JP6850596B2 - 海底熱水鉱床の採鉱方法並びに海底熱水鉱床用装薬装置および海底熱水鉱床用火薬カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、海底熱水鉱床から海底鉱物を採鉱する技術に関する。

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。
海底鉱物中には、現在地上で採鉱される鉱物と比較して、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、様々な機関で試掘調査が行なわれ、また、海底鉱物の採鉱方法や採鉱システムも種々提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、海底鉱物の採鉱システムが開示されている。同文献記載の採鉱システムは、海底熱水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、洋上に大型の採鉱船を停船し、採鉱船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熱水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、分級された研削物が海上の採鉱船まで運搬される。

特開２０１３−５２８７２６号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、洋上に大型の採鉱船を常に停船する必要があるため、用船費が甚大である。また、海底熱水鉱床の側方からの掘削であると、採鉱効率が悪い上、鉱山が崩れた場合、設備が破損するおそれが大きいという問題がある。また、研削ツールを使って鉱床全域を研削することは、膨大なツールの摩耗が生じ、非常に数多くのツール交換は避けられず、海上への装置の吊揚げ、吊り下げ、およびツール交換作業が採掘効率を著しく低下させるという問題もある。
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、用船費を削減し得る海底熱水鉱床の採鉱方法並びに海底熱水鉱床用装薬装置および海底熱水鉱床用火薬カートリッジ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熱水鉱床の採鉱方法は、海底熱水鉱床の所定範囲に複数の発破孔を穿孔する穿孔工程と、前記所定範囲の複数の発破孔の全部または一部に爆薬を装薬する装薬工程と、前記装薬がされた前記所定範囲を打ち掛け発破により破砕する打ち掛け発破工程と、該打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床のズリを洋上に揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法によれば、海底熱水鉱床の所定範囲を打ち掛け発破により破砕するので、穿孔作業が終了していれば、いつでも装薬し、発破が可能となり、穿孔、発破、揚鉱の各工程が独立して作業できる為、各採鉱作業を効率良く行うことができる。そのため、採鉱効率が良い。そして、打ち掛け発破であれば、洋上にて小型船で発破作業が可能であり、仮に大型船舶を揚鉱に用いる場合であっても、破砕された海底熱水鉱床のズリを洋上に揚鉱するときに限定すればよいので、大型採鉱船の常時停船が不要であり、用船費を大幅に削減できる。

ここで、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法において、前記装薬に際し、前記発破孔の温度を測定し、所定温度を超える温度の発破孔には装薬を行なわないことは好ましい。このような採鉱方法であれば、海底熱水鉱床の高温領域での誤爆を防止する上で好適である。
また、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法において、前記発破孔の温度は、発破孔を穿孔している時のスラリーの温度に基づいて判定することは好ましい。このような採鉱方法であれば、海底熱水鉱床の高温領域での誤爆を防止する上でより好適である。

また、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法において、前記所定範囲として、Ｎを自然数とし、複数の所定範囲として、Ｎ番目から順に穿孔する所定範囲を、所定範囲Ｎ、所定範囲（Ｎ＋１）、所定範囲（Ｎ＋２）、および、所定範囲（Ｎ＋３）と呼ぶとき、所定範囲Ｎを穿孔直後には、当該所定範囲Ｎには装薬を行わずに続く所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔し、所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋１）には装薬を行わずに前記所定範囲Ｎに装薬を行ない、続く所定範囲（Ｎ＋２）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋２）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋１）に装薬を行ない、続く所定範囲（Ｎ＋３）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋３）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋２）に装薬を行なう、ことは好ましい。

このような採鉱方法であれば、複数の所定範囲に対して直ちに装薬せずに、装薬済みの所定範囲と穿孔する所定範囲との間に空間を空けることで、装薬済みの火薬を穿孔ドリルの曲りにより打撃爆発することを防止できるため、一層好適である。また、このような採鉱方法であれば、複数の所定範囲に対し各打ち掛け発破作業をより効率良く行い得るので、用船費を削減する上でより一層好適である。

また、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法において、前記所定範囲に装薬する爆薬としては、装薬姿勢において、凸の半球状頭部および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有する爆薬筒と、該爆薬筒の上部に設けられた保持筒と、保持筒の上部に設けられて超音波により無線で起爆する起爆素子筒と、該起爆素子筒の上部に設けられた不発信号器と、を頭部からこの順に有する火薬カートリッジを用い、前記発破孔への装薬位置において、前記爆薬筒および前記保持筒を、前記発破孔内に収容し、前記起爆素子筒および前記不発信号器を、鉱床の上面よりも海中側に突設する位置に装薬することは好ましい。

このような採鉱方法であれば、当該火薬カートリッジは、不発信号器により不発の有無を把握可能であり、また、爆薬筒が軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有するので、深海での高い水圧に耐え、筒の収縮を抑え火薬密度を維持して爆発の安定性を保てると同時に、爆破時の抵抗を少なくできる。そのため、海底熱水鉱床の所定範囲を打ち掛け発破により破砕する火薬カートリッジとして優れているので、打ち掛け発破作業をより効率良く行うことができる。よって、採鉱効率を向上させる上でより一層好適である。

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熱水鉱床用装薬装置は、海底熱水鉱床に穿孔された発破孔に火薬カートリッジを装薬する装薬装置であって、筐体と、該筐体に装備されて前記火薬カートリッジを複数収容するマガジンと、該マガジンに収容された前記火薬カートリッジのクランプおよびその解放が可能なクランプ機構と、該クランプ機構を支持するとともに前記火薬カートリッジを把持する高さから前記発破孔に装薬する高さまで移動させるフィード機構と、該フィード機構を支持するとともに前記クランプ機構を前記発破孔の軸方向で対向する装薬位置と前記マガジンに対する前記火薬カートリッジの把持位置とに移動させるキャリア機構と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底熱水鉱床用装薬装置によれば、海底熱水鉱床の所定範囲を打ち掛け発破により破砕するに際し、打ち掛け発破に要する各作業を効率良く行うことができる。そのため、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法に用いる装薬装置として優れている。これにより、複数の所定範囲に対し各打ち掛け発破作業をより効率良く行い得るため、用船費削減に寄与する。

ここで、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床用装薬装置において、前記発破孔を穿孔する発破孔穿孔装置が更に装備されていることは好ましい。このような構成であれば、発破孔の穿孔と火薬カートリッジの装薬を効率良く行う上でより好適である。

また、本発明の一態様に係る海底熱水鉱床用装薬装置において、前記筐体は、海底熱水鉱床上をＸ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹ移動機構を備えることは好ましい。このような構成であれば、所定範囲をＸＹ移動機構による移動範囲とすることができるため、火薬カートリッジの装薬を効率良く行う上でより好適である。

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熱水鉱床用火薬カートリッジは、海底熱水鉱床に穿孔された発破孔に装薬される火薬カートリッジであって、前記発破孔への装薬姿勢において、凸の半球状頭部および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有する爆薬筒と、該爆薬筒の上部に設けられた保持筒と、保持筒の上部に設けられて超音波により無線で起爆する起爆素子筒と、該起爆素子筒の上部に設けられた不発信号器と、を頭部からこの順に有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底熱水鉱床用火薬カートリッジによれば、不発信号器により不発の有無を把握可能であり、また、爆薬筒が軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有するので、深海での高い水圧に耐えつつ、爆破時の抵抗を少なくできる。そのため、海底熱水鉱床の所定範囲を打ち掛け発破により破砕するための海底熱水鉱床用の火薬カートリッジとして優れている。これにより、複数の所定範囲に対し各打ち掛け発破作業をより効率良く行い得るため、用船費削減に寄与する。

