深海多金屬硫化物開采作業安全與環境影響分析及對策研究

　　摘要：隨著各國對深海多金屬硫化物勘探與開發的步伐逐漸加快，為確保并指導承包者在區域內開采多金屬硫化物作業安全且符合保護環境規定，首先論述開采深海多金屬硫化物的工藝技術，以此為基礎結合加拿大鸚鵡螺和美國海王星礦業公司試采多金屬硫化物案例，分析其作業過程所涉及的硫礦泄漏、結構失效、機械傷害、火災爆炸等安全問題和破壞海底動植物群及其棲息地、排放采礦廢水尾礦等環境影響，最后就作業安全與環境影響問題分別給出了針對性的對策與建議，可為工程實踐提供參考。

　　關鍵詞：深海多金屬硫化物;作業安全;硫礦泄漏;海底動植物群;廢水尾礦;環境基線

　　0 引言

　　近30年來，各國陸續開展深海礦物資源勘探與開發活動，已探明具有商業價值的海底礦物資源包括多金屬結核、富鈷鐵錳結核和多金屬硫化物等[1]，初步形成了前二者的工業開采工藝，多金屬硫化物是這之后人類認識到的又一種新型海底礦物資源，它蘊含多種金屬成分，具有較高的開采價值，但目前仍處于勘探與試驗開采階段。

　　我國大洋礦產資源研究開發協會早在2011年就與國際海底管理局簽訂了西南印度洋的多金屬硫化物勘探合同，享有此區域的優先開采權[2]，目前勘探調查內容包括巖石拖網和溫鹽深儀采水作業，硫化物、深海沉積物、巖石、海水等樣品采集工作。由于開采工藝尚不成熟，目前對多金屬硫化物開采作業安全問題的分析較少，且對開采過程環境影響的研究較為寬泛，而開采深海多金屬硫化物正在不斷推進中，研究這些問題迫在眉睫。

　　多金屬硫化物是一種復雜的海底熱液礦物，與多金屬結核和富鈷鐵錳結殼不同，它的儲藏水深較淺，礦體呈三維大塊狀，海底開采可借鑒陸上采煤技術。據2010年加拿大鸚鵡螺和美國海王星礦業公司試采多金屬硫化物方案，整個作業系統主要由海底采礦、提升系統、水面支持3部分組成，海底采礦通過海底攫取設備、運輸車輛實現;提升系統使用液壓水力泵(鸚鵡螺礦業公司)或箱體結構(海王星礦業公司)將礦物運輸至水面;水面支持系統指水面支持船，它對從海底采礦的硫礦進行初步脫水和分選，并支持海底采礦與提升系統[3]。

　　1 作業安全問題及對策

　　1.1 海上采礦作業安全問題分析

　　作業安全是深海可持續采礦的一項基本必要條件。即使在無人化、遠程操控技術不斷發展的今天，也不能忽視海底采礦帶來的人員傷害和設備損傷。例如，在一些海底管道維修環節需要專業人員操作，水面支持船上需要作業人員加工硫礦;此外，海底采集及提升系統在嚴峻的海洋環境下極易發生腐蝕、破損從而產生安全事故。按事故原因可將這些安全問題分為以下幾類。

　　1.1.1 硫礦泄漏

　　提升系統將多金屬硫化物運至水面，可以通過管道提升泵輸送混合礦漿到水面支持船，或將大塊硫礦放入集礦箱提升至水面，但不論采取哪種方式，都有可能出現硫礦泄漏事件，即礦漿在狹小管徑內溢出以及因管道破裂噴出，或硫塊從箱中掉落，這些可能是由于作業人員更換部件、檢查維修時的操作失誤引起，或由于設備出現的老化和銹蝕(例如，管線穿孔或密封不嚴)等現象引起，一些極端惡劣的氣候海況和大型海洋生物的碰撞也會導致設備受到損傷，甚至傷及人員生命健康。

　　1.1.2 結構失效

　　指因為其他危害導致的海底采礦設備(結構)發生局部或整體的損壞甚至是倒塌。由于海底采礦設備處于多變的海洋環境中，強烈的地震和極端氣候等災害會導致設備結構破損及失效;海底移動與變形可能會出現硫礦體非均勻沉降、坍塌、沉陷或快速積累的尾礦沉積層偶發濁流甚至是坡體坍塌導致設備受損[4];設備自身也會因疲勞而導致應力集中點向外蔓延，最終鋼結構設備不能支撐其所承受的荷載，使設備受損、人員受害。

