海底采矿的研究与开发王爱武,王和平（长沙矿山研究院，湖南，长沙 410012）摘要: 深海采矿是人类获取海底资源的重要途径之一，机器人在深海采矿中的广泛应用是大洋开发的必然产物。

文章介绍了海洋采矿的发展状况，采矿系统，机器人在采矿系统中的应用及机器人的发展趋势。

关键词：海洋采矿；集矿机器人；采矿系统; 控制；其他深海机器人；The State of Research And Development of Sea-bed Mining RobotWANG he-ping, WANG ai-wu(Changsha Institute of Mining Research, Changsha, Hunan, 410012, China) Abstract:Deep-sea mining is a way to obtain resources for human being in which robot is used widely, which is inevitable. The paper introduces the developing conditions about deep-sea mining, the system of mining, the type of robot used in the system of mining and the trend of the development of the mining robot.Key Words: Deep-sea mining; mining robot; mining system; control; other Deep-sea robot；由于人类对资源的需求与日俱增，虽然人们不断地在内陆上发现和发掘出了大量的资源，但是随着消耗的增加，陆地资源在不断地减少，人们越来越担心这样无休无止地发掘，将导致陆地资源的匮乏，那样将不仅仅影响了经济建设的发展，而且将导致生态环境的日益恶化，最终影响人类的生存。

在这种情况下，人类就只好另找出路，期望能够既得到丰富的资源，又不会影响人类的生存环境，大海就成了人们首选的目标。

地球的四分之三都被海水所覆盖，并且大部分都处于原始的、没有被开发的状态。

在大海的深处，科学家已经论证了确实存在有大量的人类急需的资源。

因此，如何开采这些资源就成了各个国家竞相研究的课题。

目前海底世界已被人类认为是未来最大的潜在战略资源基地。

近年来，国际海底区域活动及其科技、经济、政治及法律环境都发生了深刻的变化。

世界各国为未来的发展和获取、占有海底多种资源已出现相互竞争的形势。

70年代初，西方发达国家就开始进行深海多金属结核资源采矿技术和装备的研究开发。

以美国公司为主的四大财团研究开发了集矿机器人和管道提升采矿系统。

80年代，法国研制成PKA2－6000号深海多金属结核采矿系统，可以从6000m的深海底进行快速采矿，日产量可达1500～2000t，然后按自控程序返回海面。

英国也研制了一种气力提升采矿系统，日产量可高达10000t。

日本本土金属矿产资源匮乏，很早就已注意深海矿产资源开发，花费了大量的人力、物力、财力研制出了海底集矿机系统、提升系统、机械收放系统和测控系统组成的深海开采系统。

90年代，发展中国家的深海采矿技术有了长足的发展。

除中国外，印度近年来在深海采矿技术的研究上也取得了很大的进步，并成功地进行了海上试验。

目前，各国专家普遍认为世界深海高新技术的发展趋势是朝着多功能、自动化、智能化的方向发展。

当前国际海底区域活动竞争的焦点是资源，而获得资源的手段是深海高新技术。

专家们认为，利用机器人进行深海采矿是可行的，其所进行的工作除专有技术研究开发外，主要是将电子技术和新材料等最新科技成果应用于深海采矿之中。

在经过多次试验和反复之后，集矿机器人、管道提升及采矿船的开采方法是最有可能用于将来商业开采的一种方法。

1．我国海底采矿的研究现状我国非常重视海底多金属结核开采的研究开发，在大洋协会的组织协调下，“八五”、“九五”期间就设立了专项研究课题，历经十余载的“可行性研究”，“样机研究”，“实验室试验研究”，到目前完成了150m深的中试采矿系统湖试试验。

中试系统由集矿机器人系统、软管输送子系统、动力及测控子系统及水面支持系统四大部分组成，达到了打通采矿系统工艺流程、设备运转正常、系统能从湖底采集模拟结核并输送到水面船上的目的。

在这些工作过程中，积累了非常宝贵的经验，并且培养了一批具有创造能力的高科技人才，这为集矿机器人在1000m海底开采试验提供了切实可行的保障。

1996年至2000年期间，国内试验研究工作的工作重点从单体技术研究转变为系统研究、系统设计、部分关键部件研制和设计验证。

这期间主要取得的成果是在单体扩大试验研究成果的基础上，完成了中试采矿系统技术设计，组成了履带自行式集矿机器人和软管输送系统，通过湖上试验对技术设计中的方案和主要技术进行了验证。

试验分为二个阶段，第一阶段研制开发水力复合集矿机器人和软管提升系统在100～200米水深处分别验证集矿和软管输送系统，以及完整系统的可行性；第二阶段采用一套集矿机器人子系统和其它子系统一起在中国南海浅海区进行软管提升、机器人集矿，及相应的机器人采集控制系统这样一个完整系统的采集试验。

2．深海采矿系统深海采矿系统由集矿机器人系统、软管输送子系统、水声定位系统及水面支持系统四大部分组成（见图1）。

图1深海采矿系统图2．1 集矿机器人集矿机器人的主要功能是在海底采集结核矿石，脱泥、破碎。

中试采矿系统选用履带自行式水力集矿机器人，集矿机器人由机身，履带，集矿头，破碎机，液压系统，以及控制系统，传感器和仪表，脐带缆、动力分电箱和接头，输送软管及附件，浮力构件和它的测控元器件等各部分组成。