上述のように、本発明によれば、用船費を削減できる。

本発明の一態様に係る海底熱水鉱床の採鉱方法を採用した採鉱システムの全体構成の一実施形態を説明する模式図である。 本発明に係る採鉱システムで用いる母船の一実施形態を説明する図であり同図（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明に係る採鉱システムで用いる海中基地の一実施形態を説明する模式的斜視図（穿孔装置側から見た図）である。 本発明に係る採鉱システムで用いる海中基地の一実施形態を説明する模式的斜視図（装薬装置側から見た図）である。 本発明に係る採鉱システムで用いる海中基地の一実施形態を説明する模式図であり同図（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図である。 海中基地のプラットフォームの模式的平面図である。 海中基地のプラットフォームの模式的正面図である。 海中基地の中間フレームの模式的平面図である。 本発明の一態様に係る火薬カートリッジの一実施形態を説明する模式的説明図（ａ）、および、同図（ａ）の爆薬筒部分の横断面図（ｂ）である。 海中基地による穿孔方法の説明図であり、同図(ａ)は一の海中基地の正面視、(ｂ)は海底熱水鉱床の一の区画の平面視をそれぞれ模式的に示している。 海中基地による装薬方法を説明する模式図（（ａ）〜（ｅ））である。 海中基地により海底熱水鉱床を採鉱する手順を説明する図である。 図１２の採鉱手順における、海中基地のプラットフォームの歩行動作（着底準備姿勢から採鉱開始姿勢への移行動作）を説明する図である。 海中基地の歩行動作を説明する斜視図（（ａ）〜（ｄ））である。 海中基地による採鉱方法の説明図であり、同図(ａ)は、連続する複数の区画（所定範囲）の平面視を模式的に示し、(ｂ)は、（ａ）の断面を模式的に示している。 複数の区画（所定範囲）に対する穿孔および装薬手順を説明する模式的説明図である。

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、本実施形態の採鉱システムの全体構成について説明する。
本実施形態の採鉱システムは、図１に示すように、海上ＳＬに海上基地として配置される母船１と、海底ＳＢに海中基地として配置される採鉱ステーション２０とを有する。この採鉱システムでは、複数の採鉱ステーション２０を海中基地とする。各採鉱ステーション２０には、穿孔装置３０および装薬装置４０が装備されている。なお、同図の符号２は曳航船である。

本実施形態の例では、一または複数の母船１が目的とする海域の海上ＳＬに停泊される。母船１は、採鉱ステーション２０を運搬するとともに、海底ＳＢに採鉱ステーション２０を架設配置可能に構成される。母船１は、海底熱水鉱床ＯＤの所定の位置まで採鉱ステーション２０を搬送し、作業機１１のワイヤ１１ｓで採鉱ステーション２０を垂下して海底ＳＢに立設する。同図左側に示す母船１が、架設配置作業のイメージを示している。

採鉱ステーション２０の穿孔装置３０は、例えば周知のドリフタを備え、ドリフタの駆動によって、さく孔により、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に有底穴を発破孔ＶＨとして形成可能に構成されている。また、装薬装置４０は、穿孔装置３０で穿孔された所定範囲の発破孔ＶＨに対して火薬カートリッジ６０を装薬可能に構成されている。

そして、海上ＳＬの母船１は、所定範囲の火薬カートリッジ６０に向けて起爆信号としての超音波ＵＳを送波器６８から発射して、所定範囲を順次に打ち掛け発破により破砕可能に構成されている。なお、同図右側に示す母船１が、打ち掛け発破時の、退避位置での発破作業のイメージを示している。その後、この採鉱システムでは、破砕されたズリを周知の揚鉱装置によって洋上に揚鉱する。本実施形態の採鉱システムにおいて、発破後のズリを揚鉱するときは、不図示の大型の揚鉱用母船を更に用いることができる。

なお、本実施形態では、オペレータは、母船１にて採鉱ステーション２０を管理する例を説明するが、これに限定されず、同図に示すように、採鉱ステーション２０の架設配置後に、海上基地でなく、陸上基地ＬＳにおいて採鉱ステーション２０を管理することもできる。なお、同図に実線で示す矢印は、母船１と陸上基地ＬＳとの間で、双方向に無線通信を行うイメージを示している。

本実施形態の母船１は、大型の揚鉱用母船に比べて小型の船であって、図２に示すように、平面視が矩形枠状の船体を有し、船体の左右が浮体２ｆとされている。平面視で、船体中央は、矩形状に開口するムーンプール２ｐとされ、ムーンプール２ｐを跨ぐように、クレーン等の作業機１１が船体上に跨設されている。

母船１には、発電機１２および不図示の管理コンピュータが搭載されている。管理コンピュータおよび発電機１２は、不図示のアンビリカルケーブルを介して海底ＳＢに配置された採鉱ステーション２０に接続され、採鉱ステーション２０の作動に必要な電力や制御信号をアンビリカルケーブルで供給可能になっている。

また、母船１には、船体の甲板にオペレータの居住室２ｈが設けられるとともに、適所にウインチ１１ｗが装備され、採鉱ステーション２０をムーンプール２ｐから海中に吊り下ろし、および引き揚げ可能になっている。なお、同図（ｃ）の符号ＤおよびＵは、採鉱ステーション２０を吊り下ろし、および引き揚げ可能なイメージを示している。

母船１の寸法は、採鉱ステーション２０を架設配置する上で、例えば全長７２ｍ×全幅４８ｍ程度とし、ムーンプール２ｐの寸法を３０ｍ×３３ｍ程度とすれば好適である。このような小型の母船を海上基地として用いれば、母船自体の費用や、海上に停泊させる際の用船費等を少なくできるため、用船コストを削減する上で好ましい。

次に、採鉱ステーション２０について詳しく説明する。
採鉱ステーション２０は、図３〜図５に示すように、Ｘ方向およびＹ方向へ自走可能なベースフレーム２１をプラットフォームとしている。ベースフレーム２１は、複数の矩形枠体から構成され、本実施形態では、上部プラットフォーム２１Ｘ、下部プラットフォーム２１Ｙおよび中間フレーム２１Ｍを備える。上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙは、枠体の四隅が複数（この例では４脚）の支持脚２６でそれぞれ支持される。各支持脚２６は、ジャッキ機構４９を介して各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙにそれぞれ固定されている。

以下、図６〜図８に基づき、プラットフォーム２１の構成を詳しく説明する。なお、図６は、上記母船１から海底熱水鉱床ＯＤに採鉱ステーション２０が着底させられる時のプラットフォーム２１の着底準備姿勢を示すもので、プラットフォーム２１は、着底準備姿勢にあっては、上部プラットフォーム２１Ｘ、中間フレーム２１Ｍおよび下部プラットフォーム２１Ｙの水平面内の中心（重心）Ｇが一致している。また、図７において符号ＣＬは、各支持脚２６の中心軸線を示している。

