長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南長(zhǎng)沙 410012

國(guó)際海底區(qū)域蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，如多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等，被認(rèn)為是人類(lèi)未來(lái)最重要的接替資源。多金屬結(jié)核富含錳、銅、鎳、鈷等多種元素，受到國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注，研究程度很高，極具商業(yè)開(kāi)采前景。目前普遍認(rèn)為最具有工業(yè)發(fā)展前景的多金屬結(jié)核采礦工藝與方法為“海底履帶自行式水力采礦車(chē)采集-水力管道礦漿泵提升-海面采礦船支持”。由此可見(jiàn)，采礦車(chē)是整個(gè)多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)多金屬結(jié)核開(kāi)采作業(yè)最關(guān)鍵的部分。多金屬結(jié)核賦存于數(shù)千米深海底稀軟底質(zhì)表面，呈顆粒狀，海水壓力高達(dá)幾十兆帕，底質(zhì)條件復(fù)雜，電磁波及光波在水中迅速衰減，導(dǎo)致多金屬采礦車(chē)技術(shù)難度非常大。

1990 年，中國(guó)國(guó)務(wù)院將大洋多金屬結(jié)核資源勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目批準(zhǔn)為國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展項(xiàng)目[1]，有關(guān)單位開(kāi)始進(jìn)行多金屬結(jié)核采礦車(chē)的研究工作。經(jīng)過(guò)近 30 年的研究，多金屬結(jié)核采礦車(chē)研究從最初的單體功能到整機(jī)的實(shí)驗(yàn)室研究，從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)到撫仙湖試驗(yàn)，再到南海 500 m 海試，已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。

1 實(shí)驗(yàn)室研究階段

多金屬結(jié)核采礦車(chē)的作用是按規(guī)劃路徑在礦區(qū)稀軟底質(zhì)上行走，連續(xù)采集海底沉積物表面上的多金屬結(jié)核顆粒。采礦車(chē)必須能夠適應(yīng)深海底惡劣的工作環(huán)境以及復(fù)雜地形地貌，采集過(guò)程中能夠有效承載與防止沉陷，確定并避開(kāi)或越過(guò)行駛路徑上的障礙[2]。

多金屬采礦車(chē)主要由集礦機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等部分組成。中國(guó)多金屬結(jié)核采礦車(chē)研究始于“八五”期間，針對(duì)集礦、行走、破碎等各功能單元工作原理、合理結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，研制了各種模型機(jī)，展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，最終研制出了多金屬結(jié)核采礦車(chē)模型機(jī)。

1.1 集礦機(jī)構(gòu)

集礦機(jī)構(gòu)主要用于采集海底稀軟底質(zhì)表面的多金屬結(jié)核顆粒，應(yīng)具備采集效率高、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、攜帶沉積物較少等特點(diǎn)。按工作原理可以分為機(jī)械式、水力式、復(fù)合式 3 類(lèi)。由于機(jī)械式集礦機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，所以基本被淘汰[3]。

水力式集礦機(jī)構(gòu)的前后 2 排噴管距海底面一定高度，噴嘴相對(duì)斜向海底，噴嘴產(chǎn)生一定壓力的水射流沖向海底表面結(jié)核顆粒。前排噴嘴射流完成對(duì)結(jié)核的沖刷、松動(dòng)，并把結(jié)核推向后方，后排噴嘴射流擋住向后移來(lái)的結(jié)核，前后相對(duì)斜向的水射流共同作用形成上升水流，在上升水流帶動(dòng)下將結(jié)核從沉積物表面舉升到一定高度并進(jìn)入輸送通道口。輸送通道口布置有輸送噴嘴，輸送噴嘴射出的水射流形成一定負(fù)壓，使輸送通道口的結(jié)核沿通道繼續(xù)向上移動(dòng)[4]。

復(fù)合式集礦機(jī)構(gòu)由水力噴嘴與機(jī)械鏈條復(fù)合組成，利用水力噴嘴作為捕捉機(jī)構(gòu)將結(jié)核沖起，然后采用機(jī)械鏈條作為傳輸機(jī)構(gòu)將結(jié)核向上輸送。簡(jiǎn)而言之，就是用機(jī)械鏈條取代水力式集礦機(jī)構(gòu)輸送噴嘴的功能。復(fù)合式集礦機(jī)構(gòu)利用鏈條可以靈活地改變傳輸高度和距離，并在鏈條輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)逐步脫泥。和水力式集礦機(jī)構(gòu)相比，其所需功率略低，但鏈條傳輸機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量較大，運(yùn)行可靠性較低。

