热液流体海面抽取与沿程分级富集沉淀的采矿系统及方法与流程

本技术涉及深海资源勘探和开采领域，具体地提出一种针对边缘海弧后盆地富贵金属热液系统通过原位封闭引流、沿程阶梯式控温分级析出、海面与水下联合强效抽取与沿程分级富集沉淀的采矿系统及方法。

背景技术：

1、现代深海热液硫化物矿床是具有重大意义的金属矿产资源，如作为典型地质结构的大陆边缘弧后盆地，其热液成矿系统因受到长英质火山碎屑岩及巨厚陆源长石黏土质沉积物的水岩反应控制，形成的热液流体具有独特的地球化学特征。与常规大洋中脊相比，大陆边缘弧后盆地的热液硫化物不仅高产铜（cu）、锌（zn）、铅（pb）等基本金属，更高度富含金（au）、银（ag）等贵金属，并伴生高含量的锑（sb）、砷（as）等元素，具有极高的经济开采价值。

2、然而，由于大陆边缘弧后盆地热液区的环境极其复杂，热液中的金属组分约95%随着羽流转移，这导致大量富含金、银、铜的液相成矿物质未能原地沉淀，而是随热液羽流直接逃逸扩散到冷海水中，造成严重的资源流失。同时，热液中仅少部分金属离子沉淀在热液区处形成硫化物矿床，但是其分布情况很难准确探明。

3、另外，大陆边缘弧后盆地的沉积物型矿体具有松软性与环境毒性的特点，海底多为松软的沉积物覆盖。若采用传统的重型海底采矿车进行机械破碎开采，极易深陷于松软沉积物中无法作业。同时，破碎极易搅动有毒的砷、锑等微粒，引发大范围的生态灾难。因此，此类地质条件下的开采成本过高、在深海进行连续操作难度极大，将固体矿石机械破碎再通过重力管道提升至海面，对高黏度、多沉积物环境下的设备磨损极大，且开采成本极高远大于收益。

4、因此，目前针对大陆边缘弧后盆地这种“高金银品位、贵金属组分易逃逸、浅水深、软沉积物基底”的特殊热液流体，亟须设计一种能够原位封闭捕获、防止成矿组分闪蒸逃逸，并利用流体提升和沿程温控实现集约化析出与分级收集的新型采矿方法。有鉴于此，特提出本技术。

技术实现思路

1、本技术提出一种热液流体海面抽取与沿程分级富集沉淀的采矿系统及方法，在于解决上述现有技术采取海底固态机械采掘方式存在的问题，提出原位封闭捕获以防止成矿组分闪蒸逃逸、利用流体提升和沿程温控实现集约化析出与分级收集的新型采矿作业方式，以实现富贵金属热液资源的高效、绿色且集约化的开采。

2、为实现上述发明目的，所述的热液流体海面抽取与沿程分级富集沉淀的采矿系统具有以下装置：

3、深海原位封闭引流与底座固定装置，包括用于插入热液喷口内部的导流管，以及用于将导流管固定在海底软基底上并防止流体闪蒸外溢的重力式复合固定基座；

4、竖向控温输送主管道与水下动力辅助系统，包括作为主管道的高效保温运输管道，在高效保温运输管道内部沿程设有多个用于向管内注入冷海水以调节流体温度和氧化还原电位的第一海水注入阀、第二海水注入阀、第三海水注入阀，以及用于辅助配合海面抽取动力泵协同提供负压与抽吸动力的至少一个水下辅助抽水泵；

5、沿程分级富集沉淀收集舱组，包括沿不同水深位置、根据预设的阶梯式温度区间设置的至少三个可拆卸收集舱；每个可拆卸收集舱的内壁设置有用于引导高品位矿物定向生长的诱导结晶涂层、并且每个可拆卸收集舱设置有用于水下机器人作业的水下线缆接口；