プラットフォーム２１は、図６〜図８に示すように、平面視が矩形枠状をなす上部プラットフォーム（Ｕｐｐｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｘと、平面視が矩形枠状をなす下部プラットフォーム（Ｌｏｗｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｙと、両プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの中間に設けられ平面視が矩形枠状をなす中間フレーム（Ｍｉｄｄｌｅ ｆｒａｍｅ）２１Ｍとを有する。上下の各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙは、矩形状の枠体の四隅それぞれに、４本の支持脚２６と各支持脚２６を昇降可能なジャッキ機構４９とを有するジャッキアッププラットフォームである。

上部プラットフォーム２１Ｘは、図６に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＸｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＸａとを有する。２つの横ガーダーＸａの各外側面には、横ガーダーＸａの延在方向に沿って、Ｘ移動用ラックＲｘが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。

また、下部プラットフォーム２１Ｙは、図６に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＹｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＹａとを有する。２つの縦ガーダーＹａの外側面には、縦ガーダーＹａの延在方向に沿って、Ｙ移動用ラックＲｙが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。

中間フレーム２１Ｍは、図８に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＭｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＭａとを有する。中間フレーム２１Ｍの各横ガーダーＭａの延在方向の中央の位置には、横ガーダーＭａの矩形筒内に、Ｘ駆動モータＭｘがそれぞれ配置されている。また、中間フレーム２１Ｍの各縦ガーダーＭｂの延在方向の中央の位置には、縦ガーダーＭｂの矩形筒内に、Ｙ駆動モータＭｙがそれぞれ配置されている。

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。なお、ジャッキ機構４９の駆動用のモータとしては、流体圧による駆動（例えば油圧駆動）であっても、電力による駆動（例えば電磁式モータ）であってもよい（以下、他の駆動用のモータにおいて同様）。

また、各支持脚２６を駆動するジャッキ機構４９には、不図示のトルク検出器が装備されている。各トルク検出器は、対応する各ジャッキ機構４９のラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータのトルクを検出可能なトルク計である。各トルク検出器は、各駆動モータの随時のモータトルクを検出し、検出したトルク情報を基地制御ユニット９０に出力可能になっている。

これにより、各支持脚２６は、自身が装着された各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙに対しＺ方向に相対的スライド移動して、複数の支持脚２６の協働によって、プラットフォーム２１の上昇および下降が可能になっている。さらに、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、直動案内機構を介してスライド移動可能に支持されるとともに、ラック＆ピニオン機構を介して係合され、水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向に相対的スライド移動可能に構成されている。

Ｘ駆動モータＭｘの駆動軸には、図８に示すように、Ｘ移動用ピニオンＰｘが装着され、Ｘ移動用ピニオンＰｘは、Ｘ移動用ラックＲｘのラック面に対向する位置に張り出している。二つのＸ移動用ピニオンＰｘは、それぞれＸ移動用ラックＲｘに噛合され、Ｘ駆動モータＭｘにより同期駆動されて、上部プラットフォーム２１ＸをＸ方向にスライド移動可能に構成されている。

なお、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＆ピニオン機構を介して水平方向への移動が可能な例を示すが、移動機構はこれに限定されず、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を用いることができる。同様に、各支持脚２６は、ラック＆ピニオン機構を介して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、油圧駆動に限定されず、電気駆動式としてもよい。

ここで、採鉱ステーション２０の仕様として、全生産能力（Ｄｒｙ ＳＭＳ）を２，０００，０００ｔ／年（６，６００ｔ／日）とし、密度を３〜５（ｔ／ｍ^３）としたとき、体積として６６００／５〜６６００／３＝１３２０〜２２００ｍ^３を想定し、一台の採鉱ステーション２０が掘削する所定範囲（区画）の大きさを約１０ｍ×１０ｍと決定した。また、穿孔装置３０は、深さが約２０ｍまで掘削可能な構成を有するものとする。また、荷重条件としては、曳航時、吊下げ時および作業時を考慮し、上部プラットフォーム２１Ｘ、下部プラットフォーム２１Ｙおよび中間フレーム２１Ｍの形状寸法を設定した。

具体的には、上記支持脚２６の形状および寸法は、支持脚２６の軸方向の全長を３０ｍとしたとき、主に曳航条件を考慮して、ローリング時の荷重条件から、支持脚２６の外径を１０００ｍｍとした。また、曳航時、吊り下げ時および作業時の荷重条件より、上部プラットフォーム２１Ｘのガーダー内側のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の幅Ｌｙはそれぞれ２３ｍおよび１０ｍとした。また、上部プラットフォーム２１Ｘのガーダー自体の幅および厚さはそれぞれ１ｍおよび２ｍとした。

また、図６において、下部プラットフォーム２１Ｙのガーダー内側のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の幅Ｌｙは、それぞれ１３ｍおよび２０ｍとした。また、下部プラットフォーム２１Ｙのガーダー自体の幅および厚さは、それぞれ１ｍおよび２ｍとした。さらに、中間フレーム２１Ｍは、中間フレーム２１Ｍのガーダー内側のＸ方向の長さおよびＹ方向の幅は、それぞれ１３ｍおよび１０ｍとした。また、中間フレーム２１Ｍのガーダー自体の幅および厚さは、両方ともに１ｍとした。また、ラック＆ピニオン機構部において、ラックの長さは約１０ｍとした。

次に、上記所定の範囲（この例では約１０ｍ×１０ｍの区画）で、穿孔装置３０および装薬装置４０を移動させる移動機構について説明する。
上部プラットフォーム２１Ｘには、図３に示すように、Ｙ方向に沿って移動フレーム４６が張り渡されている。移動フレーム４６の両端は、Ｘ方向用移動機構５４を介して上部プラットフォーム２１Ｘにそれぞれ支持される。Ｘ方向用移動機構５４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４６を上部プラットフォーム２１Ｘに沿ってＸ方向にスライド移動可能になっている。

移動フレーム４６には、Ｙ方向用移動機構５２を介して第一ガイドシェル４５および第二ガイドシェル５５が縦に配置されている。第一ガイドシェル４５は、穿孔装置３０のＺ方向の送り機構を構成している。また、第二ガイドシェル５５は、装薬装置４０のＺ方向の送り機構を構成している。Ｙ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、第一ガイドシェル４５および第二ガイドシェル５５を移動フレーム４６沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。

次に、採鉱ステーション２０に装備された穿孔装置３０について説明する。
図３に示すように、第一ガイドシェル４５には、スライダ４７を介して周知のドリフタを備える穿孔装置３０が装備されている。第一ガイドシェル４５の上部には、第一ガイドシェル４５に沿ってスライダ４７をＺ方向にスライド移動させる送り機構４８が設けられている。送り機構４８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、第一ガイドシェル４５に沿ってドリフタをＺ方向にスライド移動可能になっている。
ロッド３１の前端にはビット５０が装着される。ロッド３１は、穿孔装置３０からの打撃力を受け、ビット５０先端のチップがさく孔面に衝撃力を加えて海底鉱物をさく孔により破砕して発破孔ＶＨを穿孔する。また、さく孔により破砕された海底鉱物を孔内で海水と混合してスラリーを生成できる。

