JP6954771B2 - Underwater mining base and method of excavating submarine deposits using this - Google Patents
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Description
本発明は、海底鉱物を採掘する技術に関する。 The present invention relates to a technique for mining seabed minerals.
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)。
In recent years, the prices of useful metals, which are indispensable for manufacturing various industrial equipment and whose abundance is small, have been rising. Although useful metals are industrially essential, they pose geopolitical risks due to their low yields and limited producing countries. Therefore, among the seafloor minerals, useful metal-containing minerals existing under the seafloor are attracting attention.
Various surveys have revealed that there are useful metals in the seafloor minerals at a higher concentration than the minerals currently mined on the ground. Therefore, in recent years, trial excavation surveys have been conducted by various institutions, and various mining methods and mining systems for seafloor minerals have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
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、海面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まで運搬される。
しかしながら、海底鉱床には海山と平坦地が存在し、海山は傾斜角が大きく、その表面は1m前後に達する大きさの礫が被覆し、また、平坦地は軟弱な堆積地盤である。それ故、特許文献1記載の技術のように、クローラ型の掘削機では、傾斜角に対応した充分な登板能力が難しく、海山の裾野からの採鉱は落石による採鉱機の破損のおそれがある。また、カッタ水平方式は、掘削反力に抗って車両を保持するため、生産量に従い車両重量が増大し、軟弱地盤における走行に支障を起こす可能性がある。
However, there are seamounts and flat land in the submarine deposits, and the seamount has a large inclination angle, its surface is covered with gravel having a size of about 1 m, and the flat land is soft sedimentary ground. Therefore, as in the technique described in
さらに、クローラ型の掘削機では、海底地形の起伏に応じた操作が煩雑であり、掘削機の移動には高い操作技術を要する。また、掘削時は掘削粉が海中に舞い上がるため、懸濁により環境認知ができず、掘削機のポジショニングにも支障がでる。そのため、掘削機操作の自動化が難しいという問題がある。
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、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる海中採鉱基地およびこれを用いた海底鉱床の掘削方法を提供することを課題とする。
Further, in the crawler type excavator, the operation according to the undulations of the seafloor topography is complicated, and the movement of the excavator requires a high operation technique. In addition, during excavation, the excavated powder soars into the sea, so the environment cannot be recognized due to suspension, which hinders the positioning of the excavator. Therefore, there is a problem that it is difficult to automate the operation of the excavator.
Therefore, the present invention has been made by paying attention to such a problem, and uses a soft ground deposited on a flat land of a seabed deposit, an underwater mining base capable of dealing with the slope and undulation of a seamount, and the like. The subject is to provide a method for excavating the existing seafloor deposits.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海中採鉱基地は、海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備されるとともに海底に立設されるプラットフォームと、を備え、前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有し、前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、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に構成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the underwater mining base according to one aspect of the present invention includes a mining device for mining a submarine deposit and a platform equipped with the mining device and erected on the seabed. The mining device is a drive that rotationally drives a housing that is hung from the platform side by a wire so as to be able to move up and down, at least a pair of drum cutters that are provided in the lower part of the housing and face each other, and the pair of drum cutters. It has a section and a mining section for mining the excavated material excavated by the drum cutter, the platform has a plurality of support legs, and each support leg is via a vertical movement mechanism. It is characterized in that it is configured so that the relative slide movement can be individually performed in the Z direction.
本発明の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、採掘装置が装備されるとともに複数の支持脚を有し、各支持脚は、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に構成されているので、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる。
そして、採掘装置は、ワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、その対をなすド
ラムカッタを回転駆動させる駆動部と、ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部とを有するので、海底鉱床の採掘に好適な海中採鉱基地を提供できる。
According to the undersea mining base according to one aspect of the present invention, the platform erected on the seabed is equipped with a mining device and has a plurality of support legs, and each support leg has a vertical movement mechanism. Since it is configured so that it can be slid individually in the Z direction via the seabed, it can cope with the soft ground deposited on the flat land of the seafloor deposit and the slope and undulation of the seamount.
The mining equipment includes a housing that is hung up and down by a wire, at least a pair of drum cutters that are provided at the bottom of the housing and face each other, and a drive unit that rotationally drives the pair of drum cutters. Since it has a mining section for mining excavated excavated by a drum cutter, it can provide an underwater mining base suitable for mining submarine deposits.
また、上記課題を解決するために、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地は、海底鉱床を採掘する採掘装置と、該採掘装置が装備され且つ海底に立設されるとともに水平面で互いに直交するX方向およびY方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備え、前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有することを特徴とする。 Further, in order to solve the above problems, the underwater mining base according to another aspect of the present invention is equipped with a mining device for mining a seabed deposit and a mining device equipped with the mining device and erected on the seabed, and each other on a horizontal surface. The mining apparatus includes a platform that can move by itself in at least one of the X and Y directions that are orthogonal to each other, and the mining device is provided in a housing that hangs up and down with a wire from the platform side and a housing that is lower than the housing. It is characterized by having at least a pair of drum cutters facing each other, a driving unit for rotationally driving the pair of drum cutters, and a mining unit for mining the excavated material excavated by the drum cutter.
本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、採鉱装置が装備されるとともに、X方向およびY方向の少なくとも一方に自ら移動可能なので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
そして、採掘装置は、ワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、その対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部とを有するので、海底鉱床の採掘に好適な海中採鉱基地を提供できる。
According to the undersea mining base according to another aspect of the present invention, the platform erected on the seabed is equipped with a mining device and can move by itself in at least one of the X direction and the Y direction. It can handle slopes and undulations.
The mining equipment includes a housing that is hung up and down by a wire, at least a pair of drum cutters that are provided at the bottom of the housing and face each other, and a drive unit that rotationally drives the pair of drum cutters. Since it has a mining section for mining excavated excavated by a drum cutter, it can provide an underwater mining base suitable for mining submarine deposits.
ここで、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地において、前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、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に構成されていることは好ましい。このような構成であれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応する上でより好適である。 Here, in the underwater mining base according to another aspect of the present invention, the platform has an upper platform, a lower platform, and an intermediate frame arranged between the upper and lower platforms, and the intermediate frame and the above-mentioned intermediate frame. The upper platform is configured to allow relative sliding movement in one direction via a horizontal movement mechanism, and the intermediate frame and the lower platform are described via a horizontal movement mechanism. Each of the upper and lower platforms has a plurality of support legs, and each support leg is Z via a vertical movement mechanism. It is preferable that the relative slide movement is possible individually in the direction. Such a configuration is more suitable for dealing with the slope and undulation of the submarine deposit.
