JP2018178601A - 海底資源採掘システム - Google Patents

Abstract

【課題】海底資源採掘システム【解決手段】海底資源を採掘するに於いて、海底資源採掘システムの中心を成す基台と、基台から放射状に配され、複数の採掘装置および移送装置を備えた上下、左右に可動する複数のアームシステムと、海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアンビリカル接続部と、採掘された海底資源を、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォームへ移送する移送用手段と、前記各装置の駆動装置および制御装置とを備えたことを特徴とする可動・固定型の海底資源採掘システム。【選択図】図１

Description

本発明は、海底資源の採掘システムに関する。

海底資源中には、メタンハイドレート・レアアースなどの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、そうした資源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）。
海底資源を深海底から洋上へ移送する方法については連続バケット法，流体ドレッジ法等、種々の方法が提案されているが、採掘については確たる方法が無い現状にある。
本発明は、海底の表層部に存在しているメタンハイドレート等の資源の採掘装置に関する。

先行文献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、分級された研削物を海上まで運搬する。

特開２０１３−５２８７２６号公報

しかしながら、海上の採鉱母船や架設配置用母船と、海底の海底補助採掘機の操業バランスや資本投資効率を考えると、海底の海底補助採掘能力が少ない。
また、特許文献１記載において、海底補助採掘機は無索式遠隔操作探査機（ＲＯＶ）であるか、または海面まで連結されたアンビリカルケーブルによって操作される有索式探査機によると記述されているが、深海に於ける無索式遠隔操作探査機での運用は現在の技術では難しく、また、有索式探査機では海底補助採掘機を複数台に増設して採掘効率を高めるにしても、他のアンビリカルケーブルと絡むなどの問題がある。
更にまた、海底補助採掘機単独で海底で操業するに、採掘機がコントロールされているとは言え、操業時の海底面は凹凸があり姿勢制御が難しく、採掘機が倒壊するなどの操業の不安定さが付きまとう。
その上、採掘機の増設、海底バルク採掘機、海底集鉱機（ＧＭ）、及びストックパイルシステムなど多くの装置が分散状態で海底にあり、そのコントロールや装置の移動等を考えると実現には問題が多すぎる。

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、分散された装置を集中させ、広範囲の採掘を同時に実施可能にすることで、投資・稼働効率を高める方法である。
その方法として、海底資源採掘システムの中心に基台を設け、該基台から放射状に配されたアームシステムに複数台の採掘装置を取り付け、稼働時の姿勢・採掘操作は、全て海上からの１本のアンビリカルケーブルによる有索式遠隔操作方法による可動・固定型の海底資源採掘装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、
海底資源を採掘するに於いて、
(１)海底資源採掘システムの中心を成す基台と、基台から放射状に配され、複数の採掘装置および移 送装置を備えた上下、左右に可動する複数のアームシステムと、
(２)海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアンビリカル接続部と
(３)採掘された海底資源を、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォームへ移送する移送用手段と
(４)前記各装置の駆動装置および制御装置と
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、
前記海底資源採掘システムに於ける可動・固定としては、海底資源採掘システムの基台にキャタピラーを備えた型、海底資源採掘システムの基台を海上の作業船(緊張繋留式)から吊り下げる型、海底資源採掘システムの基台を大径鋼管として該大径鋼管の下部を海底に埋設する型、海底資源採掘システムの基台上部に設けた上下及び伸縮自在の複数本の基台支持脚により支持固定させた型、または前記の型を合わせた型で構成したことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、
前記アームシステムは、前記海底資源採掘システムの基台から放射状に配された主アームと、主アーム下を移動可能に取り付けた補助アームとからなり、補助アームには前記採掘装置および移送装置が、主アームには移送装置が取り付けられたことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、
前記基台には、採掘された海底資源の破砕装置、分級装置、一時保管場、基台内移送装置が設けられたことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、
前記アームシステムおよび前記採掘装置の全体をカバーする台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入した長円状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、
海底資源の採掘時に発生する泥等の分級された不要物を、予め定めた場に設けた台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入したリング状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置の頂部へ、前記基台から伸ばした排出管より放出し、沈下、安定させることを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、
(１)基台を中心とした海底資源採掘システムとすることで、複数台の採掘機が同時作業をしても、操 作を有索式として海底へのアンビリカルケーブルを１本化し、的確な装置制御とケーブルが絡むト ラブルを回避できる。
(２)採掘機を基台から放射状に配したアームシステム下に配置することにより、採掘機の姿勢・採掘 領域を制限し、採掘機の機能・メンテの単純化、操業の安定化、倒壊等の防止が可能となる。
(３)アームシステムにより、基台を安定・固定した状態で採掘領域を広く取ることが可能となり、海 底資源採掘システムの移動を少なく、操業の効率化が図れる、また、採掘漏れを少なくできる。
(４)採掘効率が高いことから、採掘コストを低く抑えることが可能となる。
(５)採掘資源が塊・スラリー・気体の如何なる状態にも対応できる。
例えば、メタンハイドレートの採掘は、塊状(結晶)で行い、海上への移送も塊状で可能で、採掘 コストの低減を図れる。
(６)テント型遮蔽膜により、採掘時の海水汚濁、および分級後の不要物の放出時の海水汚濁について も低く抑えることができる。
等の効果が期待できる。

