JP2016204875A - 海底資源採掘システム - Google Patents

Abstract

【課題】海底に存在する表層及び堆積物中に存在する海底資源を効率よく採掘する装置を提供する。
【解決手段】海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源（メタンハイドレート、コバルト、レアメタル他）を掘削する場合において、採掘機と破砕機と送圧機を備えた自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の海底資源回収船へ移送するための送圧機が配されたステージと、前記破砕物を前記自走式採掘装置から前記ステージへ移送中に直進力・円形力を制御できる横移送チューブと、前記ステージから洋上の前記海底資源回収船へ移送中に直進力・円形力を制御できる縦移送チューブからなることを特徴とする海底資源採掘システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、海底に存在する表層及び堆積物中に存在する海底資源を効率よく採掘する装置に関する。

日本近海に莫大な埋蔵量の表層型メタンハイドレートが存在することが確認されており、これを効率的に採掘すれば、エネルギーの心配を無くすることができる。
現在考案されているメタンハイドレートの回収方法には、海底炭鉱手法・自噴回収手法・土木的手法・加熱法・減圧法・化学的手法がある。

日本海側に存在するメタンハイドレートの回収方法として次のようなシステムが開発されている。
図７は全体システムで、陸上より６，ロボットをリモコンにより事前調査により得た場所に走らせ、２，堆積層を掘り下げる。掘った泥は海に流す。３，メタンハイドレート層に達すると、２７，カバーをかけ、１５，パイプで運ばれたハイドレートを７，処理装置で６，ロボットの近くの海底面に設置する。メタンガスは、そこから地上の８，制御室に送られ、圧縮され、液化されタンクに送られる。
図７Ａは装置１，の概略を示す図で、掘削ロボットに必要な機能を表す。１１，機構部で全ての機能部材を収納し、１２，動力車はその動力となるモーターや制御部が収納され、その下部にはチャタピラ在に向きを変えられるようになって走行する。１３，ハンマーアームで砕いたハイドレートを１８、バケットアームで１７，受け皿にすくい入れる、１５，パイプの中に１６，螺旋回転体があり、回転すると１７，受け皿のハイドレートが上昇する。
図７Ｂは装置２，の概略を示す図で、海底面に設置する。２２，パイプ（図２の１５，パイプの先端部）が装置２，に堆積物（メタンハイドレート）を運び、２３，粉砕器で細かく砕き、そこへ、２１，吸い込みポンプにより海面に近い、温度の高い（１０℃以上）海水を引き込み、粉砕したハイドレートに散布する。そこから大量のメタンガスが発生する。２０，はフレキシブルパイプで１０，ブイで下面に穴が開いておりそこから海水が吸い込まれる。勿論、魚類が入り込まないよう金網等を貼り付ける。２６，メタンガス用パイプで装置３，に送る。
図７Ｃは、装置３，で陸上に設置し、２６，メタンガスパイプに２９，ガス吸入ポンプで吸い取り、これを３０，圧縮機液化して、Ａタンクなどへ送られる。
この装置３，には、システム全体を制御する２８，配電盤、制御板が内蔵される。
尚、これらの装置１，２，３，のそれぞれに必要な箇所に監視カメラを設置し、万一の時に備える(例えば、特許文献１参照。)。

特開２０１４−１４１８６１

以上に述べた前記先行事例(特許文献１)においては、
1、全てのメタンハイドレートをガス化しており、最終的には圧縮機で液化すること で効率が悪い
２、カバーで覆って集積しようとしているが、その後の処置について掲示されていな い。また、採掘されたメタンハイドレート塊の密度は0.91 g/cm³と軽いことか ら不安定であり、採掘〜バケットアーム〜受け皿への配転に問題がないか疑問が ある。
３、また、採掘されたメタンハイドレート塊の形状が大きい場合に詰まり等の問題が ないか疑問がある。
４、掘削ロボットの横移動時に、吸い上げパイプ及びパイプに内蔵されている螺旋軸 に無理な力が係ることにより、破損等が起きないか疑問
５、移送パイプが固定されていると、採掘場所の移動時に装置および移送パイプの移 動が大がかりとなる。
などの問題が考えられる。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、回収のためのエネルギー効率を極力落とすことなく、採掘時の環境に配慮した構造とし、配転・移送を安定させるために可撓性をコントロールできるチューブを使用するなどで、回収状態を極力塊状で行えるようにして、回収効率や機動性が高い低価格の海底資源採掘システムを実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の海底資源採掘システムは、海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源（メタンハイドレート、コバルト、レアメタル他）を掘削する場合において、採掘機と破砕機と送圧機を備えた自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の海底資源回収船へ移送するための送圧機が配されたステージと、前記破砕物を前記自走式採掘装置から前記ステージへ移送中に直進力・円形力を制御できる横移送チューブと、前記ステージから洋上の前記海底資源回収船へ移送中に直進力・円形力を制御できる縦移送チューブからなることを特徴とする。

