JP6813990B2 - 海底鉱床の採鉱探査方法、並びに、海底鉱床採鉱探査基地、海底鉱床探査装置および蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、海底鉱床を探査する技術に関する。

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。

海底鉱床には、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、様々な機関で海底鉱床の試掘調査が行なわれ、また、海底鉱床の探査方法や探査装置についても種々提案されている。例えば、学術的探査では、海上の探査船から掘削機を垂下して竪穴でコアを掘り出し、掘り出したコアを地上で詳細に分析することが従来から行われている。

しかし、このような探査方法は用船費が甚大であり、また、掘り出したコアを地上で分析するため、海底の探査範囲を連続して広範囲を探査することが難しい。そのため、採算面をも考慮した産業的探査として採用するには難点がある。
ここで、連続して広範囲を探査し得る探査方法として、電磁波探査方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。非特許文献１記載の電磁波探査方法では、深海潜水船と支援母船とにより海底鉱床の電磁波探査を行うことで、連続して広範囲を探査できる。

海底資源探査に向けた磁気探査装置の開発 東海大学紀要海洋学部「海−自然と文化」 第８巻第２号２３−４０頁（２０１０）

しかしながら、非特許文献１記載の電磁波探査方法は、鉱床の周縁部分の概略の境界は判るものの、有用金属の存在量の正確な分析や、鉱床の厚みを正確に判断する上で不十分である。また、複雑な地形や磁気異常のあるような海底熱水鉱床では必ずしも所望の探査が行えないおそれがある。
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、海底鉱床の産業的探査に好適な、海底で広範囲を連続して効率良く探査し得る海底鉱床の採鉱探査方法、並びに、海底鉱床採鉱探査基地、海底鉱床探査装置および蛍光Ｘ線分析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、本発明の一態様に係る海底鉱床の採鉱探査方法は、海底鉱床から鉱物を揚鉱する揚鉱モードと、前記海底鉱床の鉱物に含有される有用金属の品位を海中で分析する分析モードと、を選択してまたは同時に実行可能な機器を用いた海底鉱床の採鉱探査方法であって、前記揚鉱モードは、海底にさく孔により有底穴を形成することで鉱物を採掘する採掘工程と、該採掘工程で採掘された鉱物を海中でスラリーにするスラリー生成工程と、該スラリー生成工程で生成されたスラリーを揚鉱する揚鉱工程と、を含み、前記分析モードは、前記スラリー生成工程で生成されたスラリーを海中で検査筒に回収する回収工程と、前記検査筒内のスラリーを海中で分析する分析工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底鉱床の採鉱探査方法によれば、試料の分析時には、海底にさく孔により有底穴を形成し、採掘された試料を海中でスラリーとし、そのスラリー化された海底鉱物を海中で検査筒に回収し、その検査筒内のスラリーを海中で分析できる。そのため、一連の工程全てを海中で連続して行えるので、試料の分析時に揚鉱が不要であり、海底で広範囲を連続して効率良く探査できる。また、探査を行いつつ、または探査を行わないで、スラリー状の海底鉱物を揚鉱することができる。
なお、本発明において、「海中」とは、海水との接触状態を問わず「海のなか」の意である。例えば、仮に有底穴内に海水が無い場合であっても、有底穴の内部は、「海中」にあたる。分析工程で用いる分析装置等について同様である。

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床採鉱探査基地は、本発明の一態様に係る海底鉱床の採鉱探査方法に用いられる前記機器であって、海中に配置されて且つ海底に立設されるとともにＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自走可能なプラットフォームと、該プラットフォームに装備されて海底に有底穴を形成しつつその有底穴内から採掘された鉱物を海中でスラリーにして吸込管を介して揚鉱管に移送可能に構成されるとともに、前記吸込管から分岐する分岐管から前記スラリーを検査筒に回収可能に構成される採掘装置と、前記検査筒を含み該検査筒内のスラリーを海中で分析する分析装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底鉱床採鉱探査基地によれば、採掘装置は、採掘された海底鉱物の試料をスラリーにして海中で検査筒に回収し、分析装置は、検査筒内のスラリーを海中で分析するため、試料となるスラリーの分析時に揚鉱が不要である。
そして、採掘装置は、プラットフォームに装備され、プラットフォームは、海中に配置されて且つ海底に立設されるとともにＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自走可能なので、海底で広範囲を連続して効率良く探査できる。また、探査を行いつつ、または探査を行わないで、スラリー状の海底鉱物を揚鉱することができる。

