深海采矿系统水动力技术研究综述

深海采矿系统水动力技术研究综述

魏岳春

鄂尔多斯市东胜区能源局能源管理综合行政执法大队  内蒙古自治区鄂尔多斯市017000

摘要：海洋资源丰富，是21世纪世界经济和科技发展的焦点，也是经济全球化的重要影响因素。在国家层面，我国提出了“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，维护国家海洋权益，建设海洋强国”的发展目标。海洋产业的快速发展为深海采矿的发展提供了基础。在《中国制造2025》中，“海洋工程装备和高技术船舶”被列入十大重点发展领域，为深海采矿的发展奠定了良好的基础。

关键词：深海；采矿系统；研究进展；水动力技术；

一、深海采矿技术难点

1.海底矿区探测技术。海底地形复杂，大部分的深海矿产资源位于海平面以下3000m至5000m的水深，且地质复杂，其岩性从软泥变化到脆性岩壳等。需要探明海底的矿物富集情况，了解海底地形特征，对矿区的边界进行确定以明确整个矿区的范围，探测并确定海底的矿物丰度、矿泥比例等。在此基础上对海底矿区的地形地质等环境特征进行建模，规划采矿实施的路径，实现深海的视景仿真技术与实时图像处理等技术。

2.海底采矿技术。按照规划的采矿路径在海底的矿区表层行进，连续采集海底沉积的矿物，并对所采集的矿物进行一定的处理，包括矿物脱泥、矿物破碎等流程，处理完成后将矿物输运至扬矿系统。海底采矿系统集机械、电气、液压、控制、材料等技术于一体，海底采矿车需要在深海的恶劣环境、复杂地形地质条

件下作业，同时采矿车需要具备承载、作业处理、避障越障、防沉陷等功能。

3.矿物输运技术。将深海采集的矿物提升输运至水面母船，其作业水深达数千米，如何从6000m甚至更深的海底将矿物提升至水面需要考虑水下高压、海流、温差、腐蚀以及海面影响等因素。另一方面，从商业化采矿的工程实现的角度，矿物输运技术需要满足输运能力、输运效率、安全性、稳定性等要求。针对商业化采矿的管道提升式方案，矿物由管道输运，基于海洋油气工程中的立管与软管技术，需要考虑管体的结构设计技术以及海洋环境下的涡激振动问题。深海采矿系统的管道内的流体为矿物泥水的两相流，需要针对内部流动与外部海洋条件下的管道进行深入的设计、数值计算与试验模拟，形成适合深海采矿工程的矿物输运技术。

4. 吊放、装配、回收技术。吊放、装配、回收技术是深海采矿工程实现的关键技术，包括集矿设备的吊放下水技术、输运系统的下水技术、大长度的输运系统在水下的运动与受力模型、主动及被动式的补偿控制技术、吊放机构及自锁机构设计、水下机器人的辅助作业技术、集矿车与输运系统的回收等技术。

5.测控与动力技术。深海采矿的动力部分为整个系统提供动力支持，综合测控系统需要掌握各个子系统的实时信息，并具备满足系统安全与稳定性的控制、通讯、监测等功能。基于深海油气开发的测控、动力技术，开展深海采矿系统、输运系统、水面母船的测控及动力系统的方案设计与研究，保障整个深海采矿系统安全、稳定、高效地运行作业。