本発明の第２の態様の海底資源採掘システムに用いる横移送チューブは、流体導入式中空孔形成チューブ(特許ＮＯ.４８０１２１４)を使用するもので、該流体導入式中空孔形成チューブは、少なくとも一方端が開口し内部に前記開口に連通した中空孔を有し、一方端の前記開口から中空孔内に海水が圧入される所定長さの複数本の小径ホースを備え、前記複数本の小径ホースは、それぞれの前記中空孔に海水が圧入されたときに、両端に大径開口及び内部にこれらの開口に連通した大径中空孔が形成される大きさの直径を有する円又は楕円の周上長手方向に、それぞれの前記各開口の一端部を揃えて螺旋状に巻回して、海水が圧入される前は、折畳み又は巻回可能な状態にあり、前記一方の各開口から海水が圧入されたときに、他方の各開口が開口している場合は閉鎖して前記海水の圧力により順次膨らみ前方へ押出されて、前記折畳み又は巻回状態から直進し前記大径開口及び大径中空孔が形成されることを特徴とし、該大径中空孔を通して前記破砕物を移送することを特徴とする。

本発明の第３の態様の海底資源採掘システムに用いる縦移送チューブは、前記流体導入式中空孔形成チューブ、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用いたことを特徴とする。

本発明の第４の態様の海底資源採掘システムは、海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源を掘削する場合において、前記自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の前記海底資源回収船へ直接移送中に直進力・円形力を制御できる移送チューブからなることを特徴とする。

本発明の第５の態様の海底資源採掘システムに用いる移送チューブは、前記流体導入式中空孔形成チューブ、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用いたことを特徴とする。

上記第１の課題解決手段による作用は次のとおりである。すなわち、海底資源採掘装置は、海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源（メタンハイドレート、コバルト、レアメタル他）を掘削する場合において、採掘機と破砕機と送圧機を備えた自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の海底資源回収船へ移送するための送圧機が配されたステージと、前記破砕物を前記自走式採掘装置から前記ステージへ移送中に直進力・円形力を制御できる横移送チューブと、前記ステージから洋上の前記海底資源回収船へ移送中に直進力・円形力を制御できる縦移送チューブからなる。

自走式採掘装置が海底を移動できることで油井方式の１ポイント方式に比し採掘効率が高く、システムの設営や配転が容易である。また、特に日本海側のメタンハイドレート資源が確認されている場所は、カニが多く確認されており、先行事例にあるパイプラインを施設しない事から、底引き漁業に支障をきたすこともない。

また、破砕物を移送途中に海流等に影響を受けない程度の重いステージを設けており、このステージにより採掘作業と移送作業を分けることで、自走式採掘装置が採掘移動時に移送チューブの影響を小さくしたものである。
仮に自走式採掘装置と直接洋上の海底資源回収船を直結したチューブであれば、自走式採掘装置はチューブの重量、形状、海流等の影響を直接受けることで作業効率を落としかねず、また、事故を起こす可能性が高まる恐れがある。
しかしながら、地下資源の存在状況(面積・高さ等)、水深、海流の状態によりステージを設けず直結する方法もあり、後述する第４・５の課題解決手段がそれである。

また、第２の課題解決手段による作用は次のとおりである。すなわち、前記海底資源採掘システムの横移送チューブは、流体導入式中空孔形成チューブを使用するもので、該流体導入式中空孔形成チューブは、少なくとも一方端が開口し内部に前記開口に連通した中空孔を有し、一方端の前記開口から中空孔内に海水が圧入される所定長さの複数本の小径ホースを備え、前記複数本の小径ホースは、それぞれの前記中空孔に海水が圧入されたときに、両端に大径開口及び内部にこれらの開口に連通した大径中空孔が形成される大きさの直径を有する円又は楕円の周上長手方向に、それぞれの前記各開口の一端部を揃えて螺旋状に巻回して、海水が圧入される前は、折畳み又は巻回可能な状態にあり、前記一方の各開口から海水が圧入されたときに、他方の各開口が開口している場合は閉鎖して前記海水の圧力により順次膨らみ前方へ押出されて、前記折畳み又は巻回状態から直進し前記大径開口及び大径中空孔が形成されることを特徴とし、該大径中空孔を通して前記破砕物を移送する方法である。