6、水下机器人运维与补温系统，包括用于在水下对收集满矿物的可拆卸收集舱进行拆卸与重新组装的水下机器人，水下机器人通过将供电/加热线缆对接水下线缆接口以将目标可拆卸收集舱进行加热补温并配合管道散热与海水注入阀维持舱内温度的恒定；

7、海面动力与收集系统，用于与水下辅助抽水泵协同驱动热液流体向上运移、并配合转运船回收由水下机器人拆卸的收集舱；包括水面作业支持平台和部署于水面作业支持平台的海面抽取动力泵；

8、水面工程作业支持与最终收集系统，配置有用于控制流体速度的变频高压流体抽取动力泵组，可拆卸收集舱通过水下机器人拆卸后由辅助船只转运至陆地进行后续精炼作业；

9、所述重力式复合固定基座的底部设有防陷宽幅裙边。

10、所述的导流管为镍基高温合金材质，且其外壁涂覆有碳化硅陶瓷层。

11、所述的高效保温运输管道的管道内部设有温度传感器，且其内壁涂覆有聚四氟乙烯防粘涂层。

12、沿程分级富集沉淀收集舱组包括三个可拆卸金属矿物收集舱，每个可拆卸金属矿物收集舱均具有与高效保温运输管道快速拆装的法兰与锁紧机构；其中，第一可拆卸金属矿物收集舱，设置于高效保温运输管道的底部附近，其舱内维持温度在350-300℃之间；第二可拆卸金属矿物收集舱，设置于高效保温运输管道的中部，其舱内维持温度在300-150℃之间；第三可拆卸金属矿物收集舱，设置于高效保温运输管道接近海面处，其舱内维持温度在150℃以下；在第三可拆卸金属矿物收集舱的前端连通有第三海水注入阀。

13、基于上述热液流体海面抽取与沿程分级富集沉淀的采矿系统，本技术同时提出下述热液流体海面抽取与沿程分级富集沉淀的采矿方法：将酸性高温热液流体，利用水下辅助抽水泵的负压抽吸导入原位封闭的控温管道；利用管道与管外冷海水的热交换并配合海水注入阀的人为调节、水下机器人的主动补温，控制热液流体在竖向输送主管道内部向上运移过程中的温度下降速率，并在不同温度区间设置可拆卸金属矿物收集舱；热液流体在不同温度窗口下的可拆卸金属矿物收集舱中进行冷却沉淀，不同金属硫化物依顺序结晶析出。

14、在每个可拆卸金属矿物收集舱内壁涂附有诱导结晶涂层；其中，第一可拆卸金属矿物收集舱，舱内维持温度在350-300℃之间，进行分级收集自然金及黄铜矿粗粒矿砂；第二可拆卸金属矿物收集舱，舱内维持温度在300-150℃之间，进行分级收集富银、锌、铅多金属固体矿砂；第三可拆卸金属矿物收集舱，舱内维持温度在150℃以下，收集沉淀的砷、锑有害元素。

15、采取多级接力增压的水下辅助抽水泵组、配置水下机器人进行水下舱体组装与拆卸、以及通过专用接口对各可拆卸金属矿物收集舱进行主动电加热补温，在配合管道散热与注水调节的前提下确保舱内温度维持在预设的结晶区间。

16、该采矿方法包括下述实施过程：

17、步骤s1、原位封闭部署与水下动力协同；

18、首先，通过水面作业支持平台将重力式复合固定基座投放于目标热液喷口；导流管紧密插入热液喷口通道内进行原位封闭式截留；

19、重力式复合固定基座的上端通过柔性排管连接竖向输送的高效保温运输管道；

20、启动部署于水面作业支持平台上的海面抽取动力泵，同时协同启动至少一个水下辅助抽水泵，多级泵组协同提供负压抽吸，控制管内流速，使热液流体沿竖向输送的高效保温运输管道稳定地向上运移；

