深海矿产资源开发及相关衍生产业发展⁽¹⁾

卓晓军⁽²⁾

摘要：本文主要对深海矿产资源开发及产业发展进行了介绍和分析。所涵盖的问题包括：深海采矿国际形势介绍、国外深海矿产资源开发现状介绍、我国深海矿产资源开发的历史梳理及现状分析、深海采矿产业化发展趋势分析。

关键词：深海矿产资源开发；采矿技术；深海产业

一、深海采矿国际形势

深海是指水深大于1 000米的海域。国际海底区域是指在国家管辖范围以外的海床、洋底及底土。国际海底区域的面积占海洋面积的54%。国际海底区域蕴藏着丰富的矿产资源，目前已知的矿产资源主要包括以下四种类型：多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物以及富稀土沉积物。多金属结核是一种二维矿，它分布在整个洋底的表层，深部分布较少，其主要资源类型是铜、锰、镍、钴。由于在新能源汽车产业的应用，多金属结核所包含的钴和镍受到较多关注，同时镍也是三元锂电池材料中重要的组成元素。富钴结壳和多金属结核的成分较为相同，它的主要成分是铁、铜、镍、钴、锰等，主要发育在一些岩石的表层，是一层薄层矿。多金属硫化物是一种点状分布的三维矿，它的主要含量是铜、铅、锌、金、银等。较之前三种矿物，人类对富稀土沉积物的调查水平较低，但据推测其所包含的资源总量非常巨大。

深海采矿勘探和开发制度的国际规则日趋完善。目前，多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳三种主要的矿物资源都已经由国际海底管理局（简称“海管局”）出台了相应的勘探规章。预计在2020年左右，经过多次修改之后，海管局最终将制定出国际海底区域内矿产资源开发规章。目前，全球范围内已经申请的国际海底矿区总共有29个，其中，多金属结核矿区17个，多金属硫化物矿区7个，富钴结壳矿区5个。这其中，我国申请了4个矿区，其中，3个矿区覆盖了3种资源类型，这些矿区是由中国大洋矿产资源研究开发协会（简称“大洋协会”）提出申请的。中国五矿集团公司（简称五矿集团）申请的是一个多金属结核的矿区，2017年开始执行勘探合同。五矿集团非常关注国际上的资源评价和商业化开采的计划。例如，欧盟在前几年主导的一个叫作“Blue Nodules”的蓝色结核项目，该项目基于西南太平洋的一些岛国开采富钴结壳的技术以及经济可行性的评价，得到深海开采结核在经济上可行的结论。另外一个是比利时的全球海洋金属资源公司（GSR）提出的一个真正实现商业开采的时间表，该公司计划在2025年左右实现彻底的商业开采。

二、国外深海矿产资源开发现状

首先简单回顾一下国外关于深海矿产资源开发的一些进展。

最早进行深海矿产资源开发尝试的是美国，美国政府制定了海洋勘查国家战略，在技术上保持着勘探和开发的世界领先优势。美国最早采用拖曳式的水利集矿机和水利管道提升系统，完成了3个航次的海试，作业水深为5 500米，美国在海试中间总共收集了800吨结核，产量超过了每小时40吨。

日本的国家石油、天然气和金属公司（JOGMEC）2017年在冲绳县近海进行了海底多金属硫化物的连续开采试验，总共进行了16次连续十几分钟的开采，采出大约16吨矿石。

俄罗斯的优势是近几十年来进行了20多次的科学考察，他们在载人潜水器方面一直保持着全球领先地位。从1980年开始，俄罗斯开始对深海集矿机和管道提升进行研究，并进行了200米水深的海上试验和压力试验。

印度开发了自己的一套深海采矿的系统，在2000年和2006年分别进行了410米和450米的两次海试。

韩国在2009—2010年进行了集矿机和提升泵的浅海试验，在2013年开展了一个1 370米水深的海试，集矿机对于模拟结合的采集率达到了80%，能够按照预定的轨迹行驶，各项性能良好，水面母船能够远程控制集矿机。

另外就是刚才提到的比利时的GSR公司，该公司在2017年就完成了小型深海采矿试验，预计2019年会在东太平洋矿区进行一个5 000米水深的海试，包括采矿中试和环境影响研究，预计在2025年开始商业化开采。

