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1、,高等采矿学之海洋开采,指导老师：冯超东 制作：雷刚,2012.9,海洋资源开采,概述 第一章 海底资源分类 第二章 浅海底资源开采 第三章 深海资源开采 第四章 海底资源开采对环境的影响,概述,海洋资源作为陆地资源的补充，对人类的生产和持续发展起着十分重要的作用，成为未来人类资源开发的主要对象。 海底资源是海洋资源的一部分，主要是指海洋底部岩层中能获得、并能为人类所利用的矿物资源，包括大洋底部岩层及洋底表层中的各种固体、液体、气体矿藏，如石油、重金属海泥、天然气、锰结核、铁、铜、金、煤等。 海洋是“聚宝盆”，有全人类取之不尽用之不竭的巨大财富在地球上已发现的百余种元素中，有80余种在海洋中存

2、在，其中可提取的有60余种，这些丰富的矿产资源以不同的形式存在于海洋中：海水中的“液体矿床”；海底富集的固体矿床；从海底内部滚滚而来的油气资源。 据估计海水中含有的黄金可达550万吨，银5500万吨，钡27亿吨，铀40亿吨，锌70亿吨，钼137亿吨，锂2470亿吨，钙560万亿吨，镁1767万亿吨等等。这些资源，大都是国防、工农业生产及日常生活的必需品。,石油是“工业的血液”，然而目前全世界已开采石油640亿吨，其中的绝大部分产自陆地。陆地石油的过快耗竭使得人们转而求助于海洋石油资源。 石油和天然气是遍及世界各大洲大陆架的矿产资源。石油可以说是海洋矿产资源中的宠儿。全世界海底石油储量为1500

3、多亿吨，天然气140万亿立方米。 天然气又称为沼气，成分主要是甲烷。由于含碳量极高，所以极易燃烧，放出大量热量。1000立方米天然气的热量，可相当于两吨半煤燃烧放出的势量。因此，天然气的价值在海洋中仅次于石油而位居第二。 油气的价值占海洋中已知矿产总产值的70%以上。,第一章 海底资源分类,海洋资源依据可再生性分为可再生资源和不可再生资源 可再生资源（淡水、浅海能源、太阳能与热能和生物资源） 不可再生资源（金属资源、煤、石油、天然气、化学原料） 海洋资源依据不同海水深度分为大陆架资源、大陆坡资源和深海底资源 大陆架资源（石油、天然气、砂、重砂矿物） 大陆坡资源（磷灰石、金属软泥） 深海底资源（

4、锰结核等）,第二章 浅海底资源开采,浅海底资源包括海水深度02000m内的大陆架、大陆坡、大陆裙内的海底资源，主要有：石油与天然气、金刚石、磁铁矿、金红石、独居石、锡石等砂矿床及海底基岩矿床煤、铁、硫磺、石膏等矿床。,2.1石油与天然气开采,海底中储藏着丰富的石油和天然气，石油量约1350亿t，大然气约140万亿立方米，约占世界可开采油气总量的45。据估计，可能含有油气资源的大陆架面积约2000万平方米。可能找到油气的深海面积有5000万8000万平方米。,海上油气开采的主要设施与方法有： 1、人工岛法，多用于近岸浅水中。 2、固定式油气平台法，其形式有桩式平台、拉索塔平台、重力式平台。 3、

5、浮式油气平台法，其形式分为可迁移平台法与不可迁移式平台法。 4、海底采油装置法，采用钻潜水井的办法，将井口安装在海底，开采出的油气用管线直接送往陆上或输入海底集油气设施。,2.2砂矿开采 海滨砂矿开采的矿物种类多达20多种，主要有金刚石金矿砂铂、铬砂、铑砂、铁砂矿、锡石、钛铁矿、锆石、金红石、重晶石、海绿石、独居石、磷钙石、石榴石等。 对于海滨砂矿，大多是采用采砂船进行开采。采矿船舶通常是用大型退役油轮、军舰加以改装。 依据船体采掘与提升方式的不同有链斗式采矿船法、流体式采矿船法(包括吸扬式和气升式)和钢索斗采矿船法(包括抓斗式和拖斗式)。 海滨砂矿开采的发展方向是大型化和多功能化，即研制大功

6、率多功能的链斗式采矿船，建立全自动具有采选功能的海底机器人，从而达到开采系统具有采选一体化，生产效率高，环境破坏少等优点。,2.3岩基矿床开采 浅海岩基固体矿床资源有煤、铁、硫、盐、石膏等。海底岩基矿床有两类，一类是陆成矿床，即在陆地时形成，陆海交替变更沉人海底的矿床；另一类是海成矿床，它是由海底岩浆运动与火山爆发生成的矿床，这类矿床多为多金属热液矿床。 海底岩基矿床的开采方法与陆地金属或非金属矿床的开采方式基本相同，对于海底出露矿床，同样可采用海底露天矿的方法进行开采，可供选择的方有潜水单斗挖掘机一管道提升开采法、潜水斗轮铲管道提升开采法与核爆破一化学开采法等。其设备均在水下不同深度的海底进

7、行，需要有可靠的定位系统、监控系统、机械自行与遥控系统、防水防腐系统等。,对于有一定覆盖层的深埋矿床，为满足与陆地开采相同的技术要求，其开拓方法有海岸立井开拓法、人工岛竖井外拓法、密闭井筒海底隧道开拓法等。这类海底岩基矿床开键技术足以最低的成本设置满足工业开采与安全要求的行人、通风、运输通道，以及防止海水渗入矿床内部及采空区，淹没井筒工业设施。,第三章 深海资源开采,深海蕴藏着丰富的海底矿产资源，所谓深海，一般是指大陆架或大陆边缘以外的海域。深海占海洋面积的92.4%和地球面积的65.4%，尽管它蕴藏着极为丰富的海底资源，但由于开发难度大，目前基本上还没有得到开发。扩大人类生存空间和储备人类生

