(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底鉱床にさく孔により有底穴を形成することで海底鉱物を採掘する採掘部と、該採掘部で採掘された海底鉱物を前記有底穴の内部でスラリーにするスラリー生成部と、該スラリー生成部で生成されたスラリーを前記有底穴の内部から回収する回収部とを備え、
前記採掘部は、シリンダと、該シリンダの内部に前後進可能に摺嵌されるハンマと、該ハンマの前方に前後進可能に設けられる打撃用の破砕工具と、前記ハンマの前後に画成されたシリンダ前室およびシリンダ後室と、前記ハンマを前記シリンダ内で前後進させるように前記シリンダ前室またはシリンダ後室に高圧水を給排するハンマ往復動切換機構と、該ハンマ往復動切換機構に前記高圧水を供給する高圧水供給管と、を有し、
前記スラリー生成部は、前記ハンマ往復動切換機構を経て排出された高圧水と前記打撃用の破砕工具によるさく孔で採掘された海底鉱物とを前記有底穴内で混合させる混合流路を有し、
前記回収部は、前記混合流路に連通して前記混合流路内のスラリーを前記有底穴の内部から直接回収する回収管路を有することを特徴とする海底鉱物採掘装置。
【請求項２】
海底で採掘した鉱物資源を海上まで揚鉱するシステムであって、
海上に配置される海上採鉱基地と、海中に配置されて海底に立設される海中採鉱基地と、前記海中採鉱基地に配置されて海底鉱床に有底穴をさく孔しつつ採掘された海底鉱物を有底穴の内部でスラリーにして有底穴内から直接回収する海底鉱物採掘装置と、前記海底鉱物採掘装置で回収したスラリーを前記海上採鉱基地に移送可能に前記海上採鉱基地と前記海中採鉱基地とを繋ぐ揚鉱ユニットと、を備え、
前記海中採鉱基地は、ベースフレームと、該ベースフレームを支持する複数の支持脚と、前記ベースフレームに設けられて移動機構により移動可能な移動フレームと、を備え、
前記海底鉱物採掘装置は、前記移動機構の駆動により前記ベースフレームに沿って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ことを特徴とする海底鉱物の採掘システム。
【請求項３】
前記海底鉱物採掘装置は、前記移動フレームに固定されて上下方向に延びるガイドシェルと、前記ガイドシェル上部に取り付けられた給進機構と、前記給進機構に連結されて該給進機構の駆動によって前記ガイドシェルに沿って上下動する採掘装置本体と、前記採掘装置本体のロッドに連結されて該ロッドとともに前記採掘装置本体を回転させる回転機構とを有する請求項２に記載の海底鉱物の採掘システム。
【請求項４】
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ベースフレームに固定されている請求項２または３に記載の海底鉱物の採掘システム。
【請求項５】
前記ベースフレームは、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水平方向にスライド移動させる移動機構とを有する請求項４に記載の海底鉱物の採掘システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底鉱物採掘装置および海底鉱物の採掘システムに関する。
【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、海底鉱物の採掘方法や採掘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、海底鉱物の採掘システムが開示されている。同文献記載の採掘システムは、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、特許文献１記載の技術では、開放型の研削ツールにより海底鉱床の表面を研削するので、生産された研削物が海水中に舞い上がって飛散してしまう。そのため、海水が懸濁して採掘作業の効率を妨げるという問題がある。また、海水の懸濁による環境上の問題が懸念される。さらに、海底鉱床の表面研削によって生産された研削物は粒子径のばらつきが大きい。そのため、研削物を海上若しくはその近傍まで運搬するに際し、分級する必要があるという問題がある。
【０００６】
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、海中で採掘した海底鉱物の飛散を防止または抑制し得る、海底鉱物採掘装置および海底鉱物の採掘システム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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海底鉱物採掘装置は、海底鉱床にさく孔により有底穴を形成することで海底鉱物を採掘する採掘部と、該採掘部で採掘された海底鉱物を前記有底穴の内部でスラリーにするスラリー生成部と、該スラリー生成部で生成されたスラリーを前記有底穴の内部から回収する回収部と、を備え、前記採掘部は、シリンダと、該シリンダの内部に前後進可能に摺嵌されるハンマと、該ハンマの前方に前後進可能に設けられる打撃用の破砕工具と、前記ハンマの前後に画成されたシリンダ前室およびシリンダ後室と、前記ハンマを前記シリンダ内で前後進させるように前記シリンダ前室またはシリンダ後室に高圧水を給排するハンマ往復動切換機構と、該ハンマ往復動切換機構に前記高圧水を供給する高圧水供給管と、を有し、前記スラリー生成部は、前記ハンマ往復動切換機構を経て排出された高圧水と前記打撃用の破砕工具によるさく孔で採掘された海底鉱物とを前記有底穴内で混合させる混合流路を有し、前記回収部は、前記混合流路に連通して前記混合流路内のスラリーを前記有底穴の内部から直接回収する回収管路を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る海底鉱物採掘装置によれば、採掘部は、さく孔により海底鉱物を採掘するので、採掘された海底鉱物の粒子径が非常に細かく粒度が均一になる。