さらに、他の一態様に係る海中採鉱基地において、前記採掘装置は、前記上部プラットフォームまたは下部プラットフォームに支持されて上下方向に延びるスライドガイドと、前記スライドガイドの面に沿って上下方向にスライド移動可能な前記筐体とを有し、前記筐体は、前記ワイヤの巻回による昇降方向での初期位置から所定の下降位置までの間は、前記スライドガイドに沿って昇降するように構成されていることは好ましい。
さらにまた、前記筐体は、前記支持脚の垂直方向への移動機構の駆動による前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて、前記スライドガイドと一体で昇降するように構成されていることは好ましい。
Further, in the underwater mining base according to another aspect, the mining apparatus can slide vertically along the surface of the slide guide and a slide guide supported by the upper platform or the lower platform and extending in the vertical direction. The housing is configured to move up and down along the slide guide from the initial position in the raising and lowering direction by winding the wire to a predetermined lowering position. That is preferable.
Furthermore, it is preferable that the housing is configured to move up and down integrally with the slide guide in response to the raising and lowering operation of the platform itself by driving the vertical movement mechanism of the support legs.
そして、本発明の一態様に係る海底鉱床の掘削方法は、前記海中採鉱基地のいずれか一の好適態様を用いて海底鉱床を掘削する方法であって、前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と(口切掘削工程)、前記ワイヤの巻回による昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と(垂下掘削工程)、を含むことを特徴とする。
このような構成であれば、口切掘削工程により、プラットフォームに対して採掘装置の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削することができ、垂下掘削工程にて、ワイヤを伸ばして予定の深さまで掘削することができる。よって、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応しつつ海底鉱床を掘削する方法として優れている。
The method for excavating a submarine deposit according to one aspect of the present invention is a method for excavating a submarine deposit using any one of the preferred aspects of the undersea mining base, and is described in accordance with the elevating operation of the platform itself. A process of feeding a mining device to excavate a submarine deposit (cutting excavation process), and a process of feeding the mining device to excavate a submarine deposit in response to an ascending / descending operation by winding the wire (hanging excavation). Step).
With such a configuration, it is possible to perform stable excavation while firmly holding the vertical posture of the mining device with respect to the platform by the mouth-cutting excavation process, and it is planned to extend the wire in the drooping excavation process. Can be excavated to the depth of. Therefore, it is an excellent method for excavating submarine deposits while dealing with the soft ground that accumulates on the flat land of submarine deposits and the slopes and undulations of seamounts.
上述のように、本発明によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to cope with the soft ground deposited on the flat land of the submarine deposit and the slope and undulation of the seamount.
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。本実施形態は、採掘装置で鉱床を掘削し、掘削された鉱物を海水とともに採鉱可能に構成されている採鉱ステーションを用いる採掘システムの例である。
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. This embodiment is an example of a mining system using a mining station that excavates a deposit with a mining device and is configured to be able to mine the excavated minerals together with seawater.
The drawings are schematic. Therefore, it should be noted that the relationship, ratio, etc. between the thickness and the plane dimension are different from the actual ones, and there are parts where the relationship and ratio of the dimensions are different between the drawings. In addition, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the material, shape, structure, and arrangement of constituent parts. Etc. are not specified in the following embodiments.
まず、本実施形態の採掘システムの全体構成について説明する。
この採掘システムは、図1に示すように、海上採鉱基地として海上SLに配置される採鉱母船1と、海底SBに配置される採鉱ステーション20および揚鉱ユニット4とを有する。この採掘システムでは、複数の採鉱ステーション20を海中採鉱基地とする。各採鉱ステーション20には採掘装置30がそれぞれ装備されている。
First, the overall configuration of the mining system of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, this mining system has a
各採鉱ステーション20は、有用金属含有鉱物が堆積する海底鉱床である海底熱水鉱床ODに対し、各採掘装置30に装備された対をなすドラムカッタ32で鉱床を掘削し、掘削された鉱物を海水とともに採鉱可能に構成されている。そして、この採掘システムは、各採掘装置30で採鉱された礫またはスラリー状の鉱物を、各採鉱ステーション20から吸込管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を介して採鉱母船1に揚鉱するように構成されている。
Each
詳しくは、本実施形態の例では、採鉱母船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および複数の採鉱ステーション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。
架設配置用母船2には、揚鉱ユニット4および採鉱ステーション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11wで採鉱ステーション20を垂下して海底SBに立設する。また、同様にして、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。
Specifically, in the example of the present embodiment, the
The erection mother ship 2 is equipped with a working
採鉱母船1には、発電機12および貯蔵器13、並びに不図示の管理コンピュータが搭載されている。貯蔵器13は換装可能に船上に載置されている。管理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に配置された採鉱ステーション20および揚鉱ユニット4に接続され、採鉱ステーション20および採掘装置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。