流体導入式中空孔形成チューブの特徴は、チューブを構成する複数の螺旋状小径ホースの傾斜角によって、具体的には傾斜角が小さいときは直進力が強く働き、傾斜角が大きいときは円形力が強く働く、また、チューブ内の形状は、ホースが螺旋状にあることで、これにより流体は渦巻状となって流れ易く、詰まり等が発生し難い。
また、使用状況により、ホースの使用本数・ホース及びチューブの素材(軽量)・太さや長さが自由に設定でき、可撓性があり、更には折りたたんで保管することも可能である。

この横移送チューブに求められる課題解決は、装置間のチューブの張状態を最適にコントロールして自走式採掘装置の機動性を高めることであり、流体導入式中空孔形成チューブを導入することで可能となる。

また、第３の課題解決手段による作用は次のとおりである。すなわち、海底資源採掘システムの縦移送チューブは、流体導入式中空孔形成チューブ、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用いるもので、縦移送チューブに求められる直進性を最適にコントロールすることが重要となる。フレキシブルチューブは安価であるので、使用特性の変動しない箇所に使用されるのが良い。

これまでの油井方式の１ポイント方式(海底直結)では、海底資源の回収効率が悪く、使用パイプ類は鋼鉄製が主体で重量があり、また、荒海などではパイプの折損リスクも高くなることから停留時の安定技術が求められ、ついては、採掘回収船の大型化や関連設備の重装備から高価にならざるを得なかったが、流体導入式中空孔形成チューブではこうした問題が解決できる。

また、第４の課題解決手段による作用は、第１の課題解決手段に記述した通りで、地下資源の存在状況(面積・高さ等)、水深、海流等の状態により自走式採掘装置の動きにあまり影響を受けないのであれば、自走式採掘装置と洋上の海底資源回収船を直結する方が採掘・回収効率が高くなる。

また、第５の課題解決手段による作用は、第３の課題解決手段に記述した通りで、地下資源の存在状況(面積・高さ等)、水深、海流等の状態により自走式採掘装置の動きにあまり影響がない最適な性能の流体導入式中空孔形成チューブを提供する。
例えば、使用する流体導入式中空孔形成チューブは、自走式採掘装置の移動範囲のものには円形(筒)力の強いものを、その後の海底資源回収船に繋がるものは直進性の強いものを使用することで自走式採掘装置の機動性を損なうことは無い。

上述したように本発明の海底資源採掘システムは、表層型海底資源を効率的・機動的に回収する方法であり、更には漁業環境にも配慮し、且つ低価格化を図ったものである。

上記に記述されていない効果としては、メタンハイドレートの分解時の吸熱対策として、流体導入式中空孔形成チューブに使用している複数本のホースの一部に海面付近の温海水を流通させてチューブ内と熱交換により対処できる。
また、洋上の回収船に回収されたメタンハイドレート塊は、塊の状態のままで直接高圧の保管庫へ収納するなどにより、エネルギー投資・回収効率を高くできる。
更には、破砕物を移送途中に、流体導入式中空孔形成チューブを構成する一部のホース圧を一定間隔で変動させ、破砕物の移送中の形状を変化させて、該破砕物がチューブ内に詰まる等を予防することも想定できる。

図１は海底資源採掘システムの概略図である。 図２は自走式採掘装置の概略図である。 図３はステージの概略図である。 図４は流体導入式中空孔形成チューブの概略図である。 図５は縦移送チューブの配置から稼働までの圧力の変動図である。 図６は海底資源採掘システムによる掘削手順図である。 図７は先行事例の海底資源掘削装置の図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６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においては、全体構成を示しており、海底の表層型メタンハイドレート９を採掘する自走式採掘装置２、ステージ３、海底資源回収船４と前記装置等を繋ぐ移送チューブ５Ａ、５Ｂからなっている。
システム全体は洋上の海底資源回収船４によりコントロールされ、機器の電源も海底資源回収船４から送電される。
なお、海底資源採掘システム１の設置は、船上で全て組み立ててクレーンで吊り下げて海底に降ろす方法による。