再一个就是大家比较熟悉的鹦鹉螺公司（Nautilus），在2006年就进行了海底多金属硫化物原位切削采集试验，并且采集了大约15吨的矿石，预计2019年开始试开采。虽然现在鹦鹉螺公司目前存在一些问题，但是从整体上来说，它还是世界上首个拥有海底硫化物合规资源报告、多金属结核合规资源报告、深海采矿环评许可和深海采矿证的企业，是深海采矿行业里面的先锋企业。

三、我国深海矿产资源开发现状

中国在深海矿产资源开发领域的研究最早始于20世纪60—70年代，经过了几十年的发展，目前已经取得了长足的进步。

我国先后成功研制了水下机器人、中深孔岩心钻机、电视抓斗、瞬变电磁系统、多功能深拖系统等一系列深海调查装备，以“蛟龙”“潜龙”和“海龙”为代表的一批深海运载平台逐步投入使用，目前已经达到了国际上比较领先的水平。另外，从深海采矿领域来说，目前我国已经完成了135米水深的湖试，以及深海扬矿泵管系统海上试验，并且在2018年完成了一个500米级的海底集矿作业车的海上试验。

我国生产采矿技术的发展是从20世纪80年代开始的，我们选取了一些比较有代表性的时间节点：最早是在2001年完成了135米水深的湖试；在2003—2005年完成了1 000米的水深开采系统设计；在2006—2010年开展了217米水深的矿井提升试验；在2011—2016年完成了一个863项目“深海多金属结核和富钴结壳采掘与输送关键技术及装备”；2018年完成了一个500米的集矿作业车海上试验。

2001年进行的深海扬矿泵管系统海上试验是五矿集团所属的长沙矿冶研究院在云南抚仙湖进行的。在这个试验里面，我们对从采集到输送的整体系统进行了试验，验证了我国多金属结核采矿系统的技术可行性。在随后的2011—2016年间，我们完成了一个863计划——“深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备”项目，在这个项目里对富钴结壳采掘技术、针对钴结壳采集稀软底质集矿机进行了研究。2016年，我们完成了国内首次扬矿海试，即结核的扬矿输送技术研究和海上试验，水深500米。这次海试是我国首次开展深海采矿单体工程技术的海试，标志着我国深海矿物输送技术从此跻身世界一流。2016年，我们完成了国内首次富钴结壳采掘的海上试验，对岩石表面的一个富钴结壳进行破碎之后进行采集。

近期，我们完成了“十二五”计划“面向海试的多金属结核集矿系统的研制与集成”项目，在这个项目中，我们完成了多金属结核集矿系统的研制和集成，开展了70米级水深的浅海海试，完成了行走、采集性能的试验，同时也开展了500米级水深的海上试验。第一次是在2018年的5月，我们在东海做了一个74米水深的浅海试验，主要测试了采集车的行走，从布放、行走到结核采集进行了一系列验证。紧接着6月又转战南海，进行了一个514米的海上试验，设备搭载的母船是“张謇”号，在这个试验里面我们主要测试了作业车的行走性能。首先测试的是一个集矿车，按照工程化等间距平行侧线的行走能力，我们在海底画了一个五角星，通过预设的五角星测试它的转弯能力，并使其完成作业返回母船。我们总共采集了400公斤模拟结核。这次试验就是在2001年抚仙湖130米水深的湖试之后，我国首次完成了集矿系统500米海试，在我国深海采矿技术发展史上具有里程碑式的意义。2018年9月26日，由中国五矿长沙矿冶研究院负责实施的国家大洋专项“面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成”及“多金属结核集矿系统500米海上试验”两个课题通过以中国工程院院士钟掘为组长的专家组验收，评定分数分别为96.2和96.4，出色地完成了任务。

另外，我们现在正在承担的一个国家重点研发计划项目“深海多金属结核采矿试验工程”，计划将于2020年6月份完成海底履带自行式采矿系统千米级整体联动试验。整个系统包括水面的支持系统，还有水上的生产系统。国内除了采矿这方面，就是在冶金这一块，主要开展工作的是北京和长沙两个矿冶院，北京矿冶研究总院主要是用湿法冶金的工艺，目前已经完成了日处理吨级规模的试验。而长沙矿冶院这边是主要用火法的工艺，完成了100公斤级规模的试验。