次に、採鉱ステーション２０に装備された装薬装置４０について説明する。
図４および図５に示すように、第二ガイドシェル５５には、装薬装置４０が装備されている。プラットフォーム２１は、装薬装置４０の筐体となっており、上部プラットフォーム２１Ｘに、複数の火薬カートリッジ６０を収容するマガジン８０が設けられている。

装薬装置４０は、第二ガイドシェル５５が、移動フレーム４６に対してＹ方向用移動機構５２の第一ガイドシェル４５とは反対側に軸線を縦に配置されている。また、装薬装置４０は、マガジン８０に収容された火薬カートリッジ６０のクランプおよびその解放が可能なクランプ機構４１を備える。本実施形態のクランプ機構４１は、上下に離隔配置された二組の把持部を有する。各把持部には、火薬カートリッジ６０を把持およびその解放可能に水平方向に開閉する一対の開閉アームが設けられている。クランプ機構４１は、第一フィード機構４２に支持されている。

第一フィード機構４２は、例えばラックアンドピニオン機構により、クランプ機構４１全体を上下方向にスライド移動に構成され、マガジン８０に対する火薬カートリッジ６０の把持高さから装薬位置にて火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに装薬する高さまでクランプ機構４１を移動可能に構成されている。さらに、第一フィード機構４２は、第二フィード機構４３に支持されている。第一フィード機構４２の支持筐体の下部には、装薬位置を確認するためのカメラ４４が装備されている。

第二フィード機構４３は、例えばラックアンドピニオン機構により、第一フィード機構４２全体を、上記第二ガイドシェル５５に対して上下方向にスライド移動に構成され、第一フィード機構４２をマガジン８０内の火薬カートリッジ６０を把持させる高さからマガジン８０から引き出した高さまで移動させるとともに、装薬位置において火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに仮装薬する高さまで移動可能に構成されている。
なお、本実施形態では、第一フィード機構４２および第二フィード機構４３により、クランプ機構４１を支持するとともに火薬カートリッジ６０を把持する高さから発破孔ＶＨに装薬する高さまで移動させるフィード機構を構成した例を示したが、これに限定されず、一つのフィード機構から構成してもよい。

次に、採鉱ステーション２０を制御する基地制御ユニット９０について説明する。
基地制御ユニット９０は、ベースフレーム２１の適所に設けられる。本実施形態では、図３および図５に示すように、耐圧構造を有する移動フレーム４６に内蔵されている。基地制御ユニット９０には、母船１からアンビリカルケーブルが接続され、アンビリカルケーブルを介して必要な電力や制御信号の供給を受ける。基地制御ユニット９０は、コンピュータと、姿勢安定制御処理を実行するためのプログラムとを含んで構成された制御部（コントローラ）を有し、採鉱ステーション２０のベースフレーム２１および穿孔装置３０並びに装薬装置４０を制御する。

これにより、基地制御ユニット９０は、母船１側の管理コンピュータの管理下、管理コンピュータの指令またはオペレータの操作入力に基づいて、各ジャッキ機構４９の駆動により、採鉱ステーション２０の姿勢を制御する。そして、採鉱ステーション２０は、基地制御ユニット９０によるＸ方向用移動機構５４およびＹ方向用移動機構５２の駆動により、第一および第二第一ガイドシェル４５、５５を所定範囲でＸ方向およびＹ方向に移動するとともに、第一および第二第一ガイドシェル４５、５５に設けられた穿孔装置３０並びに装薬装置４０を駆動可能になっている。

さらに、基地制御ユニット９０は、プラットフォーム２１の姿勢を検出する不図示の傾斜センサを有する。基地制御ユニット９０は、採鉱ステーション２０の姿勢制御処理や歩行制御処理、採鉱ステーション２０の穿孔制御処理、装薬制御処理、および、採鉱ステーション２０の姿勢制御、並びにその他必要な処理を実行する。

例えば、基地制御ユニット９０は、採鉱ステーション２０の姿勢制御処理や歩行制御処理が実行されると、傾斜センサの出力に基づいて、採鉱ステーション２０自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、ラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータの調整により、作動時の姿勢安定を維持する姿勢安定制御を行う。

また、基地制御ユニット９０は、傾斜センサの検出した傾斜情報、および、複数の支持脚２６のモータのトルクを検出したモータトルク情報を、海上の母船１に装備された管理コンピュータに出力する。管理コンピュータは、オペレータに対して、ディスプレイ上に、随時の傾斜情報およびモータトルク情報を表示可能に構成される。

これにより、採鉱ステーション２０は、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１ＹをＸ方向およびＹ方向にスライド移動させるスライド移動機構、並びに各支持脚２６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構により、後述する歩行制御処理の手順に従い、予定採鉱区域をＸ方向およびＹ方向それぞれに安定した姿勢で歩行するとともに、穿孔装置３０および装薬装置４０をＸ方向およびＹ方向に移動させて、所定区画に順次に発破孔ＶＨを穿孔し、さらに、その発破孔ＶＨへの装薬が可能になっている。

次に、上記火薬カートリッジ６０について説明する。
図９に模式的に拡大図示するように、火薬カートリッジ６０は、海底熱水鉱床ＯＤに穿孔された発破孔ＶＨに装薬される。本実施形態の火薬カートリッジ６０は、発破孔ＶＨへの装薬姿勢において、凸の半球状頭部６１および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロック６２ａ〜ｄが円筒状に組み合わされた円筒部６２を有する爆薬筒６７を有する。

爆薬筒６７の上部には、円筒状の保持筒６３が設けられ、さらに、保持筒６３の上部には、超音波ＵＳにより無線で起爆するための指令器を含む起爆素子６６が内蔵された起爆素子筒６４と、起爆素子筒６４の上部に設けられた不発信号器６５とが設けられている。なお、同図に示すように、装薬時の発破孔ＶＨへの挿入位置は、起爆素子６６が、送波器６８からの超音波ＵＳを受信する必要がある。そのため、起爆素子筒６４の部分を水中に突き出した状態で装薬される。

この火薬カートリッジ６０によれば、不発信号器６５により不発の有無を把握可能であり、また、爆薬筒６７は、軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロック６２ａ〜ｄが円筒状に組み合わされた円筒部６２を有するので、深海での高い水圧に耐えつつ、爆破時の抵抗を少なくできる。そのため、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲を打ち掛け発破により破砕するための海底熱水鉱床用の火薬カートリッジとして優れている。これにより、複数の所定範囲に対し各打ち掛け発破作業をより効率良く行い得るので、用船費削減に寄与する。

次に、上述の採鉱システムによって、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に打ち掛け発破を行ってそのズリを揚鉱する手順、並びにこの採鉱方法の作用・効果について説明する。
まず、採鉱に際し、図１に示したように、母船１を目的とする海域の海上ＳＬに停泊する。次いで、母船１に設置されているクレーン等の作業機１１を用い、採鉱ステーション２０を海中に降ろし、海底ＳＢの適切な位置に設置する。採鉱ステーション２０の設置時または設置後に、アンビリカルケーブル等の必要な配線や配管を行う。

ここで、採鉱ステーション２０の安定着座方法について説明する。
図１に示したように、母船１から採鉱ステーション２０をワイヤ１１ｓで吊り下げて海底ＳＢに着底させる場合、採鉱ステーション２０は、平面視が、図５（ａ）に示す着底準備姿勢の状態とされる。オペレータは、母船１から採鉱ステーション２０をワイヤ１１ｓで吊り降ろす。