図２においては、自走式採掘装置２で採掘機２１と破砕機２２と送圧機２３とで構成されている。
採掘機２１は海底資源９の存在する状況や特性にもよるが、表層型メタンハイドレート９の採掘は、アスファルト舗装の表層を削るドラム式ロードカッター２１２や木材破砕用のドラムチッパーや除雪機などを応用し、５０〜１００ミリメートルの深さを表面掘削して走行する機械が良い。
なお、掘削された不安定なメタンハイドレート塊(軽比重)、メタンガス、砕屑物を飛散させず次工程に送るためのカバー２１１と次工程への集積・送付口を設ける。

また、採掘物のサイズを移送チューブ５Ａ、５Ｂが詰まることが無いように予め定めたサイズ以下にするため、ドラムに使用するビット数などを工夫する。
破砕機２２は前工程から受けた採掘物を、予め定めたサイズ以上のものに破砕する。

送圧機２３は、採掘物が細かく破砕され、また多量の海水に含まれた状態であることから、インペラ式による送圧が可能と思われるが、必要により専用の送圧機を開発する。
また、単独に設置するのでなく、採掘機や破砕機にその機能を持たせる方法もある。
また、移送チューブ５Ａ、５Ｂとの接続は、ねじれや折れの防止のため、回転旋回を自由にできるホース自在継ぎ手２５を取り付けるのが良い。

図３はステージ３の概略図で、前行程から受ける破砕物(メタンハイドレート塊、メタンガス、砕屑物と海水)９１を洋上の海底資源回収船４へ送圧する 送圧機３１を載置し、
また、縦移送チューブ５Ｂを介して連結されている海底資源回収船４の波風や海流の影響を自走式採掘装置２の動きに影響を及ぼさないように中間点を設けたもので、縦移送チューブ５Ｂの動きによりステージが動くことのないだけの重し３２と固定爪３３を持たせている。
なお、自走式採掘装置２に設けられている送圧機２３の送圧能力だけで該海底資源回収船４へ移送が可能であれば、ステージ３の送圧機３１は設けずとも良い。
また、採掘の環境によっては海底資源回収船４へ送圧する方法ではなく、回収船側４から吸引する方法もある。

図４は流体導入式中空孔形成チューブ５で、他の一般チューブと比し該チューブ独自の特徴として、使用中にホースの圧力を調整することでチューブの直進力や円形力を自由にコントロールできるところにある。
そのため、流体導入式中空孔形成チューブ５は、チューブ本体５１に海水圧入装置５１３、海水抜取り装置５１４、切換え弁５１５、連結管５１６、流量計５１７が接続され、圧力をコントロールしている。

その他の特徴として、流体導入式中空孔形成チューブ５は、使用目的に合わせた製作が可能で、軽量で、折りたたんで保管でき、移動が安易であり、チューブ内の形状は、ホースを巻回し螺旋状にあることで、流体は渦巻状と流れ易く、今般のような長距離を、送圧力を落とさずに移送するには最適のチューブである。

本海底資源採掘システム１の装置間の移送チューブ５Ａ、５Ｂの張状態を最適にコントロールするため、自走式採掘装置２の機動性を高める箇所に円形力の強い横移送チューブ５Ａを、荒海、海流や海上までの長距離の移送に直進力の強い縦移送チューブ５Ｂとそれぞれの特徴を最大に生かせるよう配している。

また、必要により、円形力の強いチューブの外側に、前記サイズより大きい直進力の強いもう１つのチューブを設けた２重構造とし、該チューブにかける圧力を制御し必要に応じて円形力、直進力をコントロールする方法もある。
なお、ホース及びチューブの素材(軽量) ・太さや長さ・ホースの使用本数等についての自由度は高いので、採掘する海洋の状況等により選択する。

次に、縦移送チューブ５Ｂは、流体導入式中空孔形成チューブ５、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用いるのが良い。
海底が深いとか海流が強いなどから、縦移送チューブ５Ｂに求められる直進性を最適にコントロールすること、そして機器に接続する箇所の可撓性が重要となる。汎用のフレキシブルチューブは安価であるので、使用特性の変動しない箇所に使用するのが良い。

縦移送チューブ５Ｂは、ステージ３に設けられている送圧機３１との接続の向き(上・横)は、海流等現場の状況により決定する。
なお、海底が深いとか海流が強い場合には、縦移送チューブ５Ｂの位置を安定した状態に置くため、予め定められた間隔に舵付の舵付推進機６を設けると良い。