そのため、採掘された海底鉱物を分級せずに容易にスラリーにすることができる。そして、スラリー生成部は、さく孔により採掘された海底鉱物を有底穴の内部でスラリーにするので、スラリー化された海底鉱物が有底穴内にある。そのため、採掘された海底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。さらに、回収部は、スラリー生成部で生成されたスラリーを有底穴の内部から回収するので、揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制することができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海底鉱物の採掘システムは、海底で採掘した鉱物資源を海上まで揚鉱するシステムであって、海上に配置される海上採鉱基地と、海中に配置されて海底に立設される海中採鉱基地と、前記海中採鉱基地に配置されて海底鉱床に有底穴をさく孔しつつ採掘された海底鉱物を有底穴の内部でスラリーにして有底穴内から直接回収する海底鉱物採掘装置と、前記海底鉱物採掘装置で回収したスラリーを前記海上採鉱基地に移送可能に前記海上採鉱基地と前記海中採鉱基地とを繋ぐ揚鉱ユニットと、を備え、前記海中採鉱基地は、ベースフレームと、該ベースフレームを支持する複数の支持脚と、前記ベースフレームに設けられて移動機構により移動可能な移動フレームと、を備え、前記海底鉱物採掘装置は、前記移動機構の駆動により前記ベースフレームに沿って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ことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様に係る海底鉱物の採掘システムによれば、海中採鉱基地に海底鉱物採掘装置が装備され、この海底鉱物採掘装置は、さく孔による有底穴の採掘によって採掘した海底鉱物を有底穴内でスラリーにすることができる。そのため、採掘された海底鉱物を分級せずに容易にスラリー化しつつ、スラリー状の海底鉱物が海水中に舞い上がって飛散してしまうことを防止または抑制できる。さらに、揚鉱ユニットは、海底鉱物採掘装置で採掘されたスラリー状の海底鉱物を有底穴内から海上採鉱基地に移送可能に海上採鉱基地と海中採鉱基地とを繋ぐので、海上採鉱基地に揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制することができる。
【００１５】
ここで、本発明の一態様に係る海底鉱物の採掘システムにおいて、前記海底鉱物採掘装置は、前記移動フレームに固定されて上下方向に延びるガイドシェルと、前記ガイドシェル上部に取り付けられた給進機構と、前記給進機構に連結されて該給進機構の駆動によって前記ガイドシェルに沿って上下動する採掘装置本体と、前記採掘装置本体のロッドに連結されて該ロッドとともに前記採掘装置本体を回転させる回転機構とを有することは好ましい。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る海底鉱物の採掘システムにおいて、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ベースフレームに固定されていることは好ましい。また、前記ベースフレームは、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水平方向にスライド移動させる移動機構とを有することは好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
上述のように、本発明によれば、海中で採掘した海底鉱物の飛散を防止または抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一態様に係る海底鉱物の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の採掘システム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】海中採鉱基地に装備される海底鉱物採掘装置を説明する模式的正面図である。
【図５】図４の海底鉱物採掘装置の採掘装置本体の説明図（ハンマ前進状態）であり、同図では軸線を含む縦断面を示している。
【図６】図４の海底鉱物採掘装置の採掘装置本体の説明図（ハンマ後退状態）であり、同図では軸線を含む縦断面を示している。
【図７】図１の採掘システムによる海底鉱物の採掘方法の説明図であり、同図(ａ)は一の海中採鉱基地の正面視、(ｂ)は海底鉱床の平面視をそれぞれ模式的に示している。
