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采矿技术
富钴结壳开采技术
来源:选矿技术网2017-04-124465
    富钴结壳(又称锰结壳、铁锰结壳)是大洋底部最具吸引力的矿产资源之一,赋存在水深500~4000m的海山、岛屿斜坡上,富含钴、铂、镍、锰、铜、铁、磷、钦、锌、铅等金属,钴的平均含量最高,品位高达0.8%~1.2%,最高可达到2%,一般都大于0.5%,是多金属结核中钴含量的4倍,较陆地原生矿高几十倍,铂平均含量高于陆地相应矿床的80倍。根据调查结果,太平洋、大西洋和印度洋中都分布有大量的钴结壳矿藏,富钴结壳矿床潜在资源量可能达到10亿t,钴金属含量达数百万t。
 
    美、德、日、俄等发达国家在钴结壳资源的勘查、开采、冶炼加工等技术研究上投入了巨资,已取得较大进展。俄罗斯于1998年在国际海底管理局第四届会议期间正式向管理局提出了制定海底钴结壳开发的有关规章的要求。中国、韩国等少数发展中国家近十年来也积极开展了钴结壳开采技术等方面的研究工作。
 
    一、富钴结壳的调查情况
 
    1981年Peter Halbach率领“德国中太平洋一号”(German Midpac I)巡航船对夏威夷南部的莱恩群岛(Line Islands)进行了第一次系统的调查,发现中太平洋800~250om海域较大范围内赋存有巨大经济价值的钴结壳潜在资源。随后相继进行了一系列航次调查,对太平洋海域的钴结壳资源分布、地球物理化学特性及矿床成因作了系统研究。
 
    美国地质调查所于1983~1984年对太平洋、大西洋等海域进行了一系列航次的调查研究,发现在太平洋岛国专属经济区(包括马绍尔群岛、密克罗尼西亚和基里巴斯群岛联邦)的赤道太平洋和美国专属经济区(夏威夷,约翰斯顿群岛)以及中太平洋国际海域800~2400m水深的海山处,存在许多有开采价值的富钴结壳矿床,仅夏威夷一约翰斯顿环礁专署经济区内5万km2的目标区内钴结壳的资源量就达3亿t,按当时的估计,此资源开采出来可供美国消费数万年。
 
    俄罗斯从1986年开始有计划地进行钴结壳的地质勘探工作。1986~1993年间对西太平洋近赤道北部地带进行了23个航次的调查,调查面积达200万km2,通过区域性调查在麦哲伦海山、南马库斯一威克海山、马绍尔群岛海山、莱恩岛海山区域划出了钴结壳矿带,并对前两个海山区域进行了普查。
 
    1994年提出了“麦哲伦海山带钴结壳普查勘探工作安排的技术经济方案”,圈定了一些矿床的边界,计算了详查区段和试验采区结壳的矿石储量以及整个矿床的预测资源量,并制定了勘探阶段的工作方法及规范,编制了钴结壳试验开采设计,查明水文、生态和环境条件等。
 
    日本于1986年在米纳米托里西马群岛区域采集到了富钴结壳样品,成立了钴结壳调查委员会。国营金属矿业会社于1987年7~8月在水深为550~3700m的米钠米-威克群岛海域进行了调查,找到了一些平均厚度为3cm的钴结壳矿层,其钴含量为陆地矿的10倍以上。1991年对西太平洋的第5号Takuyou海山进行了调查,发现在水深不到1500m的地势平坦的3000km2范围内存在丰度>4 kg/m2的大量富钴结壳,总储量约0.96亿t。此外,在海底沉积物下还发现埋有大量的钴结壳,因而钴结壳的资源量远远超过以前的估计。
 
    从1983年起,由韩国科学技术部及韩国商工能源部资助的韩国海洋开发研究院(KORD I)开始进行深海采矿研究。1989~1991年韩国海洋开发研究院与美国地质勘探局对克拉里昂-克林帕顿断裂带及西太平洋区进行了联合勘探,从2000年开始,韩国每年执行一次为期1个月左右的钴结壳调查,地点为麦哲伦海山区及中太平洋海山区。2001年的调查是在马绍尔群岛北部的国际区域进行的,共选择了6座海山。初步研究结果表明,在深度低于2000m的海底,钴结壳厚度较大,其中钴含量为0.5%~0.8%,镍为0.4%~0.5%,锰为20%~22%。
 
    中国自1997年正式开始对中太平洋海山区(位于中太平洋海盆北缘,夏威夷-天皇海山链以西,美国威克专属经济区与夏威夷专署经济区之间的国际海域)进行有计划地前期调查。对5座海山勘查结果分析表明,钴结壳主要分布在水深1700~3500m之间的平顶海山顶面和山坡上,水深较浅站位结壳的Co品位在0.7%~0.9%之间,水深较大站位的Co品位在0.5%~0.6%之间,平均厚度3cm,最厚可达13cm,而且顶面边缘厚度最大,钴品位也较高。其中3座海山面积为15396.5万km2,钴金属量241万t,镍当量1413.31万t。
 
    二、富钴结壳开采技术研究现状
 
    自1980年代初,德国科考船对中太平洋富钴结壳开展专门调查后,富钴结壳受到世界各国政府的高度重视和海洋学家的密切关注。美国、日本、俄罗斯等发达国家相继对各专属经济区内的富钴结壳矿床开展了一系列的开发研究,并提出了相应的富钴结壳开采方法,有代表性的包括美国专家提出的“自行式采矿机-管道提升的钴结壳开采方法”、日本专家提出的“拖曳式采矿机-管道提升的钴结壳开采方法”和俄罗斯专家提出的“绞车牵引挠性螺旋滚筒截割采矿机-管道提升钴结壳开采方法”等3种开采方法,目前这些开采方法都处于方案研究阶段。
 