二、国内进展概况

我国关于深海采矿技术研究在国务院大洋专项的支持下于“八五”期间正式开展，原冶金部与中国有色金属工业总公司长沙矿冶研究院在中国大洋协会的组织下，针对水力式、复合式集矿方式以及水力式、气力式提升方式分别进行相关的技术研究与试验工作，在集矿、扬矿机理等方面取得一定的技术积累。我国研制了深海采矿局部试采系统，开发水面提升与水下联动模拟试验系统，开展230m水深的矿物提升试验，评估扬矿设备的可控性、协调性以及遥测系统的可靠性。国内在深海采矿领域的研究主要针对方案设计、子系统设计、样机研制与浅水条件下的模型试验。相关的研究机构、高校如长沙矿冶研究院、中南大学、武汉理工大学等在该领域开展了一定的研究工作。对于水面支持母船即采矿船的研究，较多地开展动力定位方面的研究，在总体设计方面的研究相对较少。针对海底集矿系统的研究较多，在集矿车的设计研制、集矿车的控制与越障避障等性能方面开展了深入的研究工作。对于提升系统，在其动力学特性方面开展了一些研究。对于提升管的纵向运动，考虑到水面母船的升沉运动影响，可应用海洋平台的升沉补偿装置来解决该问题，对于提升管的横向运动，考虑到海流的作用，以及水面船的漂移影响，通过数值模拟计算其运动响应，分析提升管的载荷与变形。在深海采矿系统的技术研究方面，国内与国外的技术水平相比还有较大的差距，且未达到商业化开发的要求。我国的海底采矿研究已开展相关的湖试，而国外的相关企业协同研究机构已开展了诸多的海洋实地试验。我国研制的扬矿系统还需进行深入的试验与改进，海底采矿机的采集与行进性能、复杂地形的适应性等还需进一步开展样机试验与验证。“蛟龙号”载人潜水器的成功研制与应用填补了我国在海底热液硫化物勘察方面的空白。

三、深海采矿系统中的水动力技术

1.水面母船的水动力性能。深海采矿系统水面母船基于海洋工程中的钻井船或钻井平台。考虑深海采矿对水面母船（平台）的稳性的要求，以及深海条件下复杂的海洋风、浪、流等环境载荷，需要分析水面母船在特殊海域海洋环境中的运动响应，以及母船运动特别是水面母船的升沉运动对软管的运动响应及应力的影响。此外，需要对深海采矿系统的升沉运动以及月池、立管、软管等结构的升沉补偿装置的特性进行分析。

2.提升系统中管道的动力学特性。深海采矿工程的输送系统主要为弹性软管，它连接水面母船与海底基础。软管系统需要满足安全与作业要求，其动力学特性的研究是技术的重点。针对深海采矿输送软管的动力特性开展研究，编制软管受力的计算机仿真软件。通过理论分析与数值仿真，得到预防或减小输送软管对集矿机不良影响的措施。采用三维流固耦合有限元模型，研究复杂海况下扬矿软管的初始平衡构形、空间位移、主应力等特性，分析外部海流速度、内部矿物流体的提升速度、屈服应力、粘性系数以及软管弹性模量等因素的影响。针对深海采矿提升系统的管道（软管）开展研究，提出一种便于在实验室开展的模拟系统方案，分析水面母船的水动力响应，提出升沉补偿方案，为扬矿管动力学特性的研究提供一个有效的试验模拟平台。

3.提升系统中管道的涡激振动。深海采矿系统的提升管道（软管）长度可达数千米的量级，需重点分析软管的涡激振动（VIV）。以1500m长的立管系统为研究对象，基于频域分析方法，对涡激振动的动力响应与疲劳损伤进行计算，给出短期流与长期流作用下的结果，随着立管系统顶张力的增大，其疲劳损伤率减小，同时均匀流流场下立管涡激振动的疲劳损伤率明显小于剪切流流场的情况。4.水面母船-管道-海底系统的稳定性。以我国深海采矿1000m海试系统方案为工程背景，针对整体系统开采作业过程的需要，提出海底履带式集矿机单刚体快速动力学仿真模型；基于深海采矿系统整体运动与约束的关系，形成整体系统的快速动力学仿真模型。通过分析、设计及仿真控制，实现整体开采作业方式的快速仿真，证明了集矿机采集路径的可行性以及整体系统纵、横向联动折返式作业方式的合理性，为深海采矿系统的海试以及商业化开采提供重要的技术参考。

总之，针对深海采矿系统的水动力技术研究进行论述，包括水面母船的水动力性能、提升系统管道的动力学特性、提升系统管道的涡激振动特性以及水面母船-管道-海底系统的稳定性，将为深海采矿系统的研发及工程应用提供一定的技术基础与参考。

参考文献：

[1]金宇.关于深海采矿系统水动力技术研究综述.2020.

[2]吕光国.深海矿产资源开采技术的现状与发展趋势.2019.