JP2013528728A - 海底採掘用システム - Google Patents

Abstract

海底採掘用システム。海底補助採掘ツールは、海底採掘地を加工してベンチを形成し、集鉱区域に切削済み鉱石を配置する。海底バルク採掘ツールは、ベンチの生産研削を行い、研削済み鉱石を集鉱区域に配置する。海底集鉱機は、集鉱区域に配置された研削済み鉱石を集鉱して、集鉱した鉱石をスラリーとしてライザーの基部にポンプ輸送する。ライザー・リフトシステムは、集鉱機からスラリーを受け入れて、スラリーを海面まで上昇させる。水上船舶は、ライザー・リフトシステムからスラリーを受け入れる。

Description

本発明は、一般に水中での採掘に関し、特に、連動する複数の海底ツールを備える海底採掘および集鉱のためのシステムおよび方法に関する。

海床掘削は、貴重な沖積砂鉱床を回収するために、または水路を航行可能な状態に維持するために、浚渫によって行われることが多い。吸引浚渫は、掘削される海床物質近くにパイプまたはチューブの集鉱端を配置すること、ならびに海面ポンプを使用して負の差圧を発生させて海水および付近の可動性海底堆積物をパイプで吸い上げることを含む。カッター吸引浚渫は吸引入口またはその付近にカッターヘッドをさらに備え、圧縮された土壌、砂利または硬質岩を、チューブで吸引されるように分離する。大型カッター吸引浚渫は、数万キロワットの切断力を印加することができる。他の海床浚渫技法としては、オーガ吸引、ジェットリフト、エアリフトおよびバケット浚渫が挙げられる。

大半の浚渫機器が稼働する深さは通例、わずか数十メートルまでであるが、さらに非常に大型の浚渫でも最大浚渫深さは、ほぼ１００メートルである。浚渫はこのため通常、比較的浅い水域に限定される。

油井などの海中ボアホールによると、深さ数千メートルまでの深い水域で採掘を行うことができる。しかし、海中ボアホール採掘技術によって海底採掘は行えない。
本明細書に包含されている文書、行為、材料、装置、物品などに関するいずれの議論も本発明の状況を示すものであり、このような事項のいずれも、先行技術の基準の一部を示すもの、あるいは本出願の各請求項の優先日以前に、本発明に関連する分野における共通の一般知識であったことを認めるものとして解釈されるべきではない。

本文書において、「含む」、「備える」、または「有する」を包含する派生語は、１つ以上の要素、整数またはステップを包含することを意味するが、任意の他の要素、整数またはステップを排除するものではないと理解されるべきである。

第１の広範な態様により、本発明は、海底採掘のためのシステムであって、
海底採掘地を加工してベンチを形成し、かつ研削済み鉱石を集鉱区域に配置する海底補助採掘ツールと、
ベンチを生産研削し、かつ研削済み鉱石を集鉱区域へ配置する海底バルク採掘ツールと、
前記集鉱区域に配置された研削済み鉱石を集鉱し、かつ集鉱した鉱石をスラリーとしてライザーの基部にポンプ輸送する海底集鉱機と、
前記海底集鉱機からスラリーを受け入れて、スラリーを海面まで上昇させるライザー・リフトシステムと、
ライザー・リフトシステムからスラリーを受け入れる水上船舶とを備えるシステムを提供する。

第２の態様により、本発明は、海底採掘のための方法であって、
海底補助採掘ツールを使用して海底採掘地のベンチを形成し、研削済み鉱石を集鉱区域に配置することと、
海底バルク採掘ツールを用いてベンチをバルク採掘して、研削済み鉱石を集鉱区域に配置することと、
海底集鉱機を使用して集鉱区域から研削済み鉱石を集鉱して、集鉱した鉱石をスラリーとして海底集鉱機からライザーの基部までポンプ輸送することと、
ライザー・リフトシステムを使用してスラリーを水上船舶まで上昇させることとを含む方法を提供する。

本発明は、所定の海底採掘地が複雑な地形であり得ることを認識し、このため本発明は、海底物質の回収を行うために協調して動作する複数の海底採掘ツールを提供する。海底補助採掘ツールは、凹凸のある地面や傾斜面を移動することが可能であり、移動可能な傾斜面の角度は好ましくは少なくとも１０度、より好ましくは２０度、さらに好ましくは２５度までである。

さらに本発明は、特定の実施形態において、かなり深い水深における展開に適応可能なシステムを提供する。たとえば、特定の実施形態は約４００ｍを超え、より好ましくは１０００ｍを超え、さらに好ましくは１５００ｍを超える水深にて動作可能である。しかし、本発明の複数のツールを有するシステムは１００ｍという浅い水中での有用な海底採掘または他の比較的浅い水中での用途にも適用可能である。したがって、海底または海床への言及は、塩水、汽水または淡水中にかかわらず、湖底、河口底、フィヨルド底、入江底、湾底、港底などでの採掘または掘削への適用を排除するものではなく、このような利用は本発明の権利範囲内に包含される。

回収される物質がベンチの高さを超える厚さを有し、ベンチの高さが海底バルク採掘ツールの研削深さによって定義される場合には、物質の複数の層のベンチが連続したバルク採掘および集鉱のステップによって除去され得る。海底補助採掘ツールは、ベンチの各層を形成および切断するために使用され得るか、またはベンチの層の一部のみを形成すること及び切断することの少なくとも一方のために用いられ得る。

