(57)【要約】【課題】海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる海中採鉱基地を提供する。【解決手段】採鉱ステーション２０は、海底鉱床を採掘する採掘装置３０と、採掘装置３０が装備されて海底に立設されるプラットフォーム２１とを備える。採掘装置３０は、プラットフォーム２１側からワイヤ３３にて昇降可能に垂下される筐体３１と、筐体３１の下部に設けられて互いに対向する一対のドラムカッタ３２と、その対をなすドラムカッタ３２を回転駆動させる駆動部と、ドラムカッタ３２で掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部とを有する。プラットフォーム２１は、複数の支持脚２６を有し、各支持脚２６は、ジャッキ機構４９によりＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備されるとともに海底に立設されるプラットフォームと、を備え、
前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有し、
前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることを特徴とする海中採鉱基地。
【請求項２】
海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備され且つ海底に立設されるとともに水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備え、
前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有することを特徴とする海中採鉱基地。
【請求項３】
前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、
前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、
前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されている請求項２に記載の海中採鉱基地。
【請求項４】
前記採掘装置は、前記上部プラットフォームまたは下部プラットフォームに支持されて上下方向に延びるスライドガイドと、前記スライドガイドの面に沿って上下方向にスライド移動可能な前記筐体とを有し、
前記筐体は、前記ワイヤの巻回による昇降方向での初期位置から所定の下降位置までの間は、前記スライドガイドに沿って昇降するように構成されている請求項３に記載の海中採鉱基地。
【請求項５】
前記筐体は、前記支持脚の垂直方向への移動機構の駆動による前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて、前記スライドガイドと一体で昇降するように構成されている請求項４に記載の海中採鉱基地。
【請求項６】
前記採掘装置が、前記中間フレームに固定されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。
【請求項７】
前記上部プラットフォームまたは前記下部プラットフォームに装備されて前記中間フレームの枠内用移動機構により移動可能な移動フレームを更に備え、
前記採掘装置は、前記枠内用移動機構の駆動により前記プラットフォームに沿って水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に移動可能に前記移動フレームに装着されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。
【請求項８】
前記移動フレームは、相互に水平方向にスライド移動可能に組み合わされた複数のフレームと、該複数のフレーム相互を前記中間フレームの枠内で水平方向にスライド移動させるＸ移動機構およびＹ移動機構と、を有する請求項７に記載の海中採鉱基地。
【請求項９】
前記支持脚は、前記支持脚を上下にスライド移動およびその移動位置の保持が可能なジャッキ機構を介して前記プラットフォームに固定されている請求項１または請求項３〜８のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。
【請求項１０】
前記プラットフォーム側から前記採掘装置をワイヤにて昇降する手段が、ウインチである請求項１〜９のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。
【請求項１１】
前記プラットフォーム側から前記採掘装置をワイヤにて昇降する手段が、クレーンである請求項１〜３のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。
【請求項１２】
請求項５に記載の海中採鉱基地を用いて海底鉱床を掘削する方法であって、
前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と、
前記ワイヤの巻回による昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と、
を含むことを特徴とする海底鉱床の掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底鉱物を採掘する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種産業機器を製造する上で必要不可欠な金属であり存在量が少ない有用金属の価格が高騰している。有用金属は産業上必要不可欠なものであるが、可採量が少ないだけでなく、産出国が限られているため地政学的リスクが存在している。そこで、海底鉱物の中でも、海底下に存在する有用金属含有鉱物が注目されている。
海底鉱物中には、現在地上で採掘されている鉱物と比較して、高濃度で有用金属が存在していることが各種調査で明らかにされている。そこで、近年、様々な機関で試掘調査が行なわれ、また、海底鉱物の採鉱方法や採鉱システムも種々提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、海底鉱物の採鉱システムが開示されている。同文献記載の採鉱システムは、海底鉱床の表面を研削可能な研削ツールを有する海底移動装置を備える。海底移動装置は、海面側の供給源から電力および制御信号を受けて海底を移動しつつ、開放型の研削ツールにより海底鉱床の表面を研削する。研削によって生産された研削物は、分級手段によって所定のサイズを超えないように分級され、分級された研削物が海上まで運搬される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５２８７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、海底鉱床には海山と平坦地が存在し、海山は傾斜角が大きく、その表面は１ｍ前後に達する大きさの礫が被覆し、また、平坦地は軟弱な堆積地盤である。それ故、特許文献１記載の技術のように、クローラ型の掘削機では、傾斜角に対応した充分な登板能力が難しく、海山の裾野からの採鉱は落石による採鉱機の破損のおそれがある。また、カッタ水平方式は、掘削反力に抗って車両を保持するため、生産量に従い車両重量が増大し、軟弱地盤における走行に支障を起こす可能性がある。
【０００６】