我國(guó)“八五”期間進(jìn)行了水力式、機(jī)械式和復(fù)合式 3 種集礦機(jī)總體方案及工作原理、合理結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的試驗(yàn)研究，成功研制出具有國(guó)際先進(jìn)水平的水力式和復(fù)合式 2 種集礦模型機(jī)[2]。長(zhǎng)沙礦山研究院于 1996 年研制的復(fù)合式集礦機(jī)構(gòu)主要技術(shù)性能為[1]：額定生產(chǎn)能力為 5.2～ 8.4 t/h，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結(jié)核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 0.95 m/s。長(zhǎng)沙礦冶研究院于同年研制成功的水力式集礦機(jī)構(gòu)技術(shù)性能與上述復(fù)合式集礦機(jī)構(gòu)基本一樣。

1.2 行走機(jī)構(gòu)

多金屬結(jié)核采礦車(chē)行走機(jī)構(gòu)主要作為一個(gè)承載平臺(tái)，搭載集礦機(jī)構(gòu)、破碎裝置、液壓和電控系統(tǒng)等單元，并能在預(yù)定作業(yè)區(qū)域按一定的規(guī)劃路徑行駛。行走機(jī)構(gòu)須具有牽引力大、承載能力強(qiáng)、海底擾動(dòng)小、攜帶沉積物少、能耗低、集礦效率高等特點(diǎn)，并具備自動(dòng)避障、預(yù)定軌跡跟蹤和防沉陷等能力。

作為通用自行走機(jī)構(gòu)，履帶行走機(jī)構(gòu)于 1972 年開(kāi)始進(jìn)行海底行走試驗(yàn)。履帶接地面積大，產(chǎn)生的牽引力大，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的較低接地比壓，承載大負(fù)荷。底質(zhì)承載能力越低，履帶的優(yōu)越性越明顯。同時(shí)，履帶的可行駛性和操作性較好，容易跨越或繞過(guò)海底障礙，對(duì)海底底質(zhì)擾動(dòng)較小，能很好地滿足稀軟海底底質(zhì)行走的要求。所以履帶行走機(jī)構(gòu)成為多金屬結(jié)核采礦車(chē)首選的行走方式。

履帶行走機(jī)構(gòu)基本參數(shù)由接地比壓、行走速度、最大牽引力等來(lái)確定。接地比壓取決于沉積物的承壓強(qiáng)度。海底表層以下 10～ 15 cm 處剪切強(qiáng)度急劇增加，從 3 kPa 上升到 10 kPa，超過(guò) 15 cm 以后有一段平穩(wěn)值，所以壓陷深度定在小于 15 cm 較為適宜。行走速度是影響采礦效率的重要因素。根據(jù)國(guó)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在結(jié)核礦石粒徑分布均勻條件下，行走速度不大于 1 m/s 時(shí)，采礦效率最高；當(dāng)大于 1 m/s 時(shí)，牽引力隨行走速度提高而明顯增大。最大牽引力由土壤的抗剪強(qiáng)度所決定。履齒的作用很顯著，改善履齒形狀和大小可大大增強(qiáng)履帶車(chē)在黏性土壤的可行駛性[5]。通過(guò)對(duì)不同齒距、齒高和齒形的履帶進(jìn)行牽引力和壓陷深度的試驗(yàn)，為履帶車(chē)的設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)，并建立了履帶車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)模型[6]。

1.3 整機(jī)

在復(fù)合集礦方式和履帶自行走裝置的基礎(chǔ)研究和原理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)研制出了多金屬結(jié)核采礦車(chē)模型機(jī)。采礦車(chē)模型機(jī)外形尺寸為 4.6 m×3.0 m×2.1 m，整機(jī)質(zhì)量為 8 t，水下排水量為 4 t，牽引功率為 35 kW，行駛速度為 0～0.8 m/s，爬坡能力為15°，越障高度為 0.5 m，越溝寬度為 1.0 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 15 m。行走底盤(pán)采用雙浮動(dòng)懸架和橫向擺動(dòng)梁，以及近似漸開(kāi)線高齒橡膠履帶。實(shí)驗(yàn)室水池試驗(yàn)結(jié)果表明，采集結(jié)核粒徑為 2～10 cm，采集率 ＞80%，沉積物分離率 ＞ 85%，行走平穩(wěn)，直線性好，主要技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到同時(shí)期室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)世界最先進(jìn)水平[7]。

2 湖試階段

“九五”期間，中國(guó)研制出多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)的采礦車(chē)，如圖 1 所示[8]。該采礦車(chē)額定生產(chǎn)能力為 30 t/h，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結(jié)核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 1 m/s，采礦車(chē)集礦寬度為 2.4 m，整機(jī)質(zhì)量為 30 t，水下排水量為 15 t，外形尺寸為 9.5 m×5.3 m×3.2 m[1]。

