1 我國(guó)亟待解決的關(guān)鍵核心技術(shù)

　　深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)高挑戰(zhàn)技術(shù)，不僅涉及數(shù)個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,，而且技術(shù)體系復(fù)雜,，高新技術(shù)集中且密度高，難度和技術(shù)復(fù)雜性并存,。我國(guó)深海采礦技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了可觀(guān)的成就,，但是距離商業(yè)化開(kāi)采之路仍然面臨著許多重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著當(dāng)今世界科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展,，技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)低成本的綠色深海采礦技術(shù)是加速開(kāi)展深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的最大驅(qū)動(dòng)力,，也將進(jìn)一步推進(jìn)深海采礦商業(yè)化進(jìn)程。本節(jié)從深海探礦,、深海采礦和環(huán)境評(píng)估等方面凝練了我國(guó)亟待解決的關(guān)鍵核心技術(shù),，以期突破深海采礦技術(shù)制約瓶頸，促進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程,。

　　1.1 深海礦產(chǎn)勘探技術(shù)：

　　隨著深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)越來(lái)越頻繁,，深海金屬礦產(chǎn)資源的詳細(xì)勘探和調(diào)查顯得異常重要[22]。通過(guò)對(duì)深海礦產(chǎn)勘探關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),，開(kāi)展精準(zhǔn),、穩(wěn)定、可靠的深海礦產(chǎn)勘查是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

　　1)深海數(shù)字礦區(qū)建設(shè)技術(shù),。發(fā)展海底勘探全流程數(shù)字模擬技術(shù),，建成真實(shí)坐標(biāo)、三維可視化的海底礦區(qū)數(shù)字化環(huán)境,，在開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)高精度再現(xiàn)作業(yè)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)模擬,；構(gòu)建海底礦物資源種類(lèi)和分布信息數(shù)據(jù)庫(kù)，廣泛收集海洋礦區(qū)立體監(jiān)測(cè)信息,，涵蓋礦產(chǎn)類(lèi)型,、分布和豐度等全方位數(shù)據(jù)、三維精細(xì)海底地形地貌等,；基于礦區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)和海底成礦機(jī)理開(kāi)發(fā)數(shù)字化的礦區(qū)分布規(guī)律分析算法,，助力未知礦區(qū)的勘探和開(kāi)發(fā)。

　　2)復(fù)雜環(huán)境近底探測(cè)和取樣技術(shù),。復(fù)雜環(huán)境近底探測(cè)的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水面探測(cè),，同時(shí)基于深潛器懸停定位技術(shù)的深海潛器，可以克服海底洋流的干擾開(kāi)展高端原位取樣作業(yè),，這為深海礦產(chǎn)資源詳細(xì)勘查提供了強(qiáng)有力的手段,。主要研究包括深水潛器自動(dòng)航行技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境近底作業(yè)防碰撞技術(shù),、高速水聲通訊技術(shù),、三維結(jié)構(gòu)光微地形測(cè)繪技術(shù)、高端原位取樣技術(shù)等,。

　　3)新型智能大水深勘探機(jī)器人制造技術(shù),。深海資源勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)得益于深海技術(shù)裝備的支撐，深海技術(shù)裝備的制造技術(shù)直接決定了深海資源勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)的廣度,、深度和精度,。主要包括深潛器優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評(píng)估技術(shù)、高能量密度動(dòng)力技術(shù),、深水高精度導(dǎo)航和懸停技術(shù),、復(fù)雜海底環(huán)境下航行控制技術(shù)等。

　　1.2 深海礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)：

　　我國(guó)深海采礦技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展已經(jīng)取得了一系列重大進(jìn)展,，但整體的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，亟需開(kāi)展深海采礦技術(shù)創(chuàng)新，綠色,、智能,、安全、高效,、協(xié)同的深海采礦技術(shù)是未來(lái)的主要研發(fā)方向,。