さらに、クローラ型の掘削機では、海底地形の起伏に応じた操作が煩雑であり、掘削機の移動には高い操作技術を要する。また、掘削時は掘削粉が海中に舞い上がるため、懸濁により環境認知ができず、掘削機のポジショニングにも支障がでる。そのため、掘削機操作の自動化が難しいという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる海中採鉱基地およびこれを用いた海底鉱床の掘削方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海中採鉱基地は、海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備されるとともに海底に立設されるプラットフォームと、を備え、前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有し、前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、採掘装置が装備されるとともに複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されているので、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる。
そして、採掘装置は、ワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、その対をなすド
ラムカッタを回転駆動させる駆動部と、ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部とを有するので、海底鉱床の採掘に好適な海中採鉱基地を提供できる。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地は、海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備され且つ海底に立設されるとともに水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備え、前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、採鉱装置が装備されるとともに、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
そして、採掘装置は、ワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、その対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部とを有するので、海底鉱床の採掘に好適な海中採鉱基地を提供できる。
【００１１】
ここで、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地において、前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることは好ましい。このような構成であれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応する上でより好適である。
【００１２】
さらに、他の一態様に係る海中採鉱基地において、前記採掘装置は、前記上部プラットフォームまたは下部プラットフォームに支持されて上下方向に延びるスライドガイドと、前記スライドガイドの面に沿って上下方向にスライド移動可能な前記筐体とを有し、前記筐体は、前記ワイヤの巻回による昇降方向での初期位置から所定の下降位置までの間は、前記スライドガイドに沿って昇降するように構成されていることは好ましい。
さらにまた、前記筐体は、前記支持脚の垂直方向への移動機構の駆動による前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて、前記スライドガイドと一体で昇降するように構成されていることは好ましい。
【００１３】
そして、本発明の一態様に係る海底鉱床の掘削方法は、前記海中採鉱基地のいずれか一の好適態様を用いて海底鉱床を掘削する方法であって、前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と（口切掘削工程）、前記ワイヤの巻回による昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と（垂下掘削工程）、を含むことを特徴とする。
このような構成であれば、口切掘削工程により、プラットフォームに対して採掘装置の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削することができ、垂下掘削工程にて、ワイヤを伸ばして予定の深さまで掘削することができる。よって、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応しつつ海底鉱床を掘削する方法として優れている。
【発明の効果】
【００１４】
上述のように、本発明によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一態様に係る海底鉱物採掘システムの全体構成の一実施形態を説明する模式図である。
【図２】図１の海中採鉱基地の模式的説明図であり、同図(ａ)は平面視、(ｂ)は一の海中採鉱基地の正面視（但し、海底鉱床の部分は断面のイメージ（以下正面視にて同様））をそれぞれ模式的に示している。
【図３】図２の海中採鉱基地の第一実施形態を説明する模式的斜視図である。
【図４】海中採鉱基地の第一実施形態の説明図であり、同図（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）は同図（ａ）でのＡ−Ａ断面図である。
【図５】図４（ｂ）の要部の説明図であり、図５（ａ）は図４（ｂ）の要部の拡大平面図、図５（ｂ）は図４（ｂ）の要部拡大図（正面図）である。
【図６】第一実施形態の海中採鉱基地のプラットフォームの模式的平面図である。
【図７】第一実施形態の海中採鉱基地のプラットフォームの模式的正面図である。
【図８】第一実施形態の海中採鉱基地の中間フレームの模式的平面図である。
【図９】第一実施形態の海中採鉱基地により海底鉱床を採鉱する手順の一例を説明する図（（ａ）〜（ｆ））である。
【図１０】第一実施形態の海中採鉱基地の歩行動作を説明する模式的斜視図（（ａ）〜（ｄ））である（なお、同図ではプラットフォームの部分のみを示す。）。
【図１１】海中採鉱基地の第二実施形態の説明図であり、同図（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）は同図（ａ）でのＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。本実施形態は、採掘装置で鉱床を掘削し、掘削された鉱物を海水とともに採鉱可能に構成されている採鉱ステーションを用いる採掘システムの例である。
なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
【００１７】
まず、本実施形態の採掘システムの全体構成について説明する。
この採掘システムは、図１に示すように、海上採鉱基地として海上ＳＬに配置される採鉱母船１と、海底ＳＢに配置される採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４とを有する。この採掘システムでは、複数の採鉱ステーション２０を海中採鉱基地とする。各採鉱ステーション２０には採掘装置３０がそれぞれ装備されている。
【００１８】
各採鉱ステーション２０は、有用金属含有鉱物が堆積する海底鉱床である海底熱水鉱床ＯＤに対し、各採掘装置３０に装備された対をなすドラムカッタ３２で鉱床を掘削し、掘削された鉱物を海水とともに採鉱可能に構成されている。そして、この採掘システムは、各採掘装置３０で採鉱された礫またはスラリー状の鉱物を、各採鉱ステーション２０から吸込管５を介して海中の揚鉱ユニット４に移送し、揚鉱ユニット４は、揚鉱管６を介して採鉱母船１に揚鉱するように構成されている。
【００１９】