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床採鉱探査装置は、本発明の一態様に係る海底鉱床の採鉱探査方法に用いられる前記機器であって、海底にさく孔により有底穴を形成することで試料を採掘する採掘部と、該採掘部で採掘された試料を海中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吸込管を介して揚鉱管に移送可能に構成されるとともに、前記吸込管から分岐する分岐管から前記スラリーを海中で検査筒に回収するスラリー回収部と、前記検査筒内のスラリーを海中で分析する分析部と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底鉱床採鉱探査装置によれば、採掘部は、海底にさく孔により有底穴を形成することで試料を採掘し、スラリー生成部は、採掘部で採掘された試料を海中でスラリーにし、スラリー回収部は、スラリー生成部で生成されたスラリーを海中で検査筒に回収し、分析部は、検査筒内のスラリーを海中で分析できる。よって、この海底鉱物分析装置によれば、一連の探査ステップを海中で行えるので、試料となるスラリーの分析時の揚鉱が不要であり、海底で広範囲を連続して効率良く探査できる。さらに、スラリー回収部は、スラリー生成部で生成されたスラリーを吸込管を介して揚鉱管に移送可能に構成されるので、探査を行いつつ、または探査を行わないで、スラリー状の海底鉱物を揚鉱することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る蛍光Ｘ線分析装置は、本発明の一態様に係る海底鉱床の採鉱探査方法における前記分析工程で用いられる蛍光Ｘ線分析装置であって、海底から採掘された試料を海中で収容可能に設けられて自身周面に窓穴が形成された円管状の検査筒と、Ｘ線を透過可能な窓部が前記窓穴に臨むように前記検査筒の周面に付設される圧力容器と、該圧力容器内に設けられて前記窓部に対向配置されて前記窓部を介して前記試料に一次Ｘ線を照射する照射部と、前記圧力容器内に設けられて前記試料から発生する蛍光Ｘ線を前記窓部を介して検出する検出部と、該検出部での蛍光Ｘ線の検出結果に基づいた元素分析を行う元素分析部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る蛍光Ｘ線分析装置によれば、円管状の検査筒は、海底から採掘された試料を海中で収容可能であり、検査筒の周面には窓穴が形成され、その窓穴にＸ線を透過可能な窓部が臨むように検査筒の周面に圧力容器が付設されている。そして、その圧力容器内には、窓部を介して試料に一次Ｘ線を照射する照射部と、試料から発生する蛍光Ｘ線を、窓部を介して検出する検出部とが設けられ、さらに、元素分析部は、検出部での蛍光Ｘ線の検出結果に基づいた元素分析を行うことができる。よって、この蛍光Ｘ線分析装置によれば、一連の分析作業を海中で行えるので、試料の分析時に揚鉱が不要であり、海底で広範囲を連続して効率良く探査する際の分析装置として優れている。なお、本発明の一態様に係る蛍光Ｘ線分析装置において、元素分析部の存する場所は、海中に限定されず、例えば、検出部の検出情報を、信号線を介して海上基地の元素分析部に送信してもよい。
ここで、本発明の一態様に係る蛍光Ｘ線分析装置において、前記窓部は、前記照射部からのＸ線および前記試料に照射して得られる蛍光Ｘ線を透過させるアクリル製の探査用ドームであり、耐圧構造として凸の半球状に検査筒側に張り出していることは好ましい。

上述のように、本発明によれば、海底で広範囲を連続して効率良く探査できる。

本発明の一実施形態に係る採鉱探査システムの全体構成を説明する模式図である。 図１の採鉱探査システムの採掘探査基地の模式的説明図であり、同図(ａ)は海底鉱床全体の平面視、(ｂ)は一の採掘探査基地の正面視（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２の採掘探査基地の一実施形態を説明する模式的斜視図である。 採掘探査基地に装備される採掘探査装置を説明する模式的正面図である。 図４の採掘探査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４の採掘探査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４の採掘探査装置に装備された蛍光Ｘ線分析装置の要部説明図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。 図１の採鉱探査システムによる海底鉱床の採掘・探査方法の説明図であり、同図(ａ)は一の採掘探査基地の正面視、(ｂ)は海底鉱床の所定領域の平面視をそれぞれ模式的に示している。 本発明の一態様に係る採掘装置本体の変形例の縦断面図である。 本発明の一態様に係る採掘探査基地のプラットフォームの第一変形例の模式的平面図（(ａ)〜(ｃ)）である。 本発明の一態様に係る採掘探査基地のプラットフォームの第二変形例の模式的斜視図である。

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。

まず、本実施形態の採鉱探査システムの全体構成について説明する。
この採鉱探査システムは、海底鉱床の探査および採掘が可能なシステムであって、図１に示すように、海上基地として海上ＳＬに配置される母船１と、海底ＳＢに配置される採鉱探査基地２０および揚鉱ユニット４とを有する。なお、海中での探査を限って行い、揚鉱を行わない場合には、揚鉱ユニット４とこれに関連する揚鉱設備を不要とすることができる。

この採鉱探査システムでは、一または複数の採鉱探査基地２０を用いる。同図では複数の採鉱探査基地２０を用いている。各採鉱探査基地２０には、一または複数の採掘探査装置３０が装備される。同図では、各採鉱探査基地２０に二機の採掘探査装置３０が装備されている。
各採掘探査装置３０は、海底ＳＢないし海底鉱床ＯＤに、さく孔により有底穴である竪穴ＶＨを形成可能に構成されている。また、各採掘探査装置３０は、海底鉱物を竪穴ＶＨ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、この採鉱探査システムでは、各採掘探査装置３０は、採掘されたスラリー状の海底鉱物を、海中で検査筒に回収するとともに、検査筒内のスラリーを、蛍光Ｘ線分析器を用いて海中で分析可能に構成されている。

