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陆用水下采矿车:绿色低碳开发,尾矿综合利用的一把利器!

2021-03-08

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      自第一次工业革命开始,标志着现代文明的工业品迅速出现在各个领域,从而也激发了对能源和矿产资源的巨大需求。经过几个世纪的开发,许多易于开采的矿藏大多已枯竭,而埋藏较深的矿藏尚未完全开采。这些埋藏较深的尾矿,蕴含着目前在工业发展尤其是高新技术领域需要的稀有原材料,据估计,仅欧洲500-1000米深处的尾矿资源价值高达1000亿欧元。

欧盟消耗的金属约占世界总产量的25-30%,而欧盟金属矿产产量仅占世界的3%。尽管努力提升回收技术和材料科学,但对进口的依赖每年都在增长,每年约2亿吨。金属矿产进口依赖度从铜矿的74%、锌铝土矿的80%、镍的86%,到稀土、PGM、锑、锗、镓、铌、铟、铍、钴、钽、钨等高科技矿产的100%左右。欧盟委员会在2010年编制的critical Report4中强调了这一点,其中明确指定了14种对欧盟工业发展具有高度关键意义的矿物原料。

为了提高矿物的开采率水平,欧洲启动了一个为期42个月的开发项目,iVAMOS,于2015年3月启动,是地平线2020计划的一部分。该项目预算约为1260万欧元,有助于确保欧洲经济原材料的可持续供应,同时通过在自动化采矿、小矿床采矿和替代采矿方面取得一些具体的研究和创新成果。 

欧洲地平线尾矿水下采矿项目 VAMOS

©Vamos Project

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                                                                                              作者 | 珊瑚虫              编辑 | 三叶虫

排版 | 三叶虫

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项目目标

¡VAMOS! 旨在通过提供一个安全、洁净和低碳的采矿技术,实现目前看来遥不可及的水下尾矿开采,使欧盟各国获得优质储量的矿产资源,并通过项目实践,总结该方法的环境和经济可行性,项目实施后,新的采矿技术将使:

  • 废弃矿井重新利用;

  • 受风化和雨水侵蚀的露天矿山得以延续开采;

  • 采用绿色利用方法促使那些之前环评未通过的新矿场通过环评。

在欧洲的大多数采矿都是露天或深井开采,这意味着要在地表进行大量挖掘和爆破,当这些矿山开采完后,它们就会被废弃,然后逐渐被水填满。重新挖掘这些被水淹没的矿井是非常昂贵的,因为这需要在该地区再次进行常规开采之前将整个湖泊抽干。

这里以废弃矿山扩展的潜力举例说明一下,出于矿业的安全要求和公众对采矿废弃物和大型尾矿的环境关注,“¡VAMOS!”开发的这种全新自动化解决方案,用于内陆淹没矿或浅海水域中发现的矿石的勘探、提取和预处理,并与所有利益相关方合作,以达成在环境、经济和社会人文等方面均可接受的解决方案,使欧盟内陆淹没矿的重新开采成为可能。

图 露天矿山的结构示意

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研究重点和创新点

开发一个可用于水下遥控采矿系统的原型机,包括相关的布放和回收设备,具体的研发内容有:

  • 开发并测试遥控采矿车在内陆水下应用的适用性;

  • 在内陆水下开采条件下试验新的切割技术;

  • 开发并测试创新的泥浆输送、浮式绞盘技术,以及新型的布设/回收/软管和电缆系统;

  • 发展水下定位技术以克服目前使用水下声学定位系统的局限性;

  • 开发采矿环境的虚拟仿真模拟平台,以培训该领域应用的领航员;

  • 开发一种综合AUV/ROV技术,可感知未知矿区,观察和导航采矿车,并监督更换工具;

  • 开发实时的控制能力;

  • 为有效实时监测环境影响提供综合解决方案,在各种岩石类型和水下深度的废弃和不活动的矿场中使用原型设备进行实地试验;

  • 评估环境绩效、经济可行性、生产力和运营成本,具体为环境影响评价,宏观经济可行性和微观经济可行性。

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采矿方案及测试设施

欧盟的大部分内陆矿藏都位于含水地层,该技术需要在不干预当地地下水位的情况下,远程操作内陆水下采矿设备。“iVAMOS!“团队在借鉴深海工作级机器人应用的经验上,创新性地提出了一套行之有效的陆上浸水尾矿开采的解决方案。包括:

  • 一艘用于水下采矿车布放和回收的驳船;

  • 一辆采矿车;

  • 一个与虚拟现实环境结合的控制室;

  • 一台观测级的水下机器人(从淹没的矿井中调查和传输信息,并实时观察采矿车的作业状态);

  • 一套环境监测工具,获取试验采矿测试过程对周边环境的影响的真实数据

该技术在不同条件的两个场地做了进一步验证:一个是软岩,另一个是中密度岩。在欧洲很容易找到3000类似的废弃矿场,这些矿场可以用“VAMOS!”技术。而且,正如前面提到的,它的价值不仅仅是采矿。该技术(部分)还有许多应用场景,例如水下土木工程和环境监测等。


图 内陆水下采矿方案示意

 Vamos!试验现场

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水下采矿原型机

时间回到2015年夏天,在位于英国泰恩河畔Wallsend的世界领先的SMD公司组装车间,全球首台用于陆上的水下采矿原型机完成所有工厂测试项目的验证,顺利交付至项目组,经过4年的应用测试和升级改造,2019年1月31日项目组宣布该水下采矿车实现了项目既定的所有指标。
SMD公司担任采矿原型机的研制,负责采矿车及应用设计、建造和测试。开发经验部分源于其交付给加拿大鹦鹉螺公司的全球首套深海采矿机器人。(点击下方图片阅读相关内容)
图 水下采矿原型机作业演示

该水下采矿车可以将矿坑底部的矿石粉碎并泵送至水面脱水,再将水返回到坑底,保持坑内水位。脱水后的矿石破碎至约为50mm左右,再进行输送。 

图 水下采矿原型机作业演示

在采矿车测试交付后,项目团队重点解决了在混浊水域应用的水下识别、空间感知、导航和定位技术,为有效实时监测与潜在环境影响相关的参数提供综合解决方案。项目团队还开发了一种激光系统,能够在现场实时对材料进行分级,这意味着样品不再需要送到实验室进行分析,大大提高了整体采矿作业流程的效率。





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