詳しくは、本実施形態の例では、採鉱母船１、架設配置用母船２および運搬船３が目的とする海域の海上ＳＬに停泊される。架設配置用母船２は、揚鉱ユニット４および複数の採鉱ステーション２０を運搬するとともに、これらを海底ＳＢに架設配置するための架設配置用の母船である。
架設配置用母船２には、揚鉱ユニット４および採鉱ステーション２０を、海底ＳＢに架設配置するためのクレーン等の作業機１１が装備されている。架設配置用母船２は、海底熱水鉱床ＯＤの所定の位置まで採鉱ステーション２０を搬送し、作業機１１のワイヤ１１ｗで採鉱ステーション２０を垂下して海底ＳＢに立設する。また、同様にして、架設配置用母船２は、海底ＳＢの適切な位置に揚鉱ユニット４を配置する。
【００２０】
採鉱母船１には、発電機１２および貯蔵器１３、並びに不図示の管理コンピュータが搭載されている。貯蔵器１３は換装可能に船上に載置されている。管理コンピュータおよび発電機１２は、アンビリカルケーブル８を介して海底ＳＢに配置された採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４に接続され、採鉱ステーション２０および採掘装置３０、並びに揚鉱ユニット４の作動に必要な電力や制御信号を供給可能になっている。
【００２１】
揚鉱ユニット４は、揚鉱用ポンプ２５と、サイクロン装置を有する分級器２７とを備える。分級器２７は、その吐出側が、揚鉱ユニット４の内部で揚鉱用ポンプ２５の吸い込み側に接続される。分級器２７の吸入側は、吸込管５を介して採鉱ステーション２０と接続される。吸込管５内には海水が満たされる。分級器２７には、排出管７の一端が接続され、排出管７の他端が、分級で不要とされた鉱物の戻し置き場まで配管される。なお、吸込管５、揚鉱管６および排出管７にはフレキシブル管を用いている。
【００２２】
揚鉱用ポンプ２５は、上記揚鉱管６を介して採鉱母船１と接続される。揚鉱管６は、採鉱ステーション２０で採掘した礫またはスラリー状の鉱物を採鉱母船１まで揚鉱するためのフレキシブル性を有する円筒状管路である。揚鉱管６内には海水が満たされる。揚鉱管６の上部は、海上ＳＬの採鉱母船１まで到達し、採鉱母船１の船底を介して貯蔵器１３に接続される。貯蔵器１３は、揚鉱管６から揚鉱用ポンプ２５で揚鉱された鉱物を貯蔵する。運搬船３は、貯蔵器１３を採鉱母船１と換装して、採鉱母船１に揚鉱された鉱物を必要な場所に移送する。
【００２３】
次に、上記採鉱ステーション２０について、図２〜図８を適宜参照しつつ詳しく説明する。
図２に示すように、採鉱ステーション２０は、ベースフレームとなる複数の矩形枠体から構成されたプラットフォーム２１を備える。プラットフォーム２１は、上下の枠体の四隅が複数（この例では８脚）の支持脚２６で支持されている。各支持脚２６は、ジャッキ機構４９を介してプラットフォーム２１に固定されている。
【００２４】
図３に、採鉱ステーション全体の模式的斜視図を示す。同図に示すように、この採鉱ステーション２０は、上記採掘装置３０と、Ｘ方向およびＹ方向へ自走可能なプラットフォーム２１とを備える海底鉱物資源開発用の自走式垂直採掘システムであり、また、自走式海底採鉱機械である。本実施形態のプラットフォーム２１は、平面視が矩形枠状をなす上部プラットフォーム（Ｕｐｐｅｒ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｘと、平面視が矩形枠状をなす下部プラットフォーム（Ｌｏｗｅｒ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｙと、両プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの中間に設けられ平面視が矩形枠状をなす中間フレーム（Ｍｉｄｄｌｅ  ｆｒａｍｅ）２１Ｍと、を有する。
【００２５】
この例では、上部プラットフォーム２１Ｘには、図４に示すように、Ｙ方向に沿って二つのＸ移動フレーム４３が張り渡されている。Ｘ移動フレーム４３は、例えばトラス構造を有する。各Ｘ移動フレーム４３の両端は、Ｘ方向用移動機構５３を介して上部プラットフォーム２１Ｘの上面にそれぞれ支持される。Ｘ方向用移動機構５３は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、二つのＸ移動フレーム４３を上部プラットフォーム２１Ｘに沿ってＸ方向に同時にスライド移動可能になっている。
【００２６】
二つのＸ移動フレーム４３の上部には、Ｙ移動フレーム４４が張り渡されて載置されている。Ｙ移動フレーム４４は、Ｙ方向用移動機構５４を介してＸ移動フレーム４３の上面に支持され、採掘装置３０のＹ方向の送り機構を構成している。Ｙ方向用移動機構５４は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、採掘装置３０をＸ移動フレーム４３の延在方向に沿って（つまりＹ方向に沿って）スライド移動可能になっている。
【００２７】
さらに、Ｙ移動フレーム４４の上部には、基地制御ユニット４６が設けられている。基地制御ユニット４６には、上記アンビリカルケーブル８および吸込管５が接続される。基地制御ユニット４６の側面には、採掘装置３０の稼働により採掘された鉱物を吸入するための吸込管５の一端が上記揚鉱管の巻回器５１を介して接続される。吸込管５の他端は、分級器２７に接続される。
【００２８】
基地制御ユニット４６には、図５に示すように、採鉱ステーション２０および採掘装置３０を駆動するために、採鉱ステーション２０全体の作動を制御する制御部であるコントローラ４５と、ワイヤ３３の巻回用のウインチ４７、高圧管の巻回器４８および高圧の海水を供給する供給ポンプ４０、並びに揚鉱管の巻回器５１が内蔵されている。
【００２９】
これにより、各採鉱ステーション２０は、採鉱母船１からアンビリカルケーブル８を介して必要な電力や制御信号の供給を基地制御ユニット４６に受ける。基地制御ユニット４６のコントローラ４５は、採鉱母船１側の管理コンピュータの指令に基づいて、各ジャッキ機構４９の駆動により、採鉱ステーション２０の姿勢を制御する制御部として機能する。
【００３０】
さらに、各採鉱ステーション２０は、管理コンピュータの管理下、コントローラ４５によるＸ方向用移動機構５３およびＹ方向用移動機構５４の駆動制御により、採掘装置３０をプラットフォーム２１の所定区画内でＸ方向およびＹ方向に移動するとともに、供給ポンプ４０の駆動により、取水した海水を高圧の海水として高圧管３９から採掘装置３０に供給可能になっている。
【００３１】
次に、採鉱ステーション２０に装備された採掘装置３０について詳しく説明する。
図５に拡大図示するように、Ｙ移動フレーム４４の下方には、ワイヤ３３を介して採掘装置３０の筐体３１が昇降可能に垂下されている。筐体３１の上部には、筐体３１の側部に沿って採掘装置３０をＺ方向の初期の位置での案内するスライドガイド３８が設けられている。なお、採掘装置３０のＺ方向の初期位置は、スライドガイド３８の内側面に設けられたストッパ３８ｓで規制される。
【００３２】
ワイヤ３３は、基地制御ユニット４６に設けられたウインチ４７のワイヤドラム４７ｒに巻回され、ウインチ４７の駆動により繰り出しおよび巻き上げが行われ、スライドガイド３８に沿ってＺ方向での初期の範囲にて、筐体３１の側部をガイドしつつ、採掘装置３０を昇降可能になっている。上記ＸおよびＹ移動フレーム４３、４４とウインチ４７とにより、いわば天井クレーンが構成されている。なお、回転駆動を伴う管路の連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
【００３３】
次に、上記採掘装置３０の掘削部本体の構成についてより詳しく説明する。