The
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を介して採鉱ステーション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。
The
揚鉱用ポンプ25は、上記揚鉱管6を介して採鉱母船1と接続される。揚鉱管6は、採鉱ステーション20で採掘した礫またはスラリー状の鉱物を採鉱母船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の採鉱母船1まで到達し、採鉱母船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で揚鉱された鉱物を貯蔵する。運搬船3は、貯蔵器13を採鉱母船1と換装して、採鉱母船1に揚鉱された鉱物を必要な場所に移送する。
The
次に、上記採鉱ステーション20について、図2〜図8を適宜参照しつつ詳しく説明する。
図2に示すように、採鉱ステーション20は、ベースフレームとなる複数の矩形枠体から構成されたプラットフォーム21を備える。プラットフォーム21は、上下の枠体の四隅が複数(この例では8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を介してプラットフォーム21に固定されている。
Next, the
As shown in FIG. 2, the
図3に、採鉱ステーション全体の模式的斜視図を示す。同図に示すように、この採鉱ステーション20は、上記採掘装置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とを備える海底鉱物資源開発用の自走式垂直採掘システムであり、また、自走式海底採鉱機械である。本実施形態のプラットフォーム21は、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。
FIG. 3 shows a schematic perspective view of the entire mining station. As shown in the figure, the
この例では、上部プラットフォーム21Xには、図4に示すように、Y方向に沿って二つのX移動フレーム43が張り渡されている。X移動フレーム43は、例えばトラス構造を有する。各X移動フレーム43の両端は、X方向用移動機構53を介して上部プラットフォーム21Xの上面にそれぞれ支持される。X方向用移動機構53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、二つのX移動フレーム43を上部プラットフォーム21Xに沿ってX方向に同時にスライド移動可能になっている。
In this example, the
二つのX移動フレーム43の上部には、Y移動フレーム44が張り渡されて載置されている。Y移動フレーム44は、Y方向用移動機構54を介してX移動フレーム43の上面に支持され、採掘装置30のY方向の送り機構を構成している。Y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、採掘装置30をX移動フレーム43の延在方向に沿って(つまりY方向に沿って)スライド移動可能になっている。
さらに、Y移動フレーム44の上部には、基地制御ユニット46が設けられている。基地制御ユニット46には、上記アンビリカルケーブル8および吸込管5が接続される。基地制御ユニット46の側面には、採掘装置30の稼働により採掘された鉱物を吸入するための吸込管5の一端が上記揚鉱管の巻回器51を介して接続される。吸込管5の他端は、分級器27に接続される。
Further, a
基地制御ユニット46には、図5に示すように、採鉱ステーション20および採掘装置30を駆動するために、採鉱ステーション20全体の作動を制御する制御部であるコントローラ45と、ワイヤ33の巻回用のウインチ47、高圧管の巻回器48および高圧の海水を供給する供給ポンプ40、並びに揚鉱管の巻回器51が内蔵されている。
As shown in FIG. 5, the
これにより、各採鉱ステーション20は、採鉱母船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基地制御ユニット46に受ける。基地制御ユニット46のコントローラ45は、採鉱母船1側の管理コンピュータの指令に基づいて、各ジャッキ機構49の駆動により、採鉱ステーション20の姿勢を制御する制御部として機能する。
As a result, each
さらに、各採鉱ステーション20は、管理コンピュータの管理下、コントローラ45によるX方向用移動機構53およびY方向用移動機構54の駆動制御により、採掘装置30をプラットフォーム21の所定区画内でX方向およびY方向に移動するとともに、供給ポンプ40の駆動により、取水した海水を高圧の海水として高圧管39から採掘装置30に供給可能になっている。
Further, each
次に、採鉱ステーション20に装備された採掘装置30について詳しく説明する。
図5に拡大図示するように、Y移動フレーム44の下方には、ワイヤ33を介して採掘装置30の筐体31が昇降可能に垂下されている。筐体31の上部には、筐体31の側部に沿って採掘装置30をZ方向の初期の位置での案内するスライドガイド38が設けられている。なお、採掘装置30のZ方向の初期位置は、スライドガイド38の内側面に設けられたストッパ38sで規制される。
Next, the
As shown in an enlarged view in FIG. 5, a
ワイヤ33は、基地制御ユニット46に設けられたウインチ47のワイヤドラム47rに巻回され、ウインチ47の駆動により繰り出しおよび巻き上げが行われ、スライドガイド38に沿ってZ方向での初期の範囲にて、筐体31の側部をガイドしつつ、採掘装置30を昇降可能になっている。上記XおよびY移動フレーム43、44とウインチ47とにより、いわば天井クレーンが構成されている。なお、回転駆動を伴う管路の連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
The
次に、上記採掘装置30の掘削部本体の構成についてより詳しく説明する。
本実施形態の採掘装置30は、いわゆるトレンチカッタと呼ばれるものであり、上部の基地制御ユニット46に設けられた巻回器48、51およびウインチ47等の昇降機器部と、海底を掘削するために昇降される筐体31等の掘削部本体とを有する。掘削部本体は、掘削予定位置にて海底に着床されるとともに、ワイヤ33による筐体31の昇降動作と、ジャッキ機構49によるプラットフォーム21の昇降動作と、により掘削方向に給進可能に構成されている。
Next, the configuration of the excavation section main body of the
The
詳しくは、図5に示すように、採掘装置30の掘削部本体は、ワイヤ33にて昇降可能に垂下される筐体31と、筐体31下部に設けられた一対の水平軸32gにそれぞれ回転自在に支持された一対のドラムカッタ32と、筐体31下部に設けられて一対のドラムカッタ32を回転駆動させる駆動部を構成する流体駆動モータ(例えばマッドモータ)35とを有する。
Specifically, as shown in FIG. 5, the excavation part main body of the
筐体31には、進行方向両側面に、ドラムカッタ32により掘削された掘削溝内およびスライドガイド38の拘束部で筐体31をスライド移動可能に保持するガイド部31a,31bが設けられている。
また、筐体31の下部には、ドラムカッタ32よりも上部の位置に、掘削した土砂を含む礫またはスラリー状の鉱物を採鉱するための採掘・吸引部であるサクションボックス34および揚鉱ポンプ37が装備されている。揚鉱ポンプ37には、上記揚鉱管36が接続される。なお、回転駆動を伴う連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
The
Further, in the lower part of the
基地制御ユニット46のコントローラ45は、オペレータの操作または自動制御によって、ウインチ47のワイヤドラム47rに巻回されたワイヤ33により、掘削部本体を昇降させるとともに、その昇降動作に応じて、駆動流体を供給する高圧管39を高圧管の巻回器48に巻き取り、揚鉱管36を揚鉱管の巻回器51に巻き取らせる。
The
なお、第一実施形態では、これらワイヤ33、高圧管39および揚鉱管36の巻き取りおよび繰り出しを行う昇降機器部が基地制御ユニット46に設けられた例を示したが、これに限らず、後述する、図11に示す第二実施形態のように、ワイヤ33、高圧管39および揚鉱管36を、クレーンのブーム先端のシーブにてそれぞれ支持し、掘削部本体の垂直姿勢を保持しつつ昇降する構成としてもよい。
In the first embodiment, an example is shown in which the
流体駆動モータ35の上流側は、基地制御ユニット46の高圧管39に接続されている。高圧管39は、基地制御ユニット46に設けられた供給ポンプ40の吐出側に接続される。さらに、揚鉱管36の上端は、基地制御ユニット46の側部に接続された吸込管5に揚鉱管の巻回器51を介して連通しており、上記揚鉱用ポンプ25が、吸込管5を介して巻回器51の吐出側に接続されている。
The upstream side of the
流体駆動モータ35は、例えば一軸偏心ねじポンプの作動原理の逆作動により回転駆動され、その回転駆動力が、下部に設けられたサクションボックス34の動力伝達部を介して、一対のドラムカッタ32の各水平軸32gを回転可能に構成されている。また、サクションボックス34には、流体駆動モータ35を駆動した後の作動流体(つまり海水)を揚鉱管36側に限って戻すように還流回路が構成されている。
これにより、採掘装置30は、対をなすドラムカッタ32の駆動で掘削された鉱物をサクションボックス34から吸引し、海上の採鉱母船1に向けて揚鉱用ポンプ25を介して揚鉱可能になっている。なお、回転駆動を伴う連結部は、スイベルジョイントを介して接続されている。
The
As a result, the
次に、図6〜図8に基づき、採鉱ステーション20の移動機構を詳しく説明する。なお、図6〜図8は、上記架設配置用母船2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。なお、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。