【図８】図１の採掘システムによる海底鉱物の採掘方法の説明図であり、同図(ａ)は一の海中採鉱基地の正面視、(ｂ)は海底鉱床の平面視をそれぞれ模式的に示している。
【図９】本発明の一態様に係る海底鉱物採掘装置の変形例の縦断面図である。
【図１０】本発明の一態様に係る海中採鉱基地の変形例の模式的平面図（(ａ)〜(ｃ)）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。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。
【００２０】
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には複数の海底鉱物採掘装置３０が装備されている（以下、「採掘装置３０」とも呼ぶ）。
各採掘装置３０は、海底鉱床ＯＤにさく孔により有底穴である竪穴を形成可能に構成されている。また、各採掘装置３０は、海底鉱物を竪穴内でスラリー状にして採掘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で採掘されたスラリー状の海底鉱物を、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。
【００２１】
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。
【００２２】
採鉱母船１には、発電機１２および貯蔵器１３、並びに不図示の制御用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。制御用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。
【００２３】
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。
【００２４】
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で揚鉱されたスラリー状の鉱物を貯蔵する。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に揚鉱された海底鉱物を必要な場所に移送する。
【００２５】
次に、上記採鉱ステーション２０について詳しく説明する。
図２に示すように、採鉱ステーション２０は、矩形枠体状のベースフレーム２１を有する。ベースフレーム２１は、枠体の四隅が複数（この例では４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を介してベースフレーム２１に固定されている。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。
【００２６】
この例では、ベースフレーム２１には、図３に示すように、Ｘ方向に沿って二つの移動フレーム４３が張り渡されている。移動フレーム４３は、例えばトラス構造を有する。各移動フレーム４３の両端は、Ｙ方向用移動機構４４を介してベースフレーム２１にそれぞれ支持される。Ｙ方向用移動機構４４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、移動フレーム４３をベースフレーム２１沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。
【００２７】
各移動フレーム４３には、ガイドシェル４８が縦に配置されている。ガイドシェル４８は、採掘装置３０のＺ方向の送り機構を構成している。ガイドシェル４８は、Ｘ方向用移動機構５２を介して移動フレーム４３に支持されている。Ｘ方向用移動機構５２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、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＸ方向にスライド移動可能になっている。
【００２８】
さらに、ベースフレーム２１には、動力ユニット４５および吸込チャンバ５１が設けられている。動力ユニット４５には、上記アンビリカルケーブル８が接続されている。動力ユニット４５には、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、以下不図示の、高圧水供給ポンプと、高圧水供給ポンプを駆動するモータと、採鉱ステーション２０全体の作動を制御する制御部とが内蔵されている。
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動力ユニット４５に受ける。動力ユニット４５は、採鉱母船１側の制御用コンピュータの指令に基づいて、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。
さらに、Ｘ方向用移動機構５２およびＹ方向用移動機構４４の駆動により、ガイドシェル４８をＸ方向およびＹ方向に移動するとともに、高圧水供給ポンプの駆動により、取水した海水を高圧水として採掘装置３０に供給し、ガイドシェル４８に設けられた採掘装置３０を駆動可能になっている。
【００２９】
