李家彪等：深海矿产资源开发技术关键技术、环境影响挑战、发展趋势与建议

一、关键技术和环境影响挑战

1、技术装备挑战

(1) 深海采矿系统极其庞大

深海矿产资源开发是一项庞大且极其复杂的系统工程，涉及矿区资源勘探、采矿作业、矿物预处理以及全过程中的环境保护与恢复，开发过程受严格的环保要求及复杂海洋环境等方面的约束，技术体系极为复杂，其理论支撑、体系结构、作业模式、可靠性及运维技术等环节亟待提高。

(2) 深水环境条件极端恶劣

深海采矿通常是在水深可达6000 m的海域进行，海洋环境下的风、浪、流以及内波等条件，将对于水面支持船、提升管道、海底采矿车在其安装、生产、维护、风险规避以及回收等各个阶段的正常运作和安全有着重要影响。此外，深海地质、地形、水深、矿石赋存形式的复杂性，对于采矿车海底作业有着巨大挑战。

(3) 泵管关键设备可靠性不足

长距离输送中，单台提升泵难以满足水深要求，多级提升泵串联则需要实现功率扬程匹配，系统可靠性面临较大挑战。提升泵的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击等技术难题仍未解决。矿石提升系统中大颗粒固液两相流存在堵塞风险，在复杂海洋环境中超长管系的动力响应机理还不明确，对于管道系统的可靠性设计研究不够深入。

(4) 多元信息融合和协同作业困难

海底采矿车定位导航困难，需设计以惯性导航为主，多普勒测速仪、深度计、高度计、声呐、水下摄像装置等传感器为辅的综合导航系统，基于多传感器信息融合技术，实现水下采矿车的精准定位、协同控制和精确跟踪。目前国产组合导航定位装备和算法的深水定位精度不够；国产大功率深水电缆和光纤技术的稳定性与可靠性有待提高；深海传感器、水密接插件、中央控制系统等关键元器件较多依赖进口，自有产品的稳定性和可靠性仍需进一步提高。

2、环境影响挑战

(1) 矿区环境基线特征和生态系统认知有限

人类对深海生态系统的调查研究较少，对复杂的深海矿区生态系统的科学认识有限，尤其是深海生态系统的功能、恢复能力、底栖生物的连通性和生物群落的重建等一系列科学问题仍需进一步深入调查和研究。由于观测时间有限，目前环境基线调查中收集的环境数据很难反映环境自然波动的情况，尚难以区分人为的影响和自然变化的影响。

(2) 环境影响程度和强度无法准确监测评估

目前商业规模的采矿系统尚未定型，采矿车技术和尾水排放位置未有定论，其对环境扰动的强度也无从评判，商业规模采矿对环境影响程度尚不明确。深海采矿形成的羽流严重程度和空间尺度尚存争议，现场观测数据与预测模型仍不充分。此外，现有环境监测技术难以满足开发阶段的环境监测要求，亟须开发无人值守、大范围、长时间、低成本监测技术。

(3) 环境修复技术显著缺乏

采矿活动直接破坏底栖动物的栖息地，且在短时间内很难恢复；深海生态系统无法靠自身恢复原状，且在很长的时间范围内不能达到新的平衡状态。当前深海生态修复仍处于探索阶段，实践经验不足，尚未有系统的理论基础、技术手段和工程实践，同时深海工程的成本和技术要求都很高，这些都给深海环境修复带来极大的挑战。

二、发展趋势与建议

1、发展趋势

(1) 绿色环保

深海矿产资源开发必须满足日益苛刻的环境保护要求，在技术层面主要涉及无工作介质排放或泄漏、无废弃物排放、无装备遗弃、无噪声污染、绿色选冶、海洋大规模清洁能源供能以及保护修护技术无二次污染等全过程清洁生产。迄今为止，ISA已经同中国、日本、俄罗斯、法国、英国、韩国和比利时等国家签订了位于CC区的多金属结核勘探合同，持有勘探许可的承包者都将环境研究作为其履行勘探合同义务的一部分。

