深海礦產資源開采及揚礦技術運用
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摘要：為有效解決深海多金屬結核開采中海洋地質資源勘探技術落后，海底各類風險預測熟練程度不足，海洋資源可持續性利用設計不完善等問題，提出了深海條件下的揚礦技術，并對礦漿泵提升、清水泵提升、射流泵提升和氣舉泵管道提升技術進行了詳細介紹和對比分析。結果表明，礦漿泵提升技術綜合效率最高能達到50%，而且工藝簡單，是目前最具市場前景的揚礦技術，具有一定的研究推廣價值。
關鍵詞：深海礦產；資源開采；揚礦技術
隨著當前工業4.0時代來臨，海洋礦產資源已成為廣泛關注的焦點之一。中國開發的海洋礦產資源主要包括天然氣、石油、濱海砂礦、多金屬結核和天然氣水合物等，而且蘊藏豐富，據不完全統計，中國海洋石油儲量和天然氣儲量分別占到全國總儲量的23%和28%，濱海砂礦資源中多金屬結核儲量約1.0×108t[1]。但由于開采技術落后，海洋礦產資源利用率還非常低，無法滿足資源利用及可持續發展要求。因此有必對深海采礦技術進行研究，滿足對海洋資源不斷增長的需求。
1海洋礦產開采存在的問題
海洋礦產資源儲量豐富，其中價值最高的是大洋多金屬結核。目前中國已取得了東太平洋和西南印度洋2個國際海底共計85000km2的專屬勘探權和優先開發權，如圖1所示。目前多金屬結核開采主要存在三方面問題：a)海洋地質資源勘探技術較為落后，缺乏配套的勘探設備，特別是對多金屬結核資源勘探程度不足，資源回收程不高。b)開采難度大，對海底存在的風、浪、洋流預測程度不足，開采設備耐腐蝕性差，無法滿足海底作業要求[2]。c)海洋資源利用的可持續性不高，頂層設計不到位，只注重資源開采，缺乏對應的環境保護措施，造成海洋生態污染和不可恢復性破壞。
2揚礦技術系統
揚礦技術是將海底錳結核吸揚、提升到海面上來的施工技術，是海洋礦產資源開采的主要技術。目前常用的揚礦技術包括礦漿泵提升技術、清水泵提升技術、射流泵提升技術和氣舉泵管道提升技術。
2.1礦漿泵提升技術
礦漿泵提升技術原理如圖2所示。如圖2所示，礦漿泵提升工藝包括礦漿泵、中繼倉、浮體和采礦車等主要部分。現場采礦時，首先由采礦車將多金屬結核收集，經浮體牽拉的軟質管道傳輸至中繼倉，在礦漿泵的持續作用下，多金屬結核經揚礦硬管管道輸送至采礦船。該技術工藝簡單，結核提升量大，而且輸送期間結核磨損小，具有廣闊的市場前景和發展空間。目前中國主要使用的是轉速1500r/min、揚程120m、流量800m3/h的4級揚礦泵，能夠滿足1000m結核水中揚礦工藝的基本要求[3]。
2.2清水泵提升技術
如圖3所示，清水泵提升工藝主要包括采礦船、礦倉、給料機、清水泵、采礦車、浮體等主要部分。與礦漿泵提升工藝相似，該技術也是通過浮體將結核運輸至礦倉內。但清水泵工藝將泵體安裝在海底平臺，這樣在傳輸結核時，能夠有效防止結核通過泵體，從設計層面避免結核破碎粉化，提高揚礦效率。但因為工作位置較深，對泵體的選型、安裝和維護提出了更高要求。目前，該技術在洋流、氣候相對穩定，結核礦藏豐富區域應用較多。
2.3射流泵提升技術
射流泵提升工藝包括礦倉、射流泵、給料機、礦倉、采礦車等主要部件，其主要是在泵體外串聯了多個射流裝置，為錳結核的輸送提供了動能。該技術揚礦管道內無動力設備，工藝簡單，輸送方便可靠，但效率較為低下，最大不超過10%[4]，而且需要多級射流泵串聯作業，效率更低。
2.4氣舉泵管道提升技術
如圖4所示，氣舉泵管道提升工藝主要由采礦船、空氣壓縮機、尾礦排放管、空氣閥、空氣球、中間平臺和采礦車組成。結核提升時，首先通過壓氣管向中間平臺注入壓縮氣體，通過壓縮機和空氣閥的邏輯動作，利用壓縮空氣動能將管內錳結核傳輸至采礦船。該技術操作簡單，可靠性高，便于后期維護修理，但提升效率低，空氣壓縮時能耗較高，目前國內使用較少。
2.5揚礦技術對比分析
對上述四種提升技術進行對比，如表1所示。如表1所示，通過對比分析可知，礦漿泵提升技術綜合效率最高能達到50%，而且工藝簡單，是目前最具市場前景的揚礦技術，具有一定的研究推廣價值。
3結語
綜上可知，揚礦技術作為深海礦產開采的核心技術，越來越受到關注。而礦漿泵提升技術綜合效率高，工藝簡單，后期維護方便，已成為當前的研究重點。目前要重點突破的技術難題是如何提升礦井泵的工況參數，延長礦漿泵的使用周期，減少海洋環境污染，為中國深海礦產的大規模商業化開采提供技術思路。
參考文獻：
［1］高亞峰.海洋礦產資源及其分布［J］.海洋環境保護，2009(1)：13-15.
［2］陽寧，陳光國.深海礦產資源、開采技術的現狀綜述［J］.礦山機械，2010，38(10)：4-9.
［3］肖林京，方媚，張文明.大洋多金屬結核開采研究進展與現狀［J］.金屬礦山，2000(8)：11-14.
［4］簡曲，成湘圳.大洋多金屬結核資源開發的回顧與展望［J］.中國礦業，1996，5(6)：14-18.
作者:寧卓 單位:天津國土資源和房屋職業學院