Next, the moving mechanism of the
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。
As shown in FIG. 6, the
また、下部プラットフォーム21Yは、同図に示すように、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。
Further, as shown in the figure, the
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。
As shown in FIG. 8, the
図6に示すように、上下の各プラットフォーム21X、21Yは、それぞれ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。そして、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。
As shown in FIG. 6, the upper and
より詳しくは、プラットフォーム21は、図6に示すように、上部プラットフォーム21Xの矩形状の枠体の四隅それぞれと、下部プラットフォーム21Yの矩形状の枠体の四隅それぞれとに支持脚26を有する。各支持脚26には、Z方向のスライド移動機構であるジャッキ機構49が昇降用のジャッキングユニットとして設けられている。
ジャッキ機構49は、各支持脚26の両側に1基ずつ、計二基が装備され、各支持脚26には、図3に示すように、Z移動用ラックRzが、各支持脚26の軸方向に沿って周方向で対向する位置にそれぞれ取付けられている。
More specifically, as shown in FIG. 6, the
The
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)。
The
各Z移動用ラックRzに対応するジャッキ機構49は、不図示のZ駆動モータと、Z駆動モータの出力軸に装着されたピニオンと、ピニオンに噛合された上記Z移動用ラックRzを有してラック&ピニオン機構が構成される。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、上下のプラットフォーム21X、21Yの上昇および下降が可能になっている。
The
上部プラットフォーム21Xの直動案内機構は、上部プラットフォーム21Xの横ガーダーXa底面に、横ガーダーXaの延在方向に沿って取付けられた不図示のスキッディングレールを有する。スキッディングレールの上下はベアリングプレートで案内される。スキッディングレールは、上部プラットフォーム21Xの横ガーダーXaに沿って上部プラットフォーム21Xの端から端まで取り付けられている。
The linear motion guidance mechanism of the
ベアリングプレートは、中間フレーム21Mの横ガーダーMaの角部上面に取り付けられる。また、スキッディングレールを左右から覆うように、ベアリングプレートの配置位置と同じ位置に、ホールディングクローが取り付けられる。ホールディングクローは、上部プラットフォーム21XがX方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールを両側から支持する。
The bearing plate is attached to the upper surface of the corner of the lateral girder Ma of the
上記X駆動モータMxの駆動軸には、不図示のX移動用ピニオンが装着され、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。X移動用ピニオンは、X移動用ラックRxに噛合され、X駆動モータ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。
An X-moving pinion (not shown) is mounted on the drive shaft of the X-driving motor Mx and projects at a position facing the rack surface of the X-moving rack Rx. The X-moving pinion is meshed with the X-moving rack Rx and is synchronously driven by the X-driving motor so that the
一方、下部プラットフォーム21Yの直動案内機構は、下部プラットフォーム21Yの縦ガーダーYa上面に、縦ガーダーYaの延在方向に沿って取付けられた不図示のスキッディングレールを有する。スキッディングレールは、下部プラットフォーム21Yの縦ガーダーYaの端から端まで取り付けられている。
On the other hand, the linear motion guidance mechanism of the
下部プラットフォーム21Yは、上部プラットフォーム21Xと同様に、中間フレーム21Mの縦ガーダーMbの角部下面に、不図示のベアリングプレートが取付けられ、ベアリングプレートによりスキッディングレールの上下を案内している。また、ベアリングプレートの配置位置と同じ位置に、スキッディングレールを左右から覆うように、ホールディングクローが取り付けられ、下部プラットフォーム21YがY方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールを両側から支持している。
Similar to the
上記Y駆動モータMyの駆動軸には、Y移動用ピニオンPyが装着され、Y移動用ラックRyのラック面に対向する位置に張り出している。Y移動用ピニオンPyは、それぞれY移動用ラックRyに噛合され、Y駆動モータMyにより同期駆動されて、下部プラットフォーム21YをY方向にスライド移動可能に構成されている。
A Y-moving pinion Py is mounted on the drive shaft of the Y-driving motor My, and projects to a position facing the rack surface of the Y-moving rack Ry. The Y-moving pinion Py is meshed with the Y-moving rack Ry, and is synchronously driven by the Y-driving motor My, so that the
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、予定採掘区域をX方向およびY方向それぞれに歩行するとともに、採掘装置30をX方向およびY方向に移動させて、所定区画を順次に採鉱可能になっている。
As a result, the
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。
The
For example, a moving mechanism that slides in a hydraulic cylinder system can be used. Similarly, each
さらに、本実施形態の採鉱ステーション20は、基地制御ユニット46が、プラットフォーム21の姿勢を検出する慣性センサを有する。また、本実施形態では、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46のコントローラ45に出力可能になっている。
Further, the
コントローラ45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む採鉱ステーション自身の制御部である。コントローラ45は、採鉱ステーション20の歩行制御処理、採鉱ステーション20の採鉱制御処理、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。
コントローラ45は、採鉱ステーション20の姿勢制御処理が実行されると、慣性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、姿勢安定を維持する姿勢安定制御を行う。
The
When the attitude control process of the
特に、本実施形態の採鉱ステーション20は、大きな礫がバラ積みされた上を歩くので、崩れ等により生じる動的姿勢変化を加速度計およびジャイロスコープ等の角加速度計を含めた慣性センサで計測することが好ましい。なお、静的姿勢を計る傾斜センサを併せて用いることもできる。また、姿勢制御用として、スラスターやウォータジェットを用いて姿勢の安定性を維持する制御を行ってもよい。
In particular, since the
また、コントローラ45は、慣性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、海上の曳航船である架設配置用母船2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。
Further, the
コントローラ45は、慣性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、海底に安定した姿勢で着底できる。
The
次に、上述の採掘システムによって、海底熱水鉱床ODから鉱物を採掘する手順、並びにこの採掘システム並びに採掘装置30による鉱物の採掘方法の作用・効果について説明する。
まず、図1に示したように、採鉱母船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、採鉱ステーション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、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。
Next, the procedure for mining minerals from the submarine hydrothermal deposit OD by the above-mentioned mining system, and the action / effect of the mineral mining method by this mining system and the
