WO2022185860A1 - 水底資源の採取システムおよび採取方法 - Google Patents
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- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
- E21B43/28—Dissolving minerals other than hydrocarbons, e.g. by an alkaline or acid leaching agent
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- E21B21/001—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor specially adapted for underwater drilling
Definitions
- the present invention relates to a bottom-of-water resource collection system and a bottom-of-water resource collection method, and more particularly to a bottom-of-water resource collection system and collection method capable of efficiently collecting bottom-of-water resources contained in the mud of the bottom ground.
- Patent Document 1 Conventionally, various systems have been proposed for excavating and collecting mud from the bottom of water (see Patent Document 1).
- a recovery hopper provided at the lower portion of the lifting pipe portion faces the ground surface of the underwater ground.
- an emulsion (oil mixed with a surfactant) with a specific gravity lighter than that of seawater is sprayed from the nozzle at the bottom of the bit to clear the mud of the bottom of the sea.
- emulsion oil mixed with a surfactant
- An object of the present invention is to provide a bottom water resource collection system and a bottom water collection method that can efficiently collect water bottom resources contained in the mud of the bottom ground.
- a first bottom-of-water resource extraction system of the present invention is a bottom-of-water resource extraction system for excavating mud in the bottom ground containing bottom-of-water resources and pumping up the above-mentioned from the water surface.
- a lifting/storage pipe extending toward the seabed ground; an insertion pipe connected to a lower portion of the lifting/storage pipe; , a stirring blade attached to the lower part of the rotating shaft and arranged inside the insertion tube, and a liquid supply mechanism for supplying liquid to the inside of the insertion tube, wherein at least the lower part of the insertion tube is the The liquid is supplied to the inside of the insertion tube by the liquid supply mechanism in a state of being inserted into the submerged ground, and the agitating blade that rotates with the rotation of the rotating shaft moves the inside of the insertion tube to the inside of the insertion tube.
- Mud is excavated and thawed, and the slurried mud by the thaw rises to the upper part of the insertion pipe by the stirring flow generated by the rotation of the stirring blade, and the slurry-like mud that has risen rises. is lifted onto the water through the lifting pipe by lifting means.
- a second bottom-of-water resource extraction system of the present invention is a bottom-of-water resource extraction system for excavating mud in the bottom-of-water ground containing bottom-of-water resources and pumping it up to the surface of the water.
- an insertion tube connected to the lower part of the lifting and storing tube; a rotating shaft extending in the tube axial direction inside the lifting and storing tube and the inserted tube; and a lower part of the rotating shaft
- a stirring blade attached to and arranged inside the insertion tube, a liquid supply mechanism that supplies liquid to the inside of the insertion tube, and a liquid supply mechanism that is arranged inside the insertion tube and when the rotating shaft rotates wherein the liquid is supplied to the inside of the insertion pipe by the liquid supply mechanism in a state where at least the lower part of the insertion pipe is inserted into the underwater ground,
- the mud inside the insertion pipe is excavated and demulsified by the stirring blades rotating with the rotation of the rotating shaft in a state in which the shaft shaking of the rotating rotating
- a first bottom-of-water resource extraction method of the present invention is a bottom-of-water resource extraction method in which mud in the bottom-of-water ground containing the bottom-of-water resource is excavated and lifted onto the water, wherein A pipe is extended, and in a state where at least the lower part of the insertion pipe connected to the lower part of the lifting and receiving pipe is inserted into the underwater ground, liquid is supplied to the inside of the insertion pipe, and the lifting and receiving pipe and the By rotating the rotating shaft extending in the direction of the tube axis inside the insertion tube and rotating the stirring blade attached to the lower part of the rotating shaft inside the insertion tube, the inside of the insertion tube
- the mud is excavated and demulsified, and the mud made into slurry by the dissolution is raised to the upper part of the insertion pipe by the stirring flow generated by the rotation of the stirring blade, and the raised slurry is raised. It is characterized in that the mud is lifted onto the water through the lifting pipe by a lifting means.
- a second method for extracting bottom water resources of the present invention is a method for extracting bottom water resources by excavating mud in the bottom water ground containing the bottom water resources and lifting the muddy soil onto the water surface.
- a pipe is extended, and in a state where at least the lower part of the insertion pipe connected to the lower part of the lifting and receiving pipe is inserted into the underwater ground, liquid is supplied to the inside of the insertion pipe, and the lifting and receiving pipe and the While rotating the rotating shaft extending in the direction of the tube axis inside the insertion tube, the rotation shaft is rotated in a state in which the shaft deflection is suppressed by the shaft deflection suppressing means arranged inside the insertion tube.
- the stirring blade attached to the lower part inside the insertion pipe By rotating the stirring blade attached to the lower part inside the insertion pipe, the mud inside the insertion pipe is excavated and demulsified, and the mud made into a slurry by the dissolution is transferred to the insertion pipe. and the raised slurry-like mud is lifted onto the water through the lifting pipe by lifting means.
- the liquid is supplied to the inside of the insertion pipe inserted into the waterbed ground, and the stirring blade is rotated to excavate and disaggregate the mud of the waterbed ground inside the insertion pipe, thereby producing a relatively small amount of liquid.
- This allows the mud to be effectively comminuted into a slurry and lifted up to the top of the insertion tube. Therefore, bottom water resources contained in the mud can be efficiently collected.
- a stirring flow is generated inside the insertion pipe by rotating the stirring impeller while supplying water to the inside of the insertion pipe.
- the finely disaggregated slurry-like mud is easily lifted up to the top of the insertion pipe along with the stirring flow. Therefore, the mud on the bottom of the water can be efficiently lifted up with a relatively small amount of liquid.
- the second bottom-of-water resource extraction system and extraction method by suppressing the axial deflection of the rotating shaft by the axial deflection suppressing means arranged inside the insertion tube, the mud can be stably finely granulated and lifted up. be advantageous.
- FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an outline of an embodiment of a bottom water resource extraction system of the present invention.
- FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube of FIG. 1 in plan view.
- FIG. 3 is an explanatory view illustrating the inside of the insertion tube as viewed from arrow A in FIG. 2 .
- FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube as viewed from arrow B in FIG. 2 .
- FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a state in which the insertion tube of FIG. 1 is inserted into the sea bed.
- FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring impeller has penetrated to a predetermined depth in the seabed ground from the state in FIG. 5 .
- FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blade is reciprocated in the tube axis direction inside the insertion tube from the state in FIG. 6 .
- FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an outline of another embodiment of the bottom water resource extraction system of the present invention.
- FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube of FIG. 8 in plan view.
- FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube in the C arrow view of FIG. 9 .
- FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube as viewed from arrow D in FIG. 9 .
- FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a state in which the insertion tube of FIG. 8 is inserted into the sea bed.
- FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube of FIG. 8 in plan view.
- FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube in the C arrow view
- FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring impeller has penetrated to a predetermined depth in the submerged ground from the state of FIG. 12 .
- 14 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blade is reciprocated in the tube axis direction inside the insertion tube from the state in FIG. 13.
- FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an outline of still another embodiment of the bottom-water resource extraction system of the present invention.
- FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube of FIG. 15 in plan view.
- the bottom-of-water resource extraction system and extraction method of the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings.
- the mud of the bottom of the water containing the bottom of the water resources (mineral resources) such as rare earths is excavated and collected on the water.
- a bottom water resource extraction system 1 (hereinafter referred to as a bottom water resource extraction system 1) of the present invention illustrated in FIG. and a rotating shaft 4 extending inside the lift-and-storage tube 2 and the insertion tube 3 in the tube axial direction.
- the collection system 1 further includes a stirring blade 6 attached to the lower portion of the rotating shaft 4 and a liquid supply mechanism 8 for supplying the liquid L into the insertion tube 3 .
- This embodiment exemplifies the case where the lifting pipe 2 is connected to the lifting and receiving ship 20 on the water, but it is not limited to the lifting and receiving ship 20.
- the lifting and receiving pipe 2 is provided on the water. It can also be configured to be connected to a facility or the like.
- the lift-and-storage pipe 2 and the insertion pipe 3 are in communication.
- the inner diameter of the insertion tube 3 is set larger than the inner diameter of the lift-and-storage tube 2 .
- the inner peripheral surface of the connecting portion between the lifting tube 2 and the insertion tube 3 has a smoothly continuous curved shape.
- the inner diameter of the lift-and-storage tube 2 is set, for example, within a range of 0.2 m or more and 1.0 m or less
- the inner diameter of the insertion tube 3 is set, for example, within a range of 0.5 m or more and 5 m or less.
- a lifting means is connected to the lifting pipe 2 for lifting the mud S raised to the upper part of the insertion pipe 3 through the lifting pipe 2 to the surface of the water.
- the pumping means is composed of, for example, an air lift pump, a slurry pump, or the like.
- the insertion pipe 3 When collecting the mud S of the waterbed ground B, the insertion pipe 3 is in a state in which at least the lower part thereof is inserted into the waterbed ground B, and the upper part of the insertion pipe 3 protrudes upward from the surface of the waterbed ground B. .
