一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统的制作方法

本发明涉及海洋工程和矿产开发的技术领域，具体是涉及一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统。

背景技术：

海洋中蕴藏着丰富的矿产资源。浅海矿产资源开发利用已很成熟，海底真正的富矿在人类难以到达的深海区，这些矿产资源主要集中在太平洋、大西洋和印度洋的国际海底区域以及沿海国家的专属经济区内的海底。深海矿产资源量巨大，含有许多陆地稀有的重要战略性资源和贵金属资源，且品位普遍高于陆地。目前关注最多的深海矿产资源是多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳。这些金属元素广泛用于现代工业、尖端科技和高精尖武器，是不可或缺的关键战略性原材料。

深海采矿需要解决的一个重要问题是如何高效地将采集海底矿石并提升至海面。为此，美国、英国、法国和日本等自20世纪70代开始，围绕多金属结核(锰结核)开展形式多样的采矿系统开发和可行性验证，先后研制出拖斗式采矿系统、连续绳斗法采矿系统(clb采矿法)、穿梭艇式采矿系统和集矿机结合管道提升的采矿系统(水力和气力提升)等。海底矿物采/集矿系统是整个采矿系统的输入和源头，其采矿方法已从拖斗、拖曳式水力/机械集矿机和阿基米德螺旋驱动自行式集矿机不断升级更新到自行履带式集矿机，矿浆水力提升+自行式集矿机的管道提升采矿系统，已被国际社会公认为是未来最具商业开采优势的深海采矿系统。

目前我国筹备的“深海多金属结核采矿试验工程”项目也是履带自行式采矿车与管道水力提升相结合的采矿系统。此外，日本于2017年成功完成的海底多金属硫化物的采掘及矿石提升试验和加拿大鹦鹉螺矿业公司积极推进的富含铜金的深海多金属硫化物采矿“solwara1”项目都采用管道水力提升式采矿系统。

目前的深海采矿船是整个深海采矿系统中功能复杂、投资最大的关键系统，不仅是水下提升输送系统的浮动支持平台、工作人员的居住场所、海上作业的基础，还是整个采矿系统的综合保障平台和操作中控枢纽。深海采矿船携带采矿机、集矿机和提升系统(矿物输送系统)及其收放装置，对从海底采集、提升至水面的矿物进行处理、存储与转运外输。深海采矿船集航行、作业、居住、保障等功能于一体，系统复杂且集成度高。该作业模式存在主要技术问题和挑战如下：

(1)现有深海矿产开发模式可靠性问题

深海矿产资源与蕴藏于海底泥面以下数千米、高温高压的油气资源不同，以多金属结核为例，其分布在最深6000米的数万平方公里的海底平原。油气资源开采适合水面平台+立管系统+水下生产系统这种串联的定点作业的生产模式，通常水面平台是多功能、多系统高度融合的复杂船舶系统，然而与此类似的多功能水面平台+矿浆水力提升管道+自行式集矿机串联作业模式，附连着数根脐带缆，6000米深水成为了水面水下的天然阻隔，进而持续在数万平方公里的海底平原长期联动采矿并非未来理想的矿产开发模式。

(2)全天候作业问题

深海采矿平台通常在公海作业，离岸距离远，补给困难，可能遭遇恶劣环境，如何提高海域生存能力、扩大作业窗口期，保障自持力，具备良好总体性能，是首要考虑技术挑战因素。深海采矿平台作业水深达6000米，仅能采用动力定位，而且需要足够的舱储空间，平台基本采用大尺度的船形设计，即便应用大功率推进系统也难以抵御台风等恶劣海况，难以实现全天候作业，而且在台风来临前后的水下管道及采矿车的回收布放也严重影响作业效率。

(3)能耗与新能源应用问题

目前矿浆水力提升至水面平台的结核含量仅～10％，脱水后未经选矿即通过水面运输船送至陆上处理，水中长距离输送系统、储存大量湿结核的水面平台能耗都很大，而且深海采矿平台通常在公海作业，离岸距离远，补给运输成本很高，因此降低深海矿产开发水面水下系统和运输维护保障系统能耗，采用新能源技术是商业化运营的主要挑战。

