深海觅踪(2)|深海采矿技术体系、现状差距与核心机构公司全梳理

深海采矿综述

深海采矿技术体系

国际上深海采矿的系统级装备组成已基本达成共识，主要包括 水面支持、水中输送、水底采集 三个子系统。涉及六大技术领域方向：探、采、集、输、船、环。

深海采矿场景示意图

深海采矿流程

深海采矿的第一步是 “探测”，如同在黑暗中寻找宝藏，需要借助多种技术手段摸清海底 “家底”。地球物理探测技术就像给海底做 “体检”，通过测量地磁场、重力场、电场等物理信号，推断地下是否隐藏着丰富的矿产资源 —— 比如地磁探测能识别含铁矿物的分布，重力探测可发现密度异常的矿层。地质调绘技术则更 “直接”：海底钻探如同用 “吸管” 采集海底岩芯，浅地层剖面探测像超声波扫描，能看清海底浅层的地质结构，精准定位多金属结核、富钴结壳等矿层的位置。

遥感技术是从 “空中” 俯瞰海底的 “千里眼”：光谱遥感通过分析海水反射的光谱，识别矿物独特的 “光谱指纹”；卫星测高技术利用卫星雷达测量海面高度，间接绘制海底地形，帮助锁定适合开采的平坦区域。声学探测技术则是海底的 “听诊器”：侧扫声呐发射声波扫描海底表面，生成高清地貌图像；多波束测探系统一次扫描就能覆盖大范围海底，快速构建三维地形模型，让凹凸不平的海底地貌一目了然。

水下机器人探测技术堪称 “深海侦察兵”：ROV（遥控潜水器）由船上人员远程操控，携带摄像机和机械臂，能近距离拍摄矿石样本并抓取实物；AUV（自主潜水器）则像无人侦察机，按预设程序自主巡航，长时间在海底测绘，适合勘探人迹罕至的深渊区域。化学探测技术则是 “成分分析师”，通过检测海水中的金属离子浓度和海底沉积物的化学组成，判断矿产的品位和富集程度，为开采可行性提供关键数据。

探测到矿产后，“开采” 环节如同在海底 “破土动工”，需要专用的设备和技术。海底开挖设备是核心工具：采矿机器人灵活适应复杂地形，海底挖掘机可强力挖掘坚硬岩层，连续采矿设备则像 “海底推土机”，高效处理大面积含矿沉积物。海底挖掘技术各有 “绝招”：机械切割用高强度刀具硬 “啃” 岩石，水力挖掘靠高压水枪冲散松软沉积物，吸取技术则像 “海底吸尘器”，通过负压将矿石和泥沙一起吸入采集系统。

采集到的矿石往往夹杂着大块岩石和泥沙，矿石破碎与收集系统负责 “初步加工”：破碎机将大块矿石 “嚼碎” 成合适尺寸，矿物吸收系统通过吸力或机械臂精准收集有用矿物，筛除杂质。整个过程离不开自动化与远程控制技术—— 就像给设备装上 “大脑” 和 “神经”：自动化系统实时调节挖掘力度和速度，远程操作系统让工程师在船上就能操控千米深的设备，避免人工下潜的危险，同时提高开采精度和效率。

开采出的矿物需要集中处理，集矿技术如同在海底搭建 “临时仓库” 和 “加工厂”。采矿装置是集矿的 “基础设施”：集矿仓固定在海底暂存矿石，浮动集矿装置可随洋流移动扩大收集范围，集矿管道装置则像 “海底传送带”，通过管道将分散的矿石汇聚到中央处理单元。

矿物分离与预处理是关键环节：重力分离系统利用矿物与泥沙的密度差异，像 “筛沙子” 一样让重矿物下沉、轻杂质上浮；筛选与过滤去除颗粒过大的杂质，脱水技术则通过机械挤压或离心力减少矿石含水量，让矿物 “轻装上阵”，方便后续输送。整个流程由智能监测与控制系统实时 “把关”：传感器持续监测矿石流量和设备状态，自动化系统根据数据动态调整集矿速度，确保流程顺畅，避免堵塞或过载。