- 50% or more of the total length of the insertion pipe 3 is inserted into the seabed ground B.
- the length of the insertion tube 3 in the tube axis direction is appropriately set according to the depth of the stratum in which the submerged resources are distributed.
- an annular stopper 3a is provided on the outer peripheral surface of the insertion tube 3 in plan view.
- the rotating shaft 4 is suspended from the lifting and receiving ship 20 by inserting the lifting and receiving tube 2 and the insertion tube 3, and is rotated by the drive mechanism.
- a stirring blade 6 is attached to a head 5 that is detachably connected to the lower portion of a rotating shaft 4.
- An excavating edge 7 for excavating the mud S of the water bottom ground B is provided at the lower end of the head 5 .
- a group of agitating blades 6 composed of a plurality of agitating blades 6 is provided on the outer peripheral surface of the head 5 located above the excavating blade 7 .
- Each stirring blade 6 extends toward the inner peripheral surface of the insertion tube 3 .
- a plurality of stirring blades 6 constituting the same stirring blade group are arranged at intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 4 .
- Each stirring blade 6 in this embodiment is formed in a flat plate shape and has a tapered shape that tapers from the root portion connected to the rotating shaft 4 (head 5) toward the tip.
- the front end portion of the stirring blade 6 in the rotation direction is sharply pointed.
- the front end portion of the stirring blade 6 can be formed in a sawtooth shape with continuous peaks and valleys.
- the stirring impeller 6 is not limited to a flat plate shape, and can be curved like a screw blade, for example.
- a stirring blade group composed of two stirring blades 6 arranged at opposing positions is provided in three stages in the axial direction of the rotating shaft 4 .
- Each of the stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group is inclined downward in the direction of rotation.
- Each of the stirring blades 6 constituting the middle stirring blade group and the uppermost stirring blade group is inclined upward in the direction of rotation.
- the angle ⁇ (depression angle) between the axial direction of the rotating shaft 4 and the extending direction of the stirring blades 6 is, for example, 10 degrees or more and 80 degrees or less, preferably 20 degrees or more and 70 degrees or less. It is preferably set within the range of 25 degrees or more and 40 degrees or less.
- the stirring blades 6 adjacent to each other in the axial direction of the rotating shaft 4 are arranged at positions shifted in the circumferential direction of the rotating shaft 4 in plan view.
- a gap (clearance) of about 50 mm to 500 mm is provided between the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and the tip of the stirring blade 6 .
- the rotation speed of the stirring blade 6 (rotating shaft 4) is, for example, 10 rpm to 200 rpm.
- the number of stages of the stirring blade group provided in the axial direction of the rotating shaft 4 and the number of the stirring blades 6 constituting each stage of the stirring blade group are not limited to this embodiment, and can be configured differently.
- the stirring blades 6 constituting each stirring blade group are preferably arranged so as to be point-symmetrical about the axis of the rotating shaft 4 in plan view.
- the direction of inclination of the stirring blades 6 constituting the stirring blade groups of each stage is not limited to this embodiment. A downward sloping configuration is also possible.
- the liquid supply mechanism 8 supplies water (seawater or freshwater) as the liquid L, for example. It is convenient to use on-site water (sea water or fresh water) that is available on-site.
- the liquid L for example, a liquid obtained by adding an additive to water, or a liquid other than water may be supplied.
- the liquid supply mechanism 8 of this embodiment has a jet nozzle 8 a provided at the tip of the stirring blade 6 . Each injection nozzle 8 a injects the liquid L toward the inner peripheral surface of the insertion tube 3 .
- a liquid supply device installed on the surface of the water (ship 20) supplies liquid L to each injection nozzle 8a through a main pipe extending inside the rotating shaft 4 and a plurality of pipes 8b branched from the lower part of the main pipe. is supplied.
- the injection nozzle 8a and the pipe 8b are attached to the surface on the rear side of the stirring blade 6 with respect to the rotation direction of the stirring blade 6.
- the jet nozzle 8a and the pipe 8b may be installed in the stirring blade 6 so that the liquid L is jetted from the tip of the stirring blade 6 .
- all the stirring blades 6 are provided with the injection nozzles 8a, but some of the stirring blades 6 can be selectively provided with the injection nozzles 8a. That is, for example, the injection nozzle 8a can be provided only for each stirring blade 6 that constitutes the lowest stage stirring blade group.
- the injection nozzles 8a are selectively provided in some of the stirring blades 6, the injection nozzles 8a provided in each stage should be arranged so as to be point-symmetrical about the axis of the rotating shaft 4 in plan view. is preferred.
- the liquid supply mechanism 8 may have any structure as long as it can supply the liquid L into the insertion tube 3, and is not limited to the structure of this embodiment.
- a discharge nozzle for discharging the liquid L can be provided in the lower portion (head 5 ) of the rotating shaft 4 arranged inside the insertion tube 3 .
- the insertion tube 3 is connected to the lower part of the lift-and-storage tube 2, and the head 5 is detachably fixed inside the upper part of the insertion tube 3. Then, as exemplified in FIG. 5, the lifting pipe 2 is extended from the surface of the water (lifting and collecting ship 20) toward the sea bottom ground B, and at least the lower part of the insertion pipe 3 connected to the lower part of the lifting pipe 2 is inserted into the waterbed ground B. At this time, the upper part of the insertion tube 3 containing the head 5 is not inserted into the waterbed ground B, and the head 5 is arranged above the surface of the waterbed ground B.
- the inside of the lower part of the insertion pipe 3 inserted into the waterbed ground B is filled with the mud S of the waterbed ground B.
- the inside of the upper part of the insertion pipe 3, which is not inserted into the seabed ground B, is filled with the water W of the water area.
- the insertion pipe 3 when the insertion pipe 3 is inserted into the seabed ground B to a position where the stopper 3a provided on the outside of the insertion pipe 3 contacts the ground surface of the seabed ground B, the depth of the stratum where the waterbed resources are distributed is reached.
- the lower part of the insertion tube 3 is inserted.
- the upper part of the insertion tube 3 in which the head 5 is housed protrudes above the ground surface of the submerged ground B.
- the rotating shaft 4 is lowered from the surface of the water (the hoisting and recovering vessel 20) toward the seabed B while being inserted into the inside of the hoisting pipe 2 and the insertion pipe 3, and the head 5 is attached to the lower end of the rotating shaft 4. (Stirring blade 6) is connected. With the head 5 connected to the lower end of the rotary shaft 4 , the head 5 is removed from the insertion tube 3 when the rotary shaft 4 is further moved downward toward the submerged ground B. As a result, the head 5 (stirring blade 6) integrated with the rotating shaft 4 becomes movable in the direction of the tube axis.
- the liquid supply mechanism 8 supplies the liquid L into the insertion tube 3 and rotates the rotating shaft 4 .
- the stirring blade 6 attached to the lower part (head 5) of the rotating shaft 4 inside the insertion pipe 3
- the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and demulsified.
- the mud S made into a slurry by the demulsification is raised to the upper part of the insertion pipe 3 by the stirring flow generated by the rotation of the stirring blade 6, and the raised slurry-like mud is raised. S is lifted onto the water (lifting ship 20) through the lifting pipe 2 by the lifting means.
- the injection nozzle 8a starts to inject the liquid L, and the rotating shaft 4 is driven to rotate. to rotate the stirring blade 6.
- the rotating stirring blade 6 is moved from the surface of the submerged ground B to a predetermined depth. to excavate the mud S inside the insertion pipe 3.
- the mud S is excavated to the depth of the middle position of the insertion pipe 3 without excavating to a position deeper than the lower end 3 b of the insertion pipe 3 .
- the rotating impeller 6 excavates the mud S on the center side of the insertion tube 3, and the mud S between the tip of the agitation impeller 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 is excavated by the liquid L injected at high pressure from the injection nozzle 8a. be excavated.
- each stirring blade 6 that constitutes the lowest stage stirring blade group is inclined downward in the direction of rotation. Therefore, the mud S excavated by the stirring blades 6 constituting the lowest stirring blade group moves upward, and the mud S that has moved upward constitutes the middle stirring blade group and the top stirring blade group 6. is further refined by
- the rotating stirring blade 6 is reciprocated a plurality of times in the axial direction of the insertion tube.
- the mud S inside 3 is repeatedly disintegrated.
- the mud S inside the insertion pipe 3 is further finely granulated, and the finely granulated mud S inside the insertion pipe 3 is mixed with the liquid inside the insertion pipe 3 (the water W in the water area and the liquid supply mechanism 8).
- the inside of the insertion tube 3 is filled with slurry-like mud S.
- the mud S of the water bottom ground B is excavated and demulsified inside the insertion tube 3. Mud S can be effectively pulverized with a relatively small amount of liquid. Furthermore, by generating a stirring flow inside the insertion tube 3 by rotating the stirring blade 6, the mud S finely granulated inside the insertion tube 3 becomes difficult to settle and rises toward the top of the insertion tube 3. becomes easier. Therefore, the mud S of the water bottom ground B can be efficiently lifted up and collected with a relatively small amount of liquid, and the water bottom resources contained in the mud S can be efficiently collected.