　　1)多集礦車(chē)協(xié)同控制技術(shù),。面向復(fù)雜、惡劣的海底采礦作業(yè)環(huán)境,，無(wú)人化和智能化的多機(jī)協(xié)同控制和聯(lián)合作業(yè)是今后主要的發(fā)展方向,。其主要核心技術(shù)包括智能決策和指揮技術(shù)、分布式協(xié)同控制技術(shù),、故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)等,。

　　2)沉積物擾動(dòng)抑制和水下噪聲控制技術(shù)。深海采礦海底作業(yè)過(guò)程中對(duì)海洋環(huán)境的影響不容小覷,，主要包括集礦車(chē)對(duì)于沉積物的擾動(dòng)以及作業(yè)產(chǎn)生的水下噪聲等,。開(kāi)展沉積物擾動(dòng)抑制和水下噪聲控制技術(shù)研究是進(jìn)行綠色采礦的努力方向和硬性條件?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化集礦機(jī)的采礦頭和行走履帶等相關(guān)裝置,，比如研發(fā)高性能吸收裝置，減小懸浮固體顆粒對(duì)于周邊環(huán)境的影響,。

　　3)復(fù)雜激勵(lì)條件下全系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)和分析技術(shù),。復(fù)雜風(fēng)浪流和內(nèi)波聯(lián)合作用下，深海采礦全系統(tǒng)的力學(xué)響應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析是一項(xiàng)保障整體設(shè)備安全,、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。包括對(duì)水面支持系統(tǒng),、泵管系統(tǒng),、集礦機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變,、結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行監(jiān)測(cè),，兼顧超長(zhǎng)管道的損傷識(shí)別和疲勞分析等?；谌珪r(shí)段的監(jiān)測(cè)和分析,，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)作業(yè)狀況進(jìn)行研判，確保整個(gè)作業(yè)裝備的穩(wěn)定和安全,。

　　4)超長(zhǎng)泵管系統(tǒng)流動(dòng)保障分析技術(shù),。流動(dòng)保障主要研究粗礦粒-海水形成的固液兩相流動(dòng)經(jīng)過(guò)泵管系統(tǒng)的流動(dòng)特性，探究流態(tài)演化機(jī)理,；對(duì)堵塞發(fā)生的臨界條件進(jìn)行研究,，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的段塞流、堵塞,、泵管磨蝕和泄露等問(wèn)題,，進(jìn)而提出合理的輸運(yùn)策略。開(kāi)展泵管系統(tǒng)流動(dòng)保障分析技術(shù)研究,，確保深海采礦超長(zhǎng)泵管系統(tǒng)的安全,、高效,、穩(wěn)定運(yùn)行，是深海采礦系統(tǒng)需要著重解決的關(guān)鍵技術(shù)之一,，具有重要的實(shí)際工程意義,。

　　5)聲光融合的水下環(huán)境實(shí)時(shí)感知技術(shù)。深海采礦機(jī)器人通過(guò)基于光學(xué)和聲學(xué)成像的環(huán)境感知技術(shù)來(lái)獲取工作環(huán)境信息,，對(duì)周邊環(huán)境以及礦石分布進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷,；基于智能化控制算法，機(jī)器人可以自動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃最佳行進(jìn)路徑,、越障避障等操作,。主要難點(diǎn)是克服高噪聲、高揚(yáng)塵等嚴(yán)苛的海底作業(yè)環(huán)境,。

　　1.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估技術(shù)：

　　深海采礦作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè),，其對(duì)海底環(huán)境的影響越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，開(kāi)展海底作業(yè)礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康評(píng)價(jià)是深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)面向商業(yè)化進(jìn)程中必不可少的重要環(huán)節(jié),，技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)下的綠色采礦是未來(lái)主要的研發(fā)方向,。