集矿完成后，需要将矿物从海底 “搬” 到水面，输送技术如同搭建一条 “深海电梯”。立管提升系统是核心通道：泵送立管系统用高压泵将矿浆 “抽” 上水面，气升立管系统靠注入压缩空气产生的浮力带动矿浆上升。

矿浆输送技术解决 “最后一公里” 问题：离心泵像 “抽水机” 驱动矿浆快速流动，螺杆泵适合高粘度矿浆的稳定输送，压缩空气输送则通过气压差推动矿浆，避免管道堵塞。输送过程中，自动化与监测技术全程 “保驾护航”：实时监测系统紧盯管道内的压力、流量和浓度，自动控制系统及时调整泵的功率和阀门开度，管道检测技术通过声波或摄像头排查裂纹和泄漏，确保这条 “深海生命线” 安全可靠。

水面船舶是深海采矿的 “指挥中心” 和 “后勤基地”，船舶作业技术确保其在复杂海况下高效作业。船舶作业设备是 “得力助手”：升沉补偿设备像 “减震器”，抵消海浪引起的船舶上下颠簸，让吊装设备平稳布放和回收海底器械；储存装置则是临时 “仓库”，暂存从海底输送上来的矿石。

船舶操控技术保障精准定位和安全航行：海上定位技术结合 GPS 和海底信标，将船舶位置误差控制在米级；船舶动力定位系统通过调整推进器，让船在强流中稳稳 “站住”，避免偏离采矿区域；海上操作技术则确保船员熟练应对突发海况，保障作业安全。船舶通信技术是 “神经中枢”：水下通信技术让船舶与 ROV、AUV 实时 “对话”，水面通信实现多船协同作业，卫星通信则打通深海与陆地的联络，让远程指挥和数据传输畅通无阻。

深海采矿必须兼顾开发与生态保护，环境保护技术如同给采矿活动戴上 “绿色枷锁”。环境影响评估技术是 “预评估师”：通过海洋环境调查摸清采矿区的生物多样性和水质基线，利用计算机模拟预测采矿可能引发的沉积物扰动、噪音污染等风险，提前制定减缓措施。

生态影响保护技术是 “修复者”：针对采矿造成的海底地貌破坏，生态修复技术通过人工投放基质促进生物群落再生；环保设备如沉积物羽流控制装置，能减少采矿产生的悬浮物扩散；生态监测管理则像 “环境警察”，通过水下摄像头和传感器实时监控鱼类、底栖生物的活动，确保生态损失可控。

环境监测技术是 “数据守护者”：高精度检测技术捕捉海水中微小的成分变化，严格的数据质量控制保证结果可靠，数据分析模型则从海量数据中识别生态变化趋势，为决策提供科学依据。最终，环境生态法规制定是 “规则制定者”：建立涵盖环评、污染排放、生态补偿的管理制度，推动政府、企业和科研机构协同共治，鼓励环保技术创新，确保深海采矿在法治轨道上实现 “开发与保护双赢”。

受深海矿产商业化开采尚未规模化影响，当前采矿船多基于经济性考量由旧船改造以满足海试验证需求，其专业化、集成化、模块化及智能化水平较低，暂未达商业工程作业标准。

早期试验阶段（20 世纪 70 年代）美、加等国通过改装运矿船、钻井船开展技术验证：

OMI 于 1978 年使用钻井船改装的 "SEDCO445" 号（长 136m，配备 726t 起重能力及动力定位系统）；

OMCO 于 1979 年启用 "Glomar Explorer" 号（排水量 6.3 万 t，具备升沉补偿吊放装置）。

TMC 联合 Allseas 将超深水钻井船改造为 "Hidden Gem" 号（总长 228m，排水量 97500t，DP3 动力定位），搭载矿物处理系统（尾水排放深度 1200m），布放回收装置载荷 90t，计划升级后年产能达 300 万 t 湿结核；