本発明の海底資源採掘システム全体の一実施形態の概略斜視図である。 本発明の海底資源採掘システムの可動・固定の実施形態の概略図である。 本発明の海底資源採掘システムのアームシステムと採掘装置の一実施形態の概要図である。 本発明の一実施形態の採掘領域例図である。 本発明の海底資源採掘システムの基台内の一実施形態の概略図である。 本発明の採掘時の泥等による汚濁対策、および軽比重の資源採掘の概略図である。 本発明の採掘後の不要物対策の概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するための海底資源採掘システム１を例示するものであって、本発明をこれらに特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適応し得るものである。

図１により、本発明の可動・固定型の海底資源採掘システム1の全体構成の概要について説明する。
斜視図にあるように、装置は、中心を成す基台２、基台２と作業船８間を繋ぐ吊り下げ用索２２・アンビリカルケーブル２４・移送装置２５、基台２から放射状に配されたアームシステム３・４と該アームシステム３・４に取り付けられた採掘装置５と移送装置３４・４２からなる特徴を持つ。
基台内２には採掘資源の内容や状態によるが、必要により再破砕２３１・分級機２３２、資源の一時保管２３４、移送装置２３３と、共通のものとして各装置の駆動装置２３５や制御装置２３６が、
基台２上部には海底資源採掘システム１を海上の作業船８から吊り下げや移動時に結わえるための索接続部２２、アンビリカル接続部２４、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送するための移送用プラットフォーム２５などが設けられている。
アームシステム３・４は主アーム３と補助アーム４からなり、採掘装置５は補助アーム４に取り付けられ、採掘領域を広く、深く採掘できる特徴を持つ。
作業船８は、例えば日本海でのメタンハイドレートの採掘であれば、冬季の荒海による海底資源採掘システム１への影響等や深度を考えると自動船位保持装置を持つ半潜水型プラットフォームが好ましい。
海底資源の採掘を始めるときは、前記海底資源採掘システム１を海上の作業船８から吊り下げて海底に設置する。
同時に、移送用プラットフォーム２５から海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８への移送装置９(既に公開された技術の特開２０１６−２０４８７５、特許登録No.６０３０７８５、特許出願２０１６−２２２０５９他を使用する)、アンビリカルケーブル２４、必要により加圧水他を一体にして吊り下げ用索２２またはチェーン２２を基部上部２に結わえて吊り下げる。
海底資源採掘システム１の重量負荷が大きいときは、主アーム３にも吊り下げ用索２２またはチェーン２２を結わえて行う。
本発明による海底資源採掘システム１は、表層型の海底資源であれば、海上の気象状況、海の深度、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)の如何なる状態にも対応でき、また、海上への移送は、採掘物を基台に集約し、塊の分級、スラリー、気体の如何なる状態にも対応できる特徴を有する。

次に図２により、海底資源採掘システム１の可動・固定の実施形態の概略を形態別に説明する。
本発明は、表層型の海底資源であれば、海域の気象状況、深度、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)の如何なる状態にも対応するため、海底資源採掘システム１の基台２を可動・固定するための特徴を有しており、その概要を示している。
また、概略図を分かりやすく、補助アームや採掘装置の表示は省略している。

図２-aは、基台２の下部がキャタピラー２６となっており、採掘資源が表層の浅く、地盤が固い場所の採掘に向き、太平洋のマンガン塊等に適している。
当然、資源採掘の操業時には採掘場所に固定され、採掘後はキャタピラー２６を駆動させて自力移動できる特徴を持つ。

図２-bは、海底地層に泥等が多い軟弱な地層であっても海底資源採掘システム１を安定した状態で操業を可能とする方法で、海上の作業船８は半潜水型プラットフォームとし、海底資源採掘システム１を吊り下げる緊張繋留式となっている。
軟弱な地層では重量ある海底資源採掘システム１では装置の沈下や倒壊のリスクがあり、地層が軟弱な日本海側の表層型メタンハイドレートや太平洋のレアアースの採掘に適している。

図２-cは、海底が軟弱地の場合に、基台２の下部を打ち込む又は埋め込むことで海底資源採掘システム１を安定させる方法で、基台２とする大径鋼管(径５〜２０メートル、長１０〜５０メートル)の先端をギザギザの歯切りとするなどで、基台２やアームシステム３・４や採掘装置５の自重による沈下等で基台２の安定化を図る。
採掘後、更に下層の採掘を行う場合は、大径鋼管の先端にノズルにより高圧水を打ち込む、または大径鋼管に振動等を加えることで、基台２を更に沈下させ固定する。
海底に泥等が含まれ軟弱で、資源含有層が１００メートルと厚い日本海側の表層型メタンハイドレート等に適している。