本実施形態の採掘装置３０は、いわゆるトレンチカッタと呼ばれるものであり、上部の基地制御ユニット４６に設けられた巻回器４８、５１およびウインチ４７等の昇降機器部と、海底を掘削するために昇降される筐体３１等の掘削部本体とを有する。掘削部本体は、掘削予定位置にて海底に着床されるとともに、ワイヤ３３による筐体３１の昇降動作と、ジャッキ機構４９によるプラットフォーム２１の昇降動作と、により掘削方向に給進可能に構成されている。
【００３４】
詳しくは、図５に示すように、採掘装置３０の掘削部本体は、ワイヤ３３にて昇降可能に垂下される筐体３１と、筐体３１下部に設けられた一対の水平軸３２ｇにそれぞれ回転自在に支持された一対のドラムカッタ３２と、筐体３１下部に設けられて一対のドラムカッタ３２を回転駆動させる駆動部を構成する流体駆動モータ（例えばマッドモータ）３５とを有する。
【００３５】
筐体３１には、進行方向両側面に、ドラムカッタ３２により掘削された掘削溝内およびスライドガイド３８の拘束部で筐体３１をスライド移動可能に保持するガイド部３１ａ，３１ｂが設けられている。
また、筐体３１の下部には、ドラムカッタ３２よりも上部の位置に、掘削した土砂を含む礫またはスラリー状の鉱物を採鉱するための採掘・吸引部であるサクションボックス３４および揚鉱ポンプ３７が装備されている。揚鉱ポンプ３７には、上記揚鉱管３６が接続される。なお、回転駆動を伴う連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
【００３６】
基地制御ユニット４６のコントローラ４５は、オペレータの操作または自動制御によって、ウインチ４７のワイヤドラム４７ｒに巻回されたワイヤ３３により、掘削部本体を昇降させるとともに、その昇降動作に応じて、駆動流体を供給する高圧管３９を高圧管の巻回器４８に巻き取り、揚鉱管３６を揚鉱管の巻回器５１に巻き取らせる。
【００３７】
なお、第一実施形態では、これらワイヤ３３、高圧管３９および揚鉱管３６の巻き取りおよび繰り出しを行う昇降機器部が基地制御ユニット４６に設けられた例を示したが、これに限らず、後述する、図１１に示す第二実施形態のように、ワイヤ３３、高圧管３９および揚鉱管３６を、クレーンのブーム先端のシーブにてそれぞれ支持し、掘削部本体の垂直姿勢を保持しつつ昇降する構成としてもよい。
【００３８】
流体駆動モータ３５の上流側は、基地制御ユニット４６の高圧管３９に接続されている。高圧管３９は、基地制御ユニット４６に設けられた供給ポンプ４０の吐出側に接続される。さらに、揚鉱管３６の上端は、基地制御ユニット４６の側部に接続された吸込管５に揚鉱管の巻回器５１を介して連通しており、上記揚鉱用ポンプ２５が、吸込管５を介して巻回器５１の吐出側に接続されている。
【００３９】
流体駆動モータ３５は、例えば一軸偏心ねじポンプの作動原理の逆作動により回転駆動され、その回転駆動力が、下部に設けられたサクションボックス３４の動力伝達部を介して、一対のドラムカッタ３２の各水平軸３２ｇを回転可能に構成されている。また、サクションボックス３４には、流体駆動モータ３５を駆動した後の作動流体（つまり海水）を揚鉱管３６側に限って戻すように還流回路が構成されている。
これにより、採掘装置３０は、対をなすドラムカッタ３２の駆動で掘削された鉱物をサクションボックス３４から吸引し、海上の採鉱母船１に向けて揚鉱用ポンプ２５を介して揚鉱可能になっている。なお、回転駆動を伴う連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
【００４０】
次に、図６〜図８に基づき、採鉱ステーション２０の移動機構を詳しく説明する。なお、図６〜図８は、上記架設配置用母船２から海底熱水鉱床ＯＤに採鉱ステーション２０が着底させられる時のプラットフォーム２１の着底準備姿勢を示すもので、プラットフォーム２１は、着底準備姿勢にあっては、上部プラットフォーム２１Ｘ、中間フレーム２１Ｍおよび下部プラットフォーム２１Ｙの水平面内の中心（重心）Ｇが一致している。なお、図７において符号ＣＬは、各支持脚２６の中心軸線を示している。
【００４１】
上部プラットフォーム２１Ｘは、図６に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＸｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＸａとを有する。２つの横ガーダーＸａの各外側面には、横ガーダーＸａの延在方向に沿って、Ｘ移動用ラックＲｘが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。
【００４２】
また、下部プラットフォーム２１Ｙは、同図に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＹｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＹａとを有する。２つの縦ガーダーＹａの外側面には、縦ガーダーＹａの延在方向に沿って、Ｙ移動用ラックＲｙが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。
【００４３】
中間フレーム２１Ｍは、図８に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＭｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＭａとを有する。中間フレーム２１Ｍの各横ガーダーＭａの延在方向の中央の位置には、横ガーダーＭａの矩形筒内に、Ｘ駆動モータＭｘがそれぞれ配置されている。また、中間フレーム２１Ｍの各縦ガーダーＭｂの延在方向の中央の位置には、縦ガーダーＭｂの矩形筒内に、Ｙ駆動モータＭｙがそれぞれ配置されている。
【００４４】
図６に示すように、上下の各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙは、それぞれ４本の支持脚２６と各支持脚２６を昇降可能なジャッキ機構４９とを有するジャッキアッププラットフォームである。そして、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、不図示の直動案内機構を介してスライド移動可能に支持されるとともにラック＆ピニオン機構を介して係合され、水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向に相対的スライド移動可能に構成されている。
【００４５】
より詳しくは、プラットフォーム２１は、図６に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの矩形状の枠体の四隅それぞれと、下部プラットフォーム２１Ｙの矩形状の枠体の四隅それぞれとに支持脚２６を有する。各支持脚２６には、Ｚ方向のスライド移動機構であるジャッキ機構４９が昇降用のジャッキングユニットとして設けられている。
ジャッキ機構４９は、各支持脚２６の両側に１基ずつ、計二基が装備され、各支持脚２６には、図３に示すように、Ｚ移動用ラックＲｚが、各支持脚２６の軸方向に沿って周方向で対向する位置にそれぞれ取付けられている。
【００４６】
ジャッキ機構４９は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有する。ラックは支持脚２６の軸方向に沿って形成されている。ジャッキ機構４９は、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、支持脚２６を上下方向（Ｚ方向）にスライド移動可能に且つその移動位置の保持が可能になっている。なお、ジャッキ機構４９の駆動用のモータとしては、流体圧による駆動（例えば油圧駆動）であっても、電力による駆動（例えば電磁式モータ）であってもよい（以下、他の駆動用のモータにおいて同様）。
【００４７】
