0 前言

占地球总面积71%的海洋，在人类社会的发展中占有非常重要的地位。海洋是资源的宝库，包括海水化学资源、海洋生物资源、海底矿产资源及海洋动力资源四大类。自古以来，海洋是人类考察与开发利用的广阔天地。

1872~1876年，英国HMS挑战者号海洋调查船，进行环球考察中，首次发现大洋底有大量黑色的含水铁锰氧化物结核，并命名为锰结核：它是含有以铁、锰、铜、钴、镍为主的共30多种金属矿物。海底资源分布见图 1所示。

直到1958年以前，只把多金属锰结核视为具有科学研究上的意义，未作为一种矿产资源看待：1965年美国加利福尼亚大学的梅罗（J.L.Mero)教授发表了一份有关海底锰结核资源的研究报告；引起人们致力于海底锰结核矿产的勘探与开采研究的极大兴趣。

海底锰结核形似马铃薯的矿物结核, 显出同心环状层次结构，赋存于海底沉积泥的表层内；锰结核的成份组成、形状、大小及产状彼此不同，在辽阔的海底中因样品而异；一般说来，浅海[X:锰结核的金厲含量较低，而深海区锰结核的金属含量较高，锰结核各层次的增长率平均为每千年增长1mm左右，据认为，世界海洋中锰结核的年增长量约为1000万深海锰结核的密集度(丰度)平均为5~l0kg/m², 其平均质量为2.4t/m³。

海底锰结核的储量，据J.L.梅罗教授估计，总储量为2~3万亿t, 其主要金属量分别为：锰3580亿t, 镍147亿t, 铜79亿t，钴52亿t。可见海底锰结核是人类的一个巨大的矿产资源.是满足人类未来对金属需求日益增长的矿产来源之一。

1 开采研究动态

第二次世界大战结束以来，世界经济获得高速发展，而陆地矿产资源的日趋枯竭，将逐渐成为制约经济发展的重要因素之一，因此，人类转向海洋矿产资源的开发将是大势所趋。

大洋锰结核的勘探和开采，是一项极其复杂的高新技术，它包括合理圈定采区及开采过程的详细勘探，海底采集结核，将采集的结核提升到海面并进行分离与脱泥，采矿船(或半潜式平台）的导航与定位，海洋环境保护等等；它涉及地质、气象、海洋科学、采矿、选矿、冶金、机械、遥测遥控、材料工程等多学科部门，而且，由于海底地形与潜流复杂多变，更增加了开采技术的难度。

在60年代初期，美国、日本，法国和西德出现了强化开采深海锰结核的研究活动。1972年以来，以美国为首，包括比利时、英、日、加、西德等国的一些公司，先后成立了肯尼柯特财团（KCON)、海洋采矿协会（OMA), 海洋管理公司（OMI), 海洋矿物公司（OMCO)及连续绳斗财团（CLB)等国际财团；法国成立了矿核研究与勘探公司(AFERNOD); 日本成立了深海矿业协会(DOMA)。由于增强了实力，投入了巨资，使深海锰结核的开发研究得以较大的发展，到70年代末，几个国际财团先后在太平洋进行了采矿中间试验。实际进行研究试验工作最多的是一些深海采矿国际财团，尤其是实力雄厚的KCON, OMCO、OMA、OMI四个国际财团，在这场竞争中处于领先地位。

决定开采深海锰结核成败的最重要环节是：在海底采集结核（亦称集矿），自海底将结核提升到海面。因此，各国的研究主要集中在这两邰分，至今已取得很大进展。

海底采集结核装置（简称采矿机或集矿机），包括结核的挖掘、收集、清洗、破碎、筛分并转送到提升系统。至今研究试验已取得一定成效的采矿机，按其原理和形式，可概括为拖曳式和自行式两大类，其具体型式可分为斗式、转子式、螺旋式、铲臂式和攫取臂式五种。1980年前后，法国研制了一种梭车形遥控采矿机（图 2), 其采运原理被视为有前途的采矿技术。

矿核提升系统，亦称扬矿系统。至今研究试验已取得初步成效的提升方法有：连续绳斗系统, 管道提升系统（包括水力、气力及轻介质提升），以及梭车式遥控采矿机三类。

海面基地：是整个采矿作业的操作控制中心, 目前是采用采矿船，并试验了采用半潜式平台；其上有动力设备、矿核接受装置、遥控设备等。

各国在研究采矿系统中, 采取了不同的设备组合流程（图 3)。下面简要介绍四种（图 4)采矿系统的研究试验情况。

a.连续绳斗采矿系统：日本率先开展研究。该系统是用高强度尼龙缆绳，绕过船(单船或双船）面的无极绳，缆绳总长度至少为海水深度的3倍。在缆绳上每隔25~50m挂上一个挖斗, 利用船上的摩擦驱动装置，下放到海底，形成无极循环运转，而采矿船相对缆绳悬垂面，在直角方向以0.01~0.5节速度前进，绳斗随船曳航循环采挖锰结核并卸入船仓，基本上实现了连续采矿。1968年，首先在相模湾海，水深1 410m, 按1:10的比例的规模进行试验；1972年在夏威夷海域，水深3 700~5 000m, 按1:2的比例进行试验均已基本成功。该采矿系统的特点是，能适应水深和海底地形的变化而保持正常作业；缆绳能吸收船的摇摆；采矿能耗较低，约为气力提升采矿系统能耗的0.3倍。但是，其采集结核回收率太低，容易产生缆绳的缠结与断裂等致命缺点，当前已不为各国财团所重视。日本也已转为以研究水力提升采矿系统为主。