図２-dは、海底資源採掘システム１の、例えば大径鋼管の上部円周上に設けた上下及び伸縮自在の複数本の基台支持脚２１を海底に支持固定させて安定化を図る。
基台２からは放射状に配された複数のアームシステム３・４もあることから、作業性を考慮すると基台支持脚２１の配置は複数のアームシステム３・４間とするのが良い。

次に図３により、採掘方法の概要について説明する。
概要は、基台２から放射状に配された上下、左右に可動可能なアームシステム３・４で、主アーム(主アーム、主アーム旋回体部３１、主アーム巻上用索３３、主アーム支持脚３２)と補助アーム４(補助アーム４、補助アーム旋回体部４１)からなり、
主アーム３は基台２の側壁の円周上を３〜５に分割して、該側壁に固定された旋回体部３１に取り付けられ、前記主アーム３に主アーム３下を移動可能の補助アーム４を取り付け、
補助アームには、採掘装置５(採掘機５１、破砕機５２)および移送装置３４・４２が取り付けられている。
主アーム３、補助アーム４に取り付ける移送装置３４・４２は、採掘資源の内容、常態にもよるが、ベルト式、バケット式や水圧等を利用するパイプ式などがある。

アームの構造は、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)によるが、主アーム長３は採掘領域を広くとり、主アーム支持脚３２によって固定するため２０〜１００メートルが好ましく、また、機動性を重視する補助アーム長４は５〜２０メートルが好ましい。
アーム長が長尺によるアームおよび載荷重量の負荷の問題については、一般的な地上の重量物を搬送するクレーンとは異なり、海中での浮力、主アーム３の設置や採掘稼働時の使用状況を考えると以下のことから小負荷であり、ついては、主アーム３の長尺化と構造を簡単にすることができる。
(１)設置のときは、補助アーム４と採掘装置を主アーム３の基台側２に寄せ、且つ、主アーム３を巻 き上げ状態にした基台２を作業船８から吊り下げて海底に設置する。
(２)設置した後、主アーム３先端を水平近辺まで下ろし、主アーム支持脚３２で安定させる。
(３)次に、補助アーム４および採掘装置５を主アーム下３の採掘場所へ移動させる。
すなわち、主アーム３への重量負荷を小さく、且つ、アーム先端３はアーム支持脚３２で支えられ、重量負荷を最小に抑えられることから、長尺アームとすることを可能とした。

次に、補助アーム４の可動領域は、主アーム３下全角度可能であることが好ましいが、採掘機５１の操作安定性等を考えると、主アーム３の下側に取り付けし、主アーム３長手方向に１８０度の可動領域としても良い。

次に、採掘装置５は採掘する鉱物資源の内容による、例えば、(技術論文)海底熱鉱床採掘要素技術試験機の開発(三菱重工技報Vol.50 No.2船舶・海洋特集)などに紹介されているドラムカッターなどの採掘機を補助アーム４に取り付ければ良い。
また、採掘効率を上げるために、１本の主アームに複数の補助アーム４と採掘機５１を取り付けることも可能であり、必要により破砕機(含む衝撃力を使用するもの)５２も取り付けられる。

次に図４では、アームの可動領域を示している。
主アーム３を取り付ける旋回体部３１の位置を、基台２から２〜５メートル伸ばした場所に設けることで、可動領域を広く取れ、採掘漏れを少なく、旋回も容易となる。
また、アーム数は、採掘効率の面から３〜５台が最適であるが、海底資源採掘システム１が稼働中の基台２に及ぼす重量バランス、すなわち、基台２が一番安定した状態で稼働するには放射状に均等に４台の設置が良い。

次に図５により、海底資源採掘システム１の基台２について説明する。
基台２の主たる目的は、
(１)海底資源採掘システム１を海底に設置するとき、基台２の上部に索２２を固定する個所を複数設 けて結わえ、作業船８から吊り下げ降下させる装置の基幹となるもので、
(２)複数の採掘装置５および移送装置３４を備えた上下、左右に移動可能な複数のアームシステム３ ・４を外周上に取り付け、
(３)基台内には、採掘された海底資源を、必要により破砕２３１、分級２３２、台内移送２３３、一 時保管２３４、海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアンビリカル接続部２４、各装 置の駆動装置２３５を有し、各装置を制御２３６し、
(４)採掘された海底資源を海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送する移送手段９、
を備えた設備である。
なお、各装置は特別なものではなく、また、採掘する鉱物資源の内容によっても異なり多種になるこ とから、特段の説明は省略する。

