JP2021014740A - ベンチュリ効果を利用した高圧水ジェット噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧水ノズルより噴射される高圧水ジェットの土壌内等への到達距離を飛躍的に伸ばすことにより、レアアース泥並びにメタンハイドレートの回収量を高め経済性を改善する。【解決手段】大水深の海底面下に賦存する鉱物資源の採掘において使用する高圧水ジェット噴射装置であって、内管と外管の二重管で構成され、内管側から高圧水を注入し内管の先端の高圧水ノズルから高圧水ジェットを噴射する構造と、前記高圧水ノズルと外管の先端のスロートとの間隙にベンチュリ効果により発生する負圧を利用して、内管の外側と外管の内側との間隙から気体を吸い込み、前記高圧水ノズルから噴射される前記高圧水ジェットに気体皮膜として纏わせる構造と、からなる高圧水ジェット噴射装置。【選択図】図‐１

Description

土壌内等を、効率よく切削・粉砕する高圧水ジェット噴射装置に関する。

近年、世界的に海洋鉱物資源の権益を確保する動きが活発化している。海洋鉱物資源は、分布する場所、形成の仕方、形状、含まれる元素の違いなどから、メタンハイドレート（以下、ＭＨ）、海底熱水鉱床、コバルトリッチクラスト、マンガン団塊及びレアアースを含む泥質堆積物（以下、レアアース泥）等に分けることができる。これらの資源は、ＭＨ等の炭化水素や銅・鉛・亜鉛などのベースメタルやレアメタルなどの金属元素を含むが、日本からはるか遠い海域に分布しているものから、日本周辺の海域に分布しているものまで様々である。
特に、南鳥島周辺の排他的経済水域内にある水深４，０００〜６，０００ｍのレアアース泥に、数千ｐｐｍ以上のレアアースが含まれることが注目され、新たな資源としての可能性が指摘されている。レアアースは、我が国の先端産業にとって不可欠な元素であり、その供給は特定国の政策の影響を受けやすく、安定的な調達のための新たな供給源の確保が求められている。
また、海洋鉱物資源の一種であり、非在来型の天然ガス資源のひとつであるＭＨは、極地付近の地下や水深５００ｍ〜５，０００ｍの海底面下の堆積物中や海底面付近に分布しており、日本周辺海域においても相当量の賦存が見込まれていることもあり、ＭＨは我が国のエネルギー安定供給に極めて大きく貢献する新たな国産エネルギー資源になるものと考えられている。
このため、我が国の海洋鉱物資源であるレアアース泥やＭＨを開発できる可能性が示されれば、レアアースを利用する先端産業分野の国際競争力の確保や新用途・産業分野の創出及びエネルギー安定供給に極めて大きく貢献すると考えられ、将来の開発・生産を念頭にした生産技術の確立は重要なテーマである。

我が国は、その地形、地質、気象等の自然条件から、地震、火山噴火、台風、豪雪等による災害が発生しやすい国土といわれている。また、全人口の９０％以上が国土の２５％しかない都市部に集中し、その都市経済活動で国内総生産の８０％以上を生み出すという状況も報告されている。また、このような都市部においては、建築物が密集しているうえに軟弱地盤も多く、こうした環境が良質な社会資本を整備する障害となっていることが指摘されている。このような環境の中で、軟弱地盤における地盤改良工事を安全かつ土壌を切開しないで施工する技術の確立は重要なテーマである。

水深５００〜５，０００ｍの海底付近に形成された密集した塊状のＭＨである表層型ＭＨの回収方法においては、特開２００３−２１４０８２においては、地層に嵌入させた掘採管から高圧水ジェットを噴射し、その地層を切削・粉砕したガス含有流体を浮遊式掘削船上に移送するとともに、浮遊式掘削船上に移送した地山体積相当を高速噴流体の構成分で充填させることを特徴とする回収方法、特表２０１２−５１８１０２ではライザーにより掘削機を海底面に降下し、海底面からＭＨ層を直接切削・粉砕し、海底にて分離したＭＨ・水を海中ポンプにより昇圧して海上に移送することを特徴とする回収方法、特開２０１４−１５９７１０では海底移動掘削設備を昇降ウインチにより海底面に降下し、高圧水ノズル先端に取り付けたビットによりＭＨ層を直接破砕し、高圧ポンプにより昇圧して海上に移送することを特徴とする回収方法が提案されている。