海底集鉱ツールは、海底補助採掘ツールおよび海底バルク採掘ツールが、興味のある海底鉱床に展開される前に、海底鉱床上に堆積された泥などの沈降堆積物を除去するために利用され得る。鉱石など、興味のある海底物質の部分を移動させることが十分容易である特定の用途において、海底集鉱機は、海底のこのような部分を実質的に研削する必要なしに、直接回収するように動作可能である。

複雑な地形の海底採掘地に展開される場合、本発明の実施形態において、海底補助採掘ツールは、採掘地掘削を開始するために好ましく用いられる。たとえば海底補助採掘ツールは、海底バルク採掘ツールの着地区域を形成し、海底バルク採掘ツールのために準備される第１のベンチを形成するために採掘地の端部を掘削し得る。複雑な地形の例としては、砂、シルト、泥、岩および分類された鉱石のストックパイルなどを含む様々な強度および堅さの海底を挙げることができる。

海底バルク採掘ツールによって１つ以上のベンチが研削され、１つ以上のベンチから障害物を除去するために海底集鉱機によって研削物が集鉱された後、好ましくは、海底補助採掘ツールをさらに用いて、海底バルク採掘ツールによって接近不可能であるか、海底バルク採掘ツールによって迂回される残りのベンチ端部またはエッジ部を掘削する。このような実施形態は、バルク採掘ツールのバルク研削能力において可動性および精度が不足する可能性があるため、海底補助採掘ツールを用いてこのような残りの部分を切断する採掘方法が提供される。

海底補助採掘ツールは、好ましくは、該海底補助採掘ツールにより研削された切削物を集積場に除去して、海底補助採掘ツールが作動しながら累層中を進行できるように構成されている。たとえば補助採掘ツールは、その研削物をスラリー形にして、ツールの移動経路の横の位置にポンプ輸送し得る。海底補助採掘ツールが鉱石などの興味のある物質を研削している場合、海底補助採掘ツールの研削物は好ましくは海底集鉱機によって集鉱される。このため補助採掘ツールによる研削物が配置される集鉱区域は、バルク採掘ツールによる研削物が配置される集鉱区域と同じである必要はない。

海底補助採掘ツール、海底バルク採掘ツールおよび海底集鉱ツールは、それぞれ無索式遠隔操作探査機（ＲＯＶ）であり得るか、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であり得る。

海底バルク採掘ツールがベンチを加工する期間中に、海底補助採掘ツールおよび海底集鉱機は、好ましくはそのベンチから離間して、海底バルク採掘ツールを妨害することを回避し、有索式探査機の場合にはアンビリカルケーブルが絡み合うことを回避する。好ましい実施形態において、前記期間中に海底補助採掘ツールおよび海底集鉱機の少なくとも一方が、近傍の一つ以上のベンチで各作業をするために使用される。このような実施形態は、同時に複数のベンチの採掘地での作業を進行して、ツールの利用効率および採掘地の生産性を向上させる。

好ましくは、水中でツールの作業に必要とされる力を印加するために十分な重量をツールが有するように、各ツールの浮力の選択および可変制御の少なくとも一方が行われる。たとえばバルク採掘ツールは、ベンチの生産研削を可能にするために十分な下向きの力を印加するために、海底ツールの最大の負の浮力を有するように構成され得る。海底補助採掘ツールは好ましくは、補助研削作業を海底補助採掘ツールによって行うために十分な負の浮力を有するように構成される。集鉱ツールは、比較的小さい負の浮力を必要とし、たとえば研削モードである場合を除いて、海底移動のためのけん引力を与えるのに十分な負の浮力を必要とするにすぎない。集鉱ツールは、負の浮力下において新規海底位置に定着する前に、プロペラまたは他のスラスタを使用して海底から上昇して採掘地付近を航行するために、たとえば可変浮力を有して集鉱ツールに正浮力または中立浮力を与える。海底補助採掘ツール、さらに海底バルク採掘ツールも、特定の実施形態において、可変浮力および好適な推進力を有して海底の上での同様の航行を可能にし得る。

海底バルク採掘ツール、好ましくは、比較的平坦、かつ比較的水平なベンチの表面上で動作するように、およびベンチ表面を移動しながら表面を研削深さまで研削して、続いて海底集鉱ツールが集鉱するために研削物を所定の位置に残すように構成されている。海底バルク採掘ツールは、好ましくは、１つ以上の経路でベンチの表面を移動することによって実質的にベンチの全体を研削する。バルク採掘ツールの研削経路は、好ましくは、関係する採掘地に存在する独自のベンチサイズおよびベンチ形状に基づいて、ベンチからの鉱石回収効率を最大化するように最適化される。

好ましくは、バルク採掘ツールによって研削物が配置される集鉱区域は鉱石ベンチと同一の位置にあり、これによりバルク採掘ツールは、実質的に鉱石を移動させることなく鉱石を研削することが可能である。このような実施形態により、バルク採掘ツールの構成、機能および動作を、研削物の移動を考慮することによって複雑化することなく、このようなバルク採掘の研削の条件について考慮することに集中できる。代替的には、集鉱区域は鉱石ベンチから離れていてもよい。