(2) 安全可靠

深海矿产资源开发必须满足人和装备系统的安全性要求，其技术层面主要表现为：在极端海况、正常运营以及偶发事件等条件下，人和装备系统的常规和生存安全技术、应急处置措施、应急管理、紧急救援措施与方案等。满足深海采矿系统及其附属生产系统在复杂海洋环境条件下持续生产作业的可靠性，主要包括：数据精准、数据及时传输、水下装备和控制系统、水下监测网等长期有效、稳定和持续工作。

(3) 智能高效

深海矿产资源开发技术需紧跟大数据、互联互通和智能融合等前沿领域，向着智能化方向发展，开展海面—海底、开采—监测—转运、海上—陆地等跨域的多装备共融实施和信息化决策支撑等技术创新。在技术层面具体表现为：生产全链条智能调度、全系统自主协同作业、健康监测、自动危险状态预警、主动避险智能控制等。此外，还包括监测数据智能融合与分析、智能评估与决策、智能控制等方面。

2、发展建议

(1) 加强顶层设计，推动深海采矿技术链发展

针对深海矿产资源开发，加强顶层设计，做好战略谋划。面向国家战略资源对外依存度高的痛点、难点，针对深海矿产资源多种类型和复杂海域特征，以核心技术创新为驱动，把握世界科技前沿，加快科技自主攻关；重视基础科学研究和基础技术研发，多元化增加海上航时投入，推动深海技术链构建与发展，打造新形势下深海矿产资源开发方面的中国特色。研究中国深海矿产开发战略政策和配套法律制度，构建深海矿产开发保障制度体系，建立深海矿产探采决策支持系统。

(2) 加大研发投入，把握跨越式发展新机遇

在当前严苛环境保护和激烈的资源竞争形势下，谁掌握了核心技术，谁能创造更先进的技术，谁就能在竞争中获得优势。应对当前的环境保护与资源竞争形势，中国要加大人力、物力的投入，强化和突出技术创新主体地位，按主题、成体系地梳理关键技术，重点布局基础性、前沿性、渗透性较强的技术，提升核心竞争力和控制力。同时，通过引进已有先进技术，协同作业，重点攻关，推动资源整合，吸收再创新，创造发展深海矿产开发的核心技术、颠覆性技术等超越发展的新机遇。

(3) 强化自主创新，形成技术装备高质量发展

以国家科技专项为牵引，增强技术装备自主创新能力，重视传感、材料和工艺等基础性、共性的科技研究发展，构建国内深海装备产业链，提升国产装备在深海矿产开发中的主体作用。同时，中国应充分发挥中国北斗定位与通信、5G网络和大数据等技术的国际优势，并以生态理念为指导，满足深海矿产资源开发过程中的绿色、高效、智能等高新技术需求，发展新型技术，降低深海环境影响，提高经济效益，形成深海矿产开发技术装备的高质量发展。

(4) 注重国际合作，提高行业信任度

通过国际海底区域矿产资源、环境调查等共性技术研究以及国际标准的研制，提高海洋资源调查和环境保护领域的国际合作程度，提升中国在国际海底事务中的话语权。通过制定国际合作科学计划，凝聚国际科研力量，增进对深海生态系统以及深海采矿潜在影响的科学知识的交流。通过全面参与国际海底管理局事务，加强管理局作为区域资源和环境管理机构的地位。同时，加快国家深海采矿立法，塑造深海采矿行业的正面形象，构建社会各界对深海采矿行业的信任。

(5) 发挥体制机制优势，实施科教产融合创新

充分发挥中国的体制机制优势和在战略性需求建设方面集中力量办大事的能力，以国家立项研发为宏观牵引，实施科研院所、高校与企业的联合攻关，促进深海矿产资源开发的人才队伍、技术装备和经济效益的综合发展。强化海洋科技人才在深海矿产资源开发科技创新中的核心作用，完善海洋人才建设顶层设计，探索适宜中国海洋科技创新发展的人才队伍建设和培养的体制机制，形成各类海洋人才衔接有序、梯次配备、合理分布的格局，打造一支具有创新能力的海洋人才队伍。

文章来源：节选自《深海矿产资源开发技术发展现状与展望》，原刊于《前瞻科技》2022年第2期