- the lifting means operated while rotating the stirring blade 6 to lift the slurry-like mud S on the water through the lifting pipe 2, but after stopping the rotation of the stirring blade 6, the lifting means The slurry-like mud S can also be lifted up and collected on the water by operating only.
- the inner diameter of the lifting pipe 2 used in the deep sea is small, and the gap between the inner peripheral surface of the lifting pipe 2 and the rotating shaft 4 is relatively narrow, but the mud S inside the insertion pipe 3 has a small amount of soil mass. Since it flows into the lifting/storage pipe 2 in a fine-grained state, the mud S is less likely to clog the suction/storage pipe 2. ⁇ Therefore, troubles are unlikely to occur in the lifting pipe 2, and the mud S of the water bottom ground B can be lifted up and collected very smoothly.
- the liquid L is supplied to the inside of the insertion tube 3 to excavate and disintegrate the mud S inside the insertion tube 3, the liquid L does not flow outside the insertion tube 3 even when a liquid other than water is supplied as the liquid L. It is difficult to flow out into the water.
- the rotation speed of the stirring blades 6 should be 20 rpm or more, more preferably 40 rpm or more.
- the rotational speed of the stirring blades 6 must be increased accordingly.
- the upper limit of the rotation speed is, for example, about 80 rpm or 60 rpm.
- each of the stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group is configured to be inclined downward in the direction of rotation, the stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group excavate and desludge.
- the sludge S thus formed moves upward and is further disintegrated by the stirring blades 6 constituting the stirring blade group in the upper stage. Therefore, the mud S can be finely granulated very efficiently.
- the mud S excavated and demulsified by the stirring blades 6 constituting the lowest stirring blade group and the liquid inside the insertion pipe 3 are inserted from the lower opening of the insertion pipe 3.
- the stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group generate a stirring flow in which the mud S easily rises inside the insertion pipe 3, the demulsified mud S flows toward the upper part of the insertion pipe 3. easier to rise.
- each of the stirring blades 6 constituting the uppermost stirring blade group is configured to be inclined upward in the direction of rotation, the mud S that collides with the uppermost stirring blade 6 moves downward and moves downward. It is further disaggregated by the stirring blades 6 of the stages. Therefore, it is advantageous for efficiently refining the mud S.
- each of the stirring blades 6 constituting the uppermost stirring blade group is configured to be inclined downward in the direction of rotation, the uppermost stirring blade group 6 will displace inside the insertion tube 3. A churning flow is generated in which the muddy soil S easily rises. Therefore, the loosened mud S easily rises toward the upper portion of the insertion pipe 3 .
- the respective stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group and the highest stage stirring blade group are inclined downward in the direction of rotation, and the lowest stage stirring blade group and the highest stage stirring blade group It is also possible to adopt a configuration having a middle-stage stirring blade group in which the stirring blades 6 are inclined upward in the direction of rotation between them. With this configuration, the mud S can easily move between the lowermost stage stirring blade group and the middle stage stirring blade group, so that the mud S can be efficiently refined. Furthermore, since the stirring blade group at the uppermost stage generates a stirring flow in which the mud S easily rises inside the insertion pipe 3 , the disintegrated mud S easily rises toward the lifting pipe 2 .
- the mud S is more likely to be finely granulated.
- the deposited mud S is less likely to settle due to the lower portion of the insertion tube 3 .
- the amount of mud S remaining adhering to the inner peripheral surface of the insertion pipe 3 after the mud S inside the insertion pipe 3 has been lifted up is reduced. Therefore, even when the mud S is lifted up and collected several times by changing the insertion position of the insertion pipe 3, the resistance when inserting the insertion pipe 3 into a new position of the water bottom ground B does not increase, and the insertion pipe 3 can be inserted smoothly. It is also possible to reduce the labor required for maintenance of the insertion tube 3 after finishing the pick-up work.
- the agitating blades 6 After penetrating the agitating blades 6 from the new surface of the submerged ground B to a predetermined depth to excavate the mud S inside the insertion pipe 3, the agitating blades 6 are reciprocated in the pipe axis direction a plurality of times inside the insertion pipe 3.
- the mud S inside the insertion tube 3 can be finely granulated more reliably by repeatedly dissolving the mud S with the Further, it is possible to more effectively prevent the mud S finely granulated inside the insertion pipe 3 from settling in the lower part of the insertion pipe 3, and the mud S inside the insertion pipe 3 can be lifted up and collected more reliably.
- the number of times the stirring blades 6 are reciprocated inside the insertion tube 3 can be appropriately determined according to the hardness of the mud S of the submerged ground B, the number of the stirring blades 6, and the like. Specifically, for example, it is preferable to reciprocate the stirring blade 6 inside the insertion tube 3 about 2 to 15 times.
- the moving speed of the stirring blades 6 in the tube axis direction can be appropriately set according to the hardness of the mud S of the water bottom ground B.
- the moving speed of the stirring impeller 6 in the tube axis direction is preferably set within the range of 1 mm/sec to 100 mm/sec, more preferably 1 mm/sec to 10 mm/sec.
- the moving speed of the stirring blades 6 in the pipe axis direction inside the insertion pipe 3 is faster than the moving speed of the stirring blades 6 in the pipe axis direction when excavating from the surface to a predetermined depth at a new position in the submerged ground B. It is preferable to set the moving speed of the stirring blade 6 in the direction of the pipe axis to be high when reciprocating in the direction multiple times.
- the mud S of the waterbed ground B is not demulsified, and the load applied to the agitating blade 6 is relatively large.
- the moving speed of the stirring blades 6 in the direction of the tube axis to be relatively slow to excavate the submerged ground B, it is possible to avoid applying an excessive load to the stirring blades 6 .
- the mud S that has been excavated once is in a state of being demulsified to some extent, and the load applied to the stirring blades 6 is relatively small. Therefore, when the mud has been demulsified compared to the beginning of excavation, the mud S inside the insertion tube 3 can be efficiently demulsified by setting the moving speed of the stirring blade 6 in the tube axis direction to be high. can.
- Fig. 8 illustrates the collection system 1 of another embodiment of the present invention.
- the sampling system 1 of this embodiment includes a lift-and-storage pipe 2 extending from the water surface toward the seabed ground B, an insertion pipe 3 connected to the lower part of the lift-and-storage pipe 2, and the lift-and-storage pipe 2 and the insertion pipe 3. and a rotary shaft 4 extending in the tube axial direction.
- the sampling system 1 further includes an agitating blade 6 attached to the lower portion of the rotating shaft 4, a liquid supply mechanism 8 that supplies the liquid L to the inside of the insertion tube 3, and a shaft shake suppressor arranged inside the insertion tube 3. means 9;
- the structures of the lifting tube 2, the insertion tube 3, the rotary shaft 4, the stirring blade 6, and the liquid supply mechanism 8 are the same as those of the previously illustrated embodiments.
- the shaft vibration suppressing means 9 is arranged inside the insertion tube 3 and suppresses shaft vibration when the rotating shaft 4 rotates.
- the axial vibration suppressing means 9 has a contact portion 10 capable of contacting the inner peripheral surface of the insertion tube 3 . Even if the contact part 10 is designed to always contact the inner peripheral surface of the insertion tube 3, it is designed to contact the inner peripheral surface of the insertion tube 3 only when the rotating shaft 4 is bent beyond the allowable range. good too.
- an elastic member extending from the tip portion of the stirring blade 6 to the inner peripheral surface of the insertion tube 3 is provided as the contact portion 10 constituting the shaft vibration suppressing means 9 .
- the elastic member is composed of, for example, a plate-like member made of an elastic material such as rubber or resin.
- all the stirring blades 6 are provided with elastic members, but for example, some of the stirring blades 6 can be selectively provided with elastic members. Even if elastic members are selectively provided on some of the stirring blades 6, the elastic members provided on each stage are preferably arranged at positions that are point-symmetrical about the axis of the rotating shaft 4 in plan view. .
- the stirring blades 6 and the elastic members attached to the stirring blades 6 are inclined in the same direction. That is, the elastic members provided on the respective stirring blades 6 constituting the lowest stage stirring blade group are inclined downward in the direction of rotation. The elastic members provided on the respective stirring blades 6 constituting the middle and uppermost stirring blade groups are inclined upward in the direction of rotation.
- the insertion tube 3 is connected to the lower part of the lift-and-storage tube 2, and the head 5 is detachably fixed inside the upper part of the insertion tube 3.
- the lifting pipe 2 is extended from the surface of the water (lifting and collecting ship 20) toward the sea bottom ground B, and at least the lower part of the insertion pipe 3 connected to the lower part of the lifting pipe 2 is inserted into the waterbed ground B.
- the upper part of the insertion tube 3 containing the head 5 is not inserted into the waterbed ground B, and the head 5 is arranged above the surface of the waterbed ground B.