(4)产量与经济性问题

根据国内外预测满足深海多金属结核经济性的单套深海采矿系统年产干结核300万吨，以目前的水面水下联动生产模式，预计我国到2035年的技术能力，单系统干结核年产量110万吨，距离经济性指标还相差甚远，因此满足矿产开发高产量要求，不仅给现有装备提出较高的技术挑战，同时也需要创新性的技术解决水中水面系统的经济性问题。

(5)连接与解脱问题

深海采矿平台在海上长周期作业过程中，难免会遇到极端恶劣天气，甚至会出现因来不及回收水下全部采矿系统而危及水面船舶和人员设备安全的状况，此时如何开展应急避台或实现紧急情况下水下采矿系统与水面平台的快速联脱是关系整个系统安全的实际工程问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有的深海矿产开发作业模式存在可靠性低、难以实现全天候作业、新能源技术无法满足能耗要求、矿产开发产量低以及如何实现水下采矿系统与水面平台的快速联脱等问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统，其特征在于，每次对矿区单元进行作业，当次作业完成后进行所述深远海分布式矿产开发系统的全系统转场以对下一矿区单元进行作业，将矿区单元进一步划分为n个分布式区块，n≥2，则所述深远海分布式矿产开发系统包括一套中央系统及m套采集系统，1≤m≤n，对当前矿区单元作业时，每次由m套采集系统同时对n个分布式区块中的m个分布式区块进行作业，m套采集系统同步地进行k次作业后完成对当前矿区单元的作业，k≥1。

优选地，所述深远海分布式矿产开发系统对当前所述矿区单元作业时，所述中央系统位于当前所述矿区单元的中心，m套采集系统先同步地对位于所述中央系统周围的m个分布式区块进行作业，再逐次对较远的m个分布式区块进行作业，直至完成当前所述矿区单元的所有n个分布式区块的作业。

优选地，所述中央系统包括海底综合作业平台、矿物储存堆场、垂直输送系统及水面多功能浮筒，其中：

海底综合作业平台至少具备核能供应及电力分配功能，海底综合作业平台的核能供应功能由海底核电站实现；

矿物储存堆场配置在海底综合作业平台的外围；

海底综合作业平台通过垂直输送系统连接水面多功能浮筒，由海底综合作业平台为水面多功能浮筒供电，水面多功能浮筒具有动力定位功能并支持垂直输送系统的水平定位，水面多功能浮筒的甲板面配置矿物转运至水面运输船的接口管系以及通信设备实现远程岸基控制。

优选地，所述海底综合作业平台还具备维修保障功能，维修保障功能由维修保障系统实现，维修保障系统采用缆控的潜水器rov实现全系统维修保障；维修保障系统集成在所述海底核电站内，由所述海底核电站提供动力，并与所述海底核电站一起完成转场。

优选地，所述垂直输送系统包括j根实现矿物并联输送的立管，j≥1，每根矿物立管配置l组高压离心泵组，l≥1，l组高压离心泵组分别位于立管的不同高度，高压离心泵组的动力由所述海底综合作业平台的所述海底核电站提供。

优选地，所述采集系统包括由所述海底综合作业平台供电的中继站、由所述海底综合作业平台供电的浮游式采矿车及悬浮式立管，其中：

中继站至少具有泵送功能，中继站通过悬浮式立管和脐带缆连接浮游式采矿车，并通过水平输送管道连接所述矿物储存堆场；由浮游式采矿车采集当前分布式区块的矿物，通过中继站将浮游式采矿车收集的矿物输送至矿物储存堆场。

优选地，所述海底综合作业平台的电力分配功能采用分布式配电系统实现，分布式配电系统以所述海底综合作业平台中的所述海底核电站为核心主电站，纵向延伸至所述水面多功能浮筒，为所述水面多功能浮筒供电，同时，在所述中继站设分电站，分电站横向展开覆盖各海底设备。