各Ｚ移動用ラックＲｚに対応するジャッキ機構４９は、不図示のＺ駆動モータと、Ｚ駆動モータの出力軸に装着されたピニオンと、ピニオンに噛合された上記Ｚ移動用ラックＲｚを有してラック＆ピニオン機構が構成される。これにより、各支持脚２６は、自身が装着された各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙに対しＺ方向に相対的スライド移動して、複数の支持脚２６の協働によって、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの上昇および下降が可能になっている。
【００４８】
上部プラットフォーム２１Ｘの直動案内機構は、上部プラットフォーム２１Ｘの横ガーダーＸａ底面に、横ガーダーＸａの延在方向に沿って取付けられた不図示のスキッディングレールを有する。スキッディングレールの上下はベアリングプレートで案内される。スキッディングレールは、上部プラットフォーム２１Ｘの横ガーダーＸａに沿って上部プラットフォーム２１Ｘの端から端まで取り付けられている。
【００４９】
ベアリングプレートは、中間フレーム２１Ｍの横ガーダーＭａの角部上面に取り付けられる。また、スキッディングレールを左右から覆うように、ベアリングプレートの配置位置と同じ位置に、ホールディングクローが取り付けられる。ホールディングクローは、上部プラットフォーム２１ＸがＸ方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールを両側から支持する。
【００５０】
上記Ｘ駆動モータＭｘの駆動軸には、不図示のＸ移動用ピニオンが装着され、Ｘ移動用ラックＲｘのラック面に対向する位置に張り出している。Ｘ移動用ピニオンは、Ｘ移動用ラックＲｘに噛合され、Ｘ駆動モータにより同期駆動されて、上部プラットフォーム２１ＸをＸ方向にスライド移動可能に構成されている。
【００５１】
一方、下部プラットフォーム２１Ｙの直動案内機構は、下部プラットフォーム２１Ｙの縦ガーダーＹａ上面に、縦ガーダーＹａの延在方向に沿って取付けられた不図示のスキッディングレールを有する。スキッディングレールは、下部プラットフォーム２１Ｙの縦ガーダーＹａの端から端まで取り付けられている。
【００５２】
下部プラットフォーム２１Ｙは、上部プラットフォーム２１Ｘと同様に、中間フレーム２１Ｍの縦ガーダーＭｂの角部下面に、不図示のベアリングプレートが取付けられ、ベアリングプレートによりスキッディングレールの上下を案内している。また、ベアリングプレートの配置位置と同じ位置に、スキッディングレールを左右から覆うように、ホールディングクローが取り付けられ、下部プラットフォーム２１ＹがＹ方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールを両側から支持している。
【００５３】
上記Ｙ駆動モータＭｙの駆動軸には、Ｙ移動用ピニオンＰｙが装着され、Ｙ移動用ラックＲｙのラック面に対向する位置に張り出している。Ｙ移動用ピニオンＰｙは、それぞれＹ移動用ラックＲｙに噛合され、Ｙ駆動モータＭｙにより同期駆動されて、下部プラットフォーム２１ＹをＹ方向にスライド移動可能に構成されている。
【００５４】
これにより、採鉱ステーション２０は、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１ＹをＸ方向およびＹ方向にスライド移動させるスライド移動機構、並びに各支持脚２６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構により、後述する歩行制御処理の手順に従い、予定採掘区域をＸ方向およびＹ方向それぞれに歩行するとともに、採掘装置３０をＸ方向およびＹ方向に移動させて、所定区画を順次に採鉱可能になっている。
【００５５】
なお、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、ラック＆ピニオン機構を介して水平方向への移動が可能な例を示すが、移動機構はこれに限定されず、水平方向への移動が可能な移動機構であれば、種々の移動機構を採用可能である。
例えば、油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構を用いることができる。同様に、各支持脚２６は、ラック＆ピニオン機構を介してＺ方向に相対的スライド移動が可能な例を示すが、これに限定されず、例えば油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構とすることができる。また、油圧駆動に限定されず、電気駆動式としてもよい。
【００５６】
さらに、本実施形態の採鉱ステーション２０は、基地制御ユニット４６が、プラットフォーム２１の姿勢を検出する慣性センサを有する。また、本実施形態では、各支持脚２６を駆動するジャッキ機構４９には、不図示のトルク検出器が装備されている。各トルク検出器は、対応する各ジャッキ機構４９のラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータのトルクを検出可能なトルク計である。各トルク検出器は、各駆動モータの随時のモータトルクを検出し、検出したトルク情報を基地制御ユニット４６のコントローラ４５に出力可能になっている。
【００５７】
コントローラ４５は、コンピュータと、姿勢安定制御処理を実行するためのプログラムとを含む採鉱ステーション自身の制御部である。コントローラ４５は、採鉱ステーション２０の歩行制御処理、採鉱ステーション２０の採鉱制御処理、および、採鉱ステーション２０の姿勢制御、並びにその他必要な処理を実行する。
コントローラ４５は、採鉱ステーション２０の姿勢制御処理が実行されると、慣性センサの出力に基づいて、採鉱ステーション２０自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、ラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータの調整により、姿勢安定を維持する姿勢安定制御を行う。
【００５８】
特に、本実施形態の採鉱ステーション２０は、大きな礫がバラ積みされた上を歩くので、崩れ等により生じる動的姿勢変化を加速度計およびジャイロスコープ等の角加速度計を含めた慣性センサで計測することが好ましい。なお、静的姿勢を計る傾斜センサを併せて用いることもできる。また、姿勢制御用として、スラスターやウォータジェットを用いて姿勢の安定性を維持する制御を行ってもよい。
【００５９】
また、コントローラ４５は、慣性センサの検出した傾斜情報、および、複数の支持脚２６のモータのトルクを検出したモータトルク情報を、海上の曳航船である架設配置用母船２に装備された管理コンピュータに出力する。管理コンピュータは、オペレータに対して、ディスプレイ上に、随時の傾斜情報およびモータトルク情報を表示可能に構成される。
【００６０】
コントローラ４５は、慣性センサの姿勢検出情報に基づいて、採鉱ステーション２０の姿勢が水平になるように各支持脚２６の脚長を調整する。これにより、採鉱ステーション２０は、海底に安定した姿勢で着底できる。
【００６１】
次に、上述の採掘システムによって、海底熱水鉱床ＯＤから鉱物を採掘する手順、並びにこの採掘システム並びに採掘装置３０による鉱物の採掘方法の作用・効果について説明する。
まず、図１に示したように、採鉱母船１、および架設配置用母船２を目的とする海域の海上ＳＬに停泊する。次いで、架設配置用母船２に設置されているクレーン等の作業機１１を用い、採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４を海中に降ろし、これらの機材が図１に示す配置となるように海底ＳＢの適切な位置に設置する。これらの機材の設置前または設置後に、吸込管５、揚鉱管６および排出管７、並びにアンビリカルケーブル８等の必要な配管および配線を行い、各配管内には海水を満たす。
【００６２】