オペレータは、垂下した深度に注意しつつ、海底熱水鉱床ＯＤの所期の位置に採鉱ステーション２０を降下させる。そして、オペレータは、複数の支持脚２６のうち、少なくとも３脚のモータトルクの応答を検出した時点で吊り下げを停止する。但し、支持脚２６の１脚が着座してから、他の３脚が着座する前に予め規定した傾斜角を超えた場合には着座位置を変更する。

なお、この吊り下げ操作は、オペレータが管理コンピュータを介して基地制御ユニット９０を手動操作してもよいし、管理コンピュータと基地制御ユニット９０とにより自動制御してもよい。例えば、採鉱ステーション２０の基地制御ユニット９０は、吊り下げ操作の終了情報（着座情報）を取得したときに、上記姿勢安定制御を実行する。

つまり、基地制御ユニット９０は、傾斜センサの姿勢検出情報に基づいて、採鉱ステーション２０の姿勢が水平になるように、着底した支持脚２６を伸縮させる。基地制御ユニット９０は、モータトルク情報に基づいて、着底してない支持脚２６を伸長させ、各支持脚２６のモータトルクがほぼ均衡するように制御して着底させる。基地制御ユニット９０は、採鉱ステーション２０の姿勢が水平であると判断したら、姿勢安定制御の終了情報を母船１の管理コンピュータに送信する。

母船１のオペレータは、管理コンピュータのディスプレイから採鉱ステーション２０の状態を監視し、姿勢安定制御の終了情報を確認したら、ワイヤ１１ｓの吊り下げ張力を緩める指令を管理コンピュータから入力する。このとき、ワイヤ１１ｓの張力変動により、採鉱ステーション２０の姿勢が不安定になるおそれがある。そのため、基地制御ユニット９０は、姿勢安定制御を継続して実行する。

つまり、基地制御ユニット９０は、傾斜センサの姿勢検出情報に基づいて、採鉱ステーション２０の姿勢が水平になるように各支持脚２６の脚長を調整する。これにより、採鉱ステーション２０は、初期着底状態で海底ＳＢに安定した姿勢で着底できる。以降、オペレータは、ワイヤ１１ｓの係合解除装置（不図示）によりワイヤ１１ｓの係合を解除し、自立した採鉱ステーション２０により採鉱作業を開始する。

すなわち、本実施形態の採鉱方法では、採鉱ステーション２０の設置後、オペレータは、母船１からアンビリカルケーブルを介して基地制御ユニット９０に必要な電力や制御信号を供給し、採鉱ステーション２０および穿孔装置３０を駆動して海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に発破孔ＶＨをさく孔する（穿孔工程）。さらに、装薬装置４０を駆動して火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに装薬する（装薬工程）。そして、母船１から海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲を打ち掛け発破により破砕する（打ち掛け発破工程）。その後、打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床ＯＤのズリを洋上に揚鉱する（揚鉱工程）。

以下、本実施形態の採鉱ステーション２０により、一の所定範囲に対して、複数の発破孔ＶＨを穿孔し、次いで、各発破孔ＶＨに火薬カートリッジ６０を装薬する手順を詳しく説明する。まず、穿孔装置３０による所定範囲の穿孔方法について説明する。
本実施形態の穿孔工程においては、まず、図１０に示すように、穿孔装置３０を駆動して所定の範囲にて発破孔ＶＨをさく孔する。駆動された穿孔装置３０は、ドリフタによりロッド後端面への打撃を繰り返し、ビット５０でのさく孔面への打撃とともに、第一ガイドシェル４５に設けられた送り機構４８による穿孔装置３０の給進駆動がなされるとともに回転機構によるロッドの回転駆動がなされる。
そのため、この穿孔装置３０によれば、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に、さく孔により複数の発破孔ＶＨを形成できる。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ため、孔内で海水と混合したスラリーとすることができる。

採鉱ステーション２０は、所期のさく孔深度で発破孔ＶＨを穿孔したら穿孔装置３０を後退した後に、穿孔装置３０をＸ−Ｙ平面の所定範囲で移動して、予め定めたプログラムに従い、同図（ｂ）に示すように、所定範囲全体の破砕に必要な数の発破孔ＶＨを形成するように順次にさく孔を行う。

このように、本実施形態の採鉱ステーション２０は、予め定めたプログラムに従い、着底位置での区画（所定範囲）に多数の発破孔ＶＨを自動的に穿孔可能なので、視認性の問題無く自動的に発破孔ＶＨを穿孔できる。また、採鉱ステーション２０は、海底に立設されるとともに、各支持脚２６は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能なので、複雑な海底形状や軟弱地盤にも適用できる。

次に、装薬装置４０による所定範囲の装薬方法について説明する。
本実施形態の採鉱ステーション２０においては、図１１に示すように、装薬装置４０を駆動して火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに装薬する。採鉱ステーション２０は、一の発破孔ＶＨに装薬したら装薬装置４０を後退した後に、装薬装置４０をＸ−Ｙ平面の所定範囲で移動して、予め定めたプログラムに従い、所定範囲全体の発破孔ＶＨに順次に装薬を行う。

本実施形態の装薬工程においては、図１１（ａ）に示すように、第二ガイドシェル５５に対する第二フィード機構４３のフィード位置を下方の把持位置にするとともに、第二フィード機構４３に対する第一フィード機構４２のフィード位置を上方の把持位置にする。第一および第二フィード機構４２、４３をいずれも把持位置として、移動フレーム４６をＸ−Ｙ平面で駆動し、クランプ機構４１の開閉アームを開いた状態で、マガジン８０に収容されたクランプ対象となる火薬カートリッジ６０を把持可能な位置に移動する。同図の矢印は、火薬カートリッジ６０を把持可能な位置に移動するイメージを示している。

次いで、同図（ｂ）に示すように、火薬カートリッジ６０を把持可能な位置に移動したら、クランプ機構４１の開閉アームを閉じて火薬カートリッジ６０を把持する。同図の二つの矢印は、火薬カートリッジ６０を把持するイメージを示している。
次いで、同図（ｃ）に示すように、第二ガイドシェル５５に対する第二フィード機構４３のフィード位置を上方の抜出位置にして、クランプ対象となる火薬カートリッジ６０をマガジン８０から抜き出した後に、移動フレーム４６をＸ−Ｙ平面で駆動し、当該火薬カートリッジ６０を装薬する発破孔ＶＨに移動する。同図の矢印は、火薬カートリッジ６０をマガジン８０から抜き出すイメージを示している。

次いで、同図（ｄ）に示すように、装薬する発破孔ＶＨに装薬装置４０を移動したら、火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに仮装薬する。この仮装薬を行うときは、基地制御ユニット９０は、仮装薬のための位置決め処理を実行し、穿孔装置３０での穿孔時に取得した所定範囲での穿孔位置情報と、カメラ４４で撮像した撮像情報とに基づいて、火薬カートリッジ６０の軸心を発破孔ＶＨの軸心に位置合わせする。これにより、相互の軸心を精度良く一致させることができる。基地制御ユニット９０またはオペレータは、相互の軸心の一致を確認しつつ、第二ガイドシェル５５に対する第二フィード機構４３のフィード位置を下方の仮装薬位置に移動して、火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに仮装薬する。同図の矢印は、火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに仮装薬するイメージを示している。