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４に示すように、ガイドシェル４８には、スライダ４６を介して採掘装置３０が装備されている。ガイドシェル４８の上部には、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構４７が設けられている。スライド移動機構４７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、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動可能になっている。
【００３０】
採掘装置３０は、スライダ４６に装着されるハウジング部７１を有する。ハウジング部７１には、不図示の回転駆動機構およびスイベルが内蔵されている。ハウジング部７１は、ハウジング部７１の上部が、高圧水供給管９を介して上記動力ユニット４５の高圧水供給ポンプに接続される。また、ハウジング部７１の側面には、この採掘装置３０の駆動により採掘されたスラリー状の鉱物を吸入するための吸込管５の一端が接続される。吸込管５の他端は、上記吸込チャンバ５１を介して分級器２７に接続される。
【００３１】
次に、上記採掘装置３０の採掘装置本体の構成についてより詳しく説明する。
図５に採掘装置本体の部分を拡大して示すように、この採掘装置３０は、二重管ロッド４０よりも前方の部分に採掘装置本体１０が装備される。採掘装置本体１０は、円筒状のシリンダ３１を備える。シリンダ３１の内周面には、略円筒状のシリンダライナ３３が嵌め込まれている。シリンダ３１とシリンダライナ３３との間には、シリンダ３１の軸方向に沿って通水孔３２が形成されている。
【００３２】
シリンダライナ３３内には、略円筒状のハンマ３４が往復摺動可能に保持されている。シリンダ３１の後端は、連結部材３５を介して、採掘装置３０の二重管ロッド４０に連結されている。二重管ロッド４０は、外筒４０ａと内筒４０ｂとを同軸に有する二重管から構成されている。外筒４０ａと内筒４０ｂとの相互の隙間には給水路４０ｃが形成されている。給水路４０ｃの上流側は、上記ハウジング部７１のスイベルを介して高圧水供給管９に接続される。高圧水供給管９は、採鉱ステーション２０の動力ユニット４５に設けられた高圧水供給ポンプの吐出側に接続される。給水路４０ｃの下流側は、連結部材３５の内部の給水路３５ｃに連通している。
【００３３】
シリンダ３１の後端側には、連結部材３５の前端面との間にシリンダブシュ３６が挿入されている。シリンダブシュ３６の前側には、シリンダ後室４２を形成するためのリング３９が挿入されている。これにより、リング３９とハンマ３４の後方部分との間にシリンダ後室４２が画成されている。シリンダブシュ３６には、給水路３５ｃに連通する連通孔３６ｃが軸方向に沿って設けられている。
【００３４】
シリンダ３１の前端には、打撃用の破砕工具であるビット５０が装着される。ビット５０の後端とハンマ３４の前方部分との間にシリンダ前室４１が画成される。ビット５０は、シリンダ前室４１の前側面を塞ぐとともに、ハンマ３４からの打撃力を自身後端が受けて、軸方向で所定ストロークの往復摺動が可能に装着されている。ハンマ３４の外周面には、複数の制御溝３４ａ、３４ｃおよび連通流路３４ｂが形成されている。
【００３５】
シリンダ３１内には、シリンダブシュ３６の前側とリング３９との間に第一入水孔３１ｂが形成されている。第一入水孔３１ｂは、シリンダブシュ３６の連通孔３６ｃとシリンダライナ３３の後端部の連通孔３３ｅとを連通させている。シリンダライナ３３の連通孔３３ｅは、上記通水孔３２に連通している。通水孔３２は、ハンマ３４の軸方向での位置に応じて、シリンダライナ３３の複数の連通孔３３ａ〜３３ｄに対し、ハンマ３４の制御溝３４ａ、３４ｃを所期の位置で連通させることで、ハンマ３４をシリンダ３１内で前後進させるようにシリンダ前室４１またはシリンダ後室４２に高圧水を給排するハンマ往復動切換機構を構成している。
【００３６】
更に、シリンダ３１内には、円筒状のスリーブ３８がシリンダ３１と同軸に設けられている。スリーブ３８は、内部に吸入孔３８ｔが軸方向に沿って貫通形成されている。スリーブ３８は、その後部に形成された段部が、シリンダブシュ３６とリング３９とに挿入されて軸方向の位置が保持されている。スリーブ３８の吸入孔３８ｔの後端は、連結部材３５の吸入孔３５ｔを介して、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔ前端に連通している。
スリーブ３８の中間部分は、ハンマ３４内部に貫通形成された連通孔３４ｄに隙間を隔てて貫挿されるとともに、スリーブ３８の前端部分が、ビット５０内部に貫通形成された連通孔５０ｄに隙間を隔てて挿入されている。スリーブ３８は、ハンマ３４およびビット５０に挿入されている径方向での間隙部が、シリンダ前室４１およびシリンダ後室４２からの排水用通路３８ａになっている。
【００３７】
スリーブ３８には、排水用通路３８ａの先端側の位置に吐出孔３８ｇが穿孔されている。吐出孔３８ｇは、スリーブ３８の外周から中心の吸入孔３８ｔに向けて且つ二重管ロッド４０の方向に向けて後方側に傾斜している。スリーブ３８の吸入孔３８ｔには、吐出孔３８ｇの出口に、シリンダ前室４１への土砂等の侵入を防ぐ為の可撓性のチェックバルブ３７が取り付けられている。
【００３８】