次に図６により、海底資源採掘システム１の泥等による汚濁対策および軽比重の資源の採掘の概略図について説明する。
開放型による海底鉱床の採掘による海水の混濁により、採掘作業効率の悪化や環境上の問題が懸念され、例えば日本海側の海底にはカニが生息しており、表層型メタンハイドレートの採掘では泥汚染について問題提起されている。
そこで、図６は、基台２から放射状に配されたアームシステム３・４毎に、台形状の遮蔽膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入した長円状の環状体を取り付けたテント(参照特許登録No.６００６４４２、No.５２９６９１４を応用)の底面を海底面近くまで被せ、採掘により舞い上がった泥等をテント下の海底に沈下・安定させるテント型汚濁対策装置６を示したものである。
遮蔽膜６２は、各アームシステム３・４を海底面近くまでカバーする大きさのものとし、海底で環状体のチューブに海水を流入したとき台形を形成するように遮蔽膜６２およびチューブ６１の比重は１．５〜２.０程度の海水比重より重いものを使用する。
テント型遮蔽装置６の設営は、海底資源採掘システム１が海上にあるときに準備、すなわち主アーム３全長に台形状のテントの切妻上部を長手方向に結着させ、他の部分は束ねた状態におき、海底資源採掘システム１が海底に設置され、各アームシステム３・４が降ろされて、テント(遮蔽膜)６２を展張する時は、束ねた部分を解放してチューブ６１に海水を圧入する。
展張されたテント(遮蔽膜)６２は、構成するチューブ材料の比重が重いことで、切妻部を頂部に主アーム３が自動的にカバーされる。

また、例えばメタンハイドレートなどの軽比重の採掘資源を、開放型で採掘するときは、採掘によって、それまで付着していた泥等その他の物質から分離して浮遊することが生じる。
前記テント型遮蔽装置６は、このような軽比重の採掘資源を採取可能であり、この場合、図示していないが、展張したテント(遮蔽膜)６２の基台側２上部から、ホース等で吸引して基台内２へ導入するシステムを設けると良い。

次に図７により、海底資源の採掘と同時に発生した泥等の分級された不要物対策について説明する。
対策の方法は、基台内２で分級された泥等の不要物を、排出管７１を通して予め定めた放
出場所に設けた台形状のテント膜体７３の上部および下部の周縁に流体を圧入したリング状の環状体７２を取り付けたテント型遮蔽装置７(参照 特許登録No.６００６４４２、No.５２９６９１４を応用)のテント内上部に放出し、沈下、安定させ、海水は側面遮蔽膜７３の複数の海水排出孔７４から自然圧により逃す。
テント型遮蔽装置７の形状は円形とし、遮蔽膜７３のサイズは、不要物の発生量等によるが、直径は３０〜１００メートル、高さ１５〜６０メートル程度で、テント型遮蔽装置７上部のチューブ７２は比重が１.０より軽いもの、下部に使用するチューブ７２は比重が１.５〜２程度の重いものが良い。
テント型遮蔽装置７の設営は、折りたたんだ状態で海底に降ろし、チューブ７２に海水を圧入して展張する。
海水の圧入ポンプは、テント型遮蔽装置７に付帯することもできるが、テント型遮蔽装置７は基台２と排出管７１とが連結されており、海底資源採掘システム1の基台２から行う方法もある。採掘終了後は作業船に吊り上げて移動する。
他の方法として、前記不要物を海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送し、固形化して投棄する方法もある。

１ 海底資源採掘システム
２ 基台
２１ 基台支持脚
２１１ 基台支持脚巻上用索・チェーン
２２ 海底資源採掘システム吊り下げ用索・チェーン
２３１ 粉砕機
２３２ 分級機
２３３ 基台内移送装置
２３４ 保管設備
２３５ 各装置の駆動部
２３６ 制御装置
２４ アンビリカルケーブル・接続部
２５ 移送プラットフォーム
２６ キャタピラー・駆動装置
３ 主アーム
３１ 主アーム旋回体部
３２ 主アーム支持脚
３３ 主アーム巻上用索・チェーン
３４ 移送装置
４ 補助アーム
４１ 補助アーム旋回体部
４２ 移送装置
５ 採掘装置
５１ 採掘機
５２ 破砕機
６ テント型遮蔽装置
６１ 環状体・チューブ
６２ 遮蔽膜
７ テント型遮蔽装置
７１ 排出管
７２ 環状体・チューブ
７３ 遮蔽膜
７４ 海水排出孔
８ 作業船(海底資源貯蔵積出しプラットフォーム)
９ 海底〜海上移送設備
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底

本発明は、海底資源の採掘システムに関する。

海底資源中には、メタンハイドレート・レアアースなどの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、そうした資源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）。
海底資源を深海底から洋上へ移送する方法については連続バケット法，流体ドレッジ法等、種々の方法が提案されているが、採掘については確たる方法が無い現状にある。
本発明は、海底の表層部に存在しているメタンハイドレート等の資源の採掘装置に関する。