本実施形態において、採鉱ステーション２０を海底熱水鉱床ＯＤに配置する際は、海底ＳＢの凹凸形状に応じ、プラットフォーム２１の姿勢が水平になるように、プラットフォーム２１四隅の支持脚２６をジャッキ機構４９により上下にスライド移動させておく。各機材の設置後、採鉱母船１からアンビリカルケーブル８を介してコントローラ４５および揚鉱ユニット４に必要な電力や制御信号を供給し、採鉱ステーション２０および採掘装置３０並びに揚鉱ユニット４を駆動し、採掘された鉱物を海水とともに吸引する。
【００６３】
次に、採鉱ステーション２０による採鉱工程について図９を参照しつつ説明する。
採鉱ステーション２０のコントローラ４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域（例えば１０ｍ×１０ｍ）を採掘装置３０により採掘する。なお、以下、この中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を「一の区画」とも称する。
【００６４】
本実施形態では、まず、図９（ａ）に示すように、採鉱ステーション２０のスライドガイド３８内に採掘装置３０の筐体３１を格納した状態で、全ての支持脚２６を相対的に上昇させることにより、プラットフォーム２１の水平姿勢を維持しつつ、プラットフォーム２１を全体的に下降させる（同図（ａ）の符号Ｄ１）。
これにより、プラットフォーム２１に対して採掘装置３０の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削を開始することができる（口切掘削工程）。採掘装置３０は、掘削部本体は、対をなすドラムカッタ３２の動きにより、海底熱水鉱床ＯＤを略長方形断面に掘削し、懸濁状態の鉱物で満たされた竪穴状の掘削溝ＶＨが地中に形成される。
【００６５】
特に、海底熱水鉱床ＯＤにおいては、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応する必要がある。これに対し、本実施形態によれば、口切掘削工程を実施することにより、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応しつつ、プラットフォーム２１に対して採掘装置３０の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削溝ＶＨを掘削できる。
【００６６】
ここで、鉱床の表層部分における軟弱地盤や傾斜や起伏等の不安定層から安定した掘削が可能な安定層に移行したことを判断する際に、ジャッキ機構４９に装備されたトルク検出器を用いることができる。つまり、口切掘削工程において、コントローラ４５は、掘削状態判定処理を実行し、トルク検出器から取得される各駆動モータの随時のモータトルクを監視する。そして、コントローラ４５は、検出したトルク情報に基づき、トルク情報の変化から、不安定層から安定層への移行を判定できる。
なお、トルク検出器は、ジャッキ機構４９に限定されず、例えば、採掘装置３０の流体駆動モータ３５を駆動する供給ポンプ４０の吐出側にトルク検出器を設け、このトルク検出器から取得した情報により、流体駆動モータ３５の駆動情報を得ることによっても、掘削状態を判定できる。
【００６７】
具体的には、検出されたトルクの値が所定よりも低かったときや、トルク変動が所定以上に振幅するようなときは、不安定層を掘削中であると判定できる。また、検出されたトルクの値が、所定値を超えたときや、トルク変動が所定未満に収まっているときには、安定層を掘削中であると判定できる。掘削状態判定処理において、そして、安定層を掘削中であると判定した場合には、続く「垂下掘削工程」に速やかに移行できる。
【００６８】
すなわち、続く掘削および採鉱に際しては、同図（ｂ）に示すように、ワイヤ３３を繰り出し、採掘装置３０の掘削部本体のみを垂下させながら掘削する（垂下掘削工程（同図（ｂ）の符号Ｄ２））。このとき、ドラムカッタ３２の押付け力はワイヤ３３の張力で調整する。垂下掘削工程では、掘削および採鉱の進行にあわせてワイヤ３３を伸ばして予定の深さ（プラットフォーム２１の支持脚２６が届く範囲）まで掘削および採鉱をする。
【００６９】
次いで、採掘装置３０の掘削部本体を同図（ａ）の初期位置まで引き上げ、さらに、図４（ｂ）に示す着床時の高さまでジャッキ機構４９の駆動によりプラットフォーム２１を引き上げる。その後に、ＸおよびＹ移動フレーム４３、４４によるＸないしＹ方向への移動により、採掘装置３０を最初の掘削位置から特定距離（掘削溝の壁面が掘削動作で崩壊しない壁面残厚を残す位置）だけ一の区画内で移動する（図９（ｃ）での符号Ｍ１）。その後に、上記口切掘削工程から垂下掘削工程における掘削手順と同様の手順を繰り返すことにより一の区画内での掘削を継続する（区画内移動工程）。
【００７０】
その後、ＸおよびＹ移動フレーム４３、４４による一の区画内での移動により（図９（ｄ）の符号Ｍ２）、掘削溝の間に残った壁を採掘装置３０で掘削して崩す（同図（ｄ））。掘削溝内に落ちた掘削片は、一対のドラムカッタ３２で噛み込みつつカッタ間のサクションボックス３４に接続された揚鉱管３６から回収する（区画内壁面除去工程）。
なお、上記区画内移動工程において、隣接する掘削溝間の壁の厚さは、一対のドラムカッタ３２の中心間距離よりも狭い幅とするように上記特定距離を設定することが、ドラムカッタ３２が掘削溝間の壁面に安定して噛み込める厚さとする上で好ましい。
【００７１】
但し、区画内移動工程での移動後、口切掘削工程から垂下掘削工程による掘削手順による掘削で隣り合う掘削溝間に「仕切り壁」を残すところ、この仕切り壁が「薄い」または「無い」場合は、区画内壁面除去工程において、掘削溝側へ仕切り壁が崩壊し易くなる。そのため、掘削溝側へ仕切り壁が崩壊しないように、掘削手順を管理する必要がある。仕切り壁が一旦崩れると、上記口切掘削工程から垂下掘削工程における垂直掘りが難しくなる場合があるからである。
【００７２】
区画内壁面除去工程以降の掘削において、各支持脚２６を立設する位置は、掘削溝の幅や海底地山の状況に応じて適宜昇降させる。つまり、同図において、掘削溝の溝幅が狭いとき（同図（ｅ））や、掘削溝の溝幅が拡がったとき（同図（ｆ））の例をそれぞれ示すように、掘削溝の幅や海底地山の状況に応じて、それぞれのプラットフォーム２１の着底姿勢が安定するように各支持脚２６を接地させる。
そして、姿勢が安定している状態で、口切掘削工程から垂下掘削工程による掘削手順を繰り返すことにより、一の区画内での掘削を安定して継続することができる。さらに、区画内移動工程および壁面除去工程を繰り返すことで、一段下の高さにて、上述した各工程での掘削を継続することができる。
【００７３】
そして、上述した採掘と同時に揚鉱ポンプ３７、揚鉱用ポンプ２５が駆動されることにより、揚鉱管３６先端のサクションボックス３４内部に負圧を生じさせ、これにより、採掘された鉱物が揚鉱管３６の先端から吸引され、揚鉱管３６から吸込管５を介して採鉱することができる。また、これと同時に、ウインチ４７によるワイヤ３３の繰り出しにより採掘装置３０の掘削部本体の給進動作がなされるため、掘削および採鉱で形成された掘削溝ＶＨ内に採掘装置３０の掘削部本体のみを深く侵入させることができる。
【００７４】
次いで、吸込管５で吸入された鉱物は分級器２７に移送される。分級器２７は、鉱物粒子の比重差によって遠心力により所望の鉱物とそうでない不要な鉱物とを分離する。分級で不要とされた鉱物は、図１に示すように、分級器２７に接続された排出管７を介して海底の戻し置き場に導かれる。
一方、分離された鉱物のうち、所望の比重の鉱物は、揚鉱用ポンプ２５に送られ、揚鉱管６を介して採鉱母船１の貯蔵器１３に揚鉱される。採鉱母船１では、貯蔵器１３に貯蔵するときに、鉱物を海水と分離し、鉱物が貯蔵器１３内部に貯蔵される。
【００７５】