また、特許第６４３２９１６号では、海底面と坑井内を隔離した閉鎖環境の中で掘削装置を坑井内に降下して高圧水をノズルから噴射することによりＭＨを切削・粉砕し、高圧水ポンプにより昇圧して海上に移送することを特徴とする回収方法が提案されている。この手法は、レアアース泥にも応用可能である。

特開２００３−２１４０８２ 特表２０１２−５１８１０２ 特開２０１４−１５９７１０ 特許第６４３２９１６号

特開２００３−２１４０８２の回収方法では、ＭＨ掘採装置と海底面下のＭＨ層とは、掘採管、高速流体導管及び高圧管の３種類の管により連結され３重構造となっている。このような構造は浮遊式掘削船に波の波動を吸収するための波動吸収装置、天候急変や浮遊式掘削船の動力停止等の緊急事態が発生した場合にパイプを切断・坑井密閉して掘削ロケーションから離脱するための緊急密閉装置（ＢＯＰ）や潮流・風向変化に対して自動的に船位を保持するための自動船位保持装置を備える必要があるため、これらの装置を運転・維持するための構造が複雑となり、現実的に安全に作業するのは難しいと考えられる。
また、特表２０１２−５１８１０２並びに特開２０１４−１５９７１０の回収方法では、ＭＨ採取後に大きな窪みが生じ、軟弱な海底地層においては海底地形の変形や地滑り等の発生や表層のＭＨ層を切削・粉砕することによる、砂／泥の海水中への撹乱等の問題が発生する可能性が考えられる。

特許第６４３２９１６号の回収方法では、ＭＨの採掘を、海底面と坑井内を隔離した閉鎖環境の中で行うため、砂／泥の海水中への撹乱等を発生させずに行うことが出来、ＭＨを分離した後の水分を含む砂／泥については、採掘後の空隙に充填し埋め戻すため、地盤沈下等による海底地形の変形や地滑り等を防ぐことが出来る。
また、掘削用パイプを切断並びに坑井を密閉する機能を持った緊急密閉装置（ＢＯＰ）、ホースを切り離すスイベル及び自動船位保持装置を備えているため、天候急変や浮遊式掘削船の動力停止等の緊急事態が発生した場合、安全に掘削ロケーションから離脱することが出来る。

この回収方法が提案された時点で、高圧水ジェットの土壌内到達距離を伸ばし、経済性を高めるための課題について詳しくは検討されていなかった。このため、掘削パイプ（二重構造）の内管の外側と外管の内側とを通して地表より気体を吸い込み、高圧水ノズルより噴射される高圧水ジェットに気体皮膜として纏わせて水中に噴射することにより、土壌等の内部への到達距離を飛躍的に伸ばすことにより、レアアース泥並びにＭＨの回収量を高め経済性を改善する手法について提案した。

尚、ベンチュリ効果により発生する負圧を利用して地表より吸い込まれる気体に空気を使用することがあるが、切削・粉砕する土壌にメタンガス等の炭化水素が含まれていた場合、これを誘爆させる危険性がある。このため、気体については窒素などの不燃性ガスや土壌に含まれる炭化水素と同等の炭化水素ガスを用いる必要がある。

本発明は、大水深（おおむね５００ｍ以深）の海底面下に賦存する鉱物資源の採掘において使用する高圧水ジェット噴射装置であって、内管と外管の二重管で構成され、内管の内側から高圧水を注入し内管の先端の高圧水ノズルから高圧水ジェットを噴射する構造と、前記高圧水ノズルと外管の先端のスロートとの間隙にベンチュリ効果により発生する負圧を利用して、内管の外側と外管の内側との間隙から気体を吸い込み、前記高圧水ノズルから噴射される前記高圧水ジェットに気体皮膜として纏わせる構造と、からなる高圧水ジェット噴射装置、であることを特徴とする。
なお高圧水の噴射圧力は、おおむね３５ＭＰａＧ以上である。

