近日，中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司作为牵头单位，揭榜2024年度上海市未来产业试验场“揭榜挂帅”深海探采领域项目，将开展“深海矿产资源采掘、中继、提升与分选全系统中试测验平台建设与应用”研究。
“深海采矿系统可谓人类目前复杂度、难度最高的工程之一，需要大量资金投入，面临严苛的环境保护压力。迄今为止，全世界也都尚无可以进行全系统联合中试的陆地测验平台。这成为限制深海探采技术快速发展和商业化进程的一大瓶颈。”深海探采领域DARPA创新管理机制“项目经理人”负责人张晴波指出。
正所谓“上九天揽月，下五洋捉鳖。”海洋蕴含着丰富的油气资源、矿产资源、生物资源、化学资源、空间资源和可再生资源。在气候变化、人口增长、陆地资源枯竭、生态和环境破坏以及建设海洋强国的战略需求等大背景下，勘探和开发深海资源是必然趋势。由于海底的巨大水压、风浪流复杂流场等各种严峻恶劣的极端环境，以及深海资源的特殊赋存状态、特殊环境保护要求，对深海资源开采、工艺装备提出了更高的要求。深海探采是极地科考和资源开发装备体系、特种救援装备、能源海工装备、深海采矿装备等的总称。
深海探采装备体系发展是开发深海资源、建设海洋强国的国之重器，海洋科学技术的进步，深海探采装备的研制，是推动新时代海洋事业高质量发展、加快海洋强国建设的重要支撑，已成为全球产业竞争的重点领域。深海采矿工程是深海探采产业的重要组成部分。深海矿产资源已成为21世纪陆地金属矿产的最重要可接替资源，作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已成为各国的重要战略目标，也是关系到我国是否能够成为海洋强国的关键区域。深海矿产资源开发主要涉及多金属硫化物、多金属结核和富钴结壳三种矿物，它们或者像土豆一样躺在深海海底海床，或者像烟囱一样矗立在海山，最深可达6000多米。目前深海采矿还处于初期阶段，尚未实现商业化、大规模开采。技术层面，深海采矿面临环保、技术安全性、数字化融合等方面的压力。我国是从国际海底管理局获得资源矿区种类和数量最多的国家，也是全球唯一拥有5块专属勘探权和优先开采权矿区的国家，但从2026年开始勘探合同都将陆续到期。因而，深海矿产资源开发方向建设就显得尤为迫切和重要。
本项目旨在建设深海矿产资源采掘、中继、提升与分选全系统中试测验平台及采矿车在实际矿区开采的应用验证。基于现有水池试验平台、垂直管道平台等，建设深海矿产资源采集、提升和分选3个可独立运行的大比尺中试平台，并进一步设计串联采掘、提升、分选中试平台，形成全系统中试测验能力，打造为国际首套全系统联合陆地中试测验平台。通过研发高效低扰动采集装置，并搭载到目前已经研发的深海采矿车，实现高效集矿装置与集矿车性能的匹配，并在条件允许下开展集矿车海试验证。
该试验场建成后具有显著应用价值：
①海试成本高，不可控因素多，数据获取难度大、精度低，可开展的试验时间受限，而研发能够进行等效试验的固定陆地测试场所，实现真实环境，真实检测，尤其是实现深海矿产资源采掘、中继、提升与分选全系统陆地联动，形成国内首套全系统联合陆地中试测验平台和能力，可大幅缩减研发和试验成本，可大幅提高试验时长，有利于机理和技术的研究与开发，有利于产品的中试、迭代和完善，有利于新技术的推广和深海采矿商业化。
②采集装置及采矿车方面，本项目针对不同种类的矿物开展高效挖掘、采集等装置，实现开采源头上的低扰动环保控制，与国内处于采矿车研发第一梯队的中车艾森迪和上海交大团队共同研发具备海试验证基础的单装备模块。