次いで、同図（ｅ）に示すように、仮装薬に問題が無いことを確認したら、火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに本装薬する。仮装薬時の問題の有無は、オペレータによる監視や、カメラ４４の撮像情報に基づく画像処理結果、第二フィード機構４３のフィードトルクの異常の有無等によって総合的に判断される。火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに本装薬するときは、第二フィード機構４３に対する第一フィード機構４２のフィード位置を下方の装薬位置にする。本装薬時も、仮装薬時同様にフィードトルクの異常の有無等を監視し異常があれば装薬動作を中断する。異常なく所定の装薬位置まで火薬カートリッジ６０が挿入されたら、クランプ機構４１の開閉アームを開いて火薬カートリッジ６０の把持を開放して装薬を完了する。同図の矢印は、火薬カートリッジ６０を発破孔ＶＨに本装薬するイメージを示している。

このようにして、採鉱ステーション２０は、装薬装置４０およびこれに付随する上記の各機構を駆動して、図１１（ａ）から（ｅ）に示す装薬動作を繰り返し、所定範囲に形成された各発破孔ＶＨに火薬カートリッジ６０を順次に装薬する。これにより、採鉱ステーション２０の装薬装置４０によれば、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に形成された複数の発破孔ＶＨに火薬カートリッジ６０を装薬することができる。特に、本実施形態の採鉱ステーション２０は、穿孔装置３０と同じ駆動体に装薬装置４０が装備されているので、予め定めたプログラムに従い、着底位置での区画（所定範囲）において高精度で効率よく火薬カートリッジ６０を装薬できる。

次に、採鉱ステーション２０の自走（歩行）方法について、図１２〜図１４を適宜参照して説明する。
ここでは、一例として、図１２に示すように、採鉱ステーション２０の自走、発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬によって、４０×４０ｍの海底熱水鉱床ＯＤの複数の所定範囲を順次に採鉱する手順を説明する。なお、以下説明する採鉱ステーション２０の自走動作は、上記管理コンピュータの監視下、基地制御ユニット９０が実行する所定のプログラムに基づき行われるが、これに限定されず、オペレータのマニュアル操作によって行ってもよい。

（手順１）準備工程
採鉱ステーション２０は、上述した初期着底状態では、図１３（ａ）に示すように、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの相対位置が、図５（ａ）に示した着底準備姿勢において、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。
そのため、基地制御ユニット９０は、管理コンピュータから採鉱準備命令を受けると、まず、着底準備姿勢から、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を一旦離底させ、中間フレーム２１Ｍと下部プラットフォーム２１Ｙを結合した状態で上部プラットフォーム２１ＸをＸの正方向に一杯に移動させる。その後、基地制御ユニット９０は、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を着底させて図１３（ｂ）に示す採鉱開始状態とする。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図１２に示す第一の区画Ａとなる。

（手順２）Ｘの正方向への歩行並びに穿孔および装薬
（手順２−１）第一の区画Ａにおいて、採鉱ステーション２０の基地制御ユニット９０は、管理コンピュータから採鉱開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域（１０ｍ×１０ｍ）の採鉱を開始する。
基地制御ユニット９０は、一の区画の採鉱時には、採鉱ステーション２０の歩行を停止した状態で、中間フレーム２１Ｍの内側の１０×１０ｍの所定領域を、図１０に示した穿孔方法で、上述した穿孔装置３０のＸ方向およびＹ方向の移動により順次に発破孔ＶＨを穿孔する（以下同様）。さらに、基地制御ユニット９０は、図１１に示した装薬方法で、上述した装薬装置４０のＸ方向およびＹ方向の移動により順次に各発破孔ＶＨに火薬カートリッジ６０を装薬する（以下同様）。

（手順２−２）第一の区画Ａでの所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬をし終えたら、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を、第二の区画Ｂに対応する位置となるように、各部を駆動制御してプラットフォーム２１を移動させる。
つまり、第一の区画Ａの穿孔および装薬を終えた状態では、図１４（ａ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。そのため、基地制御ユニット９０は、まず、図１４（ｂ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させる。

次いで、基地制御ユニット９０は、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図１４（ｃ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、基地制御ユニット９０は、図１４（ｄ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を下方に伸長してそれぞれ着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が第二の区画Ｂとなる。

（手順２−３）第二の区画Ｂにおいて、採鉱ステーション２２０の基地制御ユニット９０は、管理コンピュータから採鉱開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域に対して穿孔および装薬を行う。
（手順２−４）第二の区画Ｂでの所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬を終えたら、基地制御ユニット９０は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、上部プラットフォーム２１ＸをＸの正方向一杯に移動させる。その後、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を着底させる。

次いで、基地制御ユニット９０は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を下方に伸長してそれぞれ着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図１２に示す第三の区画Ｃとなる。

（手順２−５）以下、同様にして、第三の区画Ｃでの所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬を終えたら、基地制御ユニット９０は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。

次いで、基地制御ユニット９０は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を離底させ、次いで、下部プラットフォーム２１ＹとＭＦを結合した状態で、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図１２に示す第四の区画Ｄとなる。
（手順２−６）第四の区画Ｄにおいて、基地制御ユニット９０は、管理コンピュータから採鉱開始命令を受け、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域に、所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬をする。
（手順２−７）以下、同様にして、Ｘの正方向への歩行並びに穿孔および装薬では（２−４）〜（２−６）の手順を繰り返す。

（手順３）Ｙの正方向への走行並びに穿孔および装薬
（手順３−１）また、Ｙ方向に採鉱ステーション２２０を移動するときは、基地制御ユニット９０は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、下部プラットフォーム２１ＹをＹの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を着底させる。

（手順３−２）その後、基地制御ユニット９０は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを固定した状態で、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１ＭをＹの正方向一杯に移動させる。その後、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を着底させる。

（手順３−３）次いで、基地制御ユニット９０は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、下部プラットフォーム２１ＹをＹの正方向に、下部プラットフォーム２１Ｙの平面中心が上部プラットフォーム２１Ｘおよび中間フレーム２１Ｍの平面中心に一致する位置まで移動させる。
その後、基地制御ユニット９０は、下部プラットフォーム２１Ｙ４つの支持脚２６を着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図１２に示す第五の区画Ｅとなる。第五の区画Ｅにおいて、基地制御ユニット９０は、管理コンピュータから採鉱開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域に、所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬をする。

（手順４）繰返し
以下、Ｘの負方向に移動する場合は、Ｘの正方向と同様の手順を逆方向に向けて行えばよく、予定採鉱区域（４０×４０ｍ）での発破孔ＶＨの穿孔および装薬の終了まで、上述した（手順２）と（手順３）の動作を繰り返し行う。また、Ｘ方向の走行に関しては、Ｘの正方向と負方向の手順を交互に実行すればよい。
これにより、図１５に示すように、隣接する所定領域に対して順次に、所期の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬を行うことができる。そして、図１に示したように、設備を退避したら、適当なタイミングにて装薬がされた所定範囲を打ち掛け発破により破砕することができる。