　　1.1.3 機械傷害

　　在人員經常出沒的機械作業區極易發生“設備故障傷人”事件。海底采礦設備可能因機械故障或防護不到位而存在潛在拋射物傷人的風險;硫礦脫水裝置可能在運行過程中引起人員的絞、碾傷害[5];水面支持船上搬運作業時也可能出現人員砸傷、擠傷的情況。尤其是海上起重作業易受風暴潮、海冰、海霧與潮汐變化等海況影響。另外，作業人員違章操作、限位失靈、現場管理不善等因素也會對此產生影響，導致設備受損丟失、船舶擱淺傾覆、人員落水、物體傾斜滑落、墜落物砸傷人員等重大安全事故。

　　1.1.4 觸電事故與火災爆炸

　　作為采礦作業正常運營的動力之一，電力系統是海上安全事故一個巨大的風險源。水面支持船加工作業、海底濕法焊接、起重船高空吊運等工作都需要電力支持，一旦出現設備漏電、電線絕緣保護裝置失效、電氣線路老化等現象就有可能使作業人員觸電[6]。此外，加工和生活用電稍不注意還會引發火災爆炸，例如在高溫高壓容器周圍的可燃物燃燒、用電作業產生的火花飛濺、人員吸煙產生的明火蔓延等都會引發重大火災事故。

　　1.1.5 船舶碰撞

　　水面支持船與一般船舶行駛規則相同，但其活動受制于海底采礦設備，需長時間定位于某一特定位置，在此期間惡劣海況會嚴重影響水面支持船定位效果，使其與海底采礦設備、提升系統脫離，在不受控制的情況下和其他船舶或結構物相撞。同時也不能排除其他往來船舶在能見度不良的海況下撞擊安全運行的水面支持船，造成船舶破損、傾覆等重大海難事故。

　　1.2 安全對策

　　毋庸置疑安全作業在海底采礦中的必要性，但采取怎樣的對策以保障作業安全還值得深入思考。由于開采深海多金屬硫化物是一個復雜的作業系統，包含采礦設備的下水安裝、生產運營以及生產結束后設備拆除等子系統，每個子系統又涉及水面與海底不同區域的安全問題，它們來源于自然環境、人的錯誤行為或設備自身故障等因素，由此造成的對人員生命與設備壽命的威脅程度不一。

　　目前開展的海底采礦試驗與實踐較少，需要借鑒海洋油氣與陸地煤礦的安全生產管理經驗，三者具有共通與相似性。即考慮在項目之初首先進行安全作業預評價，據此制訂相應的應急計劃，在把握整體的基礎上對人和設備進行二次分析，包括設備視情維修與人員培訓，當然，在實際作業過程中，還需要高效嚴格的現場管理模式來保障前期設計的有效性與實時性。

　　1.2.1 安全預評價

　　這是對海底采礦可能產生的安全問題及其應對措施的一個首要的全局的把握。在采礦開始前調研采礦項目全壽命周期內的工藝流程，明確各個節點可能出現的安全事故及隱患，并對此做出相應預案。

　　首先說明采礦的基本工藝流程：包括水面支持船油電設施的布置情況、起重加工的工藝流程、海底采礦設備的承載能力和功率額度等性能、礦區的地質條件和溫度風浪等環境荷載以及作業人員水下維修的時間和要求等內容。然后邀請相關領域專家對該作業過程進行安全分析，經過反復評估最終確定安全事故及隱患，賦予每一項事件以匹配權重，初步評估采礦作業的系統安全程度，以此為基礎對十分嚴重、一般嚴重、輕微等級別的安全事故做出相應的管理措施，這樣能夠減輕甚至避免由于未知事件或考慮不周而引起的安全事故。

　　1.2.2 應急計劃與演習

　　據國際海底管理局《“區域”內礦物資源開發規章草案》規定“為防止和應對事故，承包者需要制定應急計劃。”可見應急預案在整個安全管理中的重要性。

　　一般應急計劃由安全事件、技術措施與組織措施構成，對每一重大事故建立制度方案。就開采多金屬硫化物而言，可能發生的重大安全事故包括水面支持船發生火災爆炸、起重作業墜落物砸傷人等。針對這些問題，一方面要從技術角度考慮：電器管線是否合規布置并定期檢查、大型設備作業前期安全措施是否到位、專業設備是否經過檢驗認證等;另一方面需從組織措施入手：平時要保障安全逃生器具方便獲取、安全避險通道暢通、安全警報有效以及應急醫護部署就位，以防事故發生時人員逃生受阻;提前指派應急指揮官和應急工作小組，以避免事故現場人員分配混亂;一旦發生重大安全事故，立即與管理局和附近海域國家聯系，協商最佳的處理辦法并爭取獲得最大的傷害救援。

　　推薦閱讀：無機非金屬材料方向論文怎么發表