各採鉱ステーション２０は、採掘装置３０それぞれの最大採鉱深度まで採鉱したら採掘装置３０の掘削部本体を後退した後に、採掘装置３０を一の区画でのＸ−Ｙ平面で移動して、一の区画でのＸ−Ｙ平面全体を走査するように順次に採鉱を行う。一の区画でのＸ−Ｙ平面での移動および移動後の採鉱は、本実施形態のように、コンピュータ（上記管理コンピュータ、およびコントローラ４５等）により自動的に行ってもよいし、各採鉱ステーション２０の状況をオペレータが海上の採鉱母船１から監視しつつ、オペレータの手動操作によって行ってもよい。
【００７６】
このようにして、この採掘装置３０によれば、一の区画において、海底熱水鉱床ＯＤから掘削された鉱物の採鉱を継続することができる。そして、この採掘装置３０によれば、掘削溝ＶＨ内に採掘装置３０の掘削部本体が存在しているので、掘削溝ＶＨの開口側を塞いだ状態のまま鉱物を掘削しつつ採鉱を進めることができる。したがって、採掘された鉱物が海水中に舞い上がって飛散し、海中に流出することが防止または抑制される。そのため、海水の懸濁が防止または抑制される。
【００７７】
次に、採鉱ステーション２０の自走方法について図１０を適宜参照して説明する。なお、以下説明する採鉱ステーション２０の自走動作は、上記管理コンピュータの監視下、コントローラ４５が実行する所定のプログラムに基づき行われるが、これに限定されず、オペレータのマニュアル操作によって行ってもよい。
【００７８】
採鉱ステーション２０は、初期着底状態では、図１０（ａ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。コントローラ４５は、管理コンピュータから採掘命令を受けると、まず、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を一旦離底させ、中間フレーム２１Ｍと下部プラットフォーム２１Ｙを結合した状態で上部プラットフォーム２１ＸをＸの正方向に一杯に移動させる。その後、コントローラ４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を着底させて、上述した一の区画での採掘開始状態とする。
【００７９】
一の区画においては、上述したように、採鉱ステーション２０のコントローラ４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受け、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を上述した一連の工程により採掘する。コントローラ４５は、一の区画の採鉱時には、採鉱ステーション２０の歩行を停止した状態で、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を、図９に示した採鉱方法で、中間フレーム２１Ｍの内側の区画内での採掘装置３０のＸ方向およびＹ方向の移動により順次に採掘・吸引して採鉱を行っていく（以下、歩行後の他の区画において同様）。
【００８０】
一の区画での所期の採鉱を終えたら、コントローラ４５は、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を、次の区画に対応する位置となるように、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように各部を駆動制御してプラットフォーム２１を移動させる。
つまり、一の区画の採鉱を終えた状態では、同図（ａ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。そのため、コントローラ４５は、まず、同図（ｂ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を、これに対応するジャッキ機構４９の駆動により離底させる。
【００８１】
次いで、コントローラ４５は、同図（ｃ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、水平方向への移動機構の駆動により、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、コントローラ４５は、同図（ｄ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を、これに対応するジャッキ機構４９の駆動により下方に伸長してそれぞれ着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が次の区画となる。
【００８２】
次の区画において、採鉱ステーション２０のコントローラ４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を採掘する。そして、次の区画での所期の採鉱を終えたら、コントローラ４５は、以下、同様にして、上下のフレームを交互に移動させてＸ方向に自走することができる。また、同様にして、上下のフレームを交互に移動させてＹ方向にも自走することができる。
【００８３】
このように、この採鉱ステーション２０によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる上、採鉱ステーション２０を自走可能な構成とすることにより、採鉱ステーションの位置替え（リロケーション）を行う支援船である架設配置用母船２を不要または使用を要する状態を大幅に少なくすることができる。そのため、採鉱操作の自動化が容易であり、プロジェクトの工期とコストを大幅に減少することができる。
【００８４】
特に、この採掘装置３０を備える採鉱ステーション２０、および、海底鉱物の採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、各採鉱ステーション２０は、複数の支持脚２６を有し、各支持脚２６は、垂直方向への移動機構であるジャッキ機構４９を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能なので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【００８５】
そして、オペレータがカメラ等によって監視しつつ手動操作を行う場合でも、この採掘装置３０を備える採鉱ステーション２０であれば、海水中への鉱物の飛散が防止または抑制されているため、採鉱作業の効率を向上させる上で好適である。また、採鉱ステーション２０、および、採掘装置３０が比較的に簡素な構成なので、深海のような過酷な環境下であっても、故障のおそれが低く信頼性の高い採掘システムを提供できる。
【００８６】
このように、本実施形態の採掘装置３０を備える採鉱ステーション２０、および、採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応可能である。
さらに、掘削された鉱物を掘削溝ＶＨ内にある掘削部本体に装備されたサクションボックス３４から揚鉱管３６に吸い込むので、鉱物が海水中に舞い上がって飛散してしまうことが防止または抑制される。また、本実施形態の採掘システムは、採掘装置３０で掘削された鉱物を掘削溝ＶＨ内部から揚鉱管３６を介して吸込管５に直接導入するので、揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制できる。
【００８７】
特に、従来提案されているトレンチカッタでは、船上からトレンチカッタの位置をコントロールするものなので、船上からトレンチカッタを精度良く制御することは困難である。
これに対し、本実施形態では、採鉱ステーション２０の採掘装置３０として、トレンチカッタを採用するところ、本実施形態の採掘装置３０は、海底に立設するプラットフォーム２１上をＸＹ方向にスライド移動でき、また、スライドガイド３８の内に筐体３１を格納すれば、採掘装置３０の掘削部本体を垂下時の揺動を防止または抑制できる。
【００８８】