また、この採鉱探査システムでは、採掘されたスラリー状の海底鉱物を海上に揚鉱することも可能であり、海上に揚鉱する場合には、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を介して母船１に揚鉱可能に構成されている。
詳しくは、本実施形態の例では、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および採鉱探査基地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。母船１は、架設配置用母船２よりも小型の船舶なので、架設配置用母船２に比べて用船費が安価である。

架設配置用母船２には、揚鉱ユニット４および採鉱探査基地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の所期の探査位置ないし採掘位置まで採鉱探査基地２０を搬送し、作業機１１のワイヤ１１ｗで採鉱探査基地２０を垂下して海底ＳＢに立設する。また、同様にして、揚鉱を行う場合には、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。

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。制御用コンピュータは、後述する、揚鉱モード、探査モード、および探査・揚鉱モードのプログラムを実行可能に構成されている。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に配置された採鉱探査基地２０および揚鉱ユニット４に接続され、採鉱探査基地２０および採掘探査装置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。

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を介して採鉱探査基地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。

揚鉱用ポンプ２５は、上記揚鉱管６を介して母船１と接続される。揚鉱管６は、採鉱探査基地２０で採掘したスラリー状の鉱物を母船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の母船１まで到達し、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を母船１と換装して、母船１に揚鉱された海底鉱物を必要な場所に移送する。

次に、上記採鉱探査基地２０について詳しく説明する。
図２に示すように、採鉱探査基地２０は、平面視が、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。

本実施形態の例では、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。なお、本実施形態は、探査に限らず、探査とともに採鉱をも可能とする例なので、移動フレーム４３を備える例を示したが、これに限定されず、探査専用とする場合には、移動フレーム４３を設けずに、スライド移動しないフレーム固定構造とすることが好ましい。

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、採掘探査装置３０のＺ方向の送り機構を構成する。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。
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、採鉱探査基地２０および採掘探査装置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、採鉱探査基地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、各採鉱探査基地２０は、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、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、採鉱探査基地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探査装置３０に供給し、ガイドシェル４８に設けられた採掘探査装置３０を駆動可能になっている。

次に、採鉱探査基地２０に装備された採掘探査装置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を介して採掘探査装置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。

採掘探査装置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、この採掘探査装置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、上下に分岐しており、上方に延びる本管５は、上記吸込チャンバ５１を介して分級器２７に接続される。一方、本管５から分岐して、採掘探査装置３０に沿って下方に延びる分岐管５ｊには、蛍光Ｘ線分析装置６０が接続されている。

次に、上記採掘探査装置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、この採掘探査装置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。

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、採掘探査装置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、採鉱探査基地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。

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。
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。

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。

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。
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。

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、採掘探査装置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。
したがって、この採掘探査装置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探査装置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、この採掘探査装置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。

また、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、海上の母船１に揚鉱可能である。さらに、この採掘探査装置３０によれば、吸込管５から分岐する分岐管５ｊに接続された蛍光Ｘ線分析装置６０により、後述するように、海底ＳＢで広範囲を連続して効率良く探査可能である。

次に、上記蛍光Ｘ線分析装置６０の構成について説明する。この蛍光Ｘ線分析装置６０は、海底鉱床ＯＤから採掘された試料であるスラリー状の鉱物を、蛍光Ｘ線分析器６１を用いて海中で分析する分析部であり、また、分析装置である。
詳しくは、蛍光Ｘ線分析装置６０は、図４に示すように、分岐管５ｊに自身上部が接続される円管状の検査筒６５と、検査筒６５の周面に装着された圧力容器６６と、圧力容器６６内に収容された蛍光Ｘ線分析器６１とを備える。検査筒６５は、分岐管５ｊの下端に設けられたフランジ部５ｆで分岐管５ｊと相互に着脱可能に多数のボルト・ナットにより接続されている。検査筒６５の下部開口６５ｐには、液圧駆動式のシリンダ７２によって開閉可能な開閉蓋７３が装備されている。

開閉蓋７３は、シリンダ７２の伸縮に応じて自身基端部のヒンジまわりに回動され、下部開口６５ｐを閉じた閉じ位置Ｔと、下部開口６５ｐを開いた開き位置Ｈとに位置可能になっている。ここで、開閉蓋７３は、スラリー状の鉱物の平均粒径を考慮したメッシュ構造を有し、閉じ位置Ｔでは、スラリー状の鉱物を検査筒６５内に保持しつつ、余分な海水を、メッシュ構造を通して下部開口６５ｐから排出可能になっている。