そのシステムの代替的実施形態において、補助採掘機およびバルク採掘機は、各ツールから研削物をスラリーとして各ツールの研削位置から離れたストックパイルの位置まで移送するよう配置されるスラリー移送パイプを備えている。このような実施形態において、集鉱機は、ほとんどストックパイルの位置でまたはストックパイルの位置のみで作業して、集鉱した鉱石をライザー・リフトシステムの基部に移送し得る。このような実施形態は、集鉱機の生産性を、バルク採掘機および補助採掘機の少なくとも一方の生産性に依存させない点で好都合であり得る。すなわち集鉱機は、バルク採掘機および補助採掘機の少なくとも一方が研削していないときに、先に研削された鉱石をストックパイルの位置から集鉱可能であり、またバルク採掘機および補助採掘機の少なくとも一方が研削しているときにも、同時に、鉱石をストックパイルの位置から引き続き集鉱可能である。

海底集鉱ツールは、好ましくは、既存の未固結堆積物、海底補助採掘ツールの研削物および海底バルク採掘ツールの研削物の少なくとも一方の集められる物質の近傍に制御自在に配置可能な可動式のスラリー入口を含む。これにより、スラリー入口での吸引によって、水および近傍の固体がスラリーとして入口に吸引される。海底集鉱ツールは、好ましくはスラリーをライザーの基部へ移送するライザー移送パイプを連結するための取り外し可能な遠隔連結システムを有する。このような実施形態において、遠隔連結システムにより、スラリー・ライザーシステムを回収することなく、集鉱機の海底への展開および海底からの回収が可能となる。スラリー入口での吸引力は、集鉱ツールのポンプによって生成され得るか、または代わりにライザーの基部にて海中移送ポンプによって生成され得る。

ベンチは回収される貴重な鉱石の鉱石ベンチを含み得るか、または硬岩、固結もしくは未固結物質のベンチ、または他の目的で除去されるその他の海底物質を含み得る。鉱石は、海底塊状硫化物を含み得る。

ライザー・リフトシステムは、好ましくは、ライザーパイプを通じてスラリーを海面までポンプ輸送するための海中スラリーリフトポンプを含む。
水上船舶は、航行可能な船舶、プラットフォーム、荷船または他の海上ハードウェアであり得る。水上船舶は、好ましくはライザーから受け入れたスラリーを脱水するための脱水装置を備え、ならびに選鉱機などの鉱石移送および加工施設の少なくとも一方をさらに含み得る。

本発明の一実施形態による海中システムの略図である。 図１のシステムの海底での動作を示すフローチャートである。 図１の実施形態による、２つの近接する海底採掘地における採掘の時間経過を示す図である。 図１の実施形態のシステムで使用するための好適なライザージョイントおよびコネクタの配列を示す図である。 図１の実施形態で使用するのに好適な脱水プラント工程を示すブロック図である。 本実施形態のシステムの動作中の特定の採掘段階における海底採掘の様子を示す図である。 本実施形態のシステムの動作中の特定の採掘段階における海底採掘の様子を示す図である。 本実施形態のシステムの動作中の特定の採掘段階における海底採掘の様子を示す図である。 本実施形態のシステムの動作中の特定の採掘段階における海底採掘の様子を示す図である。 本実施形態のシステムの動作中の特定の採掘段階における海底採掘の様子を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
表１に示す略語および頭字語が以下の説明全体で使用される。

図１は、本発明の一実施形態による海中システム１００の略図である。デリック１０２および脱水プラント１０４が、海洋航行式の生産支援船１０６に搭載されている。生産支援船１０６は、回収した鉱石を荷船１０８に積載するための鉱石移送施設を有する。本実施形態によると、水深２５００ｍまで動作可能なシステム１００が提供されるが、代替的実施形態によるシステム１００は水深３０００ｍ以上での動作可能に設計される。生産操作中では、海底１１０から鉱石を掘削するために、海底採掘ツール（ＳＭＴ）が使用される。海底採掘ツールは、海底バルク採掘機１１２、海底集鉱機１１４および海底補助採掘機１１６を含む。

採掘された鉱石は集鉱され、ライザー移送パイプ（ＲＴＰ）１２０を通じてライザー１２２の基部まで、スラリーの形態でポンプ輸送される。海中リフトポンプ１１８は次に、剛性のライザー１２２（図１では一部が省略して示され、本実施形態では最大２５００ｍの長さを有する）を介してスラリーを上昇させる。スラリーは海上支援船１０６まで移動して、海上支援船１０６においてプラント１０４で脱水される。廃水は圧力下で海底に戻され、海中リフトポンプ１１８のためにチャージ圧を提供する。脱水された鉱石は、加工場に輸送する前に、ストックパイル施設まで輸送する輸送荷船１０８に移動される。

図２は、海底採掘ツール１１２、１１４、１１６の海底での動作をより詳細に示すフローチャートである。プロセス２００は、海底採掘ツール１１２、１１４、１１６を生産支援船１０６から海底採掘地まで降下し、ライザー・リフトシステム（ＲＡＬＳ）１２２を展開するステップ２０２から開始する。生産支援船１０６から、海底採掘ツールを捕捉して、生産支援船１０６の側部を越えて放出するように構成された連結式Ａフレームおよび展開ウィンチによって、海底採掘ツール１１２、１１４、１１６はそれぞれ放出され、展開ウィンチによって海底まで降下させられる。ステップ２０４において、採掘場の上に堆積した固結していない堆積物が、海底集鉱・研削機（ＧＭ）１１４の吸引パイプによってスラリーとして除去され、採掘場の一部を形成しない下降勾配および下降流の所定の区域に配置される。

