中国深海多金属结核采矿车研究的发展

长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室 湖南长沙 410012

国际海底区域蕴藏着丰富的矿产资源，如多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等，被认为是人类未来最重要的接替资源。多金属结核富含锰、铜、镍、钴等多种元素，受到国内外普遍关注，研究程度很高，极具商业开采前景。目前普遍认为最具有工业发展前景的多金属结核采矿工艺与方法为“海底履带自行式水力采矿车采集-水力管道矿浆泵提升-海面采矿船支持”。由此可见，采矿车是整个多金属结核采矿系统的首要环节，是实现多金属结核开采作业最关键的部分。多金属结核赋存于数千米深海底稀软底质表面，呈颗粒状，海水压力高达几十兆帕，底质条件复杂，电磁波及光波在水中迅速衰减，导致多金属采矿车技术难度非常大。

1990 年，中国国务院将大洋多金属结核资源勘探开发项目批准为国家长远发展项目[1]，有关单位开始进行多金属结核采矿车的研究工作。经过近 30 年的研究，多金属结核采矿车研究从最初的单体功能到整机的实验室研究，从实验室试验到抚仙湖试验，再到南海 500 m 海试，已经取得了巨大进步。

1 实验室研究阶段

多金属结核采矿车的作用是按规划路径在矿区稀软底质上行走，连续采集海底沉积物表面上的多金属结核颗粒。采矿车必须能够适应深海底恶劣的工作环境以及复杂地形地貌，采集过程中能够有效承载与防止沉陷，确定并避开或越过行驶路径上的障碍[2]。

多金属采矿车主要由集矿机构和行走机构等部分组成。中国多金属结核采矿车研究始于“八五”期间，针对集矿、行走、破碎等各功能单元工作原理、合理结构及工作参数进行了理论与试验研究，研制了各种模型机，展开了实验室试验，最终研制出了多金属结核采矿车模型机。

1.1 集矿机构

集矿机构主要用于采集海底稀软底质表面的多金属结核颗粒，应具备采集效率高、能耗低、结构简单、工作可靠、携带沉积物较少等特点。按工作原理可以分为机械式、水力式、复合式 3 类。由于机械式集矿机构较复杂，所以基本被淘汰[3]。

水力式集矿机构的前后 2 排喷管距海底面一定高度，喷嘴相对斜向海底，喷嘴产生一定压力的水射流冲向海底表面结核颗粒。前排喷嘴射流完成对结核的冲刷、松动，并把结核推向后方，后排喷嘴射流挡住向后移来的结核，前后相对斜向的水射流共同作用形成上升水流，在上升水流带动下将结核从沉积物表面举升到一定高度并进入输送通道口。输送通道口布置有输送喷嘴，输送喷嘴射出的水射流形成一定负压，使输送通道口的结核沿通道继续向上移动[4]。

复合式集矿机构由水力喷嘴与机械链条复合组成，利用水力喷嘴作为捕捉机构将结核冲起，然后采用机械链条作为传输机构将结核向上输送。简而言之，就是用机械链条取代水力式集矿机构输送喷嘴的功能。复合式集矿机构利用链条可以灵活地改变传输高度和距离，并在链条输送过程中实现逐步脱泥。和水力式集矿机构相比，其所需功率略低，但链条传输机构较复杂，质量较大，运行可靠性较低。

我国“八五”期间进行了水力式、机械式和复合式 3 种集矿机总体方案及工作原理、合理结构和工作参数的试验研究，成功研制出具有国际先进水平的水力式和复合式 2 种集矿模型机[2]。长沙矿山研究院于 1996 年研制的复合式集矿机构主要技术性能为[1]：额定生产能力为 5.2～ 8.4 t/h，采集率≥80%，脱泥率≥85%，采集结核矿石粒径为 2～ 10 cm，采集行驶速度为 0～ 0.95 m/s。长沙矿冶研究院于同年研制成功的水力式集矿机构技术性能与上述复合式集矿机构基本一样。

1.2 行走机构

多金属结核采矿车行走机构主要作为一个承载平台，搭载集矿机构、破碎装置、液压和电控系统等单元，并能在预定作业区域按一定的规划路径行驶。行走机构须具有牵引力大、承载能力强、海底扰动小、携带沉积物少、能耗低、集矿效率高等特点，并具备自动避障、预定轨迹跟踪和防沉陷等能力。