GSR 采用 "MV Normand Energy" 号（排水量 14000t，甲板面积 2000m2）与 "MV Island Pride" 号（容纳 6 台 AUV）支持 2021 年试验。

布放回收系统优化：针对 2019 年 "Patania II" 试验故障，通过减少绞车缠绕层数、加装升沉补偿装置降低载荷峰值；

中国技术进展：中国大洋协会 2021 年海试船由 "梦娜公主" 号改装，中船集团完成核心系统研发，形成采输储一体化、半潜式试验平台及分布式开发平台等工程化设计方案。

针对多金属结核的赋存特点，目前主流的采集技术分为水力式、机械式及水力-机械复合式三大类。水力式装置（如OMI海试设备）通过高压水射流（压力达35MPa）将结核从海底吹起，结合水流收集至采矿车，其优势在于沉积物扰动低；机械式装置（如OMCO的旋转链齿集矿头）通过物理挖掘方式采集结核，虽效率较高但易混入沉积物且结构复杂；复合式技术（如韩国MineRo系列）结合水力冲刷与机械输送，兼顾效率与环保性。

采矿车行走机构经历了从拖曳式（路径控制难、采集率低）到自行式的演变。1978年OMCO研发的阿基米德螺旋行走采矿车虽结构简单，但存在打滑、转弯困难及承载能力不足等问题。当前主流方案为履带自行式，其宽履带设计（如TMC试验车履带宽2m）显著提升软泥层通过性，牵引力可达50kN，且对海底扰动较传统方式减少60%。例如，2022年TMC开发的1/5比例原型车（长12m，质量75t）采用康达效应采集头，通过调节水射流与吸力组合优化结核拾取效率，采集速率达86.4t/h，并配备沉积物层流排放系统以降低环境影响。

TMC 试验采矿车

尺寸：长 12m、宽 6m、高 5m，质量 75t，采集速率 86.4t/h

技术亮点：水射流 - 吸力组合采集头（康达效应优化效率）、履带行走（带喷水器清淤）、多传感器组合导航（前视多波束地形探测）

商用设计：计划升级至 300 万 t 年产能，配置结核 - 沉积物分离系统与矿浆泵送装置

TMC试验采矿车

GSR "Patania II"

尺寸：长 9.7m（含传感器 12m）、宽 4.7m、高 4.2m，质量 33.5t，采集速率 120t/h

核心配置：4 组 1m 宽水力吸头（总宽 4m）、卡特彼勒履带（浮力自适应）、170 + 内部传感器（压力 / 温度 / 距离监测）

导航系统：Phins 惯性导航 + 多普勒速度仪 + 超短 / 长基线声学定位，下视多波束测深仪控制采集高度

"Patania II"采矿车

五矿集团 "鲲龙 500" 系列

2018 年南海海试：完成 1300m 采集输送联动，采集速率 30t/h

升级目标：2025 年达 125t/h，具备稀软底质行驶、水力自适应采集、综合导航定位功能，核心部件（液压系统 / 控制系统）国产化

北京先驱 "曼塔" 系列

"曼塔" 号：0.5m 宽直抽水力集矿头，采集率 > 90%，轻接触海底（扰动小、地形适应性强）

"曼塔 II" 号（在研）：预计采集速率 150t/h，2025 年海试，继承悬浮行进与喉道加速集矿技术

"曼塔 II" 号

上海交大 "开拓系列"

"开拓一号"（2021 年）

主尺度：5.6×2.5×2.0 米，重量 9 吨（空气中），设计水深 3000 米

技术突破：完成 1305 米海试，验证深海采矿车总体集成与海上试验技术

"开拓二号"（2024 年）

主尺度：6.0×3.0×2.5 米，重量 14.5 吨（空气中），设计水深 6000 米

技术突破：2024 年 6 月完成西太平洋 4102.8 米深海试验，取回 200 公斤多金属结壳与结核样品，实现我国深海重载作业采矿车水深首次突破 4000 米。