ステップ２０６において、潜在的に複雑で不規則な海底地形による既存の障害物は、海底バルク採掘機（ＢＭ）１１２および海底集鉱・研削機１１４の着地、研削および集鉱の区域を形成するために海底補助採掘機（ＡＵＸ）１１６によって研削される。図６ａは、ステップ２０６の間の海底採掘の状況を示す。海底地形が複雑で非常に不規則な場合には、ステップ２０６は、ステップ２０４の前に行われてもよい。海底補助採掘機１１６によって、ストックパイル１２４のための場所を形成する必要もあり得る。

ステップ２０８において、海底集鉱・研削機１１４は、ステップ２０６で海底補助採掘機によって生産された研削物をベンチまたはストックパイルのどちらか一方から収集し、海底バルク採掘機１１２の準備のためにベンチから障害物を除去しておく。ステップ２１０において、海底バルク採掘機１１２は、たとえば岩の硬度に応じて、一般に０．５ｍから１ｍの範囲内の所定の研削深さまでベンチを研削する。海底バルク採掘機がプランジ研削モードにある場合は、ベンチ研削深さは最大４ｍとなる。海底バルク採掘機１１２は、ベンチに沿って進みながらベンチを切削し、実質的にベンチの範囲の全体を切削するようにベンチを往復１回以上、移動する。海底バルク採掘機１１２は、ベンチのエッジをより厳密に切断するために、最初の移動方向に対してほぼ垂直にさらに通過を行うことがある。図６ｂは、ステップ２１０の間の海底採掘の状況を示す。海底バルク採掘機１１２は、研削物をベンチ上に残すか、あるいは研削物を取り込んで、スラリーとしてストックパイルホース１２６およびストックパイルシステム１２４を介してストックパイル位置までポンプ輸送する。離れた位置にストックパイルする場合には、海底バルク採掘機１１２は、ベンチを複数回、たとえば０．５ｍの深さずつ通過して、約４ｍの深さまで研削することができる。そのため、０．５ｍの深さだけ進んだ後に毎回、集鉱機１１４が接近できるようにバルク採掘機１１２をベンチから退去させる必要がなくなるため、ベンチ上での機械の利用効率が高まる。代替的には、集鉱機１１４は、バルク採掘機１１２がベンチを加工するのと同時に、研削物をストックパイル位置から集鉱することができる。

海底バルク採掘機１１２がステップ２１０にてベンチの研削を完了すると、ステップ２１２で海底集鉱・研削機がベンチ上まで移動して、海底バルク採掘機１１２が残したベンチの研削物を集鉱する。図６ｃは、ステップ２１２の間の海底採掘の状況を示す。

海底バルク採掘機１１２のバルク採掘の機能を考慮すると、ベンチの特定の部分、特に、海底バルク採掘機１１２が安全マージンを維持すると共に、ベンチで新たに移動を開始するために方向転換スペースを確保しなければならない横端部および下盤の部分は、海底バルク採掘機によって完全に研削されないことがある。これらの残りのエッジは、複数層のベンチが除去される間に、残りのエッジの大きさが除去する必要がある程度になるまで所定の位置に残しておくことができる。このためステップ２１４では、残りのエッジの高さが４ｍ未満である場合、プロセスはステップ２１０に戻る。このことは図６ｄに示され、ここではベンチのエッジの高さは約４ｍである。

残りのエッジの高さが、本実施形態における海底補助採掘機１１６の最大の作業高さである約４ｍになると、次にステップ２１６にて、プロセスは代わりに海底補助採掘機１１６が残りのエッジを研削および除去することを要求し、示されているベンチの全体は再び、海底バルク採掘機１１２のために好適に平坦にされる。図６ｅは、ステップ２１６の間の海底採掘の状況を示す。

ステップ２１８にて鉱床が枯渇するか、または採掘が完了したと見なされると、ステップ２２０にて海底採掘ツール１１２、１１４、１１６は生産支援船１０６に回収される。
採掘プロセスおよびシステム１００は、このため、海底採掘ツール、ライザー・リフトシステム（ＲＡＬＳ）１１８、１２２、脱水施設１０４を有する生産支援船（ＰＳＶ）１０６、陸上のストックパイル施設への鉱石の運搬および続いての貯蔵、加工の施設への積出しおよび運搬、鉱石生成物の選鉱、ならびに選鉱物の市場への積出しおよび運搬を可能にする。

海底採掘ツール１１２、１１４、１１６は、上方の生産支援船１０６での遠隔オペレータ制御を介して採掘場付近で作動させられて、鉱床を研削するように構成されている。このような採掘場は通例、地形が不規則であるために、システムは、凹凸のある地面および２０度までの傾斜の上で動作するように構成されている。海底採掘ツール１１２、１１４、１１６は採掘場付近で作動して、起伏の多い地形、より急勾配の傾斜および段差を越えて移動する。特に、アンビリカルケーブルの絡み合いを回避することは重要な課題であり、生産支援船１０６は、海底ツールの動作中に支持部を移動すること、および変更することの少なくとも一方を実施して、確実に絡み合いが生じないようにし得る。

海底採掘ツール１１２、１１４、１１６は、３つの独立した種類の装置を含む。海底採掘ツールは、水深２５００ｍまで動作可能である遠隔操作探査機であり、生産支援船１０６に積載されている専用制御装置から操作および調整される。海底採掘ツールは、海底から鉱石含有物質を掘削する。３つの装置は組合わされて、海底１１０から鉱石を研削、分級、集鉱および掘削する。