さらに、クローラ型掘削機や海上の船からワイヤ吊りする掘削機と比較して、海底における掘削機のリロケーションや、掘削機のポジショニングが採鉱ステーション２０の機構的動作のみで実現できるため、海中採鉱基地の自動化が容易である。これにより、海上支援船からのアンビリカルケーブルおよびコントロール以外は独立でき、安価な支援船で済むことから開発コストの大幅な低減が可能となる。よって、海底熱水鉱床ＯＤでの鉱物の採鉱に好適であるといえる。
【００８９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。
例えば、上記実施形態では、海上採鉱基地として採鉱母船１を例に説明したが、これに限定されず、海上揚鉱基地として機能すれば、例えば海上に建設されたプラットフォームなどであってもよい。
また、例えば上記実施形態では、採鉱された鉱物を、採鉱母船１内に設けられた貯蔵器１３まで運搬する例で説明したが、これに限定されず、海上の近傍や海面下（例えば船底近くに貯蔵器を設ける）で揚鉱もしくは貯蔵、または分級を行ってもよい。
【００９０】
また、例えば上記実施形態では、揚鉱ユニット４が分級器２７を有し、この分級器２７により海中で鉱物を分級する例を示したが、これに限定されず、本発明に係る採掘装置によれば、採掘した鉱物を分級することなしに揚鉱してもよい。
また、例えば上記実施形態では、採鉱ステーション２０は、複数台を用いて広範囲を同時に採鉱する例を示したが、勿論、一台のみを稼働することができる。また、採鉱ステーション２０が装備する採掘装置３０についても、小型のものから大型のものまで、種々の採掘装置３０を用いることができる。
【００９１】
また、本発明においては、採掘・吸引部を稼働させるために用いるポンプの基数や流路の系統数も限定されず、複数のポンプによって稼働してよいし、また、一基のポンプのみによって一系統の流路構成で稼働してもよい。但し、本発明においては、採掘・吸引部が取り扱う圧力媒体は「海水」のみであることから、採掘・吸引部の稼働機構部を１系統に限って設けることは好ましい。このような構成とすれば、ポンプのような複雑な構造を有する稼働機構を最少限の一基のみとし、また、ポンプを通過する圧力媒体が海水のみとすることで、コストを抑制するとともに信頼性を向上させる上で好適である。
【００９２】
また、例えば上記実施形態では、海中採鉱基地として、採鉱ステーション２０は、自らが水平方向に移動可能な例で説明したが、これに限らず、採鉱ステーション自らは水平方向に移動しない構成とすることもできる。但し、歩行機能を有しない採鉱ステーション２０の場合は、最初の区画での採鉱が終了した後は、次の隣接する区画に採鉱ステーション２０を改めて設置する必要がある。
【００９３】
つまり、歩行機能を有しない採鉱ステーションの場合は、ジャッキアップ式のプラットフォームの設置と移動に際し、その都度、設置移動用船舶（ＩＲＶ）を必要とする。よって、上記実施形態のように、海中採鉱基地として、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能な採鉱ステーション２０のような、「海底鉱物資源開発用自走式垂直採掘システム」を採用することは好ましい。
【００９４】
また、例えば上記実施形態では、採掘装置３０がＹ移動フレーム４４上に設けられている例を示したが、これに限らず、例えば採掘装置３０をＸ移動フレーム４３の側に設けることもできる。また、採掘装置３０が中間フレーム２１Ｍに固定されている構成としてもよい。この場合、ＸおよびＹ移動フレーム４３、４４を設けずに、中間フレーム２１Ｍを一枚板にして、採掘装置３０を中間フレーム２１Ｍに直接固定する。そして、この構成において、掘削動作は、支持脚２６の下降または中間フレーム２１Ｍ上の昇降機構（上記符号４７、４８、５１等が対応）、および中間フレーム２１Ｍのスライド機構を使うことによって行うことができる。
【００９５】
また、上記実施形態では、天井クレーンのように、昇降用のウインチ４７と、ＸおよびＹ移動フレーム４３、４４とを基地制御ユニット４６と共にプラットフォーム２１上に備える例で説明したが、これに限らず、例えば、クレーンによって採掘装置３０を垂下してもよい。
詳しくは、図１１に示すように、第二実施形態の採鉱ステーション１２０は、プラットフォーム２１上にクレーン１４７を備える点が、上記第一実施形態と相違する。なお、昇降用のウインチ４７に替えてクレーン１４７を備える点以外は、上記第一実施形態と同様の構成を有するので、他の説明については省略する。
【００９６】
第二実施形態では、同図に示すように、プラットフォーム２１の上部プラットフォーム２１Ｘに、ブーム１４７ｂの起伏、伸縮および旋回が可能なクレーン１４７を搭載しており、このクレーン１４７のブーム１４７ｂ先端から採掘装置３０を垂下している。なお、この例では、昇降用のウインチ４７を除く基地制御ユニット４６の他の機能部は、上部プラットフォーム２１Ｘにおけるクレーン１４７の基端部近傍且つクレーン１４７の動作の妨げにならない位置に装備されている。また、揚鉱管３６および高圧管３９は、クレーン１４７のブーム１４７ｂ先端の配管用シーブを掛け回して採掘装置３０に接続されている。
【００９７】
この第二実施形態のような構成であっても、海上からの操作に比べて、海中のクレーン１４７によって採掘装置３０をＸ方向およびＹ方向に精度良く移動可能であり、また、プラットフォーム２１が海底鉱床の傾斜や起伏に対応しつつ、採掘装置３０による掘削および採鉱により掘削溝ＶＨを形成しつつ鉱物を採掘し、その鉱物を掘削溝ＶＨの内部から回収できる。
そして、このような構成であれば、クレーン１４７のブーム１４７ｂの起伏、伸縮および旋回動作の範囲にて、プラットフォーム２１を構成するフレームの内外に採掘装置３０を位置付け可能である。特に、海底熱水鉱床ＯＤにおいては、同図に示すような、高いチムニーＴ（例えば、高いものは３０ｍ程度）が存在するところ、第二実施形態の構成であれば、高いチムニーＴであっても、その上部からの掘削が可能となる。また、船上からトレンチカッタ等の採掘装置３０の位置や姿勢を制御するよりも制御が容易である。
【符号の説明】
【００９８】
１    採鉱母船（海上採鉱基地）
２    架設配置用母船
３    運搬船
４    揚鉱ユニット
５    吸込管
６    揚鉱管
７    排出管
８    アンビリカルケーブル
１１  作業機
１１ｗ    作業機のワイヤ
１２  発電機
１３  貯蔵器
２０、１２０  採鉱ステーション（海中採鉱基地）
２１  プラットフォーム
２１Ｍ    中間フレーム
２１Ｘ    上部プラットフォーム
２１Ｙ    下部プラットフォーム
２５  揚鉱用ポンプ
２６  支持脚
２７  分級器
３０  採掘装置（トレンチカッタ）
３１  筐体
３１ａ，３１ｂ    ガイド部
３２  ドラムカッタ
３２ｇ    水平軸
３３    ワイヤ
３４    サクションボックス
３５    流体駆動モータ（駆動部）
３６    揚鉱管（採鉱部）
３７    揚鉱ポンプ
３８  スライドガイド
３９    高圧管
４０    供給ポンプ
４３    Ｘ移動フレーム
４４    Ｙ移動フレーム
４５    コントローラ
４６    基地制御ユニット
４７ｒ    ワイヤドラム
４７    ウインチ
４８ｒ    高圧管ドラム
４８    高圧管の巻回器
４９  ジャッキ機構（垂直方向への移動機構）
５１    揚鉱管の巻回器
５３    Ｘ方向用移動機構
５４    Ｙ方向用移動機構
ＳＬ    海上
ＳＢ    海底
ＯＤ    海底熱水鉱床（海底鉱床）
ＶＨ    竪穴（掘削溝）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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