先行文献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、分級された研削物を海上まで運搬する。

特開２０１３−５２８７２６号公報

しかしながら、海上の採鉱母船や架設配置用母船と、海底の海底補助採掘機の操業バランスや資本投資効率を考えると、海底の海底補助採掘能力が少ない。
また、特許文献１記載において、海底補助採掘機は無索式遠隔操作探査機（ＲＯＶ）であるか、または海面まで連結されたアンビリカルケーブルによって操作される有索式探査機によると記述されているが、深海に於ける無索式遠隔操作探査機での運用は現在の技術では難しく、また、有索式探査機では海底補助採掘機を複数台に増設して採掘効率を高めるにしても、他のアンビリカルケーブルと絡むなどの問題がある。
更にまた、海底補助採掘機単独で海底で操業するに、採掘機がコントロールされているとは言え、操業時の海底面は凹凸があり姿勢制御が難しく、採掘機が転倒するなどの操業の不安定さが付きまとう。
その上、採掘機の増設、海底バルク採掘機、海底集鉱機（ＧＭ）、及びストックパイルシステムなど多くの装置が分散状態で海底にあり、そのコントロールや装置の移動等を考えると実現には問題が多すぎる。

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、分散された装置を集中させ、広範囲の採掘を同時に実施可能にすることで、投資・稼働効率を高める方法である。
その方法として、海底資源採掘システムの中心に基台を設け、該基台から放射状に配されたアームシステムに複数台の採掘装置を取り付け、稼働時の姿勢・採掘操作は、全て海上からの１本のアンビリカルケーブルによる有索式遠隔操作方法による可動・固定型の海底資源採掘装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、
海底資源を採掘するに於いて、
（１）海底資源採掘装置の中心を成す基台と、基台から放射状に配され、複数の採掘装置 および移送装置を備えた上下、左右に可動する、支持脚を備えた複数の長尺のアー ムシステムと、
(２)海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアンビリカル接続部と
(３)採掘された海底資源を、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォームへ移送する移送用手段と
(４)前記各装置の駆動装置および制御装置
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、
前記海底資源採掘システムに於ける可動・固定としては、海底資源採掘装置の基台に無限軌道装置を備えた型(a)、前記海底資源採掘装置の基台を海上から吊り下げる緊張繋留型(b)、前記海底資源採掘装置の基台を大径鋼管として該大径鋼管の下部を海底に埋設する型(c)、または、前記海底資源採掘装置の基台上部に放射状に設けた上下及び伸縮自在の複数本の基台支持脚により支持固定させた型(d)、または、前記(a)、(b)、(c)、(d) の型のいずれかを適宜組み合わせた型(e)で構成したことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、
前記アームシステムは、前記海底資源採掘装置の基台から放射状に配され、支持脚を備えた複数の長尺の主アームと、主アーム下を移動可能に取り付けた補助アームとからなり、補助アームには前記採掘装置および移送装置が、主アームには移送装置が取り付けられたことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、
前記基台には、採掘された海底資源の破砕装置、分級装置、一時保管場、基台内移送装置が設けられたことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、
前記アームシステムおよび前記採掘装置の全体をカバーする台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入した長円状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、
海底資源の採掘時に発生する泥等の分級された不要物を、台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入したリング状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置の頂部へ、前記基台から伸ばした排出管より放出し、沈下、安定させることを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、
(１)基台を中心とした海底資源採掘システムとすることで、複数台の採掘機が同時作業 をしても、操作を有索式として海底へのアンビリカルケーブルを１本化し、的確な装 置制御とケーブルが絡むトラブルを回避できる。
(２)採掘機を基台から放射状に配したアームシステム下に配置することにより、採掘機 の姿勢・採掘領域を制限し、採掘機の機能・メンテの単純化、操業の安定化、倒壊等 の防止が可能となる。
(３)アームシステムにより、基台を安定・固定した状態で採掘領域を広く取ることが可 能となり、海底資源採掘装置の移動を少なく、操業の効率化が図れる、また、採掘漏 れを少なくできる。
(４)採掘効率が高いことから、採掘コストを低く抑えることが可能となる。
(５)採掘資源が塊・スラリー・気体の如何なる状態にも対応できる。
例えば、メタンハイドレートの採掘は、塊状(結晶)で行い、海上への移送も塊状で 可能で、採掘コストの低減を図れる。
(６)テント型遮蔽膜により、採掘時の海水汚濁、および分級後の不要物の放出時の海水 汚濁についても低く抑えることができる。
等の効果が期待できる。

本発明の海底資源採掘システム全体の一実施形態の概略斜視図である。 本発明の海底資源採掘システムの可動・固定の実施形態の概略図である。 本発明の海底資源採掘装置のアームシステムと採掘装置の一実施形態の概要図である。 本発明の一実施形態の採掘領域例図である。 本発明の海底資源採掘装置の基台内の一実施形態の概略図である。 本発明の採掘時の泥等による汚濁対策、および軽比重の資源採掘の概略図である。 本発明の採掘後の不要物対策の概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するための海底資源採掘システムを例示するものであって、本発明をこれらに特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適応し得るものである。