③垂直提升系统在采矿产业链中端处于“卡脖子”的地位，将与世界领先水平的技术团队共同攻关此领域关键点，实现管道提升关键技术达到当前国际最接近商业化的水平，并在其方案基础上提出成套的完善方案，形成成套垂直提升技术、方案，并实现原尺度的中试验证。
④分选装置通过物理分离的方法将悬浮颗粒与其他物质分离，是解决悬浮颗粒问题的一种有效手段，可以降低矿物采集过程中对环境的影响，同时实现矿物的品质与质量的提升。
⑤由于国内该领域目前均处于单一技术的研发与验证阶段，试错成本高，与其相比本项目具有时间上的提前量，为进一步开展海试提供重要依据，可广泛服务于深海矿产资源开发领域科研单位和生产主体。
深海矿产资源开发是否可行，在很大程度上取决于工业和技术开发人员提供能够在现实生活环境中高效运行的系统的能力。随着技术层面取得的进展，各国经模拟、实验与试采，将“海底采矿车—提升系统—分选系统—海试验证”方案作为目前最具前途的商业化深海矿产开采系统，其核心部分即为采掘系统、提升系统、水面支持系统和分选系统。可见，深海矿产开采全系统十分庞杂，各个部分环环相扣，跨度达6000m，海洋环境复杂多变。因此，中试测验平台不仅需要满足全系统联合测验需求，且国际上并无先例；同时，还要具备一定海洋环境条件模拟的能力，以及关键参数监测、性能评估的功能，这些都是全世界范围内尚未完全解决的难题。
疏浚工程包括“挖掘-装舱-输送-脱水-资源化”过程，与深海矿产开采过程极为相近。疏浚国家工程中心围绕重点工程建设和行业发展需求，建立疏浚共性技术和关键装备研发、试验和工程化平台，带动提升了我国疏浚行业的整体技术水平和重大疏浚装备的自主发展能力。2021年12月顺利通过优化整合评价、纳入国家工程中心新管理序列，全面开启国家级科研平台发展新征程。中心建有118 m×10 m×6.7 m疏浚过程试验平台、107 m×2 m×2.5 m风浪流水槽、多功能泥泵管道试验平台、DN100-300垂直输送管道、挖泥船仿真试验平台等多个与项目研究相关的科研试验平台，并配有先进测量技术手段。其中，疏浚过程试验平台独家具备“水、土、机具耦合”综合中试能力，积累了大量自主研发的技术装备，专为深海采矿输送研究建设的垂直输送管道，为不同粒径与级配、粒径-管径比、流量浓度等开展垂直提升试验提供了必要硬件条件，并配备放射性浓度计、自研电阻层析成像设备（ERT）浓度断面测量装置，为采矿作业垂直提升技术研究提供良好的支撑。但这些试验平台功能毕竟与深海采矿所要研究的内容有一定区别，且相对独立，因此如何在此基础上建设深海采矿试验研究的平台，如何将相对割裂的各个平台进行串联，形成有机整体具有很大的挑战，这需要打破固有思维，重新整合软、硬件系统。
将通过深入剖析深海采矿技术需求，以现有平台为基础进行平台建设，首先实现三个独立中试平台的模拟、测验功能，进一步通过平台物理串联、控制系统合并和联合调试，确保联合中试测验平台的研制。这将成为国内首套深海矿产资源全系统联合陆地中试测验平台，为深海采矿提供上海方案。
为完成该试验场研发，成立了攻关联合体：由中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司为联合体牵头单位，负责未来试验场的建设、运营和推广应用，并基于此开展必要的机理和技术研究工作；上海中车艾森迪海洋装备有限公司为联合体参与单位，是场景提供方和应用方，负责采矿车的研发，同时作为应用单位，将在所研制的采掘未来试验场开展采矿车中试验证，并联合开展采矿车海试验证；中交上海航道局有限公司与上海交通大学同时为联合体参与单位，负责部分装备及工艺研究、船舶支持和采集装置的研发；此外，上海深蓝矿业有限公司，将作为第三方为本项目未来涉及的海试验证部分提供强有力的装备保障。
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