次に、本実施形態の海底熱水鉱床の採鉱システム、および、これによる海底熱水鉱床の採鉱方法の作用効果について説明する。
上述したように、本実施形態の海底熱水鉱床の採鉱方法は、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲に複数の発破孔ＶＨを穿孔する発破孔穿孔工程と、所定範囲の複数の発破孔ＶＨの全部または一部に火薬カートリッジ６０を装薬する装薬工程と、装薬がされた所定範囲を打ち掛け発破により破砕する打ち掛け発破工程と、打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床ＯＤのズリを洋上に揚鉱する揚鉱工程と、を含むものである。

そのため、本実施形態の海底熱水鉱床の採鉱方法によれば、海底熱水鉱床ＯＤの所定範囲を打ち掛け発破により破砕するので、各採鉱作業を効率良く行うことができるため、採鉱効率が良い。そして、本実施形態の打ち掛け発破であれば、洋上にて小型船である母船１によって発破作業が可能であり、揚鉱工程において、仮に大型船舶を揚鉱に用いる場合であっても、破砕された海底熱水鉱床ＯＤのズリを洋上に揚鉱するときに限定すればよいので、大型採鉱船の常時停船が不要であり、用船費を大幅に削減できる。また、ツール交換の回数を低減できる。

なお、所定範囲のＸ−Ｙ平面での移動、並びに、移動後の発破孔ＶＨの穿孔および火薬カートリッジ６０の装薬は、本実施形態のように、コンピュータ（上記管理コンピュータ、および基地制御ユニット９０等）により自動的に行ってもよいし、各採鉱ステーション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、本実施形態の海底熱水鉱床の採鉱システムでは、採鉱ステーション２０は、ジャッキアップ式のプラットフォームを備えているので、海底熱水鉱床ＯＤの傾斜や起伏に柔軟に対応できる上、自らが水平方向に移動可能な機構を有するので、最初の区画の発破孔ＶＨの穿孔が終了した後は、次の隣接する区画に自ら移動できる。
よって、この採鉱ステーション２０を採用することにより、プラットフォームの移動に際し、採鉱ステーション２０の位置替え（リロケーション）を行う船舶（ＩＲＶ）を不要または使用を要する状態を大幅に少なくすることができる。そのため、ＩＲＶによる自身の吊り上げ、移動、着底の作業に要する多くの時間とコストが削減できる。また、採鉱期間中、移動時のＩＲＶが不要なので、プロジェクトの工期や用船費を大きく削減できる。

なお、本発明は、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。

ここで、海底熱水鉱床では、熱水が噴出するチムニー（煙突状の熱水噴出突起）が海山に多く存在するところ、このようなチムニーの存在や高温領域がある点を考慮することも、安全かつ効率良い採鉱を行う上で重要である。
そこで、上述した装薬工程において、火薬カートリッジ６０の装薬に際し、発破孔ＶＨの温度（例えば水温）を測定し、所定温度以下の温度の発破孔ＶＨに装薬を行ない、所定温度を超える温度の発破孔ＶＨには装薬を行なわないことは好ましい。このような採鉱方法であれば、海底熱水鉱床ＯＤの高温領域での誤爆を防止する上で好適である。

また、発破孔ＶＨの温度は、発破孔ＶＨを穿孔している時のスラリーの温度に基づいて判定することは好ましい。このような採鉱方法であれば、海底熱水鉱床ＯＤの高温領域での誤爆を防止する上でより好適である。スラリーの温度は、例えば採鉱ステーション２０の穿孔装置３０に装備すればよい。
つまり、海底熱水鉱床ＯＤから噴出される水温は、深海底の水温に比べ非常に高い。そのため、アクティブな熱水噴出口の位置や熱水噴出経路は、水温を測定することで判定できる。そして、穿孔途中で穿孔中の発破孔ＶＨが熱水噴出経路に通じるおそれを考慮すれば、穿孔時に掘削されたスラリーの温度を測定することは安全管理上重要であるといえる。

また、例えば上記実施形態では、所定範囲について、所期の発破孔ＶＨを穿孔後に、直ぐに各発破孔ＶＨに火薬カートリッジ６０を装薬する例を説明したが、これに限定されず、上記高温領域の存在を考慮すると、所定範囲相互の穿孔および装薬の手順について、複数の所定範囲に対して直ちに装薬せずに、空間を空けつつ順次に装薬するようにしてもよい。
図１６を参照して、複数の所定範囲として、上述した第一の区画Ａから第四の区画Ｄを例にして、これら複数の所定範囲Ａ〜Ｄにおける穿孔および装薬に際し、直ちに装薬せずに、時間を空けつつ順次に装薬する例を具体的に説明する。なお、同図では、複数の所定範囲を一般化する意味で、所定範囲Ａ〜Ｄに対し、Ｎを自然数とし、複数の所定範囲として、Ｎ番目から順に穿孔する所定範囲を、所定範囲Ｎ、所定範囲（Ｎ＋１）、所定範囲（Ｎ＋２）、および、所定範囲（Ｎ＋３）とする呼称を併せて示す。

図１６に示すように、この例では、まず、ステップＳ１として、所定範囲Ａ（Ｎ）を穿孔する。次いで、ステップＳ２として、所定範囲Ａ（Ｎ）を穿孔直後には、当該所定範囲Ａ（Ｎ）には装薬を行わずに続く所定範囲Ｂ（Ｎ＋１）を穿孔する。次いで、ステップＳ３として、所定範囲Ｂ（Ｎ＋１）を穿孔直後には、当該所定範囲Ｂ（Ｎ＋１）には装薬を行わずに、所定範囲Ａ（Ｎ）に装薬を行なう。

次いで、ステップＳ４では、続く所定範囲Ｃ（Ｎ＋２）を穿孔する。次いで、ステップＳ５では、所定範囲Ｃ（Ｎ＋２）を穿孔直後には、当該所定範囲Ｃ（Ｎ＋２）には装薬を行わずに前記所定範囲Ｂ（Ｎ＋１）に装薬を行なう。次いで、ステップＳ６では、続く所定範囲Ｄ（Ｎ＋３）を穿孔する。以下、上述したステップの流れに従い、同様にして、所定範囲Ｄ（Ｎ＋３）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋３）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋２）に装薬を行なうという手順を繰り返す。

このような穿孔および装薬方法であれば、複数の所定範囲に対し、穿孔後に直ちには装薬をせずに、時間を空けつつ順次に装薬できるため、海底熱水鉱床の高温領域での誤爆を防止する上で好適である。また、このような穿孔および装薬方法であれば、複数の所定範囲に対し、各打ち掛け発破作業を効率良く、且つより安全に行い得るので、用船費を削減する上でより好適である。

また、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、発破孔ＶＨを形成する方法および装置は、打撃機構によるさく孔に限定されず、回転機構によるドリル穿孔であってもよい。但し、採鉱した鉱物をスラリー状とし、粒子径を非常に細かくして粒度を均一にする上では、ドリル穿孔ではなく、打撃機構によるさく孔が好ましい。

また、例えば採鉱ステーション２０の位置・方位の計測は、海上基地となる母船１と採鉱ステーション２０とをつなぐ超音波、採鉱ステーション２０に装備したジャイロ、さらに深度計を搭載して、精度を上げることが好ましい。
また、図１に示すように、海上の母船１から採鉱ステーション２０を投入する際に、人工衛星ＡＳの発する電波に基づくＧＰＳで採鉱ステーション２０の投入位置を計測し、海底ＳＢに着座するまでの経路を採鉱ステーション２０に搭載された慣性センサで計測することが好ましい。海底着座開始地点から海底を歩行する移動工程では、海底基地のメカニカルな移動量、移動方向から積算することが好ましい。