ビット５０の前端には、スリーブ３８中心の吸入孔３８ｔに連通する吸水孔５０ｋが開口している。これにより、採掘装置３０は、吐出孔３８ｇから吸入孔３８ｔに向けて後方側に吐出される高圧水の流速により、吸水孔５０ｋに負圧を生じさせ、吸水孔５０ｋから吸引した海底鉱物が、吸入孔３８ｔ内で海水と混合されるようになっている。
【００３９】
したがって、この採掘装置３０によれば、さく孔により破砕された海底鉱物を排水流によって採掘装置３０の内部に吸引し、吸入孔３８ｔの内部で海水と混合してスラリーを生成することができる。また、この採掘装置３０によれば、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔから、生成されたスラリーを回収することができる。さらに、揚鉱用ポンプ２５は、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの上端に吸込管５を介して接続され、ビット５０の吸水孔５０ｋからさく孔により破砕された海底鉱物を吸引し、海上の採鉱母船１に揚鉱可能である。
【００４０】
次に、上述の採掘システムによって、海底鉱床ＯＤから鉱物を揚鉱する手順、並びにこの海底鉱物の採掘システム並びに採掘装置３０による海底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。
【００４１】
機材の設置後、採鉱母船１からアンビリカルケーブル８を介して動力ユニット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を駆動して海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔しつつ海底鉱物を粉砕する。なお、本実施形態において、採鉱ステーション２０を海底鉱床ＯＤに配置する際は、海底ＳＢの凹凸形状に応じ、ベースフレーム２１の姿勢が水平になるように、ベースフレーム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。
【００４２】
ここで、採鉱ステーション２０のベースフレーム２１に設けられた高圧水供給ポンプから供給される高圧水は、図５において、採掘装置３０の二重管ロッド４０の内筒４０ｂと外筒４０ａの間の給水路４０ｃを通って、連結部材３５の給水路３５ｃから第一入水孔３１ｂから連通孔３３ｅを経て通水孔３２に入る。
通水孔３２に入った高圧水は、ハンマ往復動切換機構に導入される。ハンマ往復動切換機構において、ハンマ前進状態での高圧水は、シリンダライナ３３の連通孔３３ｂ〜制御溝３４ａ〜連通孔３３ｃ〜３２Ｌ〜３３ｄの順に通り、ハンマ３４前端のシリンダ前室４１に入る。このとき、制御溝３４ｃは連通孔３３ａとハンマ３４の外周面で遮断されている。これにより、ハンマ３４は後退（図５において上方に移動）する。
【００４３】
ハンマ３４の後退により、ハンマ３４後方のシリンダ後室４２内の海水は、排水用通路３８ａを通り、吐出孔３８ｇからチェックバルブ３７を経て吸入孔３８ｔに向けて吐出される。
【００４４】
次いで、ハンマ３４が、図６に示すように、後退限に達すると、シリンダライナ３３に形成された通水孔３３ｂがハンマ３４の外周面で遮断される。一方、通水孔３３ａは、ハンマ３４の外周面に形成されている制御溝３４ｃと連通する。そのため、シリンダ３１の通水孔３２からの高圧水は、ハンマ３４後側のシリンダ後室４２に流入する。
この高圧水のシリンダ後室４２への流入により、ハンマ３４は後退から前進に転じ、所期の打撃位置でビット５０の後端面を打撃する。打撃されたビット５０は、先端のチップ５０ｂがさく孔面に衝撃力を加えて海底鉱物を破砕する。
【００４５】
高圧水供給ポンプから採掘装置３０に高圧水が供給され続けることにより、ハンマ３４は、上述の往復移動によりビット５０の後端面への打撃を繰り返す。そして、ビット５０でのさく孔面への打撃とともに、ガイドシェル４８に設けられた送り機構４７による採掘装置３０の給進駆動がなされるとともに、ハウジング部７１の回転機構による採掘装置３０の回転駆動がなされる。
そのため、この採掘装置３０によれば、海底鉱床ＯＤにさく孔により竪穴ＶＨを形成しつつ海底鉱物の採掘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、竪穴ＶＨ内に自身の採掘装置本体１０が存在しているので、竪穴ＶＨの開口側を塞いだ状態のままさく孔を進めることができる。したがって、海底鉱物の破砕粉が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（採掘部、採掘工程に対応）。
【００４６】
そして、この採掘装置３０によれば、ビット５０の前端には、スリーブ３８の吸入孔３８ｔに連通する吸水孔５０ｋが開口しており、吸入孔３８ｔは、二重管ロッド４０の方向に向けて傾斜した吐出孔３８ｇに沿って開放されているので、吸入孔３８ｔを通る高圧水の流速により、吸水孔５０ｋに負圧が生じる。これにより、ビット５０の吸水孔５０ｋから、さく孔により破砕した海底鉱物が吸引されるとともに、吸引した海底鉱物を吸入孔３８ｔ内で海水と混合することができる。
【００４７】
ここで、衝撃力によるさく孔であると、さく孔により生じる破砕された海底鉱物は、その粒子径が非常に細かくて粒度が均一になる。そのため、この採掘装置３０によれば、さく孔により生じる破砕された海底鉱物を排水流の作用によって吸引し、採掘装置３０の吸入孔３８ｔ内部で海水と混合したスラリーとすることができる（スラリー生成部、スラリー生成工程に対応）。