- the inside of the lower part of the insertion pipe 3 inserted into the waterbed ground B is filled with the mud S of the waterbed ground B.
- the inside of the upper part of the insertion pipe 3, which is not inserted into the seabed ground B, is filled with the water W of the water area.
- the insertion pipe 3 when the insertion pipe 3 is inserted into the seabed ground B to a position where the stopper 3a provided on the outside of the insertion pipe 3 contacts the ground surface of the seabed ground B, the depth of the stratum where the waterbed resources are distributed is reached.
- the lower part of the insertion tube 3 is inserted.
- the upper part of the insertion tube 3 in which the head 5 is housed protrudes above the ground surface of the submerged ground B.
- the rotating shaft 4 is lowered from the surface of the water (the hoisting and recovering vessel 20) toward the seabed B while being inserted into the inside of the hoisting pipe 2 and the insertion pipe 3, and the head 5 is attached to the lower end of the rotating shaft 4. (Stirring blade 6) is connected. With the head 5 connected to the lower end of the rotary shaft 4 , the head 5 is removed from the insertion tube 3 when the rotary shaft 4 is further moved downward toward the submerged ground B. As a result, the head 5 (stirring blade 6) integrated with the rotating shaft 4 becomes movable in the direction of the tube axis.
- the liquid supply mechanism 8 supplies the liquid L into the insertion tube 3 and rotates the rotating shaft 4 .
- the stirring blade 6 attached to the lower part (head 5) of the rotating shaft 4 inside the insertion pipe 3
- the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and demulsified.
- the axial vibration of the rotating shaft 4 is suppressed by the shaft vibration suppressing means 9 arranged inside the insertion tube 3 .
- the mud S made into a slurry by the demulsification is raised to the upper part of the insertion pipe 3 by the stirring flow generated by the rotation of the stirring blade 6, and the raised slurry-like mud is raised. S is lifted onto the water (lifting ship 20) through the lifting pipe 2 by the lifting means.
- each of the stirring blades 6 and elastic members that constitute the lowest stage stirring blade group is inclined downward in the direction of rotation. Therefore, the mud S that has been excavated and thawed by the stirring blades 6 and the elastic member that constitute the lowest stage stirring blade group moves upward, and the upwardly moved mud S moves from the middle stage stirring blade group and the uppermost stage stirring blade group. is further finely granulated by the stirring blades 6 constituting the
- each elastic member When the mud S is excavated and thawed, the tip of each elastic member is in contact with the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and is bent or compressed. A state is created in which an urging force directed toward the center of the shaft is applied.
- the urging force applied by the elastic member keeps the rotation shaft 4 centered on the tube axis of the insertion tube 3, thereby suppressing the movement of the rotation shaft 4 in the direction perpendicular to the tube axis direction (shaft shake).
- the eccentricity of the rotating shaft 4 is suppressed, the eccentricity of the rotating stirring blade 6 is also suppressed.
- the rotating shaft 4 When extracting submarine resources, the rotating shaft 4 will be considerably long. When the lower end portion of the rotating shaft 4 is pressed against the submerged ground B, the rotating shaft 4 is bent and deformed, and the shaft center position is shifted to be eccentric. When the degree of eccentricity increases, normal stirring by the stirring blades 6 becomes impossible. Therefore, in order to stably ensure the performance of the sampling system 1, the axial vibration suppressing means 9 (contact portion 10) functions extremely effectively.
- the rotating stirring blade 6 is reciprocated a plurality of times in the axial direction of the insertion tube.
- the mud S inside 3 is repeatedly disintegrated.
- the mud S inside the insertion pipe 3 is further finely granulated, and the finely granulated mud S inside the insertion pipe 3 is mixed with the liquid inside the insertion pipe 3 (the water W in the water area and the liquid supply mechanism 8).
- the inside of the insertion tube 3 is filled with slurry-like mud S.
- the liquid L is supplied to the inside of the insertion pipe 3 inserted into the waterbed ground B, and the stirring blade 6 is rotated to excavate the mud S of the waterbed ground B inside the insertion pipe 3.
- the stirring blade 6 is rotated to excavate the mud S of the waterbed ground B inside the insertion pipe 3.
- the axial deflection of the rotary shaft 4 by the axial deflection suppressing means 9 disposed inside the insertion tube 3, it is advantageous for stably pulverizing the mud S and lifting it up. Therefore, the bottom water resources contained in the mud S can be collected efficiently.
- the shaft deflection of the rotating shaft 4 by the shaft deflection suppressing means 9 it is possible to more reliably prevent the stirring impeller 6 from coming into contact with the insertion tube 3 and being damaged.
- the inner diameter of the lifting tube 2 used in the deep sea is small, and the gap between the inner peripheral surface of the lifting tube 2 and the rotating shaft 4 is relatively narrow. Since the tube 2 and the insertion tube 3 are maintained at the center of the tube axis, the mud S is less likely to clog the storage tube 2 . Therefore, troubles are unlikely to occur in the lifting pipe 2, and the mud S of the water bottom ground B can be lifted up and collected very smoothly. Further, since the liquid L is supplied to the inside of the insertion tube 3 to excavate and disintegrate the mud S inside the insertion tube 3, the liquid L does not flow outside the insertion tube 3 even when a liquid other than water is supplied as the liquid L. It is difficult to flow out into the water.
- the shaft blur suppression means 9 inside the insertion tube 3, the amount of movement of the rotation shaft 4 in the direction perpendicular to the tube axis direction can be reduced. This makes it possible to set the size of the gap (clearance) between the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and the tip of the stirring blade 6 to be relatively small. Since it is possible to extend the stirring blades 6 to a position closer to the inner peripheral surface of the insertion pipe 3 than in the case where the shaft blurring suppression means 9 is not provided, the mud S inside the insertion pipe 3 is moved by the stirring blades 6. It becomes possible to excavate and desludge more efficiently.
- the sampling system 1 having the configuration including the shaft blurring suppression means 9 is not limited to the configuration in which the slurry-like mud S is raised to the upper part of the insertion pipe 3 by the stirring flow generated by the rotation of the stirring blade 6.
- the contact portion 10 is configured to include an elastic member extending from the tip portion of the stirring blade 6 to the inner peripheral surface of the insertion tube 3, the configuration is very simple, and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 is not affected. Shaking of the rotating shaft 4 can be effectively suppressed by the biasing force of the elastic member in contact.
- the elastic members so as to be point-symmetrical about the axis of the rotating shaft 4 in a plan view, it is possible to more effectively suppress the vibration of the rotating shaft 4 .
- an elastic member between the tip of the stirring blade 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 it is possible to more reliably prevent the stirring blade 6 from coming into contact with the insertion tube 3 and being damaged. .
- the mud S between the tip of the stirring blade 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3, which the stirring blade 6 cannot reach can be excavated and demulsified by the elastic member, the mud S inside the insertion tube 3 can be exhaustively removed. Useful for picking up. Further, the contact portion 10 also functions as a scraper, and the amount of mud S remaining adhering to the inner peripheral surface of the insertion pipe 3 after the mud S inside the insertion pipe 3 has been lifted up is reduced. When the mud S is lifted up and collected several times by changing the insertion position of the insertion pipe 3, the insertion pipe 3 does not increase in resistance when inserting the insertion pipe 3 in a new position of the water bottom ground B, and the insertion pipe 3 can be smoothly moved. can be inserted into It is also possible to reduce the labor required for maintenance of the insertion tube 3 after finishing the pick-up work.
- the mud S between the tip of the stirring blade 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 is injected from the elastic member and the injection nozzle 8a.
- the liquid L excavation and desludging can be performed more efficiently. Therefore, it is more advantageous to exhaustively lift up the mud S inside the insertion tube 3 .
- the elastic member is configured to be inclined in the same direction as the attached stirring blade 6, the elastic member can easily rotate together with the stirring blade 6 in the mud S, and the mud S can be smoothly excavated and thawed. becomes advantageous.
- the elastic member substantially the same effect as that obtained by inclining the stirring blade 6 in the direction of rotation can be obtained.
- the axial vibration suppression means 9 can be configured by, for example, a shaft vibration suppression unit 11.
- FIG. Other configurations of the collection system 1 are the same as the previously illustrated embodiments. 15, the head 5, the stirring blade 6 and the injection nozzle 8a are omitted.
- the shaft vibration suppression unit 11 includes an arm group composed of a bearing portion 12 externally fitted to the rotating shaft 4, a plurality of arms 13 connected to the bearing portion 12, and an arm group provided at the tip of each arm 13. and a contact portion 10 .
- the bearing portion 12 is rotatably supported by the rotating shaft 4 .
- a plurality of arms 13 radially extend from the bearing portion 12 toward the inner peripheral surface of the insertion tube 3 around the rotation shaft 4 in plan view.
- the arm group has four arms 13, but the number of arms 13 is not particularly limited as long as it is two or more. , a configuration having five or more arms 13 is also possible.
- the contact portion 10 of this embodiment is composed of a roller 15 that contacts the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and rotates in the tube axial direction.