控制采用水下计算机工作站和水面船控制中心的集中控制系统。

水下控制站PLC用于管理/处理本地的数字量和模拟量。

水面控制站用工业PC机管理各个微控制器和I/O处理器，采用图形Windows NT，便于组态、设计和故障寻查。

系统运行和管理使用主计算机和辅助计算机。

系统设计成开放式，能根据需要很方便的扩展。

水下控制站为一具有数字量、模拟量处理能力和高速网络通讯能力的微控制器系统。

它由PLC、I/O模块、I/O接口、网络模件、通讯模块、电源变压器、姿态传感器和罗盘等构成，装在圆筒形压力舱内。

执行向集矿机器人上的测控设备提供低压交直流电，采集水下传感器的信息，进行机器人行走的闭环控制，驱动所有传动装置（包括液压系统），与船上操作系统高速通讯等功能。

水面控制中心配置有操作台，控制手柄、按钮和开关，各类显示器，微控制器及I/O 接口，主工业PC机及服务器，打印机及录像机等。

水下控制站与水面控制中心均具有高速通讯接口及组件。

具备编码纠错、自动重发功能，通讯回路冗余，自动识别接入。

通讯速率大于1M波特率。

集矿机器人行驶的控制以罗盘导航和基线定位修正实现按预定开采路线行驶，利用电视摄像和声纳在线监测障碍和辅助搜寻上次轨迹，自动控制绕障和调头；并根据观测的海底结核丰度和坡度调节车速。

集矿机器人采矿作业控制主要根据车的纵向倾角手动调节集矿头摆角缸使集矿头平行海底面。

根据工作参数要求，调节集矿头离地高度，保持集矿效率最高。

2．2扬矿装置扬矿装置将集矿机器人所采集的结核矿石经管道提升到海面船上。

由硬管提升段、中间仓、软管段和矿浆泵、测控元器件等组成。

为了保证自行式集矿机的机动性，避免扬矿硬管对其产生动力影响，扬矿硬管通过一段软管与集矿机相连。

中间仓设置在垂直管与软管之间，当结核丰度变化采集结核量改变时保持向扬矿管供矿稳定，提高扬矿效率。

软管段装有浮力材料，使软管呈拱形。

中间仓：安装软管抽吸矿浆泵，调节硬管给料。

其矿舱大小依特定时段无结核保证供矿选定。

扬矿部分测控主要对作业参数实施检测；当扬矿参数变化有可能危及作业安全时，进行自动调整。

其中检测参数主要包括矿浆流量、浓度、泵出口压力、管线压差，形态和位置等，调整参数主要是生产能力调节和排除故障控制。

2．3 水声定位部分采用长基线定位系统（LBS）和声学调制解调器。

LBS主要用于对采矿船、扬矿管道、中继仓及集矿机器人进行三维定位，作为采矿船、扬矿管、中间仓和集矿机全系统的回采路径测定、跟踪与控制。

2．4. 水面支持子系统／采矿船它是采矿作业中心，为水下设备提供存放、布放／回收、作业支承和维修，并贮存结核矿石。

目前整套水下采矿系统已通过湖上试验，打通了采矿系统工艺流程。

湖试结果表明：参与湖试的设备运转正常，系统能从湖底机器人采集模拟结核并输送到水面船上；系统的监控功能强大，具有手动、半自动、全自动控制方式，齐全的运行参数显示、报警和故障自诊断功能；系统操纵灵活方便，从发电机供电到各部分的启动运行操纵全部集中在控制室内计算机控制台上进行。

验证了我国水下采矿系统技术上达到技术设计要求。

3 深海采矿中机器人的应用由于深海采矿环境的特殊性，各国研究了各种用途的水下机器人来代替人类难于亲临处理的工作。

3．1. 观察机器人为采集深海底的矿产资源，人们首先探查海底矿产的分布于环境状态，以及其开采价值，和能否进行开采。

为详细掌握选定的海底矿区状况，人们借助于观察用机器人。

这种机器人按实现预定好的路线，可在距离海底最低1米的高度进行录像和拍照。

这种机器人又分为两类。

一类是无缆机器人(RUV)，这种机器人在水下完成观测任务浮上水面后，在对录像与拍照的资料进行后处理。

另一类为有缆机器人(ROV)，这种机器人可通过电缆实时观察到水下状况，在控制方面灵活和实时性强，缺点是观察的区域受到电缆的限制。

人们通过机器人观察可以获得这一区域的海底表面矿产分布情况与地貌状态，是否平坦，是否适合开采等重要资料。

目前这种观察用机器人可运行在6000米的水下，其研究制造水平以俄罗斯海洋技术问题研究所最具代表性。

3．2. 勘探机器人除了观察海地表面情况外，人们还需进一步掌握这一区域的地质资料。

如海底表面剪切强度，其不同层面的地质成分等，那么就必须对海底的地质物质进行取样，因此又发明了勘探机器人。

勘探机器人的特点是按指令到达指定地点后，钻取一个或多个海底样岩并尽量保存原样，然后上浮，由于这种样岩保持了海底原始的地质分布状态，对人们研究和开发采矿机器人等科研工作提供了十分重要的第一手资料。

长沙矿山研究院研制的多管取样勘探机器人，可下潜到6000米以下的海底，一次提取1到9个海底样岩，目前已成功地在东、西太平洋4000-6000米深的海底钻取近100个样岩，达国际领先水平。

为我国的海底资源开发提供了极为重要的数据。

3．3. 采矿机器人人类开发海洋是为了获取资源，采集矿产资源可获得直接的经济效益。