【００４８】
さらに、この採掘装置３０によれば、スリーブ３８の吸入孔３８ｔは、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔを経て吸込管５に直接導入され、揚鉱ユニット４は、採掘装置３０で採掘されたスラリー状の鉱物を海水と共に吸込管５から吸入できる。よって、スラリー状の海底鉱物が海水中に舞い上がって飛散してしまうことを防止または抑制できる（回収部、回収工程に対応）。
【００４９】
次いで、吸込管５で吸入されたスラリー状の鉱物は分級器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、分離されたスラリー状の鉱物のうち、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、スラリー状の鉱物を海水と分離し、海底鉱物が貯蔵器１３内部に貯蔵され、分離された海水は海中に排出される。
【００５０】
各採鉱ステーション２０は、採掘装置３０それぞれの最大さく孔深度まで採掘したら採掘装置３０を後退した後に、採掘装置３０をＸ−Ｙ平面で移動して、図７(ｂ)に示すように、Ｘ−Ｙ平面全体を走査するように順次にさく孔を行う。Ｘ−Ｙ平面での移動および移動後のさく孔は、本実施形態のように、コンピュータ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。
特に、この採掘装置３０およびこれを備える海底鉱物の採掘システムによる揚鉱方法によれば、オペレータが監視しつつ手動操作を行う場合、海水中への海底鉱物の飛散が防止または抑制されているため、採掘作業の効率を向上させる上で好適である。
【００５１】
ここで、採鉱ステーション２０は、上記実施形態のように、複数台を用いて広範囲を同時に採掘することができるが、装着するビットの径についても、細径のものから大径のものまで、種々のビットを用いることができる。
例えば、図７(ａ)に示すように、細径のビット５０を装着した採鉱ステーション２０で採掘後に、同じ領域に対して、図８に示すように、大径のビット５０Ｂを装着した他の採鉱ステーション２０、または大径のビット５０Ｂに換装した同一の採鉱ステーション２０で更に採掘することもできる。
【００５２】
このように、この採掘装置３０およびこれを備える海底鉱物の採掘システムによる揚鉱方法によれば、スラリー状の海底鉱物が竪穴ＶＨ内にあるので、海底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。さらに、本実施形態の採掘システムは、採掘装置３０で採掘されたスラリー状の海底鉱物を竪穴ＶＨ内部から吸込管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することができる。
【００５３】
なお、本発明に係る海底鉱物の採掘方法、並びに、海底鉱物採掘装置および海底鉱物の採掘システムは、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。
【００５４】
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ホームなどであってもよい。
また、例えば上記実施形態では、スラリー状の鉱物を、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、海底で採掘した鉱物を有底穴である竪穴ＶＨ内部から直接運搬すれば、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。
また、例えば上記実施形態では、有底穴の一例として竪穴ＶＨをさく孔する例で説明したが、本発明に係る有底穴は、その軸線の向きが垂直方向に限定されない。つまり、本発明は、さく孔により有底穴を形成し、その有底穴の内部で海底鉱物をスラリーとし、そのスラリーを有底穴の内部から回収可能であればよい。よって、本発明に係る有底穴は、その軸線を水平とする横穴であってもよいし、また、軸線が斜めであってもよい。
【００５５】
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により海中でスラリー状の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、採掘した鉱物がスラリー状であり、粒子径が非常に細かくて粒度が均一になるので、スラリー状の海底鉱物を分級することなしに揚鉱してもよい。
【００５６】
また、例えば上記実施形態では、採掘装置３０は、外筒４０ａと内筒４０ｂとを有する二重管ロッド４０を有する例で説明したが、これに限定されず、例えば図９に示すように、単管ロッドを用いて採掘装置を構成してもよい。
すなわち、同図に示すように、この採掘装置１３０は、単管のロッド５７を有し、ロッド５７の前方に採掘装置本体１００が装着されている。採掘装置本体１００は、ロッド５７の先端にテーパねじ部５６ａで連結されたシリンダ５６を有する。シリンダ５６には、上方から順に、チェックバルブ５１、ハンマ５４およびビット５０が内装され、ハンマ５４の前後には、シリンダ前室５２とシリンダ後室５３が画成されている。