- the contact portion 10 may also include, for example, a sliding member that can slide in the axial direction while in contact with the inner peripheral surface of the insertion tube 3, or a fixed member that is fixed to the inner peripheral surface of the insertion tube 3. You can also
- the shaft vibration suppression unit 11 of this embodiment is arranged directly above the stirring blades 6 .
- the shaft vibration suppression unit 11 moves in the pipe axial direction inside the insertion tube 3 following the stirring blade 6 (head 5), thereby separating the shaft vibration suppression unit 11 and the stirring blade 6 in the pipe axial direction. It is designed to maintain a constant distance. That is, the shaft vibration suppressing unit 11 (bearing portion 12 ) is configured to move in the tube axial direction together with the rotating shaft 4 while being fitted onto the rotating shaft 4 .
- the method of collecting bottom-of-water resources using this collection system 1 is generally the same as in the previously exemplified embodiment.
- the insertion pipe 3 housing the head 5 and the shaft vibration suppression unit 11 is The upper part is not inserted into the waterbed ground B, and the head 5 and the shaft vibration suppression unit 11 are arranged above the surface of the waterbed ground B.
- the rotating shaft 4 is lowered from the surface of the water (the hoisting and recovering ship 20) toward the seabed B while being inserted into the inside of the hoisting and recovering pipe 2 and the insertion pipe 3, and the rotating shaft 4 is moved to the shaft vibration suppression unit 11. , and the head 5 (stirring blade 6 ) is connected to the lower end of the rotating shaft 4 .
- the head 5 is connected to the lower end of the rotating shaft 4
- the head 5 and the shaft vibration suppression unit 11 are removed from the insertion tube 3 .
- the head 5 (stirring impeller 6) integrated with the rotary shaft 4 and the shaft blurring suppression unit 11 become movable in the tube axial direction.
- the subsequent work procedure is the same as in the previously illustrated embodiment.
- the contact portion 10 abuts against the inner peripheral surface of the insertion tube 3, thereby adjusting the axial center position of the rotating shaft 4. is regulated, and the rotating shaft 4 is maintained at the center of the pipe axis. Therefore, it is possible to effectively suppress shaft shake during rotation of the rotating shaft 4 . Furthermore, since the bearing portion 12 is rotatably supported by the rotating shaft 4, the rotation of the shaft vibration suppression unit 11 can be suppressed even when the rotating shaft 4 is rotating at high speed. Therefore, it is possible to avoid applying a large load to the arm 13 and the contact portion 10 .
- the shaft vibration suppression unit 11 is arranged above the lowest stirring blade 6, more preferably above the highest stirring blade 6.
- the resistance applied to the shaft vibration suppression unit 11 during excavation of the mud S can be reduced, and the water bottom ground B can be excavated more easily.
- the shaft vibration suppression unit 11 is arranged above the stirring blade 6 and moves in the pipe axial direction together with the stirring blade 6, the shaft vibration suppression unit 11 is always in contact with the stirring blade 6.
- the rotation shaft 4 is suppressed from shaking. Therefore, it becomes difficult for the stirring blades 6 to move in the direction orthogonal to the pipe axis direction, and it is possible to more reliably prevent the stirring blades 6 from coming into contact with the insertion pipe 3 and being damaged.
- the contact portion 10 provided at the tip of the arm 13 is configured by a roller 15 that contacts the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and rotates in the direction of the tube axis, axial vibration can be suppressed together with the rotating shaft 4.
- This facilitates smooth movement of the unit 11 in the tube axial direction with respect to the insertion tube 3 .
- the contact portion 10 is composed of a sliding member with low friction with the inner peripheral surface of the insertion tube 3, and the sliding member contacts the inner peripheral surface of the insertion tube 3 and slides in the tube axial direction. can produce substantially the same effect.
- the shaft blurring suppression means 9 is limited to the elastic member and the shaft blurring suppression unit 11 illustrated above as long as it is disposed inside the insertion tube 3 and suppresses shaft blurring when the rotating shaft 4 rotates. not, and many other configurations are possible.
- the axial vibration suppression unit 11 can be configured to move in the axial direction inside the insertion tube 3 independently of the stirring blades 6 .
- the shaft vibration suppression unit 11 (contact portion 10) is fixed at a predetermined position inside the insertion tube 3, and the rotating shaft 4 is arranged in the tube axial direction with respect to the shaft vibration suppression unit 11 (bearing portion 12). can also be configured to be relatively movable.
- a configuration in which the elastic member and the shaft vibration suppression unit 11 are combined as the shaft vibration suppression means 9 may be employed.
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Abstract