図１により、本発明の可動・固定型の海底資源採掘システムの全体構成の概要について説明する。
斜視図にあるように、装置は、中心を成す基台２、基台２と作業船８間を繋ぐ吊り下げ用索２２・アンビリカルケーブル２４・移送装置２５、基台２から放射状に配され、支持脚３２を備えた複数の長尺のアームシステム３・４と該アームシステム３・４に取り付けられた採掘装置５と移送装置３４・４２からなる特徴を持つ。
基台内２には採掘資源の内容や状態によるが、必要により再破砕２３１・分級機２３２、資源の一時保管２３４、移送装置２３３と、共通のものとして各装置の駆動装置２３５や制御装置２３６が、
基台２上部には海底資源採掘装置１を海上の作業船８から吊り下げや移動時に結わえるための索接続部２２、アンビリカル接続部２４、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送するための移送用プラットフォーム２５などが設けられている。
アームシステム３・４は主アーム３と補助アーム４からなり、採掘装置５は補助アーム４に取り付けられ、採掘領域を広く、深く採掘できる特徴を持つ。
作業船８は、例えば日本海でのメタンハイドレートの採掘であれば、冬季の荒海による海底資源採掘装置１への影響等や深度を考えると自動船位保持装置を持つ半潜水型プラットフォームが好ましい。
海底資源の採掘を始めるときは、前記海底資源採掘装置１を海上の作業船８から吊り下げて海底に設置する。
同時に、移送用プラットフォーム２５から海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８への移送装置９(既に公開された技術の特開２０１６−２０４８７５、特許登録No.６０３０７８５、特許出願２０１６−２２２０５９他を使用する)、アンビリカルケーブル２４、必要により加圧水他を一体にして吊り下げ用索２２またはチェーン２２を基部上部２に結わえて吊り下げる。
海底資源採掘装置１の重量負荷が大きいときは、主アーム３にも吊り下げ用索２２またはチェーン２２を結わえて行う。
本発明による海底資源採掘システムは、表層型の海底資源であれば、海上の気象状況、海の深度、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)の如何なる状態にも対応でき、また、海上への移送は、採掘物を基台に集約し、塊の分級、スラリー、気体の如何なる状態にも対応できる特徴を有する。

次に図２により、海底資源採掘装置１の可動・固定の実施形態の概略を形態別に説明する。
本発明は、表層型の海底資源であれば、海域の気象状況、深度、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)の如何なる状態にも対応するため、海底資源採掘装置１の基台２を可動・固定するための特徴を有しており、その概要を示している。
また、概略図を分かりやすく、補助アームや採掘装置の表示は省略している。

図２-aは、基台２の下部に無限軌道装置２６を備えた型(a)となっており、 採掘資源が表層の浅く、地盤が固い場所の採掘に向き、太平洋のマンガン塊等に適している。
当然、資源採掘の操業時には採掘場所に固定され、採掘後は無限軌道装置２６を駆動させて自力移動できる特徴を持つ。

図２-bは、海底地層に泥等が多い軟弱な地層であっても海底資源採掘装置１を安定した状態で操業を可能とする方法で、海上の作業船８は半潜水型プラットフォームとし、海底資源採掘装置１を吊り下げる緊張繋留型(b)となっている。
軟弱な地層では重量ある海底資源採掘装置１では装置の沈下や倒壊のリスクがあり、地層が軟弱な日本海側の表層型メタンハイドレートや太平洋のレアアースの採掘に適している。

図２-cは、海底が軟弱地の場合に、海底資源採掘装置１を安定させる方法として海底に基台２の下部を打ち込む又は埋設する型(c)で、基台２とする大径鋼管(径５〜２０メートル、長１０〜５０メートル)の先端をギザギザの歯切りとするなどで、基台２やアームシステム３・４や採掘装置５の自重による沈下等で基台２の安定化を図る。
採掘後、更に下層の採掘を行う場合は、大径鋼管の先端にノズルにより高圧水を打ち込む、または大径鋼管に振動等を加えることで、基台２を更に沈下させ固定する。
海底に泥等が含まれ軟弱で、資源含有層が１００メートルと厚い日本海側の表層型メタンハイドレート等に適している。

図２-dは、海底資源採掘装置１の、例えば大径鋼管の上部円周上に設けた上下及び伸縮自在の複数本の基台支持脚２１を海底に支持固定させた型(d)により安定化を図る。
基台２からは放射状に配された複数のアームシステム３・４もあることから、作業性を考慮すると基台支持脚２１の配置は複数のアームシステム３・４間とするのが良い。

次に図３により、採掘方法の概要について説明する。
概要は、基台２から放射状に配された上下、左右に可動可能なアームシステム３・４で、主アーム(主アーム、主アーム旋回体部３１、主アーム巻上用索３３、主アーム支持脚３２)と補助アーム４(補助アーム４、補助アーム旋回体部４１)からなり、
主アーム３は基台２の側壁の円周上を３〜５に分割して、該側壁に固定された旋回体部３１に取り付けられ、前記主アーム３に主アーム３下を移動可能の補助アーム４を取り付け、
補助アームには、採掘装置５(採掘機５１、破砕機５２)および移送装置３４・４２が取り付けられている。
主アーム３、補助アーム４に取り付ける移送装置３４・４２は、採掘資源の内容、常態にもよるが、ベルト式、バケット式や水圧等を利用するパイプ式などがある。