First, as shown in FIG. 1, the
本実施形態において、採鉱ステーション20を海底熱水鉱床ODに配置する際は、海底SBの凹凸形状に応じ、プラットフォーム21の姿勢が水平になるように、プラットフォーム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。各機材の設置後、採鉱母船1からアンビリカルケーブル8を介してコントローラ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、採鉱ステーション20および採掘装置30並びに揚鉱ユニット4を駆動し、採掘された鉱物を海水とともに吸引する。
In the present embodiment, when the
次に、採鉱ステーション20による採鉱工程について図9を参照しつつ説明する。
採鉱ステーション20のコントローラ45は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム21Mの内側の所定領域(例えば10m×10m)を採掘装置30により採掘する。なお、以下、この中間フレーム21Mの内側の所定領域を「一の区画」とも称する。
Next, the mining process by the
When the
本実施形態では、まず、図9(a)に示すように、採鉱ステーション20のスライドガイド38内に採掘装置30の筐体31を格納した状態で、全ての支持脚26を相対的に上昇させることにより、プラットフォーム21の水平姿勢を維持しつつ、プラットフォーム21を全体的に下降させる(同図(a)の符号D1)。
これにより、プラットフォーム21に対して採掘装置30の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削を開始することができる(口切掘削工程)。採掘装置30は、掘削部本体は、対をなすドラムカッタ32の動きにより、海底熱水鉱床ODを略長方形断面に掘削し、懸濁状態の鉱物で満たされた竪穴状の掘削溝VHが地中に形成される。
In the present embodiment, first, as shown in FIG. 9A, all the
As a result, the excavation can be started stably while the vertical posture of the
特に、海底熱水鉱床ODにおいては、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応する必要がある。これに対し、本実施形態によれば、口切掘削工程を実施することにより、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応しつつ、プラットフォーム21に対して採掘装置30の垂直姿勢を確実に保持した状態で安定して掘削溝VHを掘削できる。
In particular, in the submarine hydrothermal deposit OD, it is necessary to deal with the soft ground deposited on the flat land of the submarine deposit and the slope and undulation of the seamount. On the other hand, according to the present embodiment, by carrying out the mouth-cutting excavation process, the
ここで、鉱床の表層部分における軟弱地盤や傾斜や起伏等の不安定層から安定した掘削が可能な安定層に移行したことを判断する際に、ジャッキ機構49に装備されたトルク検出器を用いることができる。つまり、口切掘削工程において、コントローラ45は、掘削状態判定処理を実行し、トルク検出器から取得される各駆動モータの随時のモータトルクを監視する。そして、コントローラ45は、検出したトルク情報に基づき、トルク情報の変化から、不安定層から安定層への移行を判定できる。
なお、トルク検出器は、ジャッキ機構49に限定されず、例えば、採掘装置30の流体駆動モータ35を駆動する供給ポンプ40の吐出側にトルク検出器を設け、このトルク検出器から取得した情報により、流体駆動モータ35の駆動情報を得ることによっても、掘削状態を判定できる。
Here, the torque detector equipped in the
The torque detector is not limited to the
具体的には、検出されたトルクの値が所定よりも低かったときや、トルク変動が所定以上に振幅するようなときは、不安定層を掘削中であると判定できる。また、検出されたトルクの値が、所定値を超えたときや、トルク変動が所定未満に収まっているときには、安定層を掘削中であると判定できる。掘削状態判定処理において、そして、安定層を掘削中であると判定した場合には、続く「垂下掘削工程」に速やかに移行できる。 Specifically, when the detected torque value is lower than a predetermined value or when the torque fluctuation swings more than a predetermined value, it can be determined that the unstable layer is being excavated. Further, when the detected torque value exceeds a predetermined value or the torque fluctuation is less than a predetermined value, it can be determined that the stable layer is being excavated. In the excavation state determination process, and when it is determined that the stable layer is being excavated, the process can be quickly shifted to the subsequent "hanging excavation process".
すなわち、続く掘削および採鉱に際しては、同図(b)に示すように、ワイヤ33を繰り出し、採掘装置30の掘削部本体のみを垂下させながら掘削する(垂下掘削工程(同図(b)の符号D2))。このとき、ドラムカッタ32の押付け力はワイヤ33の張力で調整する。垂下掘削工程では、掘削および採鉱の進行にあわせてワイヤ33を伸ばして予定の深さ(プラットフォーム21の支持脚26が届く範囲)まで掘削および採鉱をする。
That is, in the subsequent excavation and mining, as shown in FIG. 3B, the
次いで、採掘装置30の掘削部本体を同図(a)の初期位置まで引き上げ、さらに、図4(b)に示す着床時の高さまでジャッキ機構49の駆動によりプラットフォーム21を引き上げる。その後に、XおよびY移動フレーム43、44によるXないしY方向への移動により、採掘装置30を最初の掘削位置から特定距離(掘削溝の壁面が掘削動作で崩壊しない壁面残厚を残す位置)だけ一の区画内で移動する(図9(c)での符号M1)。その後に、上記口切掘削工程から垂下掘削工程における掘削手順と同様の手順を繰り返すことにより一の区画内での掘削を継続する(区画内移動工程)。
Next, the excavated portion main body of the
その後、XおよびY移動フレーム43、44による一の区画内での移動により(図9(d)の符号M2)、掘削溝の間に残った壁を採掘装置30で掘削して崩す(同図(d))。掘削溝内に落ちた掘削片は、一対のドラムカッタ32で噛み込みつつカッタ間のサクションボックス34に接続された揚鉱管36から回収する(区画内壁面除去工程)。
なお、上記区画内移動工程において、隣接する掘削溝間の壁の厚さは、一対のドラムカッタ32の中心間距離よりも狭い幅とするように上記特定距離を設定することが、ドラムカッタ32が掘削溝間の壁面に安定して噛み込める厚さとする上で好ましい。
After that, by moving within one section by the X and
In the section moving step, the
但し、区画内移動工程での移動後、口切掘削工程から垂下掘削工程による掘削手順による掘削で隣り合う掘削溝間に「仕切り壁」を残すところ、この仕切り壁が「薄い」または「無い」場合は、区画内壁面除去工程において、掘削溝側へ仕切り壁が崩壊し易くなる。そのため、掘削溝側へ仕切り壁が崩壊しないように、掘削手順を管理する必要がある。仕切り壁が一旦崩れると、上記口切掘削工程から垂下掘削工程における垂直掘りが難しくなる場合があるからである。 However, after moving in the section movement process, a "partition wall" is left between adjacent excavation ditches by excavation by the excavation procedure from the mouth-cutting excavation process to the hanging excavation process, but this partition wall is "thin" or "absent". In that case, the partition wall tends to collapse toward the excavation groove side in the step of removing the wall surface in the section. Therefore, it is necessary to manage the excavation procedure so that the partition wall does not collapse toward the excavation ditch side. This is because once the partition wall collapses, it may be difficult to perform vertical digging in the hanging excavation process from the mouth cutting excavation process.