さらに、吸込管５の途中部分には、以下不図示の、管路の内圧を検出する圧力検出器と、吸込管５の流路を開閉する開閉弁とが設けられ、これらは、上記シリンダ７２とともに、上記制御用コンピュータの制御部を含む流路管理手段として機能する。つまり、揚鉱モードのとき、制御部は、圧力検出器の検出圧にかかわらず、開閉弁を常に開いて吸込管５から吸込チャンバ５１に至る揚鉱流路を確保する揚鉱流路確保処理を行う。

これに対し、探査モードのとき、制御部は、シリンダ７２の駆動により開閉蓋７３を閉じ位置Ｔにするとともに、吸込管５の内圧が所定以内であれば開閉弁を閉じる一方、所定を超えたときには開閉弁を開くことで、吸込管５から吸込チャンバ５１へのスラリー状の鉱物の吸い込み状態を管理する探査流路管理処理を行う。これにより、上記制御用コンピュータからの指令が探査モードのときは、採掘装置本体１０により海底鉱床ＯＤから採掘された試料であるスラリー状の鉱物は、吸込管５の分岐管５ｊから蛍光Ｘ線分析装置６０の検査筒６５の内部に海中で収容可能になっている。

圧力容器６６は、海底２０００ｍでの水圧に耐えられるものであり、検査筒６５の軸方向略中央の周面に、検査筒６５の軸線と直交方向から付設される。圧力容器６６は、図７に拡大図示するように、自身軸方向の中央に設けられた円筒状の胴部６８と、胴部６８の先端側に装着された凸の半球状の探査用ドーム６７と、胴部６８の後端側に装着された凸の半球状の後部ドーム６９とを有する。
探査用ドーム６７と胴部６８との合せ面、および後部ドーム６９と胴部６８との合せ面には、それぞれ円環状のフランジが各部材それぞれに設けられ、対向するフランジ相互は、多数のボルト・ナットによって締結されている。また、圧力容器６６全体は、検査筒６５の外周面に対して二本の固縛ワイヤによって固縛されて固定されている。

ここで、本実施形態では、圧力容器６６の探査用ドーム６７が、上記「課題を解決する手段」に記載の「窓部」を兼ねている。つまり、この探査用ドーム６７は、照射部からのＸ線および試料に照射して得られる蛍光Ｘ線を透過させるアクリル製である。そして、探査用ドーム６７は、耐圧構造として凸の半球状をなすところ、検査筒６５の周面には、円形の窓穴６５ｈが形成され、探査用ドーム６７は、窓穴６５ｈに臨むように検査筒６５の周面に付設され、窓穴６５ｈから検査筒６５側に凸の半球状に張り出して窓部を構成している。

圧力容器６６の内部には、蛍光Ｘ線分析器６１が装備されている。蛍光Ｘ線分析器６１は、照射部６２、検出部６３および元素分析部６４を有する。照射部６２は、探査用ドーム６７の凸部に対向配置され、探査用ドーム６７を介して検査筒６５内の、探査用ドーム６７との対向位置６５ｎに存するスラリーに一次Ｘ線を照射可能になっている。また、検出部６３は、照射部６２に隣接して探査用ドーム６７に対向配置され、一次Ｘ線の照射によって検査筒６５内のスラリーから発生する蛍光Ｘ線を探査用ドーム６７を介して検出可能になっている。

元素分析部６４は、検出部６３での蛍光Ｘ線の検出結果に基づいた元素分析が可能に構成されている。元素分析部６４からは、ケーブル６４ｓが、圧力容器６６の後部ドーム６９の中央から外部に導出され、導出されたケーブル６４ｓが、アンビリカルケーブル８を介して上記母船１との間で必要な電力の供給および分析結果の情報を出力可能なように母船１の制御用コンピュータに接続されている。

なお、周知の蛍光Ｘ線分析器は、試料を構成する元素（原子）に一次Ｘ線を当て、これにより、試料中に存する元素からその元素固有のエネルギーを持つ蛍光Ｘ線を発生させる。そして、この発生した蛍光Ｘ線（特性Ｘ線）を分光して得られたスペクトルから、試料中に含まれる元素とその量に係る情報を分析する装置であるところ、本実施形態の蛍光Ｘ線分析器６１もこれと同様の原理に基づくものである。ここで、本実施形態の蛍光Ｘ線分析器６１で分析したい海底鉱床のスラリー中の金属は、主に、金、銀、銅といった重金属なので、探査用ドーム６７の窓部を構成するアクリル板に蛍光Ｘ線を透過させても所期の分析が可能である。

次に、上述した採鉱探査システムによる海底ＳＢの探査手順、および、海底鉱床ＯＤから鉱物を揚鉱する手順について説明するとともに、上述した採鉱探査システム、採鉱探査基地２０、採掘探査装置３０および蛍光Ｘ線分析装置６０の作用・効果、並びに、これら設備を用いる海底鉱物の探査・採掘方法の作用・効果について説明する。