21、步骤s2、管道沿程阶梯式控温与机器人补温调节；

22、流体沿高效保温运输管道向上运移时，通过管道自然散热与各级海水注入阀引入海水实施辅助降温；当某一反应舱温度低于预设区间时，由水下机器人将供电/加热线缆接入对应可拆卸金属矿物收集舱的接口进行电加热补温，维持各舱处于预设恒定温度窗口；

23、步骤s3、分级阶梯式析出与有害元素固化；

24、当流体通过高效保温运输管道、在保温、海水注入阀调节及水下机器人加热补温的共同作用下，顺序进入设置在不同区间的可拆卸金属矿物收集舱：在350-300℃区间流经第一可拆卸金属矿物收集舱，在其内壁矿物涂层引导下析出并收集粗粒黄铜矿及自然金微粒；在300-150℃区间流经第二可拆卸金属矿物收集舱，在涂层引导下析出并收集富银锌铅多金属固体颗粒；流体经第三海水注入阀注入铁盐和氧化剂，在150℃以下区间流经第二可拆卸金属矿物收集舱，反应固化并捕获砷酸铁、锑酸铁沉淀；

25、在第三海水注入阀处调节氧化还原电位并加入特制铁盐，针对as和sb使其氧化并生成不溶性的下述砷酸铁、锑酸铁共沉淀；上述有害元素沉淀颗粒被集中捕获并留在第三可拆卸金属矿物收集舱中，脱毒后的排海废水安全排入海中；

26、步骤s4、水下拆装与海面转运；

27、继续控制高效保温运输管道的内部流速保持在预设范围之内，当各可拆卸金属矿物收集舱内固体富集至预设量后，由水下机器人在水下主动拆卸满载的反应舱，并通过转运船运往陆地精炼厂；同时，水下机器人将新的反应舱组装复位。

28、所述的步骤s2，高效保温运输管道的外壁设有保温层，其管道内壁涂有聚四氟乙烯；在第一可拆卸金属矿物收集舱、第二可拆卸金属矿物收集舱和第三可拆卸金属矿物收集舱内部设有温度传感器，根据温度调节海水的注入通量，实现阶梯式温控分级沉淀过程。

29、综上，本技术与现有技术相比具有以下有益效果与优点：

30、1、 本技术提出了针对边缘海弧后盆地富贵金属热液系统，利用原位封闭引流、沿程阶梯式控温分级析出、海面与水下联合强效抽取及机器人辅助维护的集约化流体采矿系统及方法。提出“原位封闭截留、浅水减压抽吸、沿程阶梯温控、分级析出收集”的连续生产模式。

31、2、 本技术能够最大化地回收贵金属资源（au、ag），通过原位封闭导流和保温控温技术，完全遏制了边缘海弧后盆地热液流体在喷口处的闪蒸逃逸，将极易随羽流扩散逃逸的自然金微粒、富银组分完全截留在管道内并分级析出，从而有效提高了贵金属资源的综合回收率。

32、3、 本技术实现了矿物的阶梯式分级收集与有害元素的集中预处理，利用沿程温控技术与舱内诱导结晶涂层，将金、银、铜等基本金属以及砷、锑等有害元素在不同温度窗口顺序析出并分级收集，既降低了后续海面和陆地精炼的难度，又实现了有害元素的固化和集中收集。

33、4、 本技术具有规避软沉积物地质风险与环保控毒能力强的优点，采矿系统不依赖海底采矿车，海底部分仅为重力式基座，完全规避了基座陷入软沉积物的风险。边缘海弧后盆地热液中伴生的砷、锑等在封闭的控温管道和收集舱中被集中过滤析出，过滤后的脱毒尾水排入深海，有效防止有害元素扩散至上层渔业生态圈。

34、5、 本技术能够提升动力可靠性、具有较强的水下自动化运维能力，水下辅助抽水泵组解决了深海长距离提升动力不足的难题；水下机器人实现了反应舱的在线水下拆装转运以及精准补温调控，保障了采矿方法的长期连续稳定运行。