海底採礦技術
正文
開採海底礦產資源所使用的方法、裝備和設施。海底礦產資源種類繁多、狀態各異、分布廣闊、埋深懸殊，開採的方法和使用的裝備也不盡相同。海底採礦技術一般分表層礦開採和基岩礦開採兩大類。表層礦大都呈散粒狀或結核狀存在於海底各類鬆散沉積層中，例如分布在海濱的磁鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、錫砂、鋯石、金紅石、獨居石、金、鉑、金剛石等重砂礦和砂、礫石等；分布在近海底的磷灰石、海綠石、硫酸鋇結核、鈣質貝殼和砂、礫石等；分布在深海底的錳結核、多金屬軟泥、鈣質軟泥、矽質軟泥、紅粘土等。基岩礦是指存在於海底岩層和基岩中的礦產，如非固態的石油、天然氣和固態的硫磺、岩鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫、重晶石等。
在開採海底礦產之前，須查明所採礦床的分布範圍、面積、埋深、儲量、品位以及當地自然條件和海陸運輸能力等。在此基礎上，根據礦產的形態選擇合適的開採方法、裝備和設施。
海底表層礦開採 由於深海與淺海採礦技術的難度不同，因而分為兩種。
海灘、近海底礦的開採 露出水面的海濱砂礦，通常採用露天開採方法。陸地上使用的挖掘機械，如拉桿電鏟、鋼索電鏟、推土機等都可用於海濱砂礦的開採作業。水面以下砂礦床的開採，目前作業水深大多在30～40米範圍內,使用的採礦工具有4種：鏈斗式採礦船、吸揚式採礦船、抓鬥式採礦船和空氣提升式採礦船(圖1)。前3種的構造和工作原理與挖泥船類似（見海上疏浚）。空氣提升式採礦裝置由氣管、氣泵和吸砂管等部分組成，氣管與吸砂管的中部或下端相連通，作業時將吸砂管下端靠近砂礦床，啟動氣泵，壓縮空氣使吸砂管內產生向上流動的摻氣水柱，從而帶進砂礦固體顆粒，連續壓氣就可達到採礦的目的。這種裝置的缺點是作業水深增加時，壓縮空氣的成本費呈指數倍增長。 此外，70年代以來還發展了一種海底爬行式採掘機，可以載人潛到海底作業，所需空氣和動力由海面船隻供應。如義大利製造的C-23型潛水挖砂機的作業水深達70米,能在海底挖掘寬5米、深2.5米的溝，每小時前進140米，挖砂230立方米。
深海礦開採 目前最有開採前景的深海底表層礦，是深海錳結核和多金屬軟泥。
深海錳結核已被公認為是一種具有商業開採價值的礦產資源，近20年來主要在研製低成本、高效率的採礦裝置。由於錳結核鬆散地分布於深海大洋底表層，關鍵問題是需要找到一種合適的垂直提升裝置。目前公認最有希望的有 3種：鏈斗式採礦裝置、水泵式採礦裝置和氣壓式採礦裝置。鏈斗式採礦裝置是在高強度的聚丙二醇脂繩上每隔25～50米安裝一個採礦戽斗，開採時船首的牽引機帶動繩索，使戽斗不斷在海底拖過，挖取錳結核並提升到船上。1970年 8月日本已在太平洋水深4000米處成功地進行了試驗。氣壓式採礦裝置，是將集礦頭置於洋底，開動船上的高壓氣泵，高壓空氣沿輸氣管道向下,從輸礦管的深、中、淺三個部分注入,在輸礦管中產生高速上升的固、液、氣三相混合流，將經過篩濾系統選擇過的結核提升至採礦船內，提升效率約30～35％。水泵式採礦裝置，是將高效的離心泵放在輸送管道中間的浮筒內，浮筒內充以高壓空氣，支撐離心泵和管道浮在水中。由於高效離心泵的作用而產生高速上升的水流，使錳結核和水一起沿管道提升至採礦船內。
多金屬軟泥也是一種具有開採價值的深海底礦產資源。聯邦德國已研製成功一種開採紅海多金屬軟泥的裝備，即在採礦船下拖曳一根2000米長的鋼管柱，柱的末端有一個抽吸裝置。裝置內的電控擺篩能攪動象牙膏狀的軟泥，通過真空抽吸裝置、吸礦管，把含有海水的金屬軟泥吸到採礦船上來，然後經過處理並除去水分，最後即可獲得含有32％鋅、5％銅和0.074％銀的濃縮金屬混合物。
海底基岩礦開採 非固態的石油和天然氣開採 使用的開採工程設施主要為固定式平台，在平台上鑽井採集到油（氣）後，通過輸運系統送往岸上；水深較淺處也有用填築人工島進行鑽井採油（氣）的（見彩圖）；而在水深較大的海域，多套用浮式平台或海底採油（氣）裝置進行開採（見海上石油（氣）勘探及開發工程）。 固態的煤、鐵、錫等基岩礦開採 一般都從岸上打豎井，通過海底巷道開採；也有利用天然島嶼和人工島鑿井開採的（圖2）。使作業巷道與海水隔絕，從而與開採陸地同類礦藏的方法基本相似，所用機械設備也完全一樣。不同之處是海底硐、坑採掘多採用非爆破掘進法，因此影響採礦速度。但自20世紀70年代後,非爆破掘進速度已提高到每小時4.6米，這些採礦業有可能向遠離海岸的海區發展。
海底硫磺礦開採 通常採用井下加熱熔融提取法，先把加熱到350°F的海水用泵從邊導管注入硫磺礦層,使融化的硫磺液從內套管上升至一定高度，然後用空氣提升法採收。
海底鉀鹽礦和岩鹽礦開採 由於鉀鹽和岩鹽也是可溶性礦物，也可用溶解採礦法。其技術原理與開採硫磺礦相同，但一般都採取豎井開採。
海底重晶石礦開採 正在開採的美國阿拉斯加卡斯爾海濱礦離海岸1.6公里,礦脈在海底表土下15.2米。由於覆蓋層較薄，所以採取了水下裸露開採法，進行水下爆破，然後用採礦船採集炸碎的岩石。
發展概況 海底採礦已有一段歷史，如英國從1620年起就開始了海底採煤，但在20世紀60年代以前，海底採礦的規模小、範圍窄、離岸近。60年代以後，受到了人們的重視，特別是海底石油和天然氣的開發有了較快發展，深海錳結核和熱液礦床的開發也有迅速發展的趨勢。目前，全世界從海底開採出來的礦物產值以石油和天然氣占首位，達總產值的90％以上；其次是煤,占3～5％，砂礫和重砂礦占2％左右。中國目前正在開採的海底礦物有建築用的砂礫和鈦鐵礦、鋯石、獨居石、磷釔礦等重砂礦以及石油和天然氣等，也已從太平洋底取得了一定數量的錳結核。