図５は縦移送チューブ５Ｂの流体導入式中空孔形成チューブ５を使用した時の配置〜稼働までの圧力の変化を説明したものである。
第１段階として、装置を配置するとき、海底資源採掘システム１を船上で全て組み立てて、クレーンで吊り下げて海底８に降ろすときの縦移送チューブ５Ｂに使用した流体導入式中空孔形成チューブ５の状態で、チューブ及びそれを構成するホースの両端は解放状態にして海上７から海底８へ降ろす。

次に、稼働前の準備段階として、チューブ５１を構成する小径ホース５１２の先端部を閉じ、海水圧入装置５１３により海水を小径ホース５１２内へ注入する。
注入圧力は採掘する環境によるが、１０〜２０気圧を想定しており、これによりチューブが直進・硬化した状態になる。

次は運転時の状況で、直進した大径中空孔５１１を通して、採掘物(メタンハイドレート塊・海水・メタンガス・砕屑物)９１を送圧しているときの状況を示している。

図６はメタンハイドレート９を採掘する手順を説明したものである。
直径数百ｍ、深さ数十ｍで塊状のメタンハイドレートの表層型集積体上に配置した自走式採掘装置２が、あらかじめ定められた範囲を、数cm〜十数cm程度を削り取りながら地盤
全面を平たんに掘り下げていく過程を表したものである。

１ 海底資源採掘システム
２ 自走式採掘装置
２１ 採掘機
２１１ カバー
２１２ ドラム式ロードカッター
２２ 破砕機
２３ 送圧機
２４ キャタピラ
２５ ホース自在継ぎ手
３ ステージ
３１ 送圧機
３２ 重し
３３ 固定爪
４ 海底資源回収船
５ 流体導入式中空孔形成チューブシステム
５１ チューブ本体
５１１ 大径中空孔
５１２ 小径ホース
５１３ 海水圧入装置
５１４ 海水抜取り装置
５１５ 切換え弁
５１６ 連結管
５１７ 流量計
５Ａ 横移送チューブ
５Ｂ 縦移送チューブ
６ 舵付推進機
７ 海上
８ 海底
９ 海底資源(メタンハイドレート)
９１ 破砕物(塊状海底資源、海底資源ガス・砕屑物および海水)

Claims (5)

1. 海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源（メタンハイドレート、コバルト、レアメタル他）を掘削する場合において、採掘機と破砕機と送圧機を備えた自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の海底資源回収船へ移送するための送圧機が配されたステージと、前記破砕物を前記自走式採掘装置から前記ステージへ移送中に直進力・円形力を制御できる横移送チューブと、前記ステージから洋上の前記海底資源回収船へ移送中に直進力・円形力を制御できる縦移送チューブからなることを特徴とする海底資源採掘システム。
2. 前記海底資源採掘システムの横移送チューブは、流体導入式中空孔形成チューブを使用するもので、該流体導入式中空孔形成チューブは、少なくとも一方端が開口し内部に前記開口に連通した中空孔を有し、一方端の前記開口から中空孔内に海水が圧入される所定長さの複数本の小径ホースを備え、前記複数本の小径ホースは、それぞれの前記中空孔に海水が圧入されたときに、両端に大径開口及び内部にこれらの開口に連通した大径中空孔が形成される大きさの直径を有する円又は楕円の周上長手方向に、それぞれの前記各開口の一端部を揃えて螺旋状に巻回して、海水が圧入される前は、折畳み又は巻回可能な状態にあり、前記一方の各開口から海水が圧入されたときに、他方の各開口が開口している場合は閉鎖して前記海水の圧力により順次膨らみ前方へ押出されて、前記折畳み又は巻回状態から直進し前記大径開口及び大径中空孔が形成されることを特徴とし、該大径中空孔を通して前記破砕物を移送する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。
3. 前記海底資源採掘システムの縦移送チューブは、前記流体導入式中空孔形成チューブ、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用い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. 海底に存在する表層及び堆積物中に存在する地下資源を掘削する場合において、前記自走式採掘装置と、該自走式採掘装置から送り出された破砕物を洋上の前記海底資源回収船へ直接移送中に直進力・円形力を制御できる移送チューブからなることを特徴とする海底資源採掘システム。
5. 前項の海底資源採掘システムに用いる移送チューブは、前記流体導入式中空孔形成チューブ、もしくは該流体導入式中空孔形成チューブと一部にフレキシブルチューブを組み合わせて用いたことを特徴とする請求項４に記載の海底資源採掘システム

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