摘要

海底蕴藏丰富的矿产资源，深海资源的勘探和开发是采矿工程和海洋工程的重点。基于此，本文综述了深海岩石力学、装备及挑战的历史、现状以及展望。文章首先介绍了深海采矿的意义，深海矿产资源的类型和地理分布。针对多金属结核、多金属硫化物及富钴结壳等三类主要深海矿岩与陆地岩石，进行了含水量、含盐量、水压和动力载荷等多场耦合因素下的海底矿岩力学特性、断裂机制与破坏过程的分析。其次，在深海采矿装备方面，文章回顾了近70年来深海采矿系统主要类型及特点，指出管道提升采矿系统是未来发展方向，并对比分析了液力输送和气力输送的管道提升模式。针对不同矿物类型，解析了收集、破碎、剥离等不同采集方式下的海底矿物采集系统。此外，本文总结了海底采矿车行走机构、控制系统、结构类型及其优缺点。同时也全面描述了深海采矿船、动态定位、升降补偿、布放回收、矿物处理及存储转运相关的水面支持系统。最后，本文从国际法律框架、环境保护、经济学、多学科交叉和海洋岩石力学五个方面指出了深海采矿所面临的挑战，并对深海采矿研究方向、技术发展及商业开采进行了展望。

本文亮点

“向地球深部进军”已成为世界大国关注与竞争的新特征、新趋势。深海探测与资源开发的战略方向，成为科技领域极具挑战性和引领性的高科技重要支点。对深部海洋资源的认知与合理开发，是保障重要资源和战略价值安全、实现海洋经济高质量发展的重要举措。海洋强国战略的实施，离不开深海进入、深海探测、深海开发等方面关键技术的创新突破。针对深海矿产资源开发方面，本文综述了深海采矿岩石力学、采矿装备和技术挑战等方面的发展历程与未来展望。

取得研究成果

系统回顾了70年来深海采矿岩石力学、技术装备及面临挑战，展望了深海采矿技术的发展需要资本市场、科学技术进步和多学科交叉等多方面共同推进。

总结了深海岩石力学所涉及的含水量、含盐量、水压和动力载荷等多场耦合因素对海底矿岩的断裂机制与破坏过程的影响规律。

阐述了深海采矿系统的关键技术，囊括了三类主要深海矿产资源的不同收集方式、矿车行走、液力输送、矿物处理、储存转移和水面支持等全生命生产运营周期。

部分图表

文章整体逻辑架构

三种主要海底矿产资源的地理分布

三类深海矿产资源分布及典型开采系统

全球深海采矿车样机

第一作者简介：

刘增辉

河海大学机电工程学院副教授，硕士生导师，中国矿业大学和澳大利亚蒙纳士大学联合培养博士。现为中国机械工程学会、中国岩石力学与工程学会和国际岩石力学与岩石工程学会(ISRM)等学术团体会员，10余个SCI期刊的审稿人。

研究方向

深海采矿及智能疏浚装备研发、水下岩石切削破碎机理

主要成果

主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后基金面上基金、中央高校业务费、企业横向课题等项目10余项，参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目以及企业委托课题等10余项。发表学术论文20余篇；授权国家发明专利20余件；获得教育部科技进步二等奖1项。

通讯作者简介：

刘凯

牛津大学冲击动力学实验室博士后研究员，澳大利亚蒙纳士大学土木工程博士，东北大学采矿工程学士和硕士。现为英国土木工程师(ICE)学会、中国岩石力学与工程学会(CSRME)、澳大利亚地质力学学会(AGS)和国际岩石力学与岩石工程学会(ISRM)等学术团体会员。担任Int J Min Sci Technol(IJMST)和Rock Mech. Bull.(RMB)期刊青年编委，Deep Undergr Sci and Eng (DUSE)和Int J Coal Sci Technol (IJCST)国际期刊学术编辑。国际SCI期刊Tunn. Undergr. Space Technol. (TUST)优秀审稿人。

研究方向

采矿工程、深部岩体动态损伤与破碎机理

主要成果

长期致力于真三轴霍普金森实验技术(Triaxial Hopkinson Bar)及量测表征方法、高围压和应变率下岩石的损伤破碎、数字岩芯技术、复合材料温压破坏力学等研究。发表学术论文36篇，其中SCI论文23篇，含第一/通讯作者SCI论文11篇，著作1章。主持国家重点实验室基金2项，参与澳大利亚研究委员会(ARC)基金、澳大利亚同步光源支持基金和英国劳斯莱斯(Rolls-Royce Plc)先进复合材料研发项目等。

陈旭光

中国海洋大学教授，博导，任山东轨道交通学会安防专委会副主任、山东岩石力学与工程学会常务理事，《J. Mod. Green Energy》编委、《船舶工程》副主编。主持国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金优秀青年基金、NSFC-山东联合基金、国家重点研发计划课题等项目。

研究方向

海洋岩土力学与海底工程，主要包括：深海采矿岩土力学及海底采矿装备研发、海上风电场冲刷致灾的预测-监测-防护-治理、岛礁海底隧道工程安全与防灾减灾。

主要成果

发表SCI论文50余篇。授权/公开国家发明专利100余项，申请/公开国际PCT专利4项，出版学术专著2部。获得省部级科技进步奖一等奖1次，二等奖3次。

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