b.气力提升采矿系统：压气提升是利用高压空气注入提升管道，直至管内三相流（锰结核、海水和压气）的质量小于海水的质量时，管外的海水压力使管内三相流克服阻力上升到海面。压气注入口的位置，一般是在沉没管路总长60%处，压气注入口下部管道中为两相流体(结核与海水）。根据所采用的海底集矿机类型不同，提升管道的底部结构随之不同。该采矿系统已较为深入的研究试验，在不同情况下进行了中间试验，例如，1970年在美国佛罗里达海岸前面，水深1000m, 首次进行气压提升系统试验；OMA财团，从1972年至1979年，使用直径15cm管，配海底拖曳式集矿机采集锰结核，在海上进行了气压提升采矿试验，采矿能力为50t/h; OMI财团在1975~1981年，使用直径8英寸管，在诲上进行拖曳式气力提升采矿系统试验，采矿能力为60t/h; 等等。气力提升采矿系统的主要优点是结构较简单，动力设备位于采矿船上，水下无动力部分，维修工作量少；但它的能耗大，且能量利用率低，仅为15%~20%。当作业条件控制不好时，可能出现流态不稳定现象。据认为，压气提升采矿系统是目前最有前途和切实可行的方法之一。

c.穿梭潜水遥控采矿机采矿系统：该采矿系统是AFERNOD财团的开发项目。遥控采矿机由自行推进、浮力控制及压载三大系统组成；在海上半潜式平台的监控下，采矿机按照指令潜到海底，刮削海底采集锰结核，边采边排放压舱物，装满结核后上浮到半潜式平台，卸下结核，待装好压舱物后又进行K一个作业循环：由于采矿机配有精湛的通讯与控制系统，它可在复杂的海底条件下转向、前进及采集锰结核工作：半潜式平台设有4个水下进出口，故可控制数台采矿机同时作业。该采矿系统的技术难度很大，其前途较为渺茫。

综上所述，国际上对开采大洋多金属锰结核矿产的研究试验，经历过30多年时光，虽有了开采的基本技术，进行了小比例试验装置的海上试验，而且少数实力雄厚的财团和国家已开始实际规模原型机的研制与示范性试验：但都没有完全过关，距达到工业化开采水平，据估计尚需在今后的10~20年时间内，再付出巨大的人力, 财力和物力。

2 我们的对策

正当围绕着开发大洋多金属锰结核，展开一场激烈的国际竞争之际，1990年4月我国政府批准大洋多金属锰结核资源的勘探开发列为国家长远发展项目。紧接着，中国大洋矿产资源开发协会正式成立。1991年2月28日，联合国海底筹委会批准中国大洋协会为深海采矿先驱投资者。这标志着我国已跻身于国际竞争行列，无疑这是符合我国子孙后代长远利益的。但是，也必须正确的认识到，在这个竞争行列中，我国在大洋锰结核开发技术方面落后于国际水平约20年，为了尽决赶上国际先进水平，采取积极的对策是至关费要的时此提出几点粗浅看法，以期抛砖引玉。

a.统一制定有关开采锰结核各学科的拧术发展规划，组织跨部门协作攻关，避免各单位项目重复，争分经费和技术封锁。为此，建议由中国大洋协会组织各方专家、学者成立一个领导班子，其任务是借鉴已有国际研究经验，并瞄准21世纪世界大洋采矿的技术发展，制定规划，组织协作攻关，及时检杳执行情况和调整计划。

b.集中人力、物力和财力，应是迅速发展我国开采大洋矿产资源技术、加强竞争实力的根本策略。根据我国已往攻克航天技术并很快就跻身于国际先进行列的基本经聆，正是实行了集中人力、物力和财力，为此，建议适当集中各方面人才，成立“大洋采矿研究所”承担主要项目的试验研究，优先保证其所需经费。

c.加速造就我国高水平的大洋采矿技术队伍。这场国际竞争的实质，是各国技术实力和经济实力的较量。因此，必须要有一支强焊的技术骨干队伍，经过10~20年拼搏攻关，才能取得成果。人才问题，是决定我们在这场竞争中成败的关键。建议在近几年内，将一部分中青年骨干技术人员派往国外进行短期学习；建议有关的全国重点大学的有关系开设与深海矿产资源开采有关课程，充分发挥有关的专家教授的积极性，培养研究生，为我国的大洋采矿技术骨干队伍输送后备力量。

d.依靠自己力量研究为主，广泛开展国际合作与交流。有了自己的研究基础，才可能有效的与国际合作与交流，开展国际合作交流，才能广泛吸收国外经验，促进自主研究进展。

3 我国研究工作概况

我国对开发深海锰结核的研究工作起步较晚。自1978年“向阳红”调查船首次在太平洋采集到锰结核以来，投放了大量的人力、财力、物力开展大洋多金属锰结核的勘查与研究。初步掌握了太平洋锰结核的分布规律及结核的结构、形成年代、生长速率以及有关的环境等资料。我国实际于80年代初开始深海锰结核开采技术方面的研究工作，十余年来，由于有关的各部门各单位的共同努力，已广泛收集和整理了国外有关的开采技术资料，并进行部分基础理论研究，特别是近几年来，在中国大洋矿产资源研究开发协会的组织与协调下，逐步走上有计划、有重点的进行研究工作，已进入到实验室模拟试验研究。就已有的研究成果和掌握的资料，为今后开展采矿设备的研制打下了基础，即意味着，我国的研究工作已基本达到发达国家70年代中期的研究水平。