ＭＨの採掘に本発明を適用する場合は、００１１段落に記載の気体として炭化水素ガスを使用すれば、誘爆などの危険性を除くことが出来、また採掘されるＭＨに炭化水素ガス以外のガスが混入し製品価値が低下することを防止できる。

またレアアース泥の採掘に本発明を適用する場合には、ＭＨの採掘のように製品価値の低下の懸念がないため、誘爆などの危険性を除くためには００１１段落に記載の気体として窒素などの不燃性ガスを使用してもよい。

本発明を採用することで、高圧水ノズルから噴射する高圧水ジェットとスロートとの間隙にベンチュリ効果により発生する負圧を利用して地表から気体を吸い込むことにより、高圧水ジェットに気体皮膜として纏わせ、高圧水ジェットの空中噴射に近い条件を与えることにより、土壌内等への到達距離を飛躍的に伸ばすことが可能となる。

掘削パイプ（二重構造）の内管の外側と外管の内側との間隙を通して高圧水ジェットとスロートとの間隙にベンチュリ効果により発生する負圧を利用して地表より気体を吸い込むため、地表において気体を高圧水ノズルまで圧入するための気体昇圧機／気体／配管などの関連設備並びにその設置スペースが不要になる効果もある。

本発明の高圧水ジェット噴射装置を示す図である。

図−１を参照しながら本発明を実施するための形態を記す。掘削用高圧水ポンプユニットから掘削パイプ（二重構造）の内管１０１の内側を通して高圧水１０５をポンプしながら、高圧水ノズル１０３より高圧水ジェット１０８として噴射させ、高圧水ジェット１０８とスロート１０４との間隙にベンチュリ効果により発生する負圧により、掘削パイプ（二重管）の内管１０１の外側と外管１０２の内側との間隙を通して地表より気体１０６を吸い込む。高圧水ノズル１０３より噴射された高圧水ジェット１０８は、掘削パイプ（二重管）の内管の外側と外管の内側との間隙を通して地表より吸い込まれた気体を気体皮膜１０７として纏わせて、土壌内等への到達距離を飛躍的に伸ばす。

１０１ 内管
１０２ 外管
１０３ 高圧水ノズル
１０４ スロート
１０５ 高圧水
１０６ 気体
１０７ 気体皮膜
１０８ 高圧水ジェット

日本海に代表される表層型ＭＨと呼ばれる水深５００〜５，０００ｍの海底付近に形成された密集した塊状のＭＨの採掘や、南鳥島周辺の排他的経済水域内にある水深４，０００〜６，０００ｍの泥質堆積物（レアアース泥）の採掘や、陸上の都市部における建築物が密集している軟弱地盤の地盤改良工事における安全かつ土壌を切開しない施工方法などに高圧水ジェット噴射装置を使用する場合について、本発明を適用することにより、土壌内等への高圧水ジェットの到達距離が飛躍的に伸びることによって経済性が高くなるため、産業上の利用可能性が高いと判断する。

Claims (3)

1. 大水深の海底面下に賦存する鉱物資源の採掘において使用する高圧水ジェット噴射装置であって、
   内管と外管の二重管で構成され、
   内管側から高圧水を注入し内管の先端の高圧水ノズルから高圧水ジェットを噴射する構造と、
   前記高圧水ノズルと外管の先端のスロートとの間隙にベンチュリ効果により発生する負圧を利用して、内管の外側と外管の内側との間隙から気体を吸い込み、前記高圧水ノズルから噴射される前記高圧水ジェットに気体皮膜として纏わせる構造と、
   からなる高圧水ジェット噴射装置。
2. 気体として炭化水素ガスを使用する、請求項１に記載の高圧水ジェット噴射装置。
3. 気体として不燃性ガスを使用する、請求項１に記載の高圧水ジェット噴射装置。