研制該多金屬結(jié)核采礦車(chē)過(guò)程中，中國(guó)與法國(guó)自動(dòng)控制公司進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性技術(shù)合作[6]。中方負(fù)責(zé)采礦車(chē)及其控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、采礦專(zhuān)有技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)制造、監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)、發(fā)電與配電設(shè)備的設(shè)計(jì)和配套；法國(guó)自動(dòng)控制公司負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與檢測(cè)儀表、通用配套軟件平臺(tái)的施工設(shè)計(jì)與制造，以及整機(jī)的集成調(diào)試。

該采礦車(chē)采用水力集礦機(jī)構(gòu)，前后雙排噴嘴及輸送噴嘴水射流分別由 2 臺(tái)功率為 15 kW，流量為 500 m3/h，壓力為 0.05 MPa 水泵提供。水力集礦機(jī)構(gòu)通過(guò)平行四連桿機(jī)構(gòu)與作業(yè)車(chē)相連，采用液壓缸調(diào)節(jié)前后排噴嘴離地高度和傾角。履帶采用尖三角金屬高齒和工程塑料履帶板，由液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，速度由變量液壓泵調(diào)節(jié)，總牽引功率為 160 kW。通過(guò) 21 m3浮力材料將采礦車(chē)接地比壓調(diào)節(jié)到 5 kPa。采礦車(chē)布放著底方位角通過(guò) 2 臺(tái) 1.3 kN 推力螺旋槳來(lái)控制調(diào)整。整個(gè)多金屬結(jié)核采礦車(chē)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源由 2 臺(tái) 175 kW 高壓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng) 2 臺(tái)主變量液壓泵和 4 臺(tái)輔助定量液壓泵來(lái)提供。行走履帶和螺旋槳馬達(dá)為閉式液壓回路，電液比例閥控制，其余為開(kāi)式回路。水泵馬達(dá)用調(diào)速閥改變轉(zhuǎn)速[7,9]。

多金屬結(jié)核采礦車(chē)試驗(yàn)選擇在云南撫仙湖西北區(qū)水深為 80～150 m 的區(qū)域進(jìn)行，通過(guò)對(duì)撫仙湖底質(zhì)剪切強(qiáng)度和承載能力測(cè)試，選定近似于深海底沉積物特性區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，并在選定試驗(yàn)區(qū)鋪撒 300 t模擬結(jié)核。2001 年 8—9 月，開(kāi)展了采礦車(chē)的下放回收、行駛性能、集礦等多項(xiàng)試驗(yàn)，最終成功地將鋪撒在 130 m 深湖底的模擬結(jié)核采集輸送到湖面試驗(yàn)船上，共收集到模擬結(jié)核 900 kg[1]。

多金屬結(jié)核采礦車(chē)撫仙湖試驗(yàn)打通了多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)工藝流程，驗(yàn)證了我國(guó)大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)技術(shù)的可行性，為下一步淺海試驗(yàn)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，湖試過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題，如由于采礦車(chē)體積和質(zhì)量大，因履帶打滑而陷入湖底無(wú)法行走；由于自身和外部環(huán)境等因素，采礦車(chē)在軟底質(zhì)上行駛控制難度較大，現(xiàn)有人工控制效果不夠理想。同時(shí)，在湖底行走距離和采集作業(yè)時(shí)間有限，關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證不夠充分[9]。

3 海試階段

鯤龍 500 多金屬結(jié)核采礦車(chē) (見(jiàn)圖 2)由長(zhǎng)沙礦冶研究院牽頭完成，采礦車(chē)額定生產(chǎn)能力為 10 t/h，總功率為 60 kW，采集率≥80%，脫泥率≥85%，采集結(jié)核礦石粒徑為 2～ 10 cm，采集行駛速度為 0～ 1 m/s，采礦車(chē)集礦寬度為 0.8 m，整機(jī)質(zhì)量為 9.5 t，水下排水量為 8.0 t，外形尺寸為 5.4 m×3.5 m×1.9 m。它具有海底稀軟底質(zhì)行駛、海底礦物水力自適應(yīng)采集、海底綜合導(dǎo)航定位等功能，能夠按照規(guī)劃路徑行駛并自適應(yīng)采集礦石。

