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首次突破、首创技术!交大自研“开拓二号”,凯旋!
国内深海重载作业采矿车首次在4000米以深海底开展深海矿产资源试开采试验。

  7月9日,上海市政府新闻办举行重大成果发布活动,宣布我国深海矿产资源开发关键技术研究与装备研制取得重大突破。由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机“开拓二号”日前成功完成海试。在此次海试中,“开拓二号”连续完成5次着底采矿,海试水深首次突破4000米,最深达到4102.8米取回深海多金属结壳与结核。在国内首创深海复杂海底地形高机动行进、深海多矿类复合钻采等深海采矿领域多项技术。

  

“开拓二号”深海采矿车海试重大成果发布活动

  五次探采

  国内深海重载作业采矿车海试水深

  首次突破4000米

  大洋海底蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等矿产资源,富含铜、钴、镍、锰等重要关键材料,应用价值极高。深海矿产资源开发是典型海洋高科技产业,集深海工程科技、海洋科学探索、海洋资源绿色开发利用于一体,将带动海洋诸多产业的前沿与颠覆性技术研究,形成新兴产业增长点,为国民经济和社会发展提供新动能。

  “海底地形崎岖,海况条件比较复杂,海底采矿装备不仅需要在这样的环境中来去自如,还要具备开采和收集能力,并且能有效地回收,这其中的每一个环节,都要经过海试的考验。”海试首席科学家、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授杨建民介绍说,长期以来,深海采矿在国际上存在三大技术难题:一是矿区海底地形异常复杂,装备安全行进困难;二是深海矿产赋存形式与物理特性复杂多样,高效开采收集困难;三是深海重载作业装备在海上风浪条件下,安全布放回收困难。

  这次深海试验,“开拓二号”在海底多金属结壳与结核矿区,连续成功完成了5次下潜,其中4000米级深度1次,2000米级深度4次,采矿车分别达到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底,这是国内深海重载作业采矿车首次在4000米以深海底开展深海矿产资源试开采试验。并且,“开拓二号”还展现出了强大的海底矿岩钻进与采集能力,对紧密附着在坚硬矿岩上的多金属结壳、浅埋于稀软深海沉积物中的多金属结核等不同类型海底矿物进行了高效开采收集,成功获得了200多公斤的多金属结壳、多金属结核、海底基岩等各类深海矿产样品。

“开拓二号”采集的各类深海矿产样品

  六个“突破”

  崎岖海底行进、采矿如履平地

  无论是坡度达30多度的陡峭、崎岖海山,还是由高粘性稀软沉积物堆积的海底“滩涂”,“开拓二号”都能顺利行进、爬坡和原地回转。据介绍,为了让采矿车的行进更加自由,团队研发了相关技术,不需要任何人工操控,可以自主感知采矿环境,四条履带能够根据海底实际地形实时调整方向和状态,适应海底复杂地形行走的需要,这在国内也是首创。

  据团队介绍,“开拓二号”的研发,共实现了国内同类研究的6个“突破”首次实现深海重载作业采矿车布放作业水深突破4000米大关,达到4102.8米,并获得了大量多金属结壳、多金属结核等深海矿产样品;首创深海复杂海底地形高机动行进技术,实现30度以上陡峭海山、深海稀软沉积物等各种复杂海底地形的安全、稳定行进;首创深海多矿类复合钻采技术,实现对多金属结壳、多金属结核等不同类型矿石高效开采与收集;首创深水重载作业智能精细控制技术,形成作业路径智能规划、跟踪与避障能力,实现深水厘米级精准定位;首创非金属缆深海重载布放回收技术,实现4100米水深重载装备布放回收,安全工作负载等指标位居国内前列;创新深海环境扰动监测评估技术,采矿车还搭载了环境监测系统,对海底羽状流生成扩散、水下作业噪声等环境影响情况进行了全面监测与评估,为我国深海矿产资源勘探与绿色环保开采提供了珍贵的一手材料和数据。

  随船参加海试的青岛海洋地质研究所深海地质与矿产室副主任黄威表示,“开拓二号”具备高效、稳定地采集深海多金属结壳矿石的能力,针对附着在斜坡基岩之上的多金属结壳,它的切削能力可以把结壳和基岩快速分离开,高效地把结壳矿石吸入集矿箱。

  此外,该深海采矿车的爬坡和避障能力可以让它在复杂地形环境下实现多方向进行,从而大范围覆盖结壳矿区,提升矿石采收率。同时,深海采矿车的布放与回收是一个技术难点。“开拓二号”连续5天在6级风、4级海况条件下作业,成功完成了多次、连续深海布放、海底作业与提升回收,装备安全性、可靠性得到了检验。

  从实验室到大海

  三代船海人十年“开拓”路

  “2013年,国外深海采矿装备研发早已经达到了一定水平,但是在国内相关研发还没有完全起步,当时我就觉得在深海探采这方面,中国需要填补空白。” 从最初的一个设想,到蔚蓝大海的海试,“开拓”系列深海采矿车首席科学家杨建民一干就是十年。他带着团队主动对接国家重大战略需求,先后成功研制了深海重载作业采矿车“开拓一号”与“开拓二号”。其中,深海采矿车“开拓一号”2021年成功实现了1305米深海试验。新一代深海重载作业采矿车“开拓二号”,主要由深海采矿车主体、大承载光电复合脐带缆和重载布放回收绞车等多型装备组成,长6.0米,宽3.0米,高2.5米,重量约14.0吨,设计作业水深6000米,具备深海多金属结壳、多金属结核与深海硫化物等多类型矿产综合开采能力,技术性能达到国内领先、国际一流水平。

  在这十年的研发过程中,杨建民的团队不断地充实了许多新兴力量:十年前,赵国成是上海交大船舶海洋与建筑工程学院的一名研究生,他入学时就在导师的影响下,把深海采矿选为自己的研究方向。这次海试赵国成是以青年骨干教师的身份参加的。“从实验室里几米水深的水槽测试到这次数千米水深的深海海底采矿作业,我获得了一段十分宝贵的学习和锻炼经历。海试成果让我们很振奋,我更加笃定深海采矿将会是我未来的研究方向。”

  “‘开拓二号’海试是系统级项目,考验的不仅仅是采矿车在深海高压环境下的性能,对重载作业布放回收系统也是重大挑战。采矿车、光电复合缆和绞车没有经过实海验证,面临着很多不确定性。” 团队成员、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院副教授刘明月介绍说,在海试过程中,交大师生三代“船海人”通过多学科合作突破了一个又一个难题。

  瞄准“大海洋”

  服务上海科创中心及现代海洋城市建设

  近年来,上海交通大学服务国家海洋强国战略和上海科创中心及现代海洋城市建设,提出“大海洋”战略,汇聚学科优势重点打造海洋装备交叉创新研究平台。2019年获批建设教育部深海重载作业装备集成攻关大平台,在此基础上于2021年获批上海长兴海洋实验室新型研发机构,以高端海洋装备研发为核心,打造准工业化实验室,重点布局“深海装备与资源开发”等四大研究方向,有组织开展深海重载作业装备关键技术等研究。

  “开拓”系列采矿车的成功研制将有力推动上海长兴海洋实验室成为我国深海采矿技术的重要研究基地。未来,学校将继续以“大海洋”建设为抓手,凝练关键技术攻关科研成果,稳步推进深海采矿高端海洋装备研制,努力向成果化、产业化转移。

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