优选地，所述海底综合作业平台与岸基中心的信息交互通过布放在所述水面多功能浮筒上的通信设备实现，通信设备下端通过光缆连接水下中继光端机获取所述海底综合作业平台及所述采集系统传输上来的各种信息，通信设备通过自身搭载的通信系统实现与岸基中心的信息交互。

优选地，所述水下中继光端机依附于所述立管安装，在立管上每隔一定距离设置一个所述水下中继光端机，相邻水下中继光端机之间通过光缆连接，以建立千兆级通信传输网络。

优选地，所述中继站顶部设有深海通信潜标，深海通信潜标与中继光端机通过光纤连接；布置于m套采集系统上的m套深海通信潜标向m个不同方向呈辐射状分部，形成覆盖海底工作面的局域网；每个通信潜标搭载水声通信模块，通过水声通信手段与海底各设备建立可靠连接，并将采集到的信息转换成光信号进行传输。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)以深远海水下分布式开发系统为核心的深远海矿产开发模式，适合大面积深海平原作业，不受水面水下脐带缆立管等连接和联动影响；实现全水下全天候作业，不受水面恶劣环境影响。

2)采用四套水下采集系统作业和转场方案，全天候作业效率和多金属结核年产量大幅提升。

3)采用海底预抛尾选矿，提高采集矿物的有价金属元素品位，改善长距离输送能效和水面运输经济性。

4)采用浮式立管、中继站、水平管道、堆场和垂直管道组成的转运系统，满足矿物采集、输送、储存和水面输运需求。

5)采用具备核能供应、电力分配、矿物缓存和维修保障等功能的海底综合作业平台，水下系统动力全部由水下核反应堆提供，解决能源供应、设备检修和应急处置问题。

6)应用水下物联网系统、水下设备光缆连接和水面通信设备，实现岸、空、水面、水下全方位通信控制，首次提出无人化深海采矿系统。

7)采用具有辅助立管系统动力定位、通信、矿物转运接口功能的水面浮筒，定期连接水面运输船，无需长期驻留的水面船舶设施。

8)采用水下核电站，陆上核电站均配置了大容量的储能装置，通常采用的是抽水蓄能原理，利用地势差进行多余电能的存储，实现电网负荷调节。这种储能方式的效率不高，约75％左右。水下核电站考虑采用石墨烯超级电容器作为配套储能装置，用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保。

9)采矿车通过深海通信物联网自动寻迹前往充电站，在充电站固定位置进行无线充电。采用无线充电的方式既减少了水下长距离输电电缆的使用，同时也能够降低输电电缆在深海环境中以外损坏而导致采矿车“无以为继”的风险。

10)水下通信中继光端机以及深海通信潜标本身的工作耗电量不大，但连续工作时间基本要覆盖整个作业周期，因此可通过自带核电池解决工作电源问题，既保证装置长时间免维护工作，又减少了大量长距离的水下电缆敷设。

11)在海底设置维修保障系统可以显著减小6000米水深的布放回收作业时间，以及不受海面风浪影响，有更高的作业效率。

12)本系统采用浮游式矿机可有效解决打滑、沉陷等，且可实现原地回转，对海底扰动小等优点。目前用于多金属结核集矿的海底集矿机主要包括拖曳式和自行式。拖曳式海底集矿机由于难以精确控制其轨迹，已经较少研究。自行式海底集矿机主要有履带行走式和阿基米德螺线行走式，由于深海多金属结核富存区域普遍为稀软沉积物，履带行走式集矿机存在打滑严重、转弯半径大、沉陷严重等问题，阿基米德螺线行走式集矿机尽管打滑问题有所改善，但仍存在转弯半径大、难以二次行走等问题。这两种方案也都存在对海底沉积物扰动大的缺点。

附图说明

图1为基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统平面区块分布图；

图2为基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统概念图；

图3为图2中a部分的局部放大示意图；

图4为图2中b部分的局部放大示意图；

图5为图2中c部分的局部放大示意图；

图6为图2中d部分的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统面向深海最大6000米水深，以海底100平方公里(10公里×10公里)已探明资源和地形地貌的多金属结核矿区为一个矿区单元，每个矿区单元由16个2.5公里×2.5公里的分布式区块组成，如图1所示。