创新点：搭载深海矿产原位采集与输送系统，具备复杂地形适应性与长距离深海作业能力，为我国深海矿产资源开发提供工程化示范。

20 世纪 70 年代由 KCON、OMI 等国际财团联合研发，基于水力 / 气力提升形成工程化方案：

OMI 早期试验（1978 年）：

太平洋 CC 区测试两种系统：1000m 水深离心泵水力提升（回收 650t）、1500-2500m 气力提升（回收 150t），最大提升能力 > 40t/h，验证技术可行性；

TMC 最新实践（2022 年）：

4300m 水深气力提升联动试验：立管总长 4.2km（外径 20cm，20% 原型比例），注入 150MPa 压缩空气形成气举效应，实现 86.4t/h 持续生产率；

商采系统设计：管径 0.87m，提升速率 1600t/h（固体浓度 16%），通过传感器动态调节气流防止矿浆沉降。

TMC2022年试验的提升系统

中国技术能力与千米级海试

2021 年完成千米级水力提升海试，系统配置：

核心装备：多级混流泵（粗颗粒通过能力）、中继站（矿浆浓度调节）、刚性立管（总长 1300m，外径 24.4cm）；

技术参数：中继站距海底 100m，电泵位于 500m 水深，输送湿结核 43t/h（流量≥420m3/h，体积分数≥5%），标志我国深海提升技术进入工程化验证阶段。

国内2021年试验的提升系统

GSR（2021 年试验）

采矿车集成浊度传感器、ADCP 海流剖面仪、粒径分析仪及高清摄像机，实时捕捉羽状流扩散数据；

深水系泊设备搭载沉积物收集器与浊度传感器，监测表层沉积物扰动；

监测规模：部署 200 + 台套设备（2 台 AUV、1 台着陆器、12 套系泊设备、22 个小型着陆器等），覆盖水体、海底、采矿车平台；

核心设备：

独立评估：8 家机构 23 名科学家通过环境调查船，追踪沉积物羽状流漂移路径与水柱浓度变化。

GSR环境监测系统

TMC（2022 年试验）

海底阵列：7 台带 ADCP/CTD/OBS 的着陆器、20 块沉积板、4 台摄像着陆器，捕捉底栖生物与沉积物再悬浮数据；

中水系统：ROV 搭载 10 联采样瓶、金属 CTD 监测环，绘制羽状流三维扩散图；

立体监测网络：50 个监测站覆盖近场 / 远场，包括：

研究范围：累计开展 18 项资源环境调查，评估结核采集对噪声、沉积物输移的影响。

TMC环境监测系统

基线研究：主导 “基线及自然变化计划”，建立深海生物 / 化学 / 地质基线数据库，量化生态环境自然波动阈值；

工程实践：

2021 年联动试验：构建羽状流理论模型，通过 “向阳红 03” 号调查船获取 69 个站位样品，布放 6 套海底锚系；

数据能力：采矿船实时采集 31 份水样，水下设备获取 7.2 万组监测数据，实现作业区 “水体 - 海底 - 周边” 全维度覆盖。

当前深海采矿环境监测已从单一设备检测升级为 “空 - 水 - 底” 立体监测网络，各国通过高精度传感器集成、长期基线数据积累及数值模型构建，逐步实现对采矿扰动的量化评估。我国在基线研究与工程化监测技术上形成特色优势，未来需加强国际数据共享与环境影响预测模型研发。

深海多金属结核开采面对高海况、超水深、超高压力、无光、通信困难、各种海流变化等复杂环境，所需解决的科学和工程技术问题众多。我国已在多个装备技术领域取得了一些突破，但总体技术水平与国外先进技术和商业化开采要求相比还存在较大差距 ：