区画内壁面除去工程以降の掘削において、各支持脚26を立設する位置は、掘削溝の幅や海底地山の状況に応じて適宜昇降させる。つまり、同図において、掘削溝の溝幅が狭いとき(同図(e))や、掘削溝の溝幅が拡がったとき(同図(f))の例をそれぞれ示すように、掘削溝の幅や海底地山の状況に応じて、それぞれのプラットフォーム21の着底姿勢が安定するように各支持脚26を接地させる。
そして、姿勢が安定している状態で、口切掘削工程から垂下掘削工程による掘削手順を繰り返すことにより、一の区画内での掘削を安定して継続することができる。さらに、区画内移動工程および壁面除去工程を繰り返すことで、一段下の高さにて、上述した各工程での掘削を継続することができる。
In the excavation after the step of removing the wall surface in the section, the position where each
Then, by repeating the excavation procedure from the mouth-cutting excavation process to the drooping excavation process in a state where the posture is stable, the excavation in one section can be stably continued. Further, by repeating the step of moving in the section and the step of removing the wall surface, the excavation in each of the above steps can be continued at a height one step lower.
そして、上述した採掘と同時に揚鉱ポンプ37、揚鉱用ポンプ25が駆動されることにより、揚鉱管36先端のサクションボックス34内部に負圧を生じさせ、これにより、採掘された鉱物が揚鉱管36の先端から吸引され、揚鉱管36から吸込管5を介して採鉱することができる。また、これと同時に、ウインチ47によるワイヤ33の繰り出しにより採掘装置30の掘削部本体の給進動作がなされるため、掘削および採鉱で形成された掘削溝VH内に採掘装置30の掘削部本体のみを深く侵入させることができる。
Then, the
次いで、吸込管5で吸入された鉱物は分級器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を介して採鉱母船1の貯蔵器13に揚鉱される。採鉱母船1では、貯蔵器13に貯蔵するときに、鉱物を海水と分離し、鉱物が貯蔵器13内部に貯蔵される。
Then, the mineral sucked in the
On the other hand, among the separated minerals, the mineral having a desired specific density is sent to the
各採鉱ステーション20は、採掘装置30それぞれの最大採鉱深度まで採鉱したら採掘装置30の掘削部本体を後退した後に、採掘装置30を一の区画でのX−Y平面で移動して、一の区画でのX−Y平面全体を走査するように順次に採鉱を行う。一の区画でのX−Y平面での移動および移動後の採鉱は、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、およびコントローラ45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海上の採鉱母船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。
After mining to the maximum mining depth of each
このようにして、この採掘装置30によれば、一の区画において、海底熱水鉱床ODから掘削された鉱物の採鉱を継続することができる。そして、この採掘装置30によれば、掘削溝VH内に採掘装置30の掘削部本体が存在しているので、掘削溝VHの開口側を塞いだ状態のまま鉱物を掘削しつつ採鉱を進めることができる。したがって、採掘された鉱物が海水中に舞い上がって飛散し、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。
In this way, according to the
次に、採鉱ステーション20の自走方法について図10を適宜参照して説明する。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、コントローラ45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。
Next, the self-propelled method of the
採鉱ステーション20は、初期着底状態では、図10(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。コントローラ45は、管理コンピュータから採掘命令を受けると、まず、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、コントローラ45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、上述した一の区画での採掘開始状態とする。
In the initial landing state of the
一の区画においては、上述したように、採鉱ステーション20のコントローラ45は、管理コンピュータから採掘開始命令を受け、中間フレーム21Mの内側の所定領域を上述した一連の工程により採掘する。コントローラ45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の内側の所定領域を、図9に示した採鉱方法で、中間フレーム21Mの内側の区画内での採掘装置30のX方向およびY方向の移動により順次に採掘・吸引して採鉱を行っていく(以下、歩行後の他の区画において同様)。
In one section, as described above, the
一の区画での所期の採鉱を終えたら、コントローラ45は、中間フレーム21Mの内側の所定領域を、次の区画に対応する位置となるように、図10(a)〜(d)に示す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、一の区画の採鉱を終えた状態では、同図(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、コントローラ45は、まず、同図(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、これに対応するジャッキ機構49の駆動により離底させる。
After completing the desired mining in one compartment, the
That is, in the state where the mining of one section is completed, as shown in FIG. 6A, all the
次いで、コントローラ45は、同図(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を結合した状態で、水平方向への移動機構の駆動により、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、コントローラ45は、同図(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、これに対応するジャッキ機構49の駆動により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次の区画となる。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次の区画において、採鉱ステーション20のコントローラ45は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム21Mの内側の所定領域を採掘する。そして、次の区画での所期の採鉱を終えたら、コントローラ45は、以下、同様にして、上下のフレームを交互に移動させてX方向に自走することができる。また、同様にして、上下のフレームを交互に移動させてY方向にも自走することができる。
In the next section, when the
このように、この採鉱ステーション20によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応できる上、採鉱ステーション20を自走可能な構成とすることにより、採鉱ステーションの位置替え(リロケーション)を行う支援船である架設配置用母船2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、採鉱操作の自動化が容易であり、プロジェクトの工期とコストを大幅に減少することができる。
As described above, according to the
特に、この採掘装置30を備える採鉱ステーション20、および、海底鉱物の採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、各採鉱ステーション20は、複数の支持脚26を有し、各支持脚26は、垂直方向への移動機構であるジャッキ機構49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、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
In particular, according to the
そして、オペレータがカメラ等によって監視しつつ手動操作を行う場合でも、この採掘装置30を備える採鉱ステーション20であれば、海水中への鉱物の飛散が防止または抑制されているため、採鉱作業の効率を向上させる上で好適である。また、採鉱ステーション20、および、採掘装置30が比較的に簡素な構成なので、深海のような過酷な環境下であっても、故障のおそれが低く信頼性の高い採掘システムを提供できる。
Even when the operator performs manual operation while monitoring with a camera or the like, the
このように、本実施形態の採掘装置30を備える採鉱ステーション20、および、採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、海底鉱床の平坦地に堆積する軟弱な地盤や、海山の傾斜や起伏に対応可能である。
さらに、掘削された鉱物を掘削溝VH内にある掘削部本体に装備されたサクションボックス34から揚鉱管36に吸い込むので、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。また、本実施形態の採掘システムは、採掘装置30で掘削された鉱物を掘削溝VH内部から揚鉱管36を介して吸込管5に直接導入するので、揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制できる。
As described above, according to the
Further, since the excavated minerals are sucked into the lifting
特に、従来提案されているトレンチカッタでは、船上からトレンチカッタの位置をコントロールするものなので、船上からトレンチカッタを精度良く制御することは困難である。
これに対し、本実施形態では、採鉱ステーション20の採掘装置30として、トレンチカッタを採用するところ、本実施形態の採掘装置30は、海底に立設するプラットフォーム21上をXY方向にスライド移動でき、また、スライドガイド38の内に筐体31を格納すれば、採掘装置30の掘削部本体を垂下時の揺動を防止または抑制できる。
In particular, in the conventionally proposed trench cutter, since the position of the trench cutter is controlled from the ship, it is difficult to accurately control the trench cutter from the ship.