アームの構造は、海底の地層状態、資源の状態(塊、泥状)によるが、主アーム長３は採掘領域を広くとり、主アーム支持脚３２によって固定するため２０〜１００メートルが好ましく、また、機動性を重視する補助アーム長４は５〜２０メートルが好ましい。
アーム長が長尺によるアームおよび載荷重量の負荷の問題については、一般的な地上の重量物を搬送するクレーンとは異なり、海中での浮力、主アーム３の設置や採掘稼働時の使用状況を考えると以下のことから小負荷であり、ついては、主アーム３の長尺化と構造を簡単にすることができる。
(１)設置のときは、補助アーム４と採掘装置を主アーム３の基台側２に寄せ、且つ、主 アーム３を巻き上げ状態にした基台２を作業船８から吊り下げて海底に設置する。
(２)設置した後、主アーム３先端を水平近辺まで下ろし、主アーム支持脚３２で安定さ せる。
(３)次に、補助アーム４および採掘装置５を主アーム下３の採掘場所へ移動させる。
すなわち、主アーム３への重量負荷を小さく、且つ、アーム先端３はアーム支持脚３２で支えられ、重量負荷を最小に抑えられることから、長尺アームとすることを可能とした。

次に、補助アーム４の可動領域は、主アーム３下全角度可能であることが好ましいが、採掘機５１の操作安定性等を考えると、主アーム３の下側に取り付けし、主アーム３長手方向に１８０度の可動領域としても良い。

次に、採掘装置５は採掘する鉱物資源の内容による、例えば、(技術論文)海底熱鉱床採掘要素技術試験機の開発(三菱重工技報Vol.50 No.2船舶・海洋特集)などに紹介されているドラムカッターなどの採掘機を補助アーム４に取り付ければ良い。
また、採掘効率を上げるために、１本の主アームに複数の補助アーム４と採掘機５１を取り付けることも可能であり、必要により破砕機(含む衝撃力を使用するもの)５２も取り付けられる。

次に図４では、アームの可動領域を示している。
主アーム３を取り付ける旋回体部３１の位置を、基台２から２〜５メートル伸ばした場所に設けることで、可動領域を広く取れ、採掘漏れを少なく、旋回も容易となる。
また、主アーム数は、採掘効率の面から３〜５台が最適であるが、海底資源採掘装置１が稼働中の基台２に及ぼす重量バランス、すなわち、基台２が一番安定した状態で稼働するには放射状に均等に４台の設置が良い。

次に図５により、海底資源採掘装置１の基台２について説明する。
基台２の主たる目的は、
(１)海底資源採掘システム１を海底に設置するとき、基台２の上部に索２２を固定する 個所を複数設けて結わえ、作業船８から吊り下げ降下させる装置の基幹となるもので 、
(２)複数の採掘装置５および移送装置３４を備えた上下、左右に移動可能な複数のアー ムシステム３・４を外周上に取り付け、
(３)基台内には、採掘された海底資源を、必要により破砕２３１、分級２３２、台内移 送２３３、一時保管２３４、海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアン ビリカル接続部２４、各装置の駆動装置２３５を有し、各装置を制御２３６し、
(４)採掘された海底資源を海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送する移 送手段９、を備えた設備である。
なお、各装置は特別なものではなく、また、採掘する鉱物資源の内容によっても異なり 多種になることから、特段の説明は省略する。

次に図６により、海底資源採掘システムの泥等による汚濁対策および軽比重の資源の採掘の概略図について説明する。
開放型による海底鉱床の採掘による海水の混濁により、採掘作業効率の悪化や環境上の問題が懸念され、例えば日本海側の海底にはカニが生息しており、表層型メタンハイドレートの採掘では泥汚染について問題提起されている。
そこで、図６は、基台２から放射状に配されたアームシステム３・４毎に、台形状の遮蔽膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入した長円状の環状体を取り付けたテント(参照特許登録No.６００６４４２、No.５２９６９１４を応用)の底面を海底面近くまで被せ、採掘により舞い上がった泥等をテント下の海底に沈下・安定させるテント型汚濁対策装置６を示したものである。
遮蔽膜６２は、各アームシステム３・４を海底面近くまでカバーする大きさのものとし、海底で環状体のチューブに海水を流入したとき台形を形成するように遮蔽膜６２およびチューブ６１の比重は１．５〜２.０程度の海水比重より重いものを使用する。
テント型遮蔽装置６の設営は、海底資源採掘装置１が海上にあるときに準備、すなわち主アーム３全長に台形状のテントの切妻上部を長手方向に結着させ、他の部分は束ねた状態におき、海底資源採掘装置１が海底に設置され、各アームシステム３・４が降ろされて、テント(遮蔽膜)６２を展張する時は、束ねた部分を解放してチューブ６１に海水を圧入する。
展張されたテント(遮蔽膜)６２は、構成するチューブ材料の比重が重いことで、切妻部を頂部に主アーム３が自動的にカバーされる。