　　1)羽狀流的擴(kuò)散和沉積機(jī)理分析。海底擾動(dòng)和尾礦排放形成的羽狀流是深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可忽視的環(huán)境問(wèn)題,。通過(guò)高精度數(shù)值模擬和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷仁侄?，研究羽狀流擴(kuò)散和再沉積機(jī)理，進(jìn)而構(gòu)建包括海底揚(yáng)塵和羽狀流在內(nèi)的環(huán)境影響評(píng)估體系,，為綠色開(kāi)采提供一定的理論和技術(shù)支撐,。

　　2)智能化環(huán)境健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。礦區(qū)環(huán)境健康監(jiān)測(cè)是評(píng)判深海采礦作業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度的重要手段,，是綠色采礦作業(yè)必不可少的部分,。采礦作業(yè)對(duì)于深海環(huán)境的影響是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的和多方面的,，同時(shí)面向復(fù)雜的海洋環(huán)境條件,，這對(duì)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)主要依賴(lài)智能化深海裝備來(lái)獲取高質(zhì)量的環(huán)境樣品和數(shù)據(jù),。主要裝備包括載人潛水器,、水下滑翔機(jī)、ROV或AUV等運(yùn)載裝備以及定點(diǎn)取樣觀(guān)測(cè)裝置,。同時(shí)需要開(kāi)展科學(xué)的觀(guān)測(cè)調(diào)查方法研究,，保證獲得樣本數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

　　3)構(gòu)建礦區(qū)環(huán)境影響評(píng)估技術(shù)體系,。構(gòu)建合理,、可靠的環(huán)境影響評(píng)估技術(shù)體系是深海采礦環(huán)境保護(hù)方面另外一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是深海采礦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化必須解決的問(wèn)題,。環(huán)境評(píng)估體系的主要目的就是分析和預(yù)測(cè)深海采礦對(duì)于礦區(qū)環(huán)境不利影響的程度,，進(jìn)而提出預(yù)防和減輕影響的對(duì)策和措施,。可以通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷仁侄?，?duì)海底揚(yáng)塵和羽狀流模擬,，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其演化過(guò)程，進(jìn)而指導(dǎo)環(huán)境評(píng)估技術(shù)體系的構(gòu)建,。

　　4)建立海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù),。發(fā)展數(shù)字海洋，廣泛收集海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)信息,，涵蓋礦區(qū)風(fēng)浪流環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等,，建立海洋礦區(qū)環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)。發(fā)展云計(jì)算技術(shù)和跨主題數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),，對(duì)海洋信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,、分析和挖掘，更加全面,、準(zhǔn)確的展示海洋礦區(qū)環(huán)境信息特征,，為深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的戰(zhàn)略性決策支持。

　　2 未來(lái)我國(guó)深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)方向

　　我國(guó)未來(lái)深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)應(yīng)秉持綠色開(kāi)采,、智能可控,、高效協(xié)同的理念。以精細(xì)勘探為目標(biāo),，發(fā)展深水潛器近底觀(guān)測(cè)和精細(xì)取樣技術(shù),；聚焦綠色

　　開(kāi)采技術(shù)，發(fā)展低擾動(dòng),、復(fù)雜環(huán)境感知、穩(wěn)健行進(jìn),、多機(jī)協(xié)同,、智能可控的高性能集礦機(jī)技術(shù)；發(fā)展安全,、穩(wěn)定,、高效的礦石輸送技術(shù)，兼顧泵管裝備的智能調(diào)控和損傷識(shí)別,；針對(duì)嚴(yán)苛的海底環(huán)保規(guī)定,，構(gòu)建智能化環(huán)境健康監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)體系；面向未來(lái)的商業(yè)化開(kāi)采需求,，研發(fā)全天候運(yùn)維技術(shù)和緊急避險(xiǎn)技術(shù),；面向深海特殊作業(yè)環(huán)境的裝備需求，重點(diǎn)發(fā)展特種材料的研發(fā)制造技術(shù),，突破高新技術(shù)產(chǎn)品的短板,。

（來(lái)源：哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),；作者：鄒麗，孫佳昭,，孫哲,，王靜遠(yuǎn)，于宗冰,；作者單位：大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,；清華大學(xué)水利系）