【００５７】
この採掘装置１３０を駆動する高圧水は、上記実施形態同様に、ロッド５７上端のハウジング部７１に、高圧水供給ポンプから高圧水供給管９を介して供給される。供給された高圧水は、上記実施形態同様に、シリンダ５６とハンマ５４の内外周面に形成されたハンマ往復動切換え機構により、ハンマ５４をシリンダ５６内で前後進させるようにシリンダ前室５２またはシリンダ後室５３に給排される。また、ロッド５７は、上記実施形態同様に、ガイドシェル４８に据え付けた送り機構４７とハウジング部７１の回転機構により回転および給進される。
【００５８】
ここで、この採掘装置１３０は、シリンダ５６には、さく孔口の周囲を囲繞するように、フートパッド５８がさく孔口側に向けて押圧可能且つ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。フートパッド５８の上部側面には、スラリーを海底鉱物資源として採掘する吸込管５が接続される。
【００５９】
この採掘装置１３０において、高圧水は、上部のチェックバルブ５１を通り、ハンマ往復動切換え機構により、シリンダ前室５２とシリンダ後室５３とに給排されてハンマ５４を前後に駆動し、ハンマ５４がビット５０を打撃した衝撃によって海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔する（採掘部、採掘工程に対応）。
打撃後の高圧水は、ビット５０の軸心に設けた吸入孔５０ａを経てビット先端に出るが、さく孔で採掘された海底鉱物は、竪穴ＶＨ内で海水と混合されてスラリーとなる（スラリー生成部、スラリー生成工程に対応）。
【００６０】
そして、竪穴ＶＨ内で生成されたスラリーは、シリンダ５６の外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間、ないし、さく孔内壁ＶＨｎに接して海水中まで延設されたロッド５７外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間を通り、フートパッド５８の内側から吸込管５を介して竪穴ＶＨ内から直接回収される（回収部、回収工程に対応）。よって、この採掘装置１３０のような構成であっても、海中での採掘鉱物の飛散を防止または抑制することができる。
【００６１】
また、例えば上記実施形態では、採鉱ステーション２０が自らは移動しない例で説明したが、これに限らず、例えば、図１０に示すように、採鉱ステーションが自ら移動可能な機構を有する構成とすることもできる。すなわち、同図(ａ)に示すように、この採鉱ステーション１２０は、第一のベースフレーム２１Ａと、第二のベースフレーム２１Ｂと、第三のベースフレーム２１Ｍとからなる３つのベースフレームで構成されている。
【００６２】
第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂとは、互いにコ字状の枠体からなる。第一および第二のフレーム２１Ａ、２１Ｂは、コ字状をなす二つの角部に、上記実施形態同様に、ジャッキ機構４９を介して支持脚２６がそれぞれ設けられている。
第一のベースフレーム２１Ａのコ字状の幅は、第二のベースフレーム２１Ｂのコ字状の幅よりも狭い。第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂとは、相互のフレーム２１Ａ、２１Ｂのコ字状の開口部分が組み合わせ可能に対向配置される。相互のフレーム２１Ａ、２１Ｂの横枠は、不図示の第一のラック・ピニオン機構およびリニアガイド等の第一のスライド案内装置を介して対向面で係合しており、不図示の第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動することにより、Ｘ方向に相対的にスライド移動可能になっている。
【００６３】
第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｙ方向に延びる縦枠からＩ字状に構成されている。第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｉ字状の両端に、上記実施形態同様に、ジャッキ機構４９を介して支持脚２６がそれぞれ設けられている。また、第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｙ方向用移動機構およびガイドシェル４８を有し、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。なお、ガイドシェル４８には、上記実施形態同様の採掘装置が装備される。
【００６４】
第三のベースフレーム２１Ｍは、第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂに対して横枠と直交する方向に配置される。第三のベースフレーム２１Ｍは、第一および第二のフレーム２１Ａ、２１Ｂの横枠に対し、不図示の第二のラック・ピニオン機構およびリニアガイド等の第二のスライド案内装置を介して対向面で係合しており、不図示の第二のモータで第二のラック・ピニオン機構を駆動することにより、Ｘ方向に相対的にスライド移動可能になっている。
【００６５】