本发明提供的一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统主要包括：在100平方公里的矿区单元中心设置的具备核能供应、电力分配、中央控制、矿物缓存和维修保障等功能的海底综合作业平台1。本实施例中，海底综合作业平台1为具备核能供应、电力分配、矿物缓存和维修保障等功能的耐压结构、自航、无人化海底综合作业平台。海底综合作业平台1中的海底核电站采用石墨烯超级电容器作为配套储能装置，用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量。石墨烯超级电容器的充放电过程始终是物理过程，充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保。海底综合作业平台1中的维修保障系统采用缆控的潜水器rov，通过配置潜水器rov实现全系统维修保障。潜水器rov可对浮游式采矿车6以及矿浆输送泵组等进行维护和部件更换。维保系统集成在海底核电站装置内，可由其提供动力，并可与其一起完成转场。

海底综合作业平台1的外围配置矿物储存堆场2。海底综合作业平台1连接6000米的垂直输送系统3。垂直输送系统3顶部连接水面多功能浮筒4。海底综合作业平台1、矿物储存堆场2、垂直输送系统3及水面多功能浮筒4共同构成位于矿区单元中心的中央系统。

垂直输送系统3用于连接海底和水面平台，并为矿浆输送泵组的安装提供平台。为实现矿物从海底快速输送至水面运输船，本发明拟设置3根内径为14英寸的立管7并联输送。每个立管7配置6组高压离心泵组8作为矿浆输送泵组，每组高压离心泵组8由2台离心泵串联组成，可通过液压闸阀串联或旁通。高压离心泵组8的动力由海底综合作业平台1的海底核电站提供。

水面多功能浮筒4为设置于水面的具有动力定位功能的浮筒，配置4套全回转推进器12，底部结构与垂直输送系统3相连，水面多功能浮筒4支持垂直输送系统3的水平定位。水面多功能浮筒4所需电力由海底综合作业平台1提供。水面多功能浮筒4的甲板面配置矿物转运至水面运输船的接口管系，以及通信设备实现远程岸基控制。

在上述中央系统四周四个2.5公里×2.5公里的分布式区块，每个分布式区块中心设置具有泵送和矿物缓存功能的中继站5。每个中继站5通过悬浮式立管9和脐带缆10连接一个浮游式采矿车6，同时，每个中继站5通过水平输送管道11连接矿物储存堆场2。每个中继站5与对应的浮游式采矿车6及悬浮式立管9组成一套采集系统，则本发明共有四套采集系统。

中继站5为浮游式采矿车6与海底的矿物储存堆场2的中间平台。中继站5通过悬浮式立管9(其上安装有声学信标16)与浮游式采矿车6相连，以更好地适应浮游式采矿车6的自由运动。中继站5与矿物储存堆场2之间的水平输送管道11则贴近海底敷设，以免影响浮游式采矿车6作业。中继站5设有推进装置，可自主完成转场。中继站5设有矿浆泵，可将浮游式采矿车6收集矿物输送至矿物储存堆场2。中继站5和浮游式采矿车6由海底综合作业平台1的海底核电站供电，并与水平输送管道11复线输送。同时中继站5也为深海定位潜标提供安装平台。

本发明采用四台浮游式采矿车6进行结核采集，并将结核输送至矿物储存堆场2。堆场的集矿机则采用绞吸式集矿机。

海底综合作业平台1采用分布式配电系统。海底综合作业平台1在横向展开工作时，通过四个方向同时展开的中继站5实现作业范围的全覆盖，最大覆盖范围可达100平方公里。在作业范围内的所有设备工作所需的电能均由海底综合作业平台1提供，通过分布式布置在各区域的配电系统，实现对各设备的电能分配。分布式配电系统以海底综合作业平台1中的核电站为核心主电站，纵向延伸至立管顶端的水面多功能浮筒4，为水面多功能浮筒4所搭载的设备供电。同时，在各水下中继站5设分电站，横向展开覆盖浮游式采矿车6、选矿系统、储矿系统、输送系统等海底设备。