全体として、海底採掘装置は、鉱石の研削機能、ならびに集鉱およびポンプ輸送機能の２つの互いに依存した機能を有するように運転される。途中のフロアストックおよびストックパイルの少なくとも一方は、２つの機能の間の緩衝物として作用する。生産支援船１０６に積載された制御システムにより、海底採掘ツールの動作が効率的に最適化され、同時に機械、アンビリカルケーブルおよびリフトワイヤの間の安全作業域が最大化されて、継続中の効率的な海底掘削作業が保証される。

研削機は、補助採掘機（ＡＵＸ）１１６およびバルク採掘機（ＢＭ）１１２である。特定の実施形態において、集鉱機は、集鉱機能を補助するために必要に応じて多少の研削を行うようにも構成され得る。機械の連携は、現場の鉱石等級、海底地形ならびに操作および保守上の制約に基づく海底採掘計画に従う。

図３に示すように、機械は生産の価値を最大限にするように配列されている。一般に、各海底採掘地は海底地形における高所となり、海底補助採掘機１１６はこの高所またはその付近に着地して、必要な場合にはこの高所まで海底地形に斜面を形成する。高所では、海底補助採掘機１１６は、海底バルク採掘機用の着地区域および初期ベンチを形成する。本実施形態において、海底バルク採掘機１１２は、効率的な海底バルク採掘機動作のためにおよそ７５０平方メートルの最小ベンチ面積を必要とする。代替的実施形態において、海底バルク採掘機の寸法は、海底バルク採掘機が７５０平方メートル未満の面積のベンチ上で動作を開始できるように、より小さくてもよく、または他の実施形態において、海底バルク採掘機は、より大型で、動作を開始するために７５０平方メートルを超える最小ベンチサイズを必要としてもよい。ベンチは次に、鉱床の堆積土を回収するために、高所から徐々に除去される。

より鋭い高所を有する明確に画成された鉱石の堆積土の場合、海底補助採掘機１１６が用いられて、ベンチ区域がおよそ７５０平方メートル以上に広がるまでベンチの複数の層を掘削する。本実施形態において、海底補助採掘機１１６のブーム搭載研削ヘッドにより研削されるベンチの高さは、およそ４メートルである。

掘削粒径は、海底補助採掘機および海底バルク採掘機のカッターのタイプおよび前進スピードによって制御され、特定の実施形態において、海底集鉱・研削機１１４によっても制御される。これは、カッターピック間隔、カッターの回転の角度、スピードおよび機械前進スピードによって決定される。研削システムパラメータ（カッター回転スピード、研削深さ、前進スピード）は、手動または自動制御することができる。特定の実施形態において、研削動作の失速および機械への潜在的な損傷を防止するための安全対策として、機械が連動させられ得る。代替的実施形態において、粒径は、単独の、または海底バルク採掘機と一体に設けられた海底粉砕機または分級装置によって制御され得る。

海底バルク採掘機１１２および探査機の回転操作のためのさらなる列の掘削は、手動でまたは自動ルーチンによって行うことができる。研削の自動化は最大化されることが好ましく、このために生産支援船１０６の制御システムは、採掘モデル中に統合された自動フィードバック制御を組み込む能力を有し、上方に堆積したベンチで確認された研削速度、回収された鉱石のグレード、岩の硬度および粒径などの動作パラメータが、下方に存在する物質の調査スキャンに組み合わされて、自動的に使用され、続く下方のベンチの採掘を制御することを可能にする。

全体として、研削シーケンスの目的は、生産速度を最大化して、海底上の研削済み鉱石のストックパイルを、次に集鉱機に供給するために送達することにある。
鉱石は、研削されると、次に集鉱される必要がある。特定のシステムにおいて、鉱石の集鉱はシステムの全体の生産速度にとって制限されるか、ボトルネックとなることがあるが、特定の実施形態において、研削および集鉱兼用機であり得る単独の集鉱機１１４を適用することにより、システム１００の全体の生産速度の制限とならない集鉱を可能にすることができる。このことは、一部の時間のみ動作可能であるように設計された集鉱機１１４によるものである。集鉱機は間欠的に運転されて、同時に運転する際に関連する研削機の非生産的な停止時間を最小限に抑える。現場の鉱石等級、海底地形ならびに操作および保守上の制約に基づく海底採掘計画に応じて、機械が連携される。特定のシステムにおいて、生産速度は、主に研削機によって改善されることができ、本発明の特定の実施形態はしたがって、このようなシステムにおいて、一部の時間のみにおいて動作可能な集鉱機を提供し得る。集鉱機パラメータ（流速、海底集鉱・研削機の前進スピード、オーガスピード、吸引ヘッド制御）は、生産支援船１０６のオペレータによって制御および設定の少なくとも一方が行われる。

海底集鉱・研削機１１４の入口には、入口グリズリー分級ふるいが、使用されて、過大な粒子がスラリーシステム１２０、１１８、１２２、１０４中に導入されることを防止する。システム１００は、このグリズリーふるいサイズが交換できるように設計されている。

集鉱機１１４、さらに、特定の実施形態においては、海底バルク採掘機１１２および海底補助採掘機１１６も、入口におけるスラリーの予想される条件の変動を考慮してスラリー流の完全性を維持するポンプおよび制御システムを有する。ポンプおよび集鉱システムは、閉塞すること、システムの規定された動作限界を超えてスラリー摂取密度が瞬間的に変化することの少なくとも一方に応じて、スラリー流の完全性が失われるのを防止する自動スラリー入口希釈部およびバイパス弁を実装している。代替的なスラリー密度制御システムが他の実施形態で用いられ得る。