圖2 鯤龍 500 采礦車(chē)Fig.2 Kunlong 500 mining vehicle

鯤龍 500 采礦車(chē)主要由水力式集礦機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、車(chē)體、液壓系統(tǒng)、方向調(diào)整機(jī)構(gòu)、浮力材料等組成。其水力集礦機(jī)構(gòu)采用水泵與相關(guān)噴嘴管道直連提供射流水源。水力集礦機(jī)構(gòu)設(shè)置有離地高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)與離地高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過(guò)離地高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)水力集礦裝置離地高度的實(shí)際值，離地高度調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)離地高度實(shí)際值按照預(yù)設(shè)控制策略作出相應(yīng)的響應(yīng)，使水力集礦裝置的離地高度維持在一個(gè)合適的區(qū)間，實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)核采集率。履帶行走機(jī)構(gòu)通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)與車(chē)體連接，并且履帶行走機(jī)構(gòu)與車(chē)體間設(shè)置有履帶提升機(jī)構(gòu)。當(dāng)履帶行走機(jī)構(gòu)陷入海底淤泥時(shí)，可以通過(guò)履帶提升機(jī)構(gòu)提升履帶，提高履帶通過(guò)性。履帶板采用鋁鎂合金材料以減輕質(zhì)量，采用高履齒實(shí)現(xiàn)稀軟底質(zhì)穩(wěn)健行走，履齒為薄壁不銹鋼板折彎焊接結(jié)構(gòu)。通過(guò)慣導(dǎo) DVL 組合導(dǎo)航和聲學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定位及軌跡控制。整車(chē)通過(guò)在水力集礦裝置和車(chē)架上安裝浮力材料增大排水量。

鯤龍 500 采礦車(chē)海上試驗(yàn)區(qū)域位于中國(guó)南海北部上陸坡海域，水深為 500～600 m。由于水深 500 m 的海域沒(méi)有天然的多金屬結(jié)核，為了驗(yàn)證集礦系統(tǒng)的采集能力，在海上試驗(yàn)區(qū)域鋪撒模擬結(jié)核，模擬多金屬結(jié)核賦存狀況，為海試集礦系統(tǒng)提供采集對(duì)象。

該次海試歷時(shí) 49 d，分別搭載“長(zhǎng)和海洋”和“張謇”號(hào)試驗(yàn)船，按照由淺入深的原則，成功進(jìn)行了海試。海試中，鯤龍 500 采礦車(chē)共下水 11 次，其中 70 m 淺海試驗(yàn)下水 6 次，500 m 海試下水 5 次，海試中最大作業(yè)水深為 514 m，多金屬結(jié)核采集能力為 10 t/h，單次行駛最長(zhǎng)距離為 2 881 m，水下定位精度達(dá) 0.72 m，實(shí)現(xiàn)了自主行駛模式下按預(yù)定路徑進(jìn)行海底采集作業(yè)的能力，在中國(guó)南海預(yù)定海域行走出一個(gè)單邊長(zhǎng)度為 120 m 的“中國(guó)星”。

這是我國(guó)首次開(kāi)展 500 m 級(jí)水深海底多金屬結(jié)核集礦系統(tǒng)連續(xù)集礦行走試驗(yàn)，創(chuàng)造了歷史新紀(jì)錄。鯤龍 500 采礦車(chē)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，海試的成功表明我國(guó)多金屬結(jié)核采礦車(chē)關(guān)鍵技術(shù)均獲得突破，已初步掌握了多金屬結(jié)核集礦系統(tǒng)的核心技術(shù)，標(biāo)志著我國(guó)深海采礦系統(tǒng)研發(fā)由陸上試驗(yàn)全面轉(zhuǎn)入海上試驗(yàn)，也為我國(guó)“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”1 000 m 級(jí)整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)深海多金屬結(jié)核采礦車(chē)的發(fā)展主要經(jīng)歷了 3個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要開(kāi)展采礦車(chē)單體功能與整車(chē)研究與開(kāi)發(fā)；湖試階段，通過(guò)湖試來(lái)模擬深海工作環(huán)境，對(duì)采礦車(chē)工藝流程與技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；海試階段，通過(guò)海試更進(jìn)一步驗(yàn)證采礦車(chē)關(guān)鍵技術(shù)。

從國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益和當(dāng)前發(fā)展的需要看，開(kāi)發(fā)海底礦產(chǎn)資源，建立新的礦產(chǎn)資源供給來(lái)源，是一種必然的選擇。我國(guó)多金屬結(jié)核采礦車(chē)技術(shù)經(jīng)過(guò) 30 年的發(fā)展，極大地縮小了與國(guó)外的技術(shù)差距，但距商業(yè)開(kāi)采的要求還有一定差距，需要加快相關(guān)研究。