作为通用自行走机构，履带行走机构于 1972 年开始进行海底行走试验。履带接地面积大，产生的牵引力大，能够实现预定的较低接地比压，承载大负荷。底质承载能力越低，履带的优越性越明显。同时，履带的可行驶性和操作性较好，容易跨越或绕过海底障碍，对海底底质扰动较小，能很好地满足稀软海底底质行走的要求。所以履带行走机构成为多金属结核采矿车首选的行走方式。

履带行走机构基本参数由接地比压、行走速度、最大牵引力等来确定。接地比压取决于沉积物的承压强度。海底表层以下 10～ 15 cm 处剪切强度急剧增加，从 3 kPa 上升到 10 kPa，超过 15 cm 以后有一段平稳值，所以压陷深度定在小于 15 cm 较为适宜。行走速度是影响采矿效率的重要因素。根据国外的试验数据，在结核矿石粒径分布均匀条件下，行走速度不大于 1 m/s 时，采矿效率最高；当大于 1 m/s 时，牵引力随行走速度提高而明显增大。最大牵引力由土壤的抗剪强度所决定。履齿的作用很显著，改善履齿形状和大小可大大增强履带车在黏性土壤的可行驶性[5]。通过对不同齿距、齿高和齿形的履带进行牵引力和压陷深度的试验，为履带车的设计提供了可靠依据，并建立了履带车行驶动力学模型[6]。

1.3 整机

在复合集矿方式和履带自行走装置的基础研究和原理试验的基础上，我国研制出了多金属结核采矿车模型机。采矿车模型机外形尺寸为 4.6 m×3.0 m×2.1 m，整机质量为 8 t，水下排水量为 4 t，牵引功率为 35 kW，行驶速度为 0～0.8 m/s，爬坡能力为15°，越障高度为 0.5 m，越沟宽度为 1.0 m，最小转弯半径为 15 m。行走底盘采用双浮动悬架和横向摆动梁，以及近似渐开线高齿橡胶履带。实验室水池试验结果表明，采集结核粒径为 2～10 cm，采集率 ＞80%，沉积物分离率 ＞ 85%，行走平稳，直线性好，主要技术性能指标已达到同时期室内试验样机世界最先进水平[7]。

2 湖试阶段

“九五”期间，中国研制出多金属结核中试采矿系统的采矿车，如图 1 所示[8]。该采矿车额定生产能力为 30 t/h，采集率≥80%，脱泥率≥85%，采集结核矿石粒径为 2～ 10 cm，采集行驶速度为 0～ 1 m/s，采矿车集矿宽度为 2.4 m，整机质量为 30 t，水下排水量为 15 t，外形尺寸为 9.5 m×5.3 m×3.2 m[1]。

研制该多金属结核采矿车过程中，中国与法国自动控制公司进行了实质性技术合作[6]。中方负责采矿车及其控制系统总体方案的设计、采矿专有技术装备的设计制造、监控软件的开发、发电与配电设备的设计和配套；法国自动控制公司负责液压系统、控制系统与检测仪表、通用配套软件平台的施工设计与制造，以及整机的集成调试。

该采矿车采用水力集矿机构，前后双排喷嘴及输送喷嘴水射流分别由 2 台功率为 15 kW，流量为 500 m3/h，压力为 0.05 MPa 水泵提供。水力集矿机构通过平行四连杆机构与作业车相连，采用液压缸调节前后排喷嘴离地高度和倾角。履带采用尖三角金属高齿和工程塑料履带板，由液压马达分别驱动，速度由变量液压泵调节，总牵引功率为 160 kW。通过 21 m3浮力材料将采矿车接地比压调节到 5 kPa。采矿车布放着底方位角通过 2 台 1.3 kN 推力螺旋桨来控制调整。整个多金属结核采矿车驱动动力源由 2 台 175 kW 高压电动机带动 2 台主变量液压泵和 4 台辅助定量液压泵来提供。行走履带和螺旋桨马达为闭式液压回路，电液比例阀控制，其余为开式回路。水泵马达用调速阀改变转速[7,9]。

多金属结核采矿车试验选择在云南抚仙湖西北区水深为 80～150 m 的区域进行，通过对抚仙湖底质剪切强度和承载能力测试，选定近似于深海底沉积物特性区域作为试验区域，并在选定试验区铺撒 300 t模拟结核。2001 年 8—9 月，开展了采矿车的下放回收、行驶性能、集矿等多项试验，最终成功地将铺撒在 130 m 深湖底的模拟结核采集输送到湖面试验船上，共收集到模拟结核 900 kg[1]。