回顾完了目前国外以及国内技术发展的现状之后，简单总结一下当前面临的主要问题：一是目前部分装备依赖进口，国产化水平有待提高。部分调查装备，如地球物理探测、深海摄像、导航、全深海地质绞车系统、万米缆这些技术，特别是一些关键的元器件、材料、设备国产化率都不高，有些技术受到国外的封锁。深海采矿的关键技术和核心装备急需国产化。二是从整个国内形势来看，目前产业化的平台规模比较小且布局分散，形成合力不足。现在高校、科研院所和企业大多以单兵作战为主，缺乏合作，没有形成创新合力，深海矿产资源开发的合作交流也有待进一步加强。我们可以参考比较先进的鹦鹉螺矿业公司，他们采取的了EPC模式，包含工程设计、采购、现场施工，公司并不拥有全部技术的知识产权，而是在全球范围内寻求世界顶级专业厂家参与研制，让各个企业生产的设备为自己所用，作为总的使用者来进行生产。这种模式可以供我们参考和借鉴。三是国家政策投入不足和队伍建设落后。我国政府对深海矿产资源商业化开采技术装备的专项经费支持相对不足，这就导致从事深海矿产资源调查开发技术人员不足，薪酬待遇、工作环境也不是很好。

四、深海采矿产业化发展趋势分析

本部分我想谈一下对于产业化发展趋势的一些简单思考：一个是产业化发展建议，另一个是未来我们的主要发展方向。

一是制定深海矿水资源勘探开发产业化发展的战略框架。目前国内在这方面缺少整体发展的战略框架。比如，国家的战略定位，我国的战略定位应当是深海资源主要占有国、深海开发技术主要提供国、深海资源主要生产和消费国。在国家对于战略定位、战略目标提出一个非常明确的需求后，企业可以在整个框架的指导之下找准自己的位置、根据自己的能力开展一些工作。我们提出一种初步的构想，为未来的规划抛砖引玉。（见图1）

二是打造深海产业集群发展模式。深海产业涉及非常多的产业，除了深海采矿业，还包括渔业、装备制造、海洋工程以及相配套的一些第三产业服务业，这样一整套的产业集群。我们认为，在整个勘探开发产业链中，最好以深海矿产资源勘探开发为核心，在此基础上延伸出其他各个相关产业（见图2）。

三是构建广泛的国际合作开发新模式。探索建立联合股份公司，与国外的深海开发技术的企业或者财团进行合作，汲取他们在经营、管理、包括技术等方面的先进经验。加强高端人才引进力度，集中优势力量在全球范围寻求世界顶级专业厂家参与采矿系统的装备研制。加强国际联合和产学研究合作，强化深海矿产资源国际联合研究中心作用，形成互利共赢的新局面。

四是建立以企业为主体的商业开发模式。之所以深海采矿被称为产业，是因为它是一种商业化的行为，它的实施主体是以盈利为目的的矿业公司。矿业公司可以利用自身优势，加快深海采矿技术进程。

Exploitation of Deep Seabed Mineral Resources and Related Derivative Industries

ZHUO Xiaojun

Abstract：This article mainly introduces and analyzes the exploitation and industrial development of deep seabed mineral resources．The issues covered include：introduction to the international situation of deep seabed mining，introduction to the deep seabed mineral resources development abroad，combing and analyzing the history of deep seabed mineral resources exploitation in China，and analysis of the development trend of deep-sea mining industrialization.

Key Words：Deep Seabed Mineral Resources Exploitation；Mining Technology；Deep Seabed Mining Industry

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(1)　本文系2018年10月31日第三届“上海交通大学深海海底区域科学技术发展与法律的互动与共进”研讨会上，关于“深海矿产资源开发及相关衍生产业发展”的发言稿。

(2)　卓晓军，湖南省长沙市矿冶研究院有限责任公司副总经理、教授级高工。主要研究方向：深海资源勘探开发。