On the other hand, in the present embodiment, a trench cutter is adopted as the
さらに、クローラ型掘削機や海上の船からワイヤ吊りする掘削機と比較して、海底における掘削機のリロケーションや、掘削機のポジショニングが採鉱ステーション20の機構的動作のみで実現できるため、海中採鉱基地の自動化が容易である。これにより、海上支援船からのアンビリカルケーブルおよびコントロール以外は独立でき、安価な支援船で済むことから開発コストの大幅な低減が可能となる。よって、海底熱水鉱床ODでの鉱物の採鉱に好適であるといえる。
Furthermore, compared to a crawler type excavator or an excavator that suspends wires from a ship on the sea, the relocation of the excavator on the seabed and the positioning of the excavator can be realized only by the mechanical operation of the
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。
例えば、上記実施形態では、海上採鉱基地として採鉱母船1を例に説明したが、これに限定されず、海上揚鉱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、採鉱された鉱物を、採鉱母船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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
For example, in the above embodiment, the
Further, for example, in the above embodiment, the example of transporting the mined mineral to the
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、採鉱ステーション20は、複数台を用いて広範囲を同時に採鉱する例を示したが、勿論、一台のみを稼働することができる。また、採鉱ステーション20が装備する採掘装置30についても、小型のものから大型のものまで、種々の採掘装置30を用いることができる。
Further, for example, in the above embodiment, the
Further, for example, in the above embodiment, a plurality of
また、本発明においては、採掘・吸引部を稼働させるために用いるポンプの基数や流路の系統数も限定されず、複数のポンプによって稼働してよいし、また、一基のポンプのみによって一系統の流路構成で稼働してもよい。但し、本発明においては、採掘・吸引部が取り扱う圧力媒体は「海水」のみであることから、採掘・吸引部の稼働機構部を1系統に限って設けることは好ましい。このような構成とすれば、ポンプのような複雑な構造を有する稼働機構を最少限の一基のみとし、また、ポンプを通過する圧力媒体が海水のみとすることで、コストを抑制するとともに信頼性を向上させる上で好適である。 Further, in the present invention, the number of pumps used to operate the mining / suction unit and the number of flow paths are not limited, and the pumps may be operated by a plurality of pumps, or may be operated by only one pump. It may operate in the flow path configuration of the system. However, in the present invention, since the pressure medium handled by the mining / suction unit is only "seawater", it is preferable to provide the operation mechanism unit of the mining / suction unit in only one system. With such a configuration, the operation mechanism having a complicated structure such as a pump is limited to only one unit, and the pressure medium passing through the pump is only seawater, so that the cost is suppressed and the reliability is reduced. It is suitable for improving the property.
また、例えば上記実施形態では、海中採鉱基地として、採鉱ステーション20は、自らが水平方向に移動可能な例で説明したが、これに限らず、採鉱ステーション自らは水平方向に移動しない構成とすることもできる。但し、歩行機能を有しない採鉱ステーション20の場合は、最初の区画での採鉱が終了した後は、次の隣接する区画に採鉱ステーション20を改めて設置する必要がある。
Further, for example, in the above embodiment, the
つまり、歩行機能を有しない採鉱ステーションの場合は、ジャッキアップ式のプラットフォームの設置と移動に際し、その都度、設置移動用船舶(IRV)を必要とする。よって、上記実施形態のように、海中採鉱基地として、X方向およびY方向の少なくとも一方に自ら移動可能な採鉱ステーション20のような、「海底鉱物資源開発用自走式垂直採掘システム」を採用することは好ましい。
That is, in the case of a mining station that does not have a walking function, a ship for installation and movement (IRV) is required each time a jack-up platform is installed and moved. Therefore, as in the above embodiment, as an underwater mining base, a "self-propelled vertical mining system for developing submarine mineral resources" such as a
また、例えば上記実施形態では、採掘装置30がY移動フレーム44上に設けられている例を示したが、これに限らず、例えば採掘装置30をX移動フレーム43の側に設けることもできる。また、採掘装置30が中間フレーム21Mに固定されている構成としてもよい。この場合、XおよびY移動フレーム43、44を設けずに、中間フレーム21Mを一枚板にして、採掘装置30を中間フレーム21Mに直接固定する。そして、この構成において、掘削動作は、支持脚26の下降または中間フレーム21M上の昇降機構(上記符号47、48、51等が対応)、および中間フレーム21Mのスライド機構を使うことによって行うことができる。
Further, for example, in the above embodiment, the example in which the
また、上記実施形態では、天井クレーンのように、昇降用のウインチ47と、XおよびY移動フレーム43、44とを基地制御ユニット46と共にプラットフォーム21上に備える例で説明したが、これに限らず、例えば、クレーンによって採掘装置30を垂下してもよい。
詳しくは、図11に示すように、第二実施形態の採鉱ステーション120は、プラットフォーム21上にクレーン147を備える点が、上記第一実施形態と相違する。なお、昇降用のウインチ47に替えてクレーン147を備える点以外は、上記第一実施形態と同様の構成を有するので、他の説明については省略する。
Further, in the above embodiment, an example in which a
Specifically, as shown in FIG. 11, the
第二実施形態では、同図に示すように、プラットフォーム21の上部プラットフォーム21Xに、ブーム147bの起伏、伸縮および旋回が可能なクレーン147を搭載しており、このクレーン147のブーム147b先端から採掘装置30を垂下している。なお、この例では、昇降用のウインチ47を除く基地制御ユニット46の他の機能部は、上部プラットフォーム21Xにおけるクレーン147の基端部近傍且つクレーン147の動作の妨げにならない位置に装備されている。また、揚鉱管36および高圧管39は、クレーン147のブーム147b先端の配管用シーブを掛け回して採掘装置30に接続されている。
In the second embodiment, as shown in the figure, a
この第二実施形態のような構成であっても、海上からの操作に比べて、海中のクレーン147によって採掘装置30をX方向およびY方向に精度良く移動可能であり、また、プラットフォーム21が海底鉱床の傾斜や起伏に対応しつつ、採掘装置30による掘削および採鉱により掘削溝VHを形成しつつ鉱物を採掘し、その鉱物を掘削溝VHの内部から回収できる。
そして、このような構成であれば、クレーン147のブーム147bの起伏、伸縮および旋回動作の範囲にて、プラットフォーム21を構成するフレームの内外に採掘装置30を位置付け可能である。特に、海底熱水鉱床ODにおいては、同図に示すような、高いチムニーT(例えば、高いものは30m程度)が存在するところ、第二実施形態の構成であれば、高いチムニーTであっても、その上部からの掘削が可能となる。また、船上からトレンチカッタ等の採掘装置30の位置や姿勢を制御するよりも制御が容易である。
Even with the configuration as in this second embodiment, the
With such a configuration, the
1 採鉱母船(海上採鉱基地)