多金属结核采矿车抚仙湖试验打通了多金属结核采矿系统工艺流程，验证了我国大洋多金属结核采矿系统技术的可行性，为下一步浅海试验积累了宝贵经验，奠定了技术基础。同时，湖试过程中也暴露出一些问题，如由于采矿车体积和质量大，因履带打滑而陷入湖底无法行走；由于自身和外部环境等因素，采矿车在软底质上行驶控制难度较大，现有人工控制效果不够理想。同时，在湖底行走距离和采集作业时间有限，关键技术验证不够充分[9]。

3 海试阶段

鲲龙 500 多金属结核采矿车 (见图 2)由长沙矿冶研究院牵头完成，采矿车额定生产能力为 10 t/h，总功率为 60 kW，采集率≥80%，脱泥率≥85%，采集结核矿石粒径为 2～ 10 cm，采集行驶速度为 0～ 1 m/s，采矿车集矿宽度为 0.8 m，整机质量为 9.5 t，水下排水量为 8.0 t，外形尺寸为 5.4 m×3.5 m×1.9 m。它具有海底稀软底质行驶、海底矿物水力自适应采集、海底综合导航定位等功能，能够按照规划路径行驶并自适应采集矿石。

图2 鲲龙 500 采矿车Fig.2 Kunlong 500 mining vehicle

鲲龙 500 采矿车主要由水力式集矿机构、履带行走机构、车体、液压系统、方向调整机构、浮力材料等组成。其水力集矿机构采用水泵与相关喷嘴管道直连提供射流水源。水力集矿机构设置有离地高度检测机构与离地高度调整机构，通过离地高度检测机构检测水力集矿装置离地高度的实际值，离地高度调整机构根据离地高度实际值按照预设控制策略作出相应的响应，使水力集矿装置的离地高度维持在一个合适的区间，实现较高的结核采集率。履带行走机构通过平行四杆机构与车体连接，并且履带行走机构与车体间设置有履带提升机构。当履带行走机构陷入海底淤泥时，可以通过履带提升机构提升履带，提高履带通过性。履带板采用铝镁合金材料以减轻质量，采用高履齿实现稀软底质稳健行走，履齿为薄壁不锈钢板折弯焊接结构。通过惯导 DVL 组合导航和声学定位系统实现远距离定位及轨迹控制。整车通过在水力集矿装置和车架上安装浮力材料增大排水量。

鲲龙 500 采矿车海上试验区域位于中国南海北部上陆坡海域，水深为 500～600 m。由于水深 500 m 的海域没有天然的多金属结核，为了验证集矿系统的采集能力，在海上试验区域铺撒模拟结核，模拟多金属结核赋存状况，为海试集矿系统提供采集对象。

该次海试历时 49 d，分别搭载“长和海洋”和“张謇”号试验船，按照由浅入深的原则，成功进行了海试。海试中，鲲龙 500 采矿车共下水 11 次，其中 70 m 浅海试验下水 6 次，500 m 海试下水 5 次，海试中最大作业水深为 514 m，多金属结核采集能力为 10 t/h，单次行驶最长距离为 2 881 m，水下定位精度达 0.72 m，实现了自主行驶模式下按预定路径进行海底采集作业的能力，在中国南海预定海域行走出一个单边长度为 120 m 的“中国星”。

这是我国首次开展 500 m 级水深海底多金属结核集矿系统连续集矿行走试验，创造了历史新纪录。鲲龙 500 采矿车拥有自主知识产权，海试的成功表明我国多金属结核采矿车关键技术均获得突破，已初步掌握了多金属结核集矿系统的核心技术，标志着我国深海采矿系统研发由陆上试验全面转入海上试验，也为我国“深海多金属结核采矿试验工程”1 000 m 级整体联动试验奠定了基础。

4 结语

我国深海多金属结核采矿车的发展主要经历了 3个阶段：实验室研究阶段，主要开展采矿车单体功能与整车研究与开发；湖试阶段，通过湖试来模拟深海工作环境，对采矿车工艺流程与技术进行验证；海试阶段，通过海试更进一步验证采矿车关键技术。

从国家的长远利益和当前发展的需要看，开发海底矿产资源，建立新的矿产资源供给来源，是一种必然的选择。我国多金属结核采矿车技术经过 30 年的发展，极大地缩小了与国外的技术差距，但距商业开采的要求还有一定差距，需要加快相关研究。