この採鉱ステーション１２０において、移動する際は、同図(ｂ)に示すように、まず、第一のベースフレーム２１Ａのジャッキ機構４９を駆動して、第一のベースフレーム２１Ａの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第一のベースフレーム２１Ａを第二のベースフレーム２１Ｂに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第一のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第一のベースフレーム２１Ａの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。
【００６６】
次いで、同図(ｃ)に示すように、まず、第二のベースフレーム２１Ｂのジャッキ機構４９を駆動して、第二のベースフレーム２１Ｂの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第二のベースフレーム２１Ｂを第一のベースフレーム２１Ａに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第一のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第二のベースフレーム２１Ｂの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。
【００６７】
次いで、第三のベースフレーム２１Ｍのジャッキ機構４９を駆動して、第三のベースフレーム２１Ｍの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第二のモータで第二のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第三のベースフレーム２１Ｍを、第一および第二のベースフレーム２１Ａ、２１Ｂに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第二のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第三のベースフレーム２１Ｍの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。これにより、３つのベースフレーム２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｍ全体は、スライド移動量の分だけ全体がＸ方向の正方向に移動しつつ、同図(ａ)に示す状態となる。
よって、この採鉱ステーション１２０によれば、上記のようにして、３つのベースフレーム２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｍを順次に移動させることにより、採鉱ステーション１２０全体をＸ方向に自ら移動させることができる。なお、スライド移動に際し、ベースフレーム２１Ａ、２１Ｂが片持ち状態でオーバーハングするが、相互はスライド案内装置を介して対向面で係合しているので、水平姿勢が保持される。
【００６８】
そして、第三のベースフレーム２１Ｍには、上記実施形態同様に、Ｙ方向用移動機構を有し、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＹ方向にスライド移動可能であり、ガイドシェル４８には、上記実施形態同様の採掘装置３０が装備されるので、第三のベースフレーム２１Ｍを移動させていないタイミングで、Ｙ方向移動を適宜行いつつ、採掘装置３０を駆動することができる。
したがって、このような構成であっても、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能であり、さく孔により有底穴である竪穴を形成しつつ海底鉱物を採掘し、その海底鉱物を竪穴内でスラリーにするとともに、そのスラリーを竪穴の内部から直接回収することができる。
【符号の説明】
【００６９】
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
９  高圧水供給管
１０  採掘装置本体
１１  作業機
１２  発電機
１３  貯蔵器
２０  採鉱ステーション（海中採鉱基地）
２１  ベースフレーム
２５  揚鉱用ポンプ
２６  支持脚
２７  分級器
３０  採掘装置
３１    シリンダ
３２    通水孔
３３    シリンダライナ
３４    ハンマ
３５    連結部材
３６    シリンダブシュ
３７    チェックバルブ
３８    スリーブ
３９    リング
４０    二重管ロッド
４１    シリンダ前室
４２    シリンダ後室
４３  移動フレーム
４５  動力ユニット
４８  ガイドシェル
４９  ジャッキ機構
５０  ビット
７１  ハウジング部
ＳＬ  海上
ＳＢ  海底
ＯＤ  海底鉱床
ＶＨ  竪穴（有底穴）
【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】
0006530925.tif 000007
【図７】
0006530925.tif 000008
【図８】
0006530925.tif 000009
【図９】
0006530925.tif 000010
【図１０】
0006530925.tif 000011