まず、上述の採鉱探査システムにより海底ＳＢの探査・採掘を行う際は、図１に示したように、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、採鉱探査基地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、必要に応じ、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。

機材の設置後、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、採鉱探査基地２０および採掘探査装置３０並びに揚鉱ユニット４を必要に応じ駆動して海底鉱床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、採鉱探査基地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。
ここで、採鉱探査基地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、採掘探査装置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。
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。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。

高圧水供給ポンプから採掘探査装置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による採掘探査装置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探査装置３０の回転駆動がなされる。
そのため、この採掘探査装置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、この採掘探査装置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）。

そして、この採掘探査装置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。

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、この採掘探査装置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、採掘探査装置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）。
ここで、探査を行う上では必ずしもスラリー化する必要はなく、むしろ含水量が少ない方が分析の上では好ましい。但し、本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置６０のように、圧力容器６６が半球状の探査用ドーム６７を有する構成の場合、蛍光Ｘ線分析器６１の照射部６２／検出部６３から試料までの距離が近い方が好ましく、耐圧構造のドーム型に試料を偏りなく載置すると言う意味では粒状が好ましい。また、試料が粒状であることも、本実施形態の採掘探査装置３０の破砕方式から得られたもので、これに限定するものではなく、通常の資源探査同様に、コアドリルを用いて試料を得ることもできる。但し、サンプリングのスピードは、本実施形態の採掘探査装置３０の方がコアドリルに比べて格段に速いといえる。

さらに、この採掘探査装置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、採掘探査装置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。よって、海水の懸濁を防止または抑制する上で優れている。

ここで、海底鉱床ＯＤの探査を行う場合、オペレータは、母船１の制御用コンピュータに探査モードのプログラムを実行させる。これにより、制御用コンピュータは探査モードの実行指令を、アンビリカルケーブル８を介して採鉱探査基地２０を含む必要な機器に送信する。探査モードが実行されると、制御用コンピュータは、上記探査流路管理処理のもと、上記流路管理手段により吸込管５の連通状態を管理し、これにより、海底鉱床ＯＤから採掘されて吸込管５に吸入したスラリー状の鉱物は、分岐管５ｊから蛍光Ｘ線分析装置６０の検査筒６５に導入されて、試料として検査筒６５に回収される（スラリー回収部、回収工程に対応）。

検査筒６５へのスラリーの回収量は、例えば上記流路管理手段の圧力検出器の検出圧力や、採掘探査装置３０の給進量、給進時間等の管理パラメータに基づき管理できる。そして、蛍光Ｘ線分析装置６０の検査筒６５内に収容されたスラリーは、上記蛍光Ｘ線分析器６１を用いて海中で分析される（分析部、分析工程に対応）。分析結果は、分析部６４からケーブル６４ｓ、およびアンビリカルケーブル８を介して母船１の制御用コンピュータに送られる。これにより、海底鉱床から随時に採掘された試料を海中で分析できる。

蛍光Ｘ線分析装置６０による採掘試料の分析は、探査目的に応じて、所定の探査深度毎に行われる。例えば、５０ｃｍを所定の探査深度とした場合、上記流路管理手段は、採掘探査装置３０の給進量に基づいて、給進量が５０ｃｍ毎にシリンダ７２の開閉駆動を行い、開閉蓋７３を開いて検査筒６５内の分析済みのスラリーを排出し、分析済みのスラリーが排出された後に開閉蓋７３を閉じ、上述した採掘工程〜スラリー生成工程〜回収工程〜分析工程を繰り返し行う。これにより、探査深度５０ｃｍ毎の平均的な分析結果を得ることができる。

なお、本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置６０の場合、分析精度や分析する元素にもよるものの、一回の分析時間に２分程度の時間を要する。そのため、本実施形態では、採掘探査装置３０が５０ｃｍを掘削したら、「採掘探査装置３０を停止→蛍光Ｘ線分析装置６０によるＸ線分析→試料排出→再び５０ｃｍ掘削」といった間欠掘削が行われる。その際、鉱床を突き抜けて単なる堆積土をドリルする事もあり、この場合、堆積土を確認することで鉱床厚さ（境界深さ）がわかる。ここで、鉱床厚さの判断は、蛍光Ｘ線分析装置６０による分析結果の他、鉱床（硬い）からその下の堆積土（軟らかい）へ掘削するときの応答（音、振動、回転油圧等）の変化を検出することによってより詳細に分析することができる。

資源探査は「資源量×品位」で価値が計れるので、鉱床厚さ（境界深さ）を迅速に知ることは商用探査として重要な要件である。さらに、予定した調査位置を掘っても所期の鉱物が出なければ、その場所の掘削を中止し、速やかに他の調査位置を探査できる。このように、本実施形態によれば、分析結果をその場で確認することで、余計な掘削を不要とし極めて効率的に探査を行うことができる。
探査深度を浅く（例えば１０ｃｍ）すればきめ細かい分析および探査が可能となり、探査深度を深く（例えば１ｍ）すれば迅速に分析および探査が可能となる。そのため、探査深度は固定値でなく、制御用コンピュータが取得した分析データに基づき、適宜変更することで、よりきめ細かく且つより迅速に分析および探査が可能となる。

