深海多金属硫化物开采作业安全与环境影响分析及对策研究

　　摘要：随着各国对深海多金属硫化物勘探与开发的步伐逐渐加快，为确保并指导承包者在区域内开采多金属硫化物作业安全且符合保护环境规定，首先论述开采深海多金属硫化物的工艺技术，以此为基础结合加拿大鹦鹉螺和美国海王星矿业公司试采多金属硫化物案例，分析其作业过程所涉及的硫矿泄漏、结构失效、机械伤害、火灾爆炸等安全问题和破坏海底动植物群及其栖息地、排放采矿废水尾矿等环境影响，最后就作业安全与环境影响问题分别给出了针对性的对策与建议，可为工程实践提供参考。

　　关键词：深海多金属硫化物;作业安全;硫矿泄漏;海底动植物群;废水尾矿;环境基线

　　0 引言

　　近30年來，各国陆续开展深海矿物资源勘探与开发活动，已探明具有商业价值的海底矿物资源包括多金属结核、富钴铁锰结核和多金属硫化物等[1]，初步形成了前二者的工业开采工艺，多金属硫化物是这之后人类认识到的又一种新型海底矿物资源，它蕴含多种金属成分，具有较高的开采价值，但目前仍处于勘探与试验开采阶段。

　　我国大洋矿产资源研究开发协会早在2011年就与国际海底管理局签订了西南印度洋的多金属硫化物勘探合同，享有此区域的优先开采权[2]，目前勘探调查内容包括岩石拖网和温盐深仪采水作业，硫化物、深海沉积物、岩石、海水等样品采集工作。由于开采工艺尚不成熟，目前对多金属硫化物开采作业安全问题的分析较少，且对开采过程环境影响的研究较为宽泛，而开采深海多金属硫化物正在不断推进中，研究这些问题迫在眉睫。

　　多金属硫化物是一种复杂的海底热液矿物，与多金属结核和富钴铁锰结壳不同，它的储藏水深较浅，矿体呈三维大块状，海底开采可借鉴陆上采煤技术。据2010年加拿大鹦鹉螺和美国海王星矿业公司试采多金属硫化物方案，整个作业系统主要由海底采矿、提升系统、水面支持3部分组成，海底采矿通过海底攫取设备、运输车辆实现;提升系统使用液压水力泵(鹦鹉螺矿业公司)或箱体结构(海王星矿业公司)将矿物运输至水面;水面支持系统指水面支持船，它对从海底采矿的硫矿进行初步脱水和分选，并支持海底采矿与提升系统[3]。

　　1 作业安全问题及对策

　　1.1 海上采矿作业安全问题分析

　　作业安全是深海可持续采矿的一项基本必要条件。即使在无人化、远程操控技术不断发展的今天，也不能忽视海底采矿带来的人员伤害和设备损伤。例如，在一些海底管道维修环节需要专业人员操作，水面支持船上需要作业人员加工硫矿;此外，海底采集及提升系统在严峻的海洋环境下极易发生腐蚀、破损从而产生安全事故。按事故原因可将这些安全问题分为以下几类。

　　1.1.1 硫矿泄漏

　　提升系统将多金属硫化物运至水面，可以通过管道提升泵输送混合矿浆到水面支持船，或将大块硫矿放入集矿箱提升至水面，但不论采取哪种方式，都有可能出现硫矿泄漏事件，即矿浆在狭小管径内溢出以及因管道破裂喷出，或硫块从箱中掉落，这些可能是由于作业人员更换部件、检查维修时的操作失误引起，或由于设备出现的老化和锈蚀(例如，管线穿孔或密封不严)等现象引起，一些极端恶劣的气候海况和大型海洋生物的碰撞也会导致设备受到损伤，甚至伤及人员生命健康。

　　1.1.2 结构失效

　　指因为其他危害导致的海底采矿设备(结构)发生局部或整体的损坏甚至是倒塌。由于海底采矿设备处于多变的海洋环境中，强烈的地震和极端气候等灾害会导致设备结构破损及失效;海底移动与变形可能会出现硫矿体非均匀沉降、坍塌、沉陷或快速积累的尾矿沉积层偶发浊流甚至是坡体坍塌导致设备受损[4];设备自身也会因疲劳而导致应力集中点向外蔓延，最终钢结构设备不能支撑其所承受的荷载，使设备受损、人员受害。