１ 母船（海上基地）
１１ 作業機
１２ 発電機
２０ 採鉱ステーション（海中基地）
２１ ベースフレーム（プラットフォーム）
２６ 支持脚
３０ 穿孔装置
４０ 装薬装置
４１ 第一フィード機構
４２ 第二フィード機構
４３ クランプ機構
４４ カメラ
４５ ガイドシェル
４６ 移動フレーム
４７ スライダ
４８ 送り機構
４９ ジャッキ機構
５０ ビット
６０ 火薬カートリッジ
８０ マガジン
９０ 基地制御ユニット９０
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底
ＯＤ 海底熱水鉱床
ＶＨ 発破孔（有底穴）

Claims (10)

1. 海底熱水鉱床の所定範囲に複数の発破孔を穿孔する穿孔工程と、
   前記所定範囲の複数の発破孔の全部または一部に爆薬を装薬する装薬工程と、
   前記装薬がされた前記所定範囲を打ち掛け発破により破砕する打ち掛け発破工程と、
   該打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床のズリを洋上に揚鉱する揚鉱工程と、
   を含み、
   前記装薬に際し、前記発破孔を穿孔している時のスラリーの温度に基づいて前記発破孔の温度を測定し、その測定された前記発破孔の温度が所定温度を超える温度の発破孔には装薬を行なわないことを特徴とする海底熱水鉱床の採鉱方法。
2. 海底熱水鉱床の所定範囲に複数の発破孔を穿孔する穿孔工程と、
   前記所定範囲の複数の発破孔の全部または一部に爆薬を装薬する装薬工程と、
   前記装薬がされた前記所定範囲を打ち掛け発破により破砕する打ち掛け発破工程と、
   該打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床のズリを洋上に揚鉱する揚鉱工程と、
   を含み、
   前記所定範囲として、Ｎを自然数とし、複数の所定範囲として、Ｎ番目から順に穿孔する所定範囲を、所定範囲Ｎ、所定範囲（Ｎ＋１）、所定範囲（Ｎ＋２）、および、所定範囲（Ｎ＋３）と呼ぶとき、
   所定範囲Ｎを穿孔直後には、当該所定範囲Ｎには装薬を行わずに続く所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔し、
   所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋１）には装薬を行わずに前記所定範囲Ｎに装薬を行ない、
   続く所定範囲（Ｎ＋２）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋２）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋１）に装薬を行ない、
   続く所定範囲（Ｎ＋３）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋３）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋２）に装薬を行なう、
   ことを特徴とする海底熱水鉱床の採鉱方法。
3. 海底熱水鉱床の所定範囲に複数の発破孔を穿孔する穿孔工程と、
   前記所定範囲の複数の発破孔の全部または一部に爆薬を装薬する装薬工程と、
   前記装薬がされた前記所定範囲を打ち掛け発破により破砕する打ち掛け発破工程と、
   該打ち掛け発破工程で破砕された海底熱水鉱床のズリを洋上に揚鉱する揚鉱工程と、
   を含み、
   前記所定範囲に装薬する爆薬としては、装薬姿勢において、凸の半球状頭部および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有する爆薬筒と、該爆薬筒の上部に設けられた保持筒と、保持筒の上部に設けられて超音波により無線で起爆する起爆素子筒と、該起爆素子筒の上部に設けられた不発信号器と、を頭部からこの順に有する火薬カートリッジを用い、
   前記発破孔への装薬位置において、前記爆薬筒および前記保持筒を、前記発破孔内に収容し、前記起爆素子筒および前記不発信号器を、鉱床の上面よりも海中側に突設する位置に装薬する、
   ことを特徴とする海底熱水鉱床の採鉱方法。
4. 前記装薬に際し、前記発破孔の温度を測定し、所定温度を超える温度の発破孔には装薬を行なわない請求項２または３に記載の海底熱水鉱床の採鉱方法。
5. 前記発破孔の温度は、発破孔を穿孔している時のスラリーの温度に基づいて判定する請求項４に記載の海底熱水鉱床の採鉱方法。
6. 前記所定範囲として、Ｎを自然数とし、複数の所定範囲として、Ｎ番目から順に穿孔する所定範囲を、所定範囲Ｎ、所定範囲（Ｎ＋１）、所定範囲（Ｎ＋２）、および、所定範囲（Ｎ＋３）と呼ぶとき、
   所定範囲Ｎを穿孔直後には、当該所定範囲Ｎには装薬を行わずに続く所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔し、
   所定範囲（Ｎ＋１）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋１）には装薬を行わずに前記所定範囲Ｎに装薬を行ない、
   続く所定範囲（Ｎ＋２）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋２）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋１）に装薬を行ない、
   続く所定範囲（Ｎ＋３）を穿孔直後には、当該所定範囲（Ｎ＋３）には装薬を行わずに前記所定範囲（Ｎ＋２）に装薬を行なうとともに、
   前記所定範囲に装薬する爆薬としては、装薬姿勢において、凸の半球状頭部および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有する爆薬筒と、該爆薬筒の上部に設けられた保持筒と、保持筒の上部に設けられて超音波により無線で起爆する起爆素子筒と、該起爆素子筒の上部に設けられた不発信号器と、を頭部からこの順に有する火薬カートリッジを用い、
   前記発破孔への装薬位置において、前記爆薬筒および前記保持筒を、前記発破孔内に収容し、前記起爆素子筒および前記不発信号器を、鉱床の上面よりも海中側に突設する位置に装薬する、
   請求項１に記載の海底熱水鉱床の採鉱方法。
7. 海底熱水鉱床に穿孔された発破孔に火薬カートリッジを装薬する装薬装置であって、
   筐体と、該筐体に装備されて前記火薬カートリッジを複数収容するマガジンと、
   該マガジンに収容された前記火薬カートリッジのクランプおよびその解放が可能なクランプ機構と、
   該クランプ機構を支持するとともに前記火薬カートリッジを把持する高さから前記発破孔に装薬する高さまで移動させるフィード機構と、
   該フィード機構を支持するとともに前記クランプ機構を前記発破孔の軸方向で対向する装薬位置と前記マガジンに対する前記火薬カートリッジの把持位置とに移動させるキャリア機構と、
   を備えることを特徴とする海底熱水鉱床用装薬装置。
8. 前記発破孔を穿孔する穿孔装置が更に装備されている請求項７に記載の海底熱水鉱床用装薬装置。
9. 前記筐体は、海底熱水鉱床上をＸ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹ移動機構を備える請求項７または８に記載の海底熱水鉱床用装薬装置。
10. 海底熱水鉱床に穿孔された発破孔に装薬される火薬カートリッジであって、
    前記発破孔への装薬姿勢において、凸の半球状頭部および軸方向に沿って複数に分割されたアーチ型ブロックが円筒状に組み合わされた円筒部を有する爆薬筒と、該爆薬筒の上部に設けられた保持筒と、保持筒の上部に設けられて超音波により無線で起爆する起爆素子筒と、該起爆素子筒の上部に設けられた不発信号器と、を頭部からこの順に有することを特徴とする海底熱水鉱床用火薬カートリッジ。

Images