的敏感性系数定义为原始剪切强度与扰动剪切强度的比值。在26个沉积物样中，大约三分之二，即17个可以用来测量地质工程特性。以前的研究结果表明，具有类似粒级分布的沉积物敏感性系数测量结果的变化范围为5－10（Lee，1976），而现在测量结果只有一个站位样品（C－LC27－c）的敏感性系数达到了为5，因为在取样管插入沉积物时重力样受到了扰动。如此高的敏感性系数将会缓解沉积物的粘性引起的问题。敏感性系数的现场测量工作仍有待继续深化。

    作为估计沉积物对采矿机运动阻力的重要参数，静摩擦系数在砂泥和亚粘土沉积物中的测量数据均为0.35（Yamazaki et al.，1993 a）。

    4、富钴结壳及其基岩的地质工程特性

    一些地质工程参数，如富钴结壳的强度、厚度，基岩的强度等，是设计采掘机构的重要参数，测量和辨识结壳和基岩的分界面也非常重要。

    在采矿机设计时，可以假设结壳层的厚度是10cm。因为取样测得的结壳平均厚度和重力取样得到的结壳的平均厚度为8cm，而实际采矿选择的矿区结壳的厚度应高于这一平均厚度。结壳与基岩的分界面在大多数情况下无法清楚的分辨。在21个样品中，只有2个结壳样品带有基岩，19个仅含有结壳层。没有基岩的结壳样品厚度只有7cm。这些情况表明，目前尚不具备足够的样品信息来界定结壳与基岩的界面。当结壳的强度与基岩的强度接近时问题就更大，因为它们之间的分界面就根本无法确定。

    从现场测量结果看结壳的压缩强度σc和基岩的压缩强度σs是不同的。利用拖网得到的结壳和基岩的压缩强度变化很大，而且它们之间的相互重叠也高达σ≤18 Mpa（Yamazaki et al., 1990a）。这样的结果可能并不反映现场的实际情况。拖网得到的样品很有可能是一些松动的结壳和基岩（Yamazaki，1990）。另一方面，从重力取样得到的现场测量结果更明确地说明了问题（Yamazaki，1995），重力取样插入结壳的平均深度大于5cm，有时深度达到7cm，但有时只有3cm。21个重力取样样品中，只有2个取到了结壳下的基岩。在重力取样设备的模型试验时，取样管的结壳取芯长度分别为3cm和1.5cm。它们的压缩强度分别为σc＝20－38Mpa（Yamazaki et al.，1995）。

    根据拖网样、重力样、模型试验取样的测量结果，结壳和基岩的强度可以描述如下：

    * 结壳的压缩强度为σc15Mpa（拖网样的最大数据），模型取样结果为σc≤20 Mpa

    * 基岩的压缩强度为σs＞20 Mpa（模型试验结果），实际压缩强度为σs＞30 Mpa （拖网样的最大数据）

    三、采矿机设计参数与讨论

    l、采矿机功能

    结壳采矿机系统应具有如下功能：

    * 灵活性

    * 运动轨迹保持和现场机动性

    * 结壳破碎功能

    * 去除结壳之上的沉积物功能

    * 高效采集结壳的功能

    * 在海底陡坡上的机动性

    * 破碎结壳以便进行垂直提升的功能

    * 输送结壳到提升管道的功能

    2、采掘海底的效率

    高效采矿系统最重要的一个指标是其采掘海底表面结壳的效率（Chung and Tsurusaki， 1994）。对于商业生产系统来讲，采矿机必须能够在平坦的海底乃至陡坡上高效地采掘结壳。这一效率是采矿机保持运动轨迹、采掘海底表面的函数。采矿机运动轨迹依靠控制系统的到保持，并最大限度地采掘海底表面、提高结壳采集率。结壳采集率取决于采矿机的大小和系统的效率，以及海底的地形、采矿机在平坦海底乃至海底陡坡上的机动性。海底陡坡的坡度是采矿机设计的另一个关案参数。不同的采矿机提升管道系统，可以使其保持行走轨迹的能力变化很大。

    3、地质与地质工程数据

    为了设计采矿机系统，需要更多的关于结壳、基岩以及沉积物的数据，特别是需要现场测量的沉积物强度特性数据和结壳与基岩界面的有关数据。

    4、海底表面

    * 海底一般地形及微观地形

    * 结壳、基岩、结核和沉积物的分布特征

    5、结壳与基岩

    * 结壳丰度状况

    * 海底坡度

    * 较长海浪的波动情况

    * 不规则结壳的尺寸与形状

    * 结壳与基岩的机械强度

    * 结壳的破碎

    * 结壳与基岩界面的辨识

    * 结壳提升准备

    6、沉积物

    * 覆盖于结壳上的沉积物厚度变化

    * 表层沉积物

    * 粘性与摩擦角

    * 地质工程特性

    比如，粘性沉积物的特性会给采矿机的设计带来很多问题，因为采矿机不仅要在沉积物上行走，而且还要在结壳上行走并在采掘浅埋的结壳之前去除沉积物。设计富钴结壳采矿机的基本参数可能与结核集矿机的基本参数完全不同（Chung et al.，1980）。例如，1994年Chung教授提出具有运行轨迹保持控制功能的复合系统在采集浅埋结壳、海底表面的多金属结核和赋存与800－2500米水深的结壳、基岩、沉积物混合物时将更具潜力。有一种结壳采矿系统利用水力的方法或者CLB方法收集海底的结壳碎块，利用CLB方法将采矿机收集的结壳碎块运送到提升管道，利用水力或气力的方法或CLB方法输送到海面。

    四、结论

    本文依据近年来了解的结壳、基岩和沉积物的地质工程特性初步界定了采矿机的设计参数。文章指出并讨论了设计采矿机系统所需的结壳、基岩和沉积物的基本参数要求，当然这些基本数据仍然需要更多的样品来进行更新，仍然需要进行大量的海上调查以提供更多的数据使采矿机系统的设计参数具体和明确。采矿机操纵性的动态仿真可以帮助开发有效的采矿系统。

（克用  译）