ＲＴＰ１２２および海底集鉱・研削機１１４の少なくとも一方が閉塞するリスクを最小限に抑えるために、本実施形態において、海底集鉱・研削機１１４は、スラリー流の完全性が損なわれているときに作動される放出弁を有する。本発明の代替的実施形態において、放出弁は省略され得る。本実施形態の海底集鉱・研削機１１４は、海底集鉱・研削機１１４のいずれのスラリーシステムの閉塞も解消させるように補助する逆流システムをさらに実装する。この逆流システムは、スラリー放出ラインからの高圧水を集鉱機１１４の吸引ヘッドに逆流させるパイプおよび弁を備えている。ストックパイルホース１２６およびストックパイルシステム１２４を有する実施形態において、放出弁および逆流システムの少なくとも一方が同様に提供され得る。

図４は、図１の実施形態のシステムで使用するための好適なライザージョイントおよびコネクタの配列を示す。ライザー・リフトシステム（ＲＡＬＳ）は、船から吊下げられた縦型の鋼鉄製ライザー１２２を介して、鉱粒を含有する海水をベースとするスラリーを海面の生産支援船（ＰＳＶ）１０６まで上昇させる。海底採掘ツールによって採掘された鉱粒は吸引により回収され、粒子は次に海水ベースのスラリーに取り込まれるようになり、次にスラリーはライザーの基部までライザー移送パイプ（ＲＴＰ）１２０を介してポンプ輸送される。ライザー１２２の基部の下に吊下げられた海中スラリーリフトポンプ（ＳＳＬＰ）１１８によってスラリーがライザー１２２の基部から、本明細書で最大２５００ｍの高さを超える船１０６まで推進させられる。スラリーは、海面に達すると、脱水工程１０４を通過する。固体は、陸地へ輸送するために輸送荷船１０８まで移送される。必要に応じて付加的な海水が補給された廃水は、生産支援船１０６に積載されたヘッダータンクシステムを通過して、主ライザーパイプ１２２に固定された補助海水パイプラインを介して、ライザー１２２の基部までポンプ輸送によって戻される。戻り海水は、ライザー１２２の基部に到着すると、次に、海水が当初収集された深さに近い海中に放出される前に、海中スラリーリフトポンプ１１８の容積式チャンバを推進させるために使用される。海中スラリーリフトポンプ１１８を推進させる代替的な手段、たとえば特に電気式、油圧式、空気圧式または電気油圧式システムを設けることもできる。

図４に示すように、ライザー１２２は分解された状態（ジョイント）で供給され、各ジョイントは、海面から海中スラリーリフトポンプ１１８に動力を供給するための２本の水戻りラインと、スラリーミックスをライザーの基部から海面まで運搬する中央パイプとを備える。さらに、放出弁システムは、予期しないシャットダウンの場合に閉塞を防止するために、ライザーパイプ１２２内のスラリーのすべてをシステムから流出させることができる。

海中スラリーリフトポンプ（ＳＳＬＰ）１１８は、ライザー１２２の底部に吊下げられて、海底採掘ツール１１４からライザー移送パイプ１２０を通じてスラリーを受け入れる。海中スラリーリフトポンプ１１８は続いて、スラリーを生産支援船１０６までポンプ輸送する。ポンプアセンブリ１１８は２個のポンプモジュールを含み、各モジュールは、海面ポンプからライザー１２２に取付けられた海水ラインを通じて送達された加圧水によって駆動される好適な数の容積式ポンプチャンバを備える。ポンプ１１８は、アンビリカルケーブルを通じて制御信号をポンプ１１８の受信制御ユニットに伝達するコンピュータ式電子システムにより、水上船舶１０６から制御される。ポンプは、ポンプ１１８に位置する二重冗長化電気−油圧パワーパック群によって、油圧により作動する。パワーパックを駆動する電力は、制御データ信号を海面からポンプ１１８まで搬送する同一のアンビリカルケーブルを通じて供給される。海中スラリーリフトポンプ１１８制御用の２本の（二重冗長化）アンビリカルケーブルは、ライザージョイントに沿ってアンビリカルケーブルの重量が分散するようにライザー１２２のクランプに固定されている。

海面ポンプの主な機能は、海中スラリーリフトポンプ１１８を駆動するための加圧水を供給することにある。複数の三連ポンプまたは遠心ポンプが、生産支援船１０６に搭載され、すべてのポンプが脱水工程でスラリーミックス（＜０．１ｍｍ残留物）から除去された水を取り込み、水戻りラインを通って深部の海中スラリーリフトポンプ１１８へ下方にポンプ輸送する前に、海面の海水を補って必要な体積とする。海面システムは、船体内のシーチェストによって濾過された海面の海水を抽出する遠心ポンプを使用して脱水システムから給水され、海中スラリーリフトポンプ１１８を駆動するために必要な体積が補給される戻り水ヘッダータンクを実装している。ヘッダータンク内の水は、海面ポンプの入口へ送達するための圧力を上昇させるチャージポンプ群に送達される。

支援船１０６には、ライザー１２２および海中リフトポンプ１１８を展開および回収するために、デリックおよびドローワークスシステム１０２が設置されている。さらに、デリック１０２の区域内のハンドリングシステムは、海中スラリーリフトポンプ１１８を所定の保守区域内に移動させる。