海底综合作业平台1的电能传输方式为：由于水下高压离心泵组8、选矿系统、维修保障系统等设备相对于电站的位置固定，因而供电采用水下电缆传输的方式。而对于浮游式采矿车6这类随时移动，位置无法固定的海底设备来说，采用无线充电的方式更为灵活。在水下中继站5设置多个无线充电站，浮游式采矿车6通过深海通信物联网自动寻迹前往无线充电站，在无线充电站固定位置进行无线充电。水下通信中继光端机以及深海通信潜标本身的工作耗电量不大，但连续工作时间基本要覆盖整个作业周期，因此可通过自带核电池解决工作电源问题，既保证装置长时间免维护工作，又减少了大量长距离的水下电缆敷设。

本发明还配置水下物联网和环保系统实现作业设备通信、导航定位和环境监测、评估、修复。

为实现矿产开发平台与岸基的必要通信，满足大量水下设备之间的无人通信互联，本发明设计一套矿产开发平台专用的深海通信物联网，可实现“海-岸”信息交互、深海信息走廊、深海光通信布网的功能。海底综合作业平台1与岸基中心的信息交互通过布放在立管7顶端水面的水面多功能浮筒4上的通信设备13实现，采用太阳能电池维持本身电力消耗。通信设备13下端通过光缆14连接水下中继光端机15，获取水下设备传输上来的各种信息，通过自身搭载的北斗通信系统，依托北斗卫星实现“海-岸”信息交互。水下中继光端机15依附于立管7安装，在立管7上每隔1000米设置一个。水下中继光端机15之间通过光缆14连接，可建立千兆级通信传输网络，形成沟通海底与水面的“深海信息走廊”。

“海-岸”信息交互实现了深海通信物联网的立体架构，“深海信息走廊”实现了深海通信物联网的纵向延伸，而在海底的信息来源端所布设的深海光通信潜标，则实现了整个深海工作面通信网络的平面展开。深海通信潜标固定安装在水下中继站顶部，与立管下端的中继光端机通过光纤连接，向四个方向呈辐射状分部，形成覆盖海底工作面的局域网。每个通信潜标搭载水声通信模块，通过水声通信手段与海底各设备建立可靠连接，并将采集到的信息转换成光信号进行传输。

本发明提供的一种基于海底生产作业平台的深远海分布式矿产开发系统的作业流程为：首先，浮游式采矿车6进行2.5公里×2.5公里的分布式区块的多金属结核采集作业，通过车载智能识别子系统查明矿物种类及其含量，判别预抛尾方案，主要设备为智能识别装置。由原位预抛尾子系统根据矿物比重差异，抛弃基岩等无用或有害矿物，主要设备为海底高压旋流分级器。经预处理的矿物经悬浮式立管泵送至中继站5后由水平软管接力泵送至矿物储存堆场2。

然后，穿梭矿砂运输船定期航行至预定海域连接水面多功能浮筒4的矿物输送接口，由集矿车、海底综合作业平台1和垂直输送系统3中的提升泵将矿物储存堆场2的矿物水力提升至矿砂运输船。

然后，4个2.5公里×2.5公里的分布式区块完成采集后，由自带推进装置的中继站5、浮游式采矿车6以及悬浮式立管组成的采集系统通过海底综合作业平台1中的软管和脐带缆绞车转场移位至临近的2.5公里×2.5公里的分布式区块。

然后，4套采集系统转场至临近4个分布式区块后继续采集作业。对于10公里×10公里的多金属结核矿区单元，采集系统共需3次转场，全部采集完成后实施全系统转场。

再然后，水面多功能浮筒4配置全回转推进器辅助垂直输送系统3定位。接下来，海底综合作业平台1配置推进系统和压排载系统实现起浮移位转场。

最后，浮游式采矿车6、中继站5和海底综合作业平台1间通过脐带缆实现动力、控制和通信。海底综合作业平台1、垂直输送系统3和水面多功能浮筒4间通过脐带缆实现动力、控制和通信。水面多功能浮筒4配置通信设备通过卫星实现岸基远程通信。