各採鉱探査基地２０は、図８にイメージを示すように、採掘探査装置３０それぞれに指令されたさく孔深度まで採掘したら採掘探査装置３０を後退した後に、採掘探査装置３０をＸ−Ｙ平面で移動して、図８(ｂ)に所定範囲を示すように、所定範囲となるＸ−Ｙ平面全体を走査するように、順次にさく孔並びにその位置での探査処理を行う。なお、Ｘ−Ｙ平面での所定範囲の移動および移動後のさく孔並びにその位置での探査処理は、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、各採鉱探査基地２０の状況をオペレータが母船１から監視しつつ、オペレータの手動操作によって行ってもよい。

各採鉱探査基地２０が図８(ｂ)に示す所定範囲の探査を終えたら、架設配置用母船２は、採鉱探査基地２０を移動させる。つまり、作業機１１のワイヤ１１ｗで採鉱探査基地２０を海中の途中高さまで一端引き揚げ、複数の所定範囲のうち、次に予定された他の所定範囲に対応する位置まで移動後に、再度垂下して海底ＳＢに各採鉱探査基地２０を立設する。以下、この作業を繰り返す。なお、採鉱探査基地２０は、複数台を用いて広範囲を同時に採掘できるが、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。

ここで、探査時の複数の所定範囲としては、図２（ａ）に示すように、海底鉱床ＯＤの山の周縁部分に沿って設定することが好ましい。同図の例では、同図左側の採鉱探査基地２０は、所定範囲Ａ〜Ｄを順に探査したイメージを示し、また、同図右側の採鉱探査基地２０は、所定範囲Ｗ〜Ｚを順に探査したイメージを示している。また、海底鉱床ＯＤを描く環状の線は、山の等高線のイメージを示している。

このように、本実施形態の採鉱探査システムにおける海底鉱床ＯＤの探査方法は、海底ＳＢにさく孔により有底穴を形成し、採掘された試料を有底穴ＶＨの内部でスラリーとし、そのスラリー化された海底鉱物を海中で検査筒６５に回収し、その検査筒６５内のスラリーを、蛍光Ｘ線分析器６１を用いて海中で分析できる。そのため、一連の工程全てを海中で連続して行えるので、試料の分析時に揚鉱が不要であり、海底ＳＢで広範囲を連続して効率良く探査できる。

特に、本実施形態の採鉱探査基地２０によれば、蛍光Ｘ線分析装置６０を有する採掘探査装置３０を備え、採掘探査装置３０は、採掘された海底鉱物の試料をスラリーにして蛍光Ｘ線分析装置６０の検査筒６５に回収し、蛍光Ｘ線分析装置６０は、検査筒６５に付設されて検査筒６５内のスラリーを蛍光Ｘ線分析器６１で分析する。そのため、試料となるスラリーの分析時に揚鉱が不要である。よって、本実施形態の採鉱探査基地２０は、海底で広範囲を連続して効率良く探査する海底鉱床探査基地として優れている。

また、本実施形態の採掘探査装置３０によれば、採掘装置本体１０の採掘部は、海底にさく孔により有底穴を形成することで試料を採掘し、採掘装置本体１０のスラリー生成部は、採掘部で採掘された試料を有底穴の内部でスラリーにし、流路管理手段および吸込管５を含むスラリー回収部は、スラリー生成部で生成されたスラリーを海中で検査筒６５に回収し、分析部である蛍光Ｘ線分析装置６０は、検査筒６５内のスラリーを、蛍光Ｘ線分析器６１を用いて海中で分析できる。そのため、この採掘探査装置３０によれば、一連の探査を海中で行えるので、試料となるスラリーの分析時の揚鉱が不要である。よって、海底ＳＢで広範囲を連続して効率良く探査する海底鉱床探査装置として優れている。

さらに、本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置６０によれば、円管状の検査筒６５は、海底ＳＢから採掘された試料となるスラリーを海中で収容可能であり、検査筒６５の周面には窓穴６５ｈが形成され、その窓穴６５ｈにＸ線を透過可能な窓部としての探査用ドーム６７が臨むように検査筒６５の周面に圧力容器６６が付設されている。
そして、その圧力容器６６内には、探査用ドーム６７を介して試料に一次Ｘ線を照射する照射部６２と、試料から発生する蛍光Ｘ線を、探査用ドーム６７を介して検出する検出部６３とが設けられ、さらに、元素分析部６４は、検出部６３での蛍光Ｘ線の検出結果に基づいた元素分析を行うことができる。よって、一連の分析作業を海中で行えるので、試料の分析時に揚鉱が不要であり、海底で広範囲を連続して効率良く探査する海底鉱床探査用の蛍光Ｘ線分析装置として優れている。なお、元素分析部６４については、これを海上の基地に設けても、試料の分析時に揚鉱が不要であり、所期の探査が可能である。