サージタンクはＲＡＬＳ放出部と脱水プラント１０４との間に実装されて、脱水プラント中に供給される前に、瞬間的なスラリーの変動を緩和する。代替的実施形態において、図５の振動ふるいはサージタンクとして作用して、流動中の細粒分用のサージタンクは、図５のダブルデッキふるい分けと液体サイクロン列との間に配置されている。

脱水システム１０４は、ＲＡＬＳ１２２から鉱石を無機スラリーとして受け入れる。鉱石を輸送に好適なものとするために、スラリー中の大量の水を除去する必要がある。図５に示すように、本実施形態の脱水工程は、３段階の固体液体分離を使用する。段階１において、ふるい分け−振動ダブルデッキふるいによって分離され、段階２において、脱砂−液体サイクロンおよび遠心分離によって分離され、段階３において、濾過−フィルタによって分離される。

振動ふるいデッキを使用して、スラリー流から粗い粒子を分離する。これらの粗い粒子は、自然に排水され、所望の許容水分値を達成するために機械的脱水を必要としない。振動バスケット遠心分離を使用して、必要な許容水分値が達成されるように中程度の粒径の画分の機械脱水を行う。

次に液体サイクロンを使用して、ふるいデッキによって除去されなかった貴重な微粒子（＞０．００６ｍｍ）をスラリーフィードから分離する。貴重な細粒（０．００６ｍｍから０．５ｍｍの間）は、輸送荷船１０８に積み込まれる前にフィルタを使用して脱水される。この鉱石サイズの画分は、水分を除去するためにより大きな機械的な入力（吸引）が必要である。次に鉱石スラリー廃水は、ポンプセットおよびパイプシステムを通じて海底に戻される。脱水プラント１０４は、海面施設（この場合は生産支援船１０６）上に設置されて、鉱石の含水量を鉱石の運送許容水分値（ＴＭＬ：ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｌｉｍｉｔ）まで低下させる。含水量をＴＭＬ未満に低下させることによって、船舶による鉱石の輸送が安全となる。これにより、出荷される物質の体積が減少して輸送コストも低下する。代替的実施形態では、任意の好適な他の脱水プラント構成を用いてもよい。

脱水プラント１０４が故障した場合、集鉱機１１４は海底１１０から分離され、海水のポンプ輸送を継続する。サージタンクの容積は、任意の脱水プラント１０４の故障の場合にも、ＲＡＬＳ１２２、１１８内のスラリーの量を収容するために十分である。ＲＡＬＳ１１８、１２２内のスラリーは遮断され、海水のみが海面に放出されるまでサージタンク、または振動スクリーンおよびサージタンクに放出され、このとき脱水プラント１０４のバイパスは海中リフトポンプまたはＲＡＬＳ及び集鉱機に係合し、水は海中リフトポンプまたはＲＡＬＳ及び集鉱機に再循環される。

生産支援船１０６は採掘期間にわたってその場にとどまり、すべての採掘、加工および海上積み込み作業を支援して、海底鉱床１１０の安全および効率的な採掘、研削済み鉱石の海面上への回収、処理（処理水の海底への戻しを含む脱水）およびストックパイリングや続いての処理施設へのさらなる発送のための脱水鉱石の輸送荷船１０８への積み込みができるようにする。船舶の位置保持（Ｓｔａｔｉｏｎ ｈｏｌｄｉｎｇ）能力は、自動船位保持によるものである。代替的な位置保持は、現場の具体的な条件に応じて、船を係留することによって、または自動船位保持および係留の両方の組合せによってなされ得る。

このため本実施形態のシステム１００は、海底塊状硫化物（ＳＭＳ）生産などの、定常状態の海底採掘および集鉱生産を達成する手段および方法を提供する。
本明細書で使用した特定の用語は、本発明を同様に説明する他の用語と同義であることがあり、このため、本発明の権利範囲はこのような用語のどちらかに限定されるものではない。たとえば海底採掘ツールは、海中機と呼ばれることもあり、生産支援船は水上船舶や水上施設などと呼ばれることがあり、鉱石は等価的に、または代替的に、岩、固結堆積物、未固結堆積物、土壌、海底物質などと呼ばれることがあり、ならびに採掘は研削、浚渫または物質除去を含み得る。さらに、上述の特定の値は、上記実施形態における規模を例示しているが、利用環境に合せて他の実施形態で使用され得る値または範囲に対して制限するものではない。

広範に記載された本発明の精神または権利から逸脱することなく、具体的な実施形態で示された本発明に多くの変更および修正の少なくとも一方が行われ得ることが当業者にとって認識される。本実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、限定されるものではない。

Claims (26)