8、存资源的重要途径之一就是要向深海拓展。 深海矿产资源主要包括多金属结核矿、富钴结壳矿、深海磷钙土和海底多金属硫化物矿等。但是，由于深海矿产资源的矿区基本位于国际海域的海底，它的开发活动必须经过联合国海底管理局的同意和批准方可生效与合法。,3.1深海资源种类 3.11多金属结核矿 多金属结核矿是一种富含铁、锰、铜、钴、镍和钼等金属的大洋海底自生沉积物，呈结核状，主要分布在水深40006000米的平坦洋底，这种结核内含有多达70余种的元素，世界深海多金属结核资源极为丰富，远景储量约3万亿吨，仅太平洋的蕴藏量就达1.5万亿吨。我国科学家以结核丰度10千克/平方米和铜镍钴平均品位2.5%为边界条件，估

9、计太平洋海域可采区面积约425万平方公里，资源总量为425亿吨。其中，含金属锰86亿吨，铜3亿吨，钴0.6亿吨，镍3.9亿吨，表明多金属结核的经济价值确实巨大。多金属结核矿每年还以10001500万吨的速度不断增加。无疑这些丰富的有用金属将是人类未来可利用的接替资源。,深海锰结核,3.12富钴结壳矿 富钴结壳矿是生长在海底岩石或岩屑表面的一种结壳状自生沉积物，主要由铁锰氧化物组成，富含锰、铜、铅、锌、镍、钴、铂及稀土元素，其中钴的平均品位高达0.81.0，是大洋锰结核中钴含量的4倍。结壳主要分布在水深8003000米的海山、海台及海岭的顶部或上部斜坡上。 据估计，在太平洋地区专属经济区内，富钴

10、结壳的潜在资源总量不少于10亿吨，钴资源量就有600800万吨，镍400多万吨。在太平洋地区国际海域内，经俄罗斯对麦哲伦海山区开展调查，亦发现了富钴结壳矿床，资源量亦已达数亿吨，还有近2亿吨优质磷块岩矿床的共生。,3.13海底多金属硫化物矿床,海底多金属硫化物矿床是指海底热液作用下形成的富含铜、锰、锌等金属的火山沉积矿床，极具开采价值。海底多金属硫化物矿床与大洋锰结核或富钴结壳相比，具有水深较浅(从几百米到2000m左右)、矿体富集度大、矿化过程快，易于开采和冶炼等特点，所以更具现实经济意义。 海底多金属硫化物主要产于海底扩张中心地带，即大洋中脊、弧后盆地和岛弧地区。世界已有70多处发现有热液

11、多金属硫化物产出，在东海冲绳海槽地区已发现7处热液多金属硫化物喷出场所。,3.2深海锰结核开采方法 3.21 拖斗式采矿船法 A 单斗式采矿法,B 双斗式采矿法 和单拖斗系统基本相同，但能减少提升中的动力损耗，不仅使生产能力与作业效率提高一倍，而且能节省大量投资，降低开采成本。,拖斗式采矿系统一般由采矿船、拖缆和铲斗组成。在采矿船上装有锰结核开采所需要的绞车、发电装置、采矿拖斗系统、受矿装置及维修设施，此外有供作业人员生活所必需的设施。 拖斗式采矿船的生产过程与步骤如下：(1)下放拖斗。 (2)采集锰结核。 (3)提升。 (4)洗选。 拖斗式采矿船采矿法的优点是投资少，设备简单，技术可靠，操作

12、简便，对采矿船的要求不高。缺点是间断式工作，生产效率低。随开采深度增加，抛升周期延长，生产效率下降，作业成本提高。,3.22 潜艇式遥控车开采法 潜艇式海底遥控车既为无人驾驶的潜水艇，又是独立工作的遥控采矿机械。主要由自行推进、浮力控制、压载三大系统组成。采矿车按照海面工作母船的指令潜入海底采集锰结核，边采集边排放艇内压舱物，装满结核矿后浮出水面并卸下结核，装满压舱物后重新潜入海底进行下一个工作循环。 A 飞艇式潜水遥控车采矿法 B 梭车形潜水遥控车采矿法,3.23 CLB采矿法 又称连续绳斗采矿船法是日本益田善雄于1967年提出。 A 单船式CLB采矿法：由采矿船、无极绳斗、绞车、万向支架及

13、牵引机组成,B 双船CLB采矿法 从根本上解决了绳斗的缠绕问题，绳索间距由两船相对位置确定。,第四章 海底资源开采对环境的影响,海底资源开采与金属冶炼过程中的环境保护问题是当前大洋开发中不可忽视的问题。 4.1 对海底环境的影响 目前深海采矿普遍认同的环境影响主要有以下三方面： (1)集矿线路上对海底生物的搅动与破坏； (2)悬浮沉积物再沉降对海底牛物的可能伤害与再生期的延时影响； (3)沉积物中某些化合物的溶解性对海底水质的变化。 海底集矿机行进时搅动海底沉积物和矿物，形成对海底生物的干扰，从而造成海底生物造成严重破坏。,4.2 对海表环境的影响 由于排至海面的深海废水主要由海底水、沉积物、结核碎屑和海底生物等组成，因而具有与海面海水明显不同的物理和化学性质，由于温度是表层海洋生物生存的重要数，当与不同温度的海水混合时，会造成海底生物和海表某些生物的共同死亡。 另外对多金属结核与海水的微量金属交换的研究