一方、本実施形態の採鉱探査システムにおいて、探査を行いつつ、または探査を行わないで、スラリー状の海底鉱物を揚鉱する場合には、オペレータは、母船１の制御用コンピュータに、探査・揚鉱モード、または揚鉱モードのプログラムを実行させる。これにより、制御用コンピュータは、探査・揚鉱モード、または揚鉱モードの実行指令を、アンビリカルケーブル８を介して採鉱探査基地２０を含む必要な機器に送信する。

探査・揚鉱モードが実行されると、上記探査モードと同様の探査を行いつつ、分析済みのスラリーを検査筒６５の下部開口６５ｐから排出せずに、吸込管５から吸込チャンバ５１を介して可及的に揚鉱するように必要な機器が駆動制御される。探査・揚鉱モードであれば、分析済みのスラリーを可及的に廃棄しないため、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可及的に防止または抑制される。

また、揚鉱モードが実行されると、探査を行わずに、吸込管５で吸入されたスラリー状の鉱物の全ては、吸込チャンバ５１を介して分級器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を介して探査母船１の貯蔵器１３に揚鉱される。探査母船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内部に貯蔵される。

各採鉱探査基地２０は、図８にイメージを示したように、採掘探査装置３０それぞれに指令されたさく孔深度まで採掘したら採掘探査装置３０を後退した後に、採掘探査装置３０をＸ−Ｙ平面で移動して、図８(ｂ)に所定範囲を示すように、所定範囲となるＸ−Ｙ平面全体を走査するように、順次にさく孔並びにその位置での探査処理を行う。
なお、所定範囲でのさく孔の密度は、選択されたモードや、探査の目的や所期の精度、効率等に応じて適宜設定することができる。同図（ｂ）の例では、探査を目的として、比較的に粗いさく孔数を設定した例である。

また、指令されたさく孔深度としては、例えば揚鉱モードであれば最大さく孔深度まで、また、探査モードであれば、得られた随時の分析データに基づいて判定された必要なさく孔深度まで採掘するように設定できる。
また、Ｘ−Ｙ平面での所定範囲の移動および移動後のさく孔並びにその位置での探査処理は、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、各採鉱探査基地２０の状況をオペレータが母船１から監視しつつ、オペレータの手動操作によって行ってもよい。

特に、上記採掘探査装置３０およびこれを備える本実施形態の採鉱探査システムによる探査方法、および、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るため、海洋汚染を防止または抑制しつつも、探査作業の効率および精度、並びに、採掘作業の効率を向上させる上で好適である。
また、本実施形態の採掘探査装置３０およびこれを備える採鉱探査基地２０、並びに、海底鉱物の採鉱探査システムによる探査、揚鉱方法によれば、探査、揚鉱時のいずれのときも、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、本実施形態の採鉱探査システムは、採掘探査装置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、探査、揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制できる。

なお、本発明に係る海底鉱床の探査方法、並びに、海底鉱床探査基地、海底鉱床探査装置および海底鉱物用蛍光Ｘ線分析装置は、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。
例えば、上記実施形態では、海上基地として母船１を例に説明したが、これに限定されず、海上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フォ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、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。
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。

また、例えば上記実施形態では、採掘探査装置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。

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。

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。
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）。

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。
また、上記実施形態同様に、吸込管５から分岐する分岐管５ｊに、蛍光Ｘ線分析装置６０を接続して探査を行うこともできる。

また、例えば上記実施形態では、採鉱探査基地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に第一変形例を示すように、採鉱探査基地が自らＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に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、この採鉱探査基地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プラットフォームが構成されている。

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。

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。

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。

この採鉱探査基地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。

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。

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、この採鉱探査基地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、採鉱探査基地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。

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探査装置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、採掘探査装置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方向の少なくとも一方に移動可能であり、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。
また、このような構成であれば、プラットフォームがＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自走可能なので、これに装備された上記実施形態同様の採掘探査装置３０によれば、海底で広範囲を連続して効率良く探査する上で好適である。

次に、本発明のプラットフォームの第二変形例について、図１１を適宜参照しつつ説明する。第二変形例は、プラットフォームがＸ方向およびＹ方向に自走可能に構成した採掘探査基地の例である。
第二変形例の採掘探査基地２２０は、上記実施形態同様の採掘探査装置３０と、Ｘ方向およびＹ方向へ自走可能なプラットフォーム２１とを備える。プラットフォーム２１は、上部プラットフォーム（Ｕｐｐｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｘ、下部プラットフォーム（Ｌｏｗｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｙ、および、中間フレーム（Ｍｉｄｄｌｅ ｆｒａｍｅ）２１Ｍを有する。