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
11 作業機
11w 作業機のワイヤ
12 発電機
13 貯蔵器
20、120 採鉱ステーション(海中採鉱基地)
21 プラットフォーム
21M 中間フレーム
21X 上部プラットフォーム
21Y 下部プラットフォーム
25 揚鉱用ポンプ
26 支持脚
27 分級器
30 採掘装置(トレンチカッタ)
31 筐体
31a,31b ガイド部
32 ドラムカッタ
32g 水平軸
33 ワイヤ
34 サクションボックス
35 流体駆動モータ(駆動部)
36 揚鉱管(採鉱部)
37 揚鉱ポンプ
38 スライドガイド
39 高圧管
40 供給ポンプ
43 X移動フレーム
44 Y移動フレーム
45 コントローラ
46 基地制御ユニット
47r ワイヤドラム
47 ウインチ
48r 高圧管ドラム
48 高圧管の巻回器
49 ジャッキ機構(垂直方向への移動機構)
51 揚鉱管の巻回器
53 X方向用移動機構
54 Y方向用移動機構
SL 海上
SB 海底
OD 海底熱水鉱床(海底鉱床)
VH 竪穴(掘削溝)
1 Mining mother ship (marine mining base)
2 Mother ship for
21
31
36 Lifting pipe (mining department)
37
51 Winder for lifting
VH pit (excavation ditch)
Claims (8)
前記採掘装置は、前記プラットフォーム側からワイヤにて昇降可能に垂下される筐体と、該筐体下部に設けられて互いに対向する少なくとも一対のドラムカッタと、該対をなすドラムカッタを回転駆動させる駆動部と、前記ドラムカッタで掘削した掘削物を採鉱するための採鉱部と、を有し、
前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、
前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、
前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、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に構成され、
前記採掘装置は、前記上部プラットフォームまたは下部プラットフォームに支持されて上下方向に延びるスライドガイドと、前記スライドガイドの面に沿って上下方向にスライド移動可能な前記筐体とを有し、
前記筐体は、前記ワイヤの巻回による昇降方向において、前記ワイヤで牽引されて前記スライドガイド上部のストッパに当接した状態で格納された初期位置から、前記初期位置よりも繰り出されて前記スライドガイドによって自身が案内されつつ前記ワイヤで垂下される第一の下降位置を経て、前記第一の下降位置よりも繰り出されて前記スライドガイドによって案内されることなく前記ワイヤで垂下される第二の下降位置の間で昇降するように構成され、
前記第一の下降位置では、少なくとも前記垂直方向への移動機構による前記プラットフォームのZ方向での移動範囲において前記筐体の下端が前記支持脚の下端よりも低い位置まで下降されるまでは前記筐体が前記スライドガイドに案内されることを特徴とする海中採鉱基地。 It is equipped with a mining device for mining submarine deposits and a platform equipped with the mining device and erected on the seabed and capable of moving in at least one of the X and Y directions orthogonal to each other in the horizontal plane.
The mining apparatus rotationally drives a housing that is hung up and down by a wire from the platform side, at least a pair of drum cutters that are provided in the lower part of the housing and face each other, and a pair of drum cutters. a driving unit, and a mining unit for mining excavation matter excavated by the drum cutter possess,
The platform has an upper platform, a lower platform, and an intermediate frame placed between these upper and lower platforms.
The intermediate frame and the upper platform are configured to be relatively slidable in one direction via a horizontal movement mechanism.
The intermediate frame and the lower platform are configured to allow relative slide movement in the other direction orthogonal to the one direction via a horizontal movement mechanism.
Each of the upper and lower platforms has a plurality of support legs, and each support leg is configured to be individually slidable in the Z direction via a vertical movement mechanism .
The mining apparatus has a slide guide that is supported by the upper platform or the lower platform and extends in the vertical direction, and the housing that can slide and move in the vertical direction along the surface of the slide guide.
The slide is extended from the initial position in the ascending / descending direction due to the winding of the wire, and is retracted in a state of being pulled by the wire and in contact with the stopper at the upper part of the slide guide. A second descending position, which is guided by a guide and hung by the wire, is extended from the first descending position, and is hung by the wire without being guided by the slide guide. is configured to lift between the lowered position,
In the first lowering position, the housing is at least until the lower end of the housing is lowered to a position lower than the lower end of the support leg in the Z-direction movement range of the platform by the vertical movement mechanism. sea mining base the body and wherein Rukoto being guided by the slide guide.
前記採掘装置は、前記枠内用移動機構の駆動により前記プラットフォームに沿って水平面で互いに直交するX方向およびY方向の少なくとも一方に移動可能に前記移動フレームに装着されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の海中採鉱基地。 Further equipped with a moving frame equipped on the upper platform and movable by the in-frame moving mechanism of the intermediate frame.
3 . The underwater mining base described in any one item.
前記プラットフォーム自体の昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と、
前記ワイヤの巻回による昇降動作に応じて前記採掘装置を給進して海底鉱床を掘削する工程と、
を含むことを特徴とする海底鉱床の掘削方法。 A method of excavating a submarine deposit using the underwater mining base according to claim 2.
A process of excavating a submarine deposit by feeding the mining device according to the elevating operation of the platform itself.
A process of excavating a submarine deposit by feeding the mining device in response to an ascending / descending operation by winding the wire.
A method of excavating a submarine deposit, which comprises.
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