　　1.1.3 机械伤害

　　在人员经常出没的机械作业区极易发生“设备故障伤人”事件。海底采矿设备可能因机械故障或防护不到位而存在潜在抛射物伤人的风险;硫矿脱水装置可能在运行过程中引起人员的绞、碾伤害[5];水面支持船上搬运作业时也可能出现人员砸伤、挤伤的情况。尤其是海上起重作业易受风暴潮、海冰、海雾与潮汐变化等海况影响。另外，作业人员违章操作、限位失灵、现场管理不善等因素也会对此产生影响，导致设备受损丢失、船舶搁浅倾覆、人员落水、物体倾斜滑落、坠落物砸伤人员等重大安全事故。

　　1.1.4 触电事故与火灾爆炸

　　作为采矿作业正常运营的动力之一，电力系统是海上安全事故一个巨大的风险源。水面支持船加工作业、海底湿法焊接、起重船高空吊运等工作都需要电力支持，一旦出现设备漏电、电线绝缘保护装置失效、电气线路老化等现象就有可能使作业人员触电[6]。此外，加工和生活用电稍不注意还会引发火灾爆炸，例如在高温高压容器周围的可燃物燃烧、用电作业产生的火花飞溅、人员吸烟产生的明火蔓延等都会引发重大火灾事故。

　　1.1.5 船舶碰撞

　　水面支持船与一般船舶行驶规则相同，但其活动受制于海底采矿设备，需长时间定位于某一特定位置，在此期间恶劣海况会严重影响水面支持船定位效果，使其与海底采矿设备、提升系统脱离，在不受控制的情况下和其他船舶或结构物相撞。同时也不能排除其他往来船舶在能见度不良的海况下撞击安全运行的水面支持船，造成船舶破损、倾覆等重大海难事故。

　　1.2 安全对策

　　毋庸置疑安全作业在海底采矿中的必要性，但采取怎样的对策以保障作业安全还值得深入思考。由于开采深海多金属硫化物是一个复杂的作业系统，包含采矿设备的下水安装、生产运营以及生产结束后设备拆除等子系统，每个子系统又涉及水面与海底不同区域的安全问题，它们来源于自然环境、人的错误行为或设备自身故障等因素，由此造成的对人员生命与设备寿命的威胁程度不一。

　　目前开展的海底采矿试验与实践较少，需要借鉴海洋油气与陆地煤矿的安全生产管理经验，三者具有共通与相似性。即考虑在项目之初首先进行安全作业预评价，据此制订相应的应急计划，在把握整体的基础上对人和设备进行二次分析，包括设备视情维修与人员培训，当然，在实际作业过程中，还需要高效严格的现场管理模式来保障前期设计的有效性与实时性。

　　1.2.1 安全预评价

　　这是对海底采矿可能产生的安全问题及其应对措施的一个首要的全局的把握。在采矿开始前调研采矿项目全寿命周期内的工艺流程，明确各个节点可能出现的安全事故及隐患，并对此做出相应预案。

　　首先說明采矿的基本工艺流程：包括水面支持船油电设施的布置情况、起重加工的工艺流程、海底采矿设备的承载能力和功率额度等性能、矿区的地质条件和温度风浪等环境荷载以及作业人员水下维修的时间和要求等内容。然后邀请相关领域专家对该作业过程进行安全分析，经过反复评估最终确定安全事故及隐患，赋予每一项事件以匹配权重，初步评估采矿作业的系统安全程度，以此为基础对十分严重、一般严重、轻微等级别的安全事故做出相应的管理措施，这样能够减轻甚至避免由于未知事件或考虑不周而引起的安全事故。

　　1.2.2 应急计划与演习

　　据国际海底管理局《“区域”内矿物资源开发规章草案》规定“为防止和应对事故，承包者需要制定应急计划。”可见应急预案在整个安全管理中的重要性。

　　一般应急计划由安全事件、技术措施与组织措施构成，对每一重大事故建立制度方案。就开采多金属硫化物而言，可能发生的重大安全事故包括水面支持船发生火灾爆炸、起重作业坠落物砸伤人等。针对这些问题，一方面要从技术角度考虑：电器管线是否合规布置并定期检查、大型设备作业前期安全措施是否到位、专业设备是否经过检验认证等;另一方面需从组织措施入手：平时要保障安全逃生器具方便获取、安全避险通道畅通、安全警报有效以及应急医护部署就位，以防事故发生时人员逃生受阻;提前指派应急指挥官和应急工作小组，以避免事故现场人员分配混乱;一旦发生重大安全事故，立即与管理局和附近海域国家联系，协商最佳的处理办法并争取获得最大的伤害救援。

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