    (一)自行式采矿机-管道提升的钴结壳开采方法
 
    美国专家提出的“自行式采矿机-管道提升”的钴结壳开采系统。由装备多个机械臂的自行式海底钴结壳采矿车,切割钴结壳及其基岩,破碎的钴结壳及其基岩经水力吸矿器吸入储存仓,再经二次破碎及分选后,采用气力提升方式经扬矿管提升到水面支持船,具备采剥、集矿、大块破碎分选、提升、运输5个功能。该采矿系统能很好适应变化复杂的微地形,但须解决切割头随微地形变化浮动的技术。
 
该方法进行商业性开采的要求如表1所示。
 
表1  自行式采矿机-管道提升方法进行商业开采的条件
条件
指标
条件
指标
矿床的赋存深度
海底面倾角
矿床面积
结壳矿床覆盖率
800~2400m
平均100°(最大20°)
10~50km2
60%
 生产规模
 结壳厚度
 矿石金属品位
 连续作业时间
100万t/a
平均4cm(最大10cm)
Co0.9%,Ni0.5%,Mn28%,Pt0.4ppm
225d
 
    钴结壳采矿车由8条三角形行走履带驱动,以适应地形多变的要求,行驶速度0.2m/s,作业功率900kW,长13m,宽8m,空气中重100t。装备有6个带切割头的机械臂,由机械臂的上下移动来调节采集头的工作高度。由切割头破碎的结壳块通过安装在大臂后面的水力吸矿器吸入储存仓。
 
    Latimer John R、Halard等对破碎方式进行了试验研究,并从结构上对破碎方法、提升方法以及切削刀具对地面的适应性等方面进行了研究和设计;Winard教授、Larson、Tandanand等对钴结壳及其基岩的物理机械特性进行了测试,为钴结壳商业性开采进行了全面的基础技术准备。
 
    (二)拖曳式采矿机-管道提升的钴结壳开采方法
 
    由日本提出的拖曳式采矿机-管道提升钴结壳开采系统,由海面采矿船通过扬矿管牵引海底集矿机行驶采集钴结壳,经整粒、分离并逐渐去除沉积物后,以空气提升的方式输送。试验集矿机的主体由滑板状的台架支撑,在底面拖航,长13m,宽5m,高5m,水中重量约10t,采用压力水射流采集。
 
    该采矿方法于1985年在夏威夷群岛东南深4300~4900m的海山上试验,连续开采4h,采出4t,平均每斗采集矿样约75kg。1993年,在西太平洋海深1500m,北纬23、西径153海山上进行了实际开采试验,平均每斗采集矿样约100kg。1997年在改进了球形辊柱绞盘和斗自动卸载等机构后,成功的在西太平洋2200m的Takuyou海山上进行了实际开采试验。
 
    试验发现,拖曳式采矿机-管道提升的钴结壳开采方法无法有效控制桶斗的运行轨迹,不能适应海底地貌和结壳度的变化,回采率低,生产能力波动,且无保证达到设计能力,不适于大面积业开采。因此,转向自行式一液力提升方式的采矿方法研究,并提出了钴结壳开采方法。该开采系统由海底采矿车或集矿车采集并切割结壳,采用潜水泵经管道输送到水面支持船。其中,海底采矿车或集矿车为用自行式车辆,自行式车辆包括机械切割、破碎、水力吸矿系统、沉积物分离装置、给料装置和集矿头,重量和功率大,结构和控制系统复杂;管线包括钢管和软管。
 
    根据钴结壳的开采方法,申请了基于螺旋切削式破碎方法的采矿车专利,通过改变滚筒式切割头和采矿机的滚筒式采矿头的位置及结构来提高开采效率。
 
    (三)绞车牵引挠性螺旋滚筒截割采矿机-管道提升钴结壳开采方法
 
    俄罗斯自1987年起对中太平洋麦哲伦海山进行长达6a的钴结壳勘查研究,根据结壳及其基岩的物理机械性能,提出了“电耙式钴结壳采矿车方法”。作业时,采矿车经潜水平台下放到海底,采矿船后退一定距离,装设用缆索与潜水平台连接的锚固绞车座。启动电动机,通过减速机驱动螺旋滚筒轴,滚筒上的切割刀和截齿切割结壳,泵叶片旋转,均匀吸入结壳,由提升泵经垂直提升管提升至水面支持船。
 
    采矿机挠性螺旋滚筒由左右螺旋两部分组成,每个螺旋的两端置于轴承座内,两螺旋滚筒分别由位于其外轴承座处的电动机经减速机驱动。螺旋滚筒外面装有切割刀和截齿,里面装有叶片,构成轴流泵。螺旋滚筒切割刀和截齿外面沿轴向设有两个弹性外罩,外罩用橡胶加固,用金属骨架铰接在一起,隔一定间隔用拉杆将螺旋滚筒轴与弹性外罩壁板连接起来。整个滚筒两端轴包括吸入软管,软管与浮动机架相连,支承在行走轮上,并通过几根索链与牵引钢丝绳相连。
 
    矿石提升采用泵提升和索斗提升两种方案,前者提升上来的矿石在船舱内进行沉积分离后送至船舱;后者泵入管道内的矿石沉积在挂于垂直钢丝绳上的管内筛网料斗内提升,空载段在管外下行。
 
    该采矿方法对于开采微地形变化莫测的钴结壳而言,机构简单,极具应用前景。
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