また、例えばメタンハイドレートなどの軽比重の採掘資源を、開放型で採掘するときは、採掘によって、それまで付着していた泥等その他の物質から分離して浮遊することが生じる。
前記テント型遮蔽装置６は、このような軽比重の採掘資源を採取可能であり、この場合、図示していないが、展張したテント(遮蔽膜)６２の基台側２上部から、ホース等で吸引して基台内２へ導入するシステムを設けると良い。

次に図７により、海底資源の採掘と同時に発生した泥等の分級された不要物対策について説明する。
対策の方法は、基台内２で分級された泥等の不要物を、排出管７１を通して、放出場所に設けた台形状のテント膜体７３の上部および下部の周縁に流体を圧入したリング状の環状体７２を取り付けたテント型遮蔽装置７(参照 特許登録No.６００６４４２、No.５２９６９１４を応用)のテント内上部に放出し、沈下、安定させ、海水は側面遮蔽膜７３の複数の海水排出孔７４から自然圧により逃す。
テント型遮蔽装置７の形状は円形とし、遮蔽膜７３のサイズは、不要物の発生量等によるが、直径は３０〜１００メートル、高さ１５〜６０メートル程度で、テント型遮蔽装置７上部のチューブ７２は比重が１.０より軽いもの、下部に使用するチューブ７２は比重が１.５〜２程度の重いものが良い。
テント型遮蔽装置７の設営は、折りたたんだ状態で海底に降ろし、チューブ７２に海水を圧入して展張する。
海水の圧入ポンプは、テント型遮蔽装置７に付帯することもできるが、テント型遮蔽装置７は基台２と排出管７１とが連結されており、海底資源採掘装置1の基台２から行う方法もある。採掘終了後は作業船に吊り上げて移動する。
他の方法として、前記不要物を海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォーム８へ移送し、固形化して投棄する方法もある。

１ 海底資源採掘装置
２ 基台
２１ 基台支持脚
２１１ 基台支持脚巻上用索・チェーン
２２ 海底資源採掘装置吊り下げ用索・チェーン
２３１ 粉砕機
２３２ 分級機
２３３ 基台内移送装置
２３４ 保管設備
２３５ 各装置の駆動部
２３６ 制御装置
２４ アンビリカルケーブル・接続部
２５ 移送プラットフォーム
２６ 無限軌道装置
３ 主アーム
３１ 主アーム旋回体部
３２ 主アーム支持脚
３３ 主アーム巻上用索・チェーン
３４ 移送装置
４ 補助アーム
４１ 補助アーム旋回体部
４２ 移送装置
５ 採掘装置
５１ 採掘機
５２ 破砕機
６ テント型遮蔽装置
６１ 環状体・チューブ
６２ 遮蔽膜
７ テント型遮蔽装置
７１ 排出管
７２ 環状体・チューブ
７３ 遮蔽膜
７４ 海水排出孔
８ 作業船(海底資源貯蔵積出しプラットフォーム)
９ 海底〜海上移送設備
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底

Claims (6)

1. 海底資源を採掘するに於いて、
   (１)海底資源採掘システムの中心を成す基台と、基台から放射状に配され、複数の採掘装置および移 送装置を備えた上下、左右に可動する複数のアームシステムと、
   (２)海面上の供給源から電力および制御信号を受け取るアンビリカル接続部と
   (３)採掘された海底資源を、海上の海底資源貯蔵積出しプラットフォームへ移送する移送用手段と
   (４)前記各装置の駆動装置および制御装置と
   を備えたことを特徴とする可動・固定型の海底資源採掘システム
2. 前記海底資源採掘システムに於ける可動・固定としては、海底資源採掘システムの基台にキャタピラーを備えた型、海底資源採掘システムの基台を海上の作業船(緊張繋留式)から吊り下げる型、海底資源採掘システムの基台を大径鋼管として該大径鋼管の下部を海底に埋設する型、海底資源採掘システムの基台上部に設けた上下及び伸縮自在の複数本の基台支持脚により支持固定させた型、または前記の型を合わせた型で構成したことを特徴とする請求項１に記載の海底資源採掘システム装置。
3. 前記アームシステムは、前記海底資源採掘システムの基台から放射状に配された主アームと、主アーム下を移動可能に取り付けた補助アームとからなり、補助アームには前記採掘装置および移送装置が、主アームには移送装置が取り付けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の海底資源採掘システム。
4. 前記基台には、採掘された海底資源の破砕装置、分級装置、一時保管場、基台内移送装置が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の海底資源採掘システム。
5. 前記アームシステムおよび前記採掘装置の全体をカバーする台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入した長円状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の海底資源採掘システム。
6. 海底資源の採掘時に発生する泥等の分級された不要物を、予め定めた場に設けた、台形状のテント膜体の上部および下部の周縁に流体を圧入したリング状の環状体を取り付けたテント型遮蔽装置の頂部へ、前記基台から伸ばした排出管より放出し、沈下、安定させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の海底資源採掘システム。

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