1. 海底採掘のためのシステムであって、
   海底採掘地を加工してベンチを形成し、かつ研削済み鉱石を集鉱区域に配置する海底補助採掘ツールと、
   ベンチを生産研削し、かつ研削済み鉱石を集鉱区域へ配置する海底バルク採掘ツールと、
   前記集鉱区域に配置された研削済み鉱石を集鉱し、かつ集鉱した鉱石をスラリーとしてライザーの基部へポンプ輸送する海底集鉱機と、
   前記海底集鉱機からスラリーを受け入れて、スラリーを海面まで上昇させるライザー・リフトシステムと、
   前記ライザー・リフトシステムからスラリーを受け入れる水上船舶とを備えるシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記海底補助採掘ツールは、該海底補助採掘ツールにより研削された研削物を集積場に除去して、前記海底補助採掘ツールが作動するとともに累層中を進行可能に構成されているシステム。
3. 請求項１又は２に記載のシステムであって、前記海底バルク採掘ツールが１つ以上の経路でベンチ表面を移動することによってベンチの実質的に全体を研削するために、前記海底バルク採掘ツールが、比較的平坦、かつ比較的水平なベンチの表面上で動作するように、およびベンチの表面を移動しながら表面を研削深さまで研削するように構成されているシステム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のシステムであって、前記海底バルク採掘ツールは、続いて海底集鉱ツールが集鉱するために、研削物を所定の位置に配置するように構成されているシステム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のシステムであって、海底集鉱ツールは、集められる物質の近傍に、制御自在に配置可能な可動式のスラリー入口を含み、該スラリー入口は、スラリー入口における吸引によって、水および近傍の固体をスラリーとして吸引するシステム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のシステムであって、海底集鉱ツールは、スラリーをライザーの基部へ移送するライザー移送パイプを連結するための取り外し可能な遠隔連結システムを有するシステム。
7. 請求項５に記載のシステムであって、前記スラリー入口での吸引力が海底集鉱ツールのポンプによって生成されるシステム。
8. 請求項５に記載のシステムであって、前記スラリー入口での吸引力が前記ライザーの基部の海中移送ポンプによって生成されるシステム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のシステムであって、前記ライザー・リフトシステムがライザーパイプを通じてスラリーを海面までポンプ輸送する海中スラリーリフトポンプを備えるシステム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のシステムであって、研削済み鉱石を保持するための海底ストックパイルシステムをさらに備え、前記海底補助採掘ツール及び海底バルク採掘ツールの少なくとも一方の研削物がスラリーとして前記海底ストックパイルシステムにポンプ輸送され、前記海底集鉱機が研削済み鉱石を前記海底ストックパイルシステムから集鉱するシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステムであって、前記海底補助採掘ツールは、１０度までの傾斜を有する凹凸のある地面、及び傾斜面を移動可能であるシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記海底補助採掘ツールは、１０度までの傾斜を有する凹凸のある地面、及び傾斜面を移動可能であるシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、前記海底補助採掘ツールは、２５度までの傾斜を有する凹凸のある地面、及び傾斜面を移動可能であるシステム。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステムであって、前記システムが約４００ｍを超える水深にて動作可能であるシステム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、前記システムが１０００ｍを超える水深にて動作可能であるシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、前記システムが１５００ｍを超える水深にて動作可能であるシステム。
17. 海底採掘のための方法であって、
    海底補助採掘ツールを使用して海底採掘地のベンチを形成することと、
    海底バルク採掘ツールを用いてベンチをバルク採掘して、研削済み鉱石を集鉱区域に配置することと、
    海底集鉱機を使用して集鉱区域から研削済み鉱石を集鉱して、集鉱した鉱石をスラリーとして前記海底集鉱機からライザーの基部までポンプ輸送することと、
    ライザー・リフトシステムを使用してスラリーを水上船舶まで上昇させることとを含む方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記海底集鉱機によって集鉱するために、前記海底補助採掘ツールが研削済み鉱石を集鉱区域に配置する方法。
19. 請求項１７又は１８に記載の方法であって、回収される物質がベンチの高さを超える厚さを有し、ベンチの高さが前記海底バルク採掘ツールの研削深さによって定義され、前記方法が物質のベンチの複数の層を、連続したバルク採掘および集鉱のステップによって除去することをさらに含む方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、前記海底補助採掘ツールがベンチの各層を形成および切断するために使用される方法。
21. 請求項１９に記載の方法であって、前記海底補助採掘ツールがベンチの層の一部のみを形成および切断するために使用される方法。
22. 請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法であって、海底補助採掘ツールおよび海底バルク採掘ツールが所定の海底鉱床に展開される前に、海底集鉱ツールが、前記海底鉱床上に堆積された堆積物を除去するために使用される方法。
23. 請求項１７から２２のいずれか一項に記載の方法であって、複雑な地形の海底採掘地に展開される場合、前記海底補助採掘ツールが、前記海底バルク採掘ツールの着地区域を形成すること、および前記海底バルク採掘ツールのために準備される第１のベンチを形成するために採掘地の端部を掘削することの少なくとも一方によって採掘地の掘削を開始するために使用される方法。
24. 請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法であって、前記海底バルク採掘ツールによって１つ以上のベンチが研削され、１つ以上のベンチから障害物を除去するために前記海底集鉱機によって研削物が集鉱された後、前記海底補助採掘ツールが、前記海底バルク採掘ツールによって接近不可能であるか、海底バルク採掘ツールによって迂回される残りのベンチの端部またはエッジ部を掘削するために使用される方法。
25. 請求項１７から２４のいずれか一項に記載の方法であって、前記海底バルク採掘ツールがベンチを加工する期間中に、前記海底補助採掘ツールおよび海底集鉱機がベンチから離間して、海底バルク採掘ツールを妨害することを回避し、有索式探査機の場合にはアンビリカルケーブルが絡み合うことを回避する方法。
26. 請求項２５に記載の方法であって、前記期間中に前記海底補助採掘ツールおよび海底集鉱機の少なくとも一方が、近傍の一つ以上のベンチで各作業をするために使用され、同時に複数のベンチでの作業を進行してツールの利用率を増加させる方法。