水上から水底資源が含有されている水底地盤Ｂへ向けて揚収管２を延設し、揚収管２の下部に接続している挿入管３の少なくとも下部を水底地盤Ｂに挿入する。次いで、挿入管３の内部に液体Ｌを供給するとともに、揚収管２および挿入管３の内部を管軸方向に延在している回転軸４を回転させて、回転軸４の下部に取付けられている撹拌翼６を挿入管３の内部で回転させることにより、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削して解泥する。その解泥によってスラリー状にした泥土Ｓを撹拌翼６の回転によって発生させた撹拌流によって挿入管３の上部へ上昇させ、その上昇させた泥土Ｓを揚収手段により揚収管２を通じて水上に揚収する。これにより、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる。
Description
本発明は、水底資源の採取システムおよび採取方法に関し、さらに詳しくは、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる水底資源の採取システムおよび採取方法に関するものである。
海洋資源開発においては、深海に存在するレアアース等の水底資源が含有されている水底地盤の泥土を水などの液体とともにポンプリフトやエアリフト等の揚収手段を利用して水上の揚収船等に揚収している。泥土の土塊が大きいほど揚収するために多くの液量が必要となる。泥土とともに揚収される液量が多くなるほど揚収作業や泥土と液体とを分離する作業工数が増え、水底資源の採取に要するコストも高くなる。それ故、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取するには、水底地盤の泥土を細かく解泥してより少ない液量で揚収することが重要である。
従来、水底地盤の泥土を掘削して揚収するシステムが種々提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の海洋資源揚鉱装置では、揚収管部の下部に設けられている回収ホッパを水底地盤の地表に対向させる。次いで、回転させたビットを水底地盤に貫入するとともに、ビットの下端部に設けられたノズルから海水よりも比重の軽いエマルション（界面活性剤を混ぜた油）を噴射することで水底地盤の泥土を掘削する。そして、水底地盤中から回収ホッパの上部にまで上昇した泥土およびエマルションを、揚収管部を介して水上に揚収している。この方法では、ビットによって掘削した水底地盤中の泥土の多くが水底地盤中で拡散してしまうため、泥土を細かく解泥できない。それ故、この海洋資源揚鉱装置では、泥土を上昇させるために海水よりも比重の軽いエマルションを水底地盤中に噴射している。しかしながら、多量のエマルションを水底地盤中に噴射し、揚収する必要があるため、揚収した泥土とエマルションとを分離する作業工数が増大し、水底資源の採取に要するコストが高くなる。また、水中に流出するエマルションにより水中環境が害されることも懸念される。
本発明の目的は、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる水底資源の採取システムおよび採取方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の第１の水底資源の採取システムは、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続された挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構とを備え、前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が、前記撹拌翼の回転によって発生する撹拌流によって前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする。
本発明の第２の水底資源の採取システムは、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続されている挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構と、前記挿入管の内部に配置されていて前記回転軸の回転時の軸ブレを抑制する軸ブレ抑制手段とを備え、前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、回転する前記回転軸の軸ブレが前記軸ブレ抑制手段によって抑制された状態で、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする。
本発明の第１の水底資源の採取方法は、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させて、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記撹拌翼の回転によって発生させた撹拌流によって前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする。
本発明の第２の水底資源の採取方法は、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させつつ、前記挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段により前記回転軸の軸ブレを抑制した状態で、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする。
本発明によれば、水底地盤に挿入した挿入管の内部に液体を供給するとともに撹拌翼を回転させて、挿入管の内部で水底地盤の泥土を掘削、解泥することで、比較的少ない液量で泥土を効果的に細粒化してスラリー状にしつつ、挿入管の上部まで上昇させることが可能になる。それ故、泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる。
さらに、第１の水底資源の採取システムおよび採取方法では、挿入管の内部に水を供給しつつ、撹拌翼を回転させることで挿入管の内部に撹拌流を発生させる。これにより、細かく解泥されたスラリー状の泥土が撹拌流にのって挿入管の上部まで上昇し易くなる。それ故、比較的少ない液量で水底地盤の泥土を効率的に揚収することができる。第２の水底資源の採取システムおよび採取方法では、挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段によって回転軸の軸ブレを抑制することで、安定的に泥土を細粒化して揚収するには有利になる。
以下、本発明の水底資源の採取システムおよび採取方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。本発明によって、レアアース等の水底資源（鉱物資源）が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する。
図１に例示する本発明の水底資源の採取システム１（以下、採取システム１という）は、水上から水底地盤Ｂに向かって延在する揚収管２と、揚収管２の下部に接続されている挿入管３と、揚収管２および挿入管３の内部を管軸方向に延在している回転軸４とを備えている。採取システム１はさらに、回転軸４の下部に取付けられた撹拌翼６と、挿入管３の内部に液体Ｌを供給する液体供給機構８とを備えている。この実施形態では、揚収管２が水上の揚収船２０に接続されている場合を例示しているが、揚収船２０に限らず例えば、揚収管２が水上に設けられた揚収施設などに接続された構成にすることもできる。
揚収管２と挿入管３は連通している。挿入管３の内径は揚収管２の内径よりも大きく設定されている。揚収管２と挿入管３との連結部分の内周面は滑らかに連続する曲面形状になっている。揚収管２の内径は例えば、０．２ｍ以上１．０ｍ以下の範囲内に設定され、挿入管３の内径は例えば、０．５ｍ以上５ｍ以下の範囲内に設定される。揚収管２には、挿入管３の上部に上昇した泥土Ｓを、揚収管２を通じて水上に揚送する揚送手段が接続されている。揚送手段は、例えば、エアリフトポンプやスラリーポンプ等で構成される。
水底地盤Ｂの泥土Ｓを採取する際には、挿入管３は少なくとも下部が水底地盤Ｂに挿入された状態となり、挿入管３の上部は水底地盤Ｂの表面よりも上方に突出した状態となる。例えば、挿入管３の全長の５０％以上が水底地盤Ｂに挿入された状態にする。挿入管３の管軸方向の長さは、水底資源が分布している地層の深さに応じて適宜設定されるが、例えば、２ｍ以上２０ｍ以下の範囲内に設定される。この実施形態では、挿入管３の外周面に平面視で環状のストッパー３ａが設けられている。このストッパー３ａを境界にして、ストッパー３ａよりも下側の挿入管３の領域が水底地盤Ｂに挿入された状態になり、ストッパー３ａよりも上側の挿入管３の領域が水底地盤Ｂの表面よりも上方に突出した状態になる。
回転軸４は、揚収船２０から揚収管２および挿入管３を挿通して吊り下げられていて、駆動機構により軸回転する。図２～図４に例示するように、この実施形態では、回転軸４の下部に対して着脱可能に連結されるヘッド５に、撹拌翼６が取付けられている。ヘッド５の下端部には水底地盤Ｂの泥土Ｓを掘削する掘削刃７が設けられている。掘削刃７よりも上方に位置するヘッド５の外周面に、複数の撹拌翼６で構成された撹拌翼群が設けられている。それぞれの撹拌翼６は、挿入管３の内周面に向かって延在している。同じ撹拌翼群を構成する複数の撹拌翼６は、回転軸４の周方向に間隔をあけて配置されている。
この実施形態のそれぞれの撹拌翼６は平板状に形成されていて、回転軸４（ヘッド５）に接続されている根元部分から先端に向かって先細りするテーパ形状になっている。撹拌翼６の回転方向における前端部は鋭く尖った形状になっている。例えば、撹拌翼６の前端部を山と谷とが連続する鋸歯状にすることもできる。撹拌翼６は、平板状に限らず、例えば、スクリューの羽根のような湾曲した形状にすることもできる。
この実施形態では、対向する位置に配置された２枚の撹拌翼６で構成された撹拌翼群が、回転軸４の軸方向に３段設けられている。最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６は、回転方向に向かって下向きに傾斜している。中段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６は、回転方向に向かって上向きに傾斜している。図４に例示するように、回転軸４の軸方向と撹拌翼６の延在方向とのなす角度θ（俯角）は例えば、１０度以上８０度以下、好ましくは２０度以上７０度以下、より好ましくは２５度以上４０度以下の範囲内に設定される。
回転軸４の軸方向に隣り合う撹拌翼６どうしは、平面視で回転軸４の周方向にずれた位置に配置されている。挿入管３の内周面と撹拌翼６の先端との間には、５０ｍｍ～５００ｍｍ程度のすき間（クリアランス）が設けられている。撹拌翼６（回転軸４）の回転数は例えば１０ｒｐｍ～２００ｒｐｍである。
回転軸４の軸方向に設ける撹拌翼群の段数や、各段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６の数などは、この実施形態に限定されず、異なる構成にすることもできる。例えば、３枚の撹拌翼６で構成された撹拌翼群が、回転軸４の軸方向に２段設けられた構成などにすることもできる。それぞれの撹拌翼群を構成する撹拌翼６は、平面視で回転軸４の軸心を中心にして点対象になるように配置することが好ましい。それぞれの段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６の傾斜方向は、この実施形態に限定されず、例えば、最上段の撹拌翼群や中段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６が回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすることもできる。
液体供給機構８は、液体Ｌとして例えば、水（海水や淡水）を供給する。現場で入手できる現場水（海水や淡水）を利用すると便利である。その他に、液体Ｌとして例えば、水に添加剤を加えた液体や、水以外の液体を供給する構成にすることもできる。この実施形態の液体供給機構８は、撹拌翼６の先端部に設けられた噴射ノズル８ａを有している。それぞれの噴射ノズル８ａは、挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを噴射する。水上（揚収船２０）に設置された液体供給装置により、回転軸４に内部に延設された主管と、主管の下部で複数に分岐した配管８ｂとを通じて、それぞれの噴射ノズル８ａに液体Ｌが供給される構成になっている。
噴射ノズル８ａおよび配管８ｂは、撹拌翼６の回転方向に対して撹拌翼６の背後側になる面に付設されている。例えば、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂを撹拌翼６に内設して撹拌翼６の先端から液体Ｌが噴射される構成にすることもできる。この実施形態では、全ての撹拌翼６にそれぞれ噴射ノズル８ａが設けられているが、一部の撹拌翼６に選択的に噴射ノズル８ａを設けることもできる。即ち、例えば、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６にだけ噴射ノズル８ａを設けることもできる。
一部の撹拌翼６に選択的に噴射ノズル８ａを設ける場合にも、各段に設ける噴射ノズル８ａは、平面視で回転軸４の軸心を中心にして点対象になるように配置することが好ましい。なお、液体供給機構８は、挿入管３の内部に液体Ｌを供給できる構成であればよく、この実施形態の構成に限定されない。例えば、液体供給機構８として、挿入管３の内部に配置されている回転軸４の下部（ヘッド５）に、液体Ｌを吐出する吐出ノズルを設けることもできる。
次に、この採取システム１を用いて水底資源を採取する方法の手順の一例を以下に説明する。
揚収管２の下部に挿入管３を接続し、挿入管３の上部の内部にヘッド５を着脱可能に固定しておく。そして、図５に例示するように、水上（揚収船２０）から水底地盤Ｂへ向けて揚収管２を延設し、揚収管２の下部に接続されている挿入管３の少なくとも下部を水底地盤Ｂに挿入する。この際、ヘッド５が収容されている挿入管３の上部は水底地盤Ｂに挿入せずに、ヘッド５を水底地盤Ｂの表面よりも上方に配置した状態にする。この段階では、水底地盤Ｂに挿入されている挿入管３の下部の内部は水底地盤Ｂの泥土Ｓで満たされた状態になっている。水底地盤Ｂに挿入されていない挿入管３の上部の内部は、水域の水Ｗで満たされた状態になっている。
この実施形態では、挿入管３の外側に設けられているストッパー３ａが水底地盤Ｂの地表に当接する位置まで挿入管３を水底地盤Ｂに挿入すると、水底資源が分布している地層の深さまで挿入管３の下部が挿入される。ヘッド５が収容されている挿入管３の上部は水底地盤Ｂの地表よりも上方に突出した状態となる。
次いで、回転軸４を、揚収管２および挿入管３の内部に挿通させた状態で水上（揚収船２０）から水底地盤Ｂへ向けて降下させて、回転軸４の下端部にヘッド５（撹拌翼６）を連結する。回転軸４の下端部にヘッド５を連結した状態で、回転軸４をさらに水底地盤Ｂへ向けて下方移動させると挿入管３からヘッド５が外れる。その結果、回転軸４と一体化したヘッド５（撹拌翼６）が管軸方向に移動可能な状態となる。
次いで、図６に例示するように、液体供給機構８により挿入管３の内部に液体Ｌを供給するとともに、回転軸４を回転させる。そして、回転する回転軸４の下部（ヘッド５）に取付けられている撹拌翼６を挿入管３の内部で回転させることにより、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削して解泥する。そして、図７に例示するように、その解泥によってスラリー状にした泥土Ｓを撹拌翼６の回転によって発生させた撹拌流によって挿入管３の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の泥土Ｓを揚収手段により揚収管２を通じて水上（揚収船２０）に揚収する。
より具体的には、図５に例示するように、撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面よりも上方に配置した状態で、噴射ノズル８ａによる液体Ｌの噴射を開始し、回転軸４を回転駆動させて撹拌翼６を回転させた状態にする。そして、図６に例示するように、噴射ノズル８ａから挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを高圧で噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面から所定深度まで下方移動させて、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削する。この際、挿入管３の下端３ｂよりも深い位置までは掘削せずに、挿入管３の中途位置の深度まで泥土Ｓを掘削する。
回転する撹拌翼６により挿入管３の中央側の泥土Ｓが掘削され、噴射ノズル８ａから高圧噴射される液体Ｌにより撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓが掘削される。この実施形態では、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６が、回転方向に向かって下向きに傾斜している。そのため、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によって掘削された泥土Ｓは上方移動し、その上方移動した泥土Ｓが中段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によってさらに細粒化される。
その後、図７に例示するように、挿入管３の内部で、噴射ノズル８ａから液体Ｌを噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼６を管軸方向に複数回往復移動させて、挿入管３の内部の泥土Ｓを繰り返し解泥する。これにより、挿入管３の内部の泥土Ｓはさらに細粒化され、挿入管３の内部の細粒化された泥土Ｓが、挿入管３の内部の液体（水域の水Ｗと液体供給機構８によって供給された液体Ｌとを含む）に紛れて浮遊した状態、即ち、挿入管３の内部がスラリー状の泥土Ｓで満たされた状態となる。液体供給機構８により挿入管３の内部に新たな液体Ｌが供給されることで、挿入管３の内部の水Ｗや泥土Ｓが新たに供給された液体Ｌに置換されることが促進される。さらに、撹拌翼６の回転によって挿入管３の内部に撹拌流が発生することで、挿入管３の内部で細粒化された泥土Ｓは挿入管３の上部まで上昇し易くなる。挿入管３の上部に上昇したスラリー状の泥土Ｓは揚収手段によって揚収管２を通じて水上（揚収船２０）に順次揚収される。
このように、本発明では、挿入管３の内部に新たな液体Ｌを供給するとともに撹拌翼６を回転させることで、挿入管３の内部では水底地盤Ｂの泥土Ｓを掘削、解泥して比較的少ない液量で泥土Ｓを効果的に細粒化できる。さらに、撹拌翼６の回転によって挿入管３の内部に撹拌流を発生させることで、挿入管３の内部で細粒化された泥土Ｓは沈降し難くなり、挿入管３の上部に向かって上昇し易くなる。それ故、比較的少ない液量で水底地盤Ｂの泥土Ｓを効率的に揚収することができ、泥土Ｓに含有されている水底資源を効率的に採取できる。
特に、撹拌翼６を回転させながらスラリー状にした泥土Ｓを挿入管３の上部へ上昇させる撹拌流を発生させるとともに、揚収手段により、その撹拌流によって上昇するスラリー状の泥土Ｓを揚収管２を通じて水上に揚収すると、比較的少ない液量で水底地盤Ｂの泥土Ｓを非常に効率よく揚収できる。なお、撹拌翼６の回転を停止させた後にも、しばらくの間はスラリー状にした泥土Ｓを挿入管３の上部へ上昇させる撹拌流が生じている状態が継続する。そのため、撹拌翼６を回転させながら揚収手段を作動させてスラリー状の泥土Ｓを揚収管２を通じて水上に揚収するだけではなく、撹拌翼６の回転を停止させた後に、揚収手段だけを作動させてスラリー状の泥土Ｓを水上に揚収することもできる。
また、深海で使用する揚収管２の内径は小さく、揚収管２の内周面と回転軸４との間のすき間は比較的狭いが、挿入管３の内部の泥土Ｓは土塊の少ない細粒化した状態で揚収管２に流れ込むので、揚収管２に泥土Ｓが詰まり難くなる。それ故、揚収管２に不具合が生じ難く、水底地盤Ｂの泥土Ｓを非常に円滑に揚収できる。また、挿入管３の内部に液体Ｌを供給して挿入管３の内部で泥土Ｓを掘削、解泥するので、液体Ｌとして水以外を供給する場合にも液体Ｌが挿入管３の外部の水中に流出し難い。
泥土Ｓを効率的に解泥し、効果的な撹拌流を発生させるには、撹拌翼６の回転数を２０ｒｐｍ以上、より好ましくは４０ｒｐｍ以上にするとよい。特に、泥土Ｓを上昇させる撹拌流を発生させるには、撹拌翼６の回転数を相応に速くする必要がある。一方、撹拌翼６を高速で回転させるには限界があるので、回転数の上限は例えば８０ｒｐｍ、或いは６０ｒｐｍ程度にする。
この実施形態のように、回転軸４の周方向に間隔をあけて配置された複数の撹拌翼６で構成された撹拌翼群が、回転軸４の軸方向に複数段設けられた構成にすると、挿入管３の内部の泥土Ｓが撹拌翼６に衝突する頻度が高くなるので、泥土Ｓを効率よく細粒化できる。
さらに、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６が、回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすると、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によって掘削、解泥された泥土Ｓが上方に向かい、その上方の段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によってさらに解泥される。それ故、泥土Ｓを非常に効率よく細粒化できる。また、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によって掘削、解泥された泥土Ｓや挿入管３の内部の液体（水域の水Ｗと液体Ｌ）が、挿入管３の下部開口から挿入管３の外部に流出し難くなるので、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的に揚収するには有利になる。さらに、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によって挿入管３の内部に、泥土Ｓが上昇し易い撹拌流が発生するため、解泥された泥土Ｓが挿入管３の上部に向かって上昇し易くなる。
最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６が、回転方向に向かって上向きに傾斜している構成にすると、最上段の撹拌翼６に衝突した泥土Ｓが下方に向かい、その下方の段の撹拌翼６によってさらに解泥される。それ故、泥土Ｓを効率的に細粒化するには有利になる。
一方で、最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６が、回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすると、最上段の撹拌翼群６によって挿入管３の内部に、解泥された泥土Ｓが上昇し易い撹拌流が発生する。そのため、解泥された泥土Ｓが挿入管３の上部に向かってより上昇し易くなる。
例えば、最下段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６が回転方向に向かって下向きに傾斜していて、最下段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群との間に、撹拌翼６が回転方向に向かって上向きに傾斜している中段の撹拌翼群を有する構成にすることもできる。この構成にすると、最下段の撹拌翼群と中段の撹拌翼群との間で泥土Ｓが往来し易くなるので、泥土Ｓを効率よく細粒化できる。さらに、最上段の撹拌翼群によって挿入管３の内部に泥土Ｓが上昇し易い撹拌流が発生するので、解泥された泥土Ｓが揚収管２に向かって上昇し易くなる。
少なくとも１つの撹拌翼６の先端部に液体供給機構８が設けられていて、この液体供給機構８が挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを噴射する噴射ノズル８ａを有している構成にすると、撹拌翼６が届かない撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを、噴射ノズル８ａから噴射した液体Ｌによって掘削、解泥できる。それ故、挿入管３の内部の泥土Ｓを網羅的に揚収することが可能になる。さらに、挿入管３の内周面に近い撹拌翼６の先端部に噴射ノズル８ａを配置することで、撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを切削するのに必要な液体Ｌの噴射圧を比較的低くできる。それ故、比較的少ない液量で撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを効率よく掘削、解泥できる。
また、噴射ノズル８ａから高圧で噴出される液体Ｌによって挿入管３の内部に液体（水域の水Ｗと液体Ｌ）の流れが生じるので、泥土Ｓがより細粒化され易くなり、細粒化された泥土Ｓが挿入管３の下部により沈降し難くなる。また、挿入管３の内部の泥土Ｓを揚収し終えた後に挿入管３の内周面に付着して残る泥土Ｓがより少なくなる。そのため、挿入管３を挿入する位置を変えて泥土Ｓの揚収作業を複数回行う場合にも、水底地盤Ｂの新たな位置に挿入管３を挿入する際の抵抗が大きくならず、挿入管３を円滑に挿入できる。揚収作業を終えた後の挿入管３のメンテナンスに要する労力も低減できる。
噴射ノズル８ａおよび配管８ｂを、撹拌翼６の回転方向に対して撹拌翼６の背後側になる面に付設すると、撹拌翼６で泥土Ｓを掘削、解泥している際に、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂに泥土Ｓが衝突し難くなる。それ故、簡素な構成でありながら、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂが損傷するリスクを低くできる。また、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂを撹拌翼６の外側に付設することで、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂのメンテナンスを行い易くなる。噴射ノズル８ａおよび配管８ｂを撹拌翼６に内設した場合には、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂが泥土Ｓにより衝突し難くなるため、噴射ノズル８ａおよび配管８ｂが損傷するリスクを低くするにはより有利になる。噴射ノズル８ａおよび配管８ｂを撹拌翼６に内設することで、撹拌翼６が回転する際の抵抗もより小さくなる。
撹拌翼６を水底地盤Ｂの新たな表面から所定深度まで貫入して挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削した後に、挿入管３の内部で撹拌翼６を管軸方向に複数回往復移動させて泥土Ｓを繰り返し解泥すると、挿入管３の内部の泥土Ｓをより確実に細粒化できる。また、挿入管３の内部で細粒化された泥土Ｓが挿入管３の下部に沈降することをより効果的に回避でき、挿入管３の内部の泥土Ｓをより確実に揚収できる。挿入管３の内部で撹拌翼６を往復移動させる回数は水底地盤Ｂの泥土Ｓの硬度や撹拌翼６の数などに応じて適宜決定できる。具体的には、例えば、挿入管３の内部で撹拌翼６を２回～１５回程度往復移動させるとよい。
撹拌翼６の管軸方向の移動速度は水底地盤Ｂの泥土Ｓの硬度などに応じて適宜設定できる。具体的には、例えば、撹拌翼６の管軸方向の移動速度は１ｍｍ／秒～１００ｍｍ／秒、より好ましくは１ｍｍ／秒～１０ｍｍ／秒の範囲内に設定するとよい。好ましくは、撹拌翼６を水底地盤Ｂの新たな位置で表面から所定深度まで貫入する掘削時の撹拌翼６の管軸方向の移動速度よりも、挿入管３の内部で撹拌翼６を管軸方向に複数回往復移動させる時の撹拌翼６の管軸方向の移動速度を速く設定するとよい。
撹拌翼６を水底地盤Ｂの新たな位置に貫入する掘削時には、水底地盤Ｂの泥土Ｓは解泥されていない状態であり、撹拌翼６にかかる負荷も比較的大きい。この場合、撹拌翼６の管軸方向の移動速度を比較的遅い設定にして水底地盤Ｂを掘削していくことで、撹拌翼６に過大な負荷がかかることを回避できる。一度掘削した泥土Ｓはある程度解泥された状態となり、撹拌翼６にかかる負荷は比較的小さくなる。それ故、掘削当初に比して泥土が解泥された時では、撹拌翼６の管軸方向の移動速度を速い設定にすることで、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的に解泥できる。
図８に本発明の別の実施形態の採取システム１を例示する。この実施形態の採取システム１は、水上から水底地盤Ｂに向かって延在する揚収管２と、揚収管２の下部に接続されている挿入管３と、揚収管２および挿入管３の内部を管軸方向に延在している回転軸４とを備えている。採取システム１はさらに、回転軸４の下部に取付けられた撹拌翼６と、挿入管３の内部に液体Ｌを供給する液体供給機構８と、挿入管３の内部に配置されている軸ブレ抑制手段９とを備えている。揚収管２、挿入管３、回転軸４、撹拌翼６および液体供給機構８の構成は、先に例示した実施形態と同じである。
図９～図１１に例示するように、軸ブレ抑制手段９は、挿入管３の内部に配置されていて、回転軸４の回転時の軸ブレを抑制する。軸ブレ抑制手段９は、挿入管３の内周面に当接可能な当接部１０を有する。当接部１０は、挿入管３の内周面に常時当接する仕様であっても、回転軸４が許容範囲を超えて屈曲した時にだけ挿入管３の内周面に当接する仕様であってもよい。この実施形態では、軸ブレ抑制手段９を構成する当接部１０として、撹拌翼６の先端部から挿入管３の内周面まで延在する弾性部材を備えている。弾性部材は例えば、ゴムや樹脂などの弾性を有する材料で形成された板状部材で構成される。回転軸４が挿入管３の管軸中心から管軸方向に直交する方向に許容範囲を超えて位置ずれしたときに、回転軸４が位置ずれした方向に位置する少なくとも１つの弾性部材の先端部が、挿入管３の内周面に押し当てられて湾曲または圧縮した状態になる構成になっている。
この実施形態では、全ての撹拌翼６にそれぞれ弾性部材を設けているが、例えば、一部の撹拌翼６に選択的に弾性部材を設けることもできる。一部の撹拌翼６に選択的に弾性部材を設ける場合にも、各段に設ける弾性部材は、平面視で回転軸４の軸芯を中心にして点対象になる位置に配置することが好ましい。
この実施形態では、撹拌翼６とその撹拌翼６に取付けられている弾性部材とが同じ向きに傾斜している。即ち、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６に設けられている弾性部材は、回転方向に向かって下向きに傾斜している。中段と最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６に設けられている弾性部材は、回転方向に向かって上向きに傾斜している。
次に、この採取システム１を用いて水底資源を採取する方法の手順の一例を以下に説明する。
揚収管２の下部に挿入管３を接続し、挿入管３の上部の内部にヘッド５を着脱可能に固定しておく。そして、図１２に例示するように、水上（揚収船２０）から水底地盤Ｂへ向けて揚収管２を延設し、揚収管２の下部に接続されている挿入管３の少なくとも下部を水底地盤Ｂに挿入する。この際、ヘッド５が収容されている挿入管３の上部は水底地盤Ｂに挿入せずに、ヘッド５を水底地盤Ｂの表面よりも上方に配置した状態にする。この段階では、水底地盤Ｂに挿入されている挿入管３の下部の内部は水底地盤Ｂの泥土Ｓで満たされた状態になっている。水底地盤Ｂに挿入されていない挿入管３の上部の内部は、水域の水Ｗで満たされた状態になっている。
この実施形態では、挿入管３の外側に設けられているストッパー３ａが水底地盤Ｂの地表に当接する位置まで挿入管３を水底地盤Ｂに挿入すると、水底資源が分布している地層の深さまで挿入管３の下部が挿入される。ヘッド５が収容されている挿入管３の上部は水底地盤Ｂの地表よりも上方に突出した状態となる。
次いで、回転軸４を、揚収管２および挿入管３の内部に挿通させた状態で水上（揚収船２０）から水底地盤Ｂへ向けて降下させて、回転軸４の下端部にヘッド５（撹拌翼６）を連結する。回転軸４の下端部にヘッド５を連結した状態で、回転軸４をさらに水底地盤Ｂへ向けて下方移動させると挿入管３からヘッド５が外れる。その結果、回転軸４と一体化したヘッド５（撹拌翼６）が管軸方向に移動可能な状態となる。
次いで、図１３に例示するように、液体供給機構８により挿入管３の内部に液体Ｌを供給するとともに、回転軸４を回転させる。そして、回転する回転軸４の下部（ヘッド５）に取付けられている撹拌翼６を挿入管３の内部で回転させることにより、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削して解泥する。この際、挿入管３の内部に配置した軸ブレ抑制手段９により回転軸４の軸ブレを抑制する。そして、図１４に例示するように、その解泥によってスラリー状にした泥土Ｓを撹拌翼６の回転によって発生させた撹拌流によって挿入管３の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の泥土Ｓを揚収手段により揚収管２を通じて水上（揚収船２０）に揚収する。
より具体的には、図１２に例示するように、撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面よりも上方に配置した状態で、噴射ノズル８ａによる液体Ｌの噴射を開始し、それぞれの撹拌翼６の先端部に設けられている弾性部材（当接部１０）の先端部を挿入管３の内周面に当接させた状態で、回転軸４を回転駆動させて撹拌翼６（弾性部材）を回転させた状態にする。そして、図１３に例示するように、噴射ノズル８ａから挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを高圧で噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面から所定深度まで下方移動させて、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削する。この際、挿入管３の下端３ｂよりも深い位置までは掘削せずに、挿入管３の中途位置の所定深度まで泥土Ｓを掘削する。
回転する撹拌翼６により挿入管３の中央側の泥土Ｓが掘削され、撹拌翼６の先端部に設けられた弾性部材と噴射ノズル８ａから高圧噴射される液体Ｌとにより、撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓが掘削、解泥される。この実施形態では、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼６および弾性部材が、回転方向に向かって下向きに傾斜している。そのため、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６および弾性部材によって掘削、解泥された泥土Ｓは上方移動し、その上方移動した泥土Ｓが中段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によってさらに細粒化される。
この泥土Ｓを掘削、解泥しているときには、それぞれの弾性部材の先端部は挿入管３の内周面に当接して湾曲または圧縮されて、それぞれの弾性部材から撹拌翼６に対して管軸中心に向けた付勢力が付与された状態となる。この弾性部材から付与される付勢力により、回転軸４は挿入管３の管軸中心に維持され、回転軸４の管軸方向と直交する方向の移動（軸ブレ）が抑制される。回転軸４の偏芯が抑制されることに伴い、回転する撹拌翼６の偏芯も抑制される。
海底資源を採取する場合は、回転軸４は相当の長さになる。このような回転軸４の下端部が水底地盤Ｂに押付けられることで、回転軸４には曲げ変形が生じて軸芯位置がずれて偏芯する。偏芯の程度が大きくなると、撹拌翼６による正常な撹拌ができなくなる。そのため、採取システム１の性能を安定的に確保するには、軸ブレ抑制手段９（当接部１０）は極めて有効に機能する。
その後、図１４に例示するように、挿入管３の内部で、噴射ノズル８ａから液体Ｌを噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼６を管軸方向に複数回往復移動させて、挿入管３の内部の泥土Ｓを繰り返し解泥する。これにより、挿入管３の内部の泥土Ｓはさらに細粒化され、挿入管３の内部の細粒化された泥土Ｓが、挿入管３の内部の液体（水域の水Ｗと液体供給機構８によって供給された液体Ｌとを含む）に