中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、不図示のラック＆ピニオンを介して水平面で互いに直行するＸ方向およびＹ方向に相対的スライド移動可能である。また、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙは、それぞれ４本の支持脚２６をもち、各支持脚２６は、不図示のラック＆ピニオンを介してＺ方向に相対的スライド移動可能である。このように、この採鉱探査基地２２０は、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙおよび支持脚２６のスライド運動によってＸ方向およびＹ方向に自走可能に構成されている。

なお、第二変形例において、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、ラック＆ピニオンを介して水平方向への移動が可能な例を示すが、これに限定されず、水平方向への移動が可能な移動機構であれば、種々の移動機構を採用可能である。例えば油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構とすることができる。同様に、各支持脚２６は、ラック＆ピニオンを介してＺ方向に相対的スライド移動が可能な例を示すが、これに限定されず、例えば油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構とすることができる。

また、第二変形例の採掘探査基地２２０は、海中での姿勢の安定機構として、ラック＆ピニオン駆動モータのトルク計および傾斜センサ並びにコントローラを備え、コントローラは、傾斜センサの出力に基づいて、基地自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、ピニオン駆動モータの調整により、姿勢安定を維持する姿勢安定制御を実行するように構成できる。

１ 母船（海上基地）
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 採鉱探査基地（海底鉱床探査基地）
２１ ベースフレーム（プラットフォーム）
２５ 揚鉱用ポンプ
２６ 支持脚
２７ 分級器
３０ 採掘探査装置（海底鉱床探査装置）
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
６０ 蛍光Ｘ線分析装置（分析装置、分析部）
６１ 蛍光Ｘ線分析器
６２ 照射部
６３ 検出部
６４ 元素分析部
６５ 検査筒
６６ 圧力容器
６７ 探査用ドーム（窓部）
６８ 胴部
６９ 後部ドーム
７１ ハウジング部
７２ 開閉シリンダ
７３ 開閉蓋
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底
ＯＤ 海底鉱床
ＶＨ 竪穴（有底穴）

Claims (5)

1. 海底鉱床から鉱物を揚鉱する揚鉱モードと、前記海底鉱床の鉱物に含有される有用金属の品位を海中で分析する分析モードと、を選択してまたは同時に実行可能な機器を用いた海底鉱床の採鉱探査方法であって、
   前記揚鉱モードは、
   海底にさく孔により有底穴を形成することで鉱物を採掘する採掘工程と、
   該採掘工程で採掘された鉱物を海中でスラリーにするスラリー生成工程と、
   該スラリー生成工程で生成されたスラリーを揚鉱する揚鉱工程と、を含み、
   前記分析モードは、
   前記スラリー生成工程で生成されたスラリーを海中で検査筒に回収する回収工程と、
   前記検査筒内のスラリーを海中で分析する分析工程と、
   を含むことを特徴とする海底鉱床の採鉱探査方法。
2. 請求項１に記載の海底鉱床の採鉱探査方法に用いられる前記機器であって、
   海中に配置されて且つ海底に立設されるとともにＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自走可能なプラットフォームと、
   該プラットフォームに装備されて海底に有底穴を形成しつつその有底穴内から採掘された鉱物を海中でスラリーにして吸込管を介して揚鉱管に移送可能に構成されるとともに、前記吸込管から分岐する分岐管から前記スラリーを検査筒に回収可能に構成される採掘装置と、
   前記検査筒を含み該検査筒内のスラリーを海中で分析する分析装置と、
   を備えることを特徴とする海底鉱床採鉱探査基地。
3. 請求項１に記載の海底鉱床の採鉱探査方法に用いられる前記機器であって、
   海底にさく孔により有底穴を形成することで試料を採掘する採掘部と、
   該採掘部で採掘された試料を海中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吸込管を介して揚鉱管に移送可能に構成されるとともに、前記吸込管から分岐する分岐管から前記スラリーを海中で検査筒に回収するスラリー回収部と、
   前記検査筒内のスラリーを海中で分析する分析部と、
   を有することを特徴とする海底鉱床採鉱探査装置。
4. 請求項１に記載の海底鉱床の採鉱探査方法における前記分析工程で用いられる蛍光Ｘ線分析装置であって、
   海底から採掘された試料を海中で収容可能に設けられて自身周面に窓穴が形成された円管状の検査筒と、
   Ｘ線を透過可能な窓部が前記窓穴に臨むように前記検査筒の周面に付設される圧力容器と、
   該圧力容器内に設けられて前記窓部に対向配置されて前記窓部を介して前記試料に一次Ｘ線を照射する照射部と、
   前記圧力容器内に設けられて前記試料から発生する蛍光Ｘ線を前記窓部を介して検出する検出部と、
   該検出部での蛍光Ｘ線の検出結果に基づいた元素分析を行う元素分析部と、
   を備えることを特徴とする蛍光Ｘ線分析装置。
5. 前記窓部は、前記照射部からのＸ線および前記試料に照射して得られる蛍光Ｘ線を透過させるアクリル製の探査用ドームであり、耐圧構造として凸の半球状に検査筒側に張り出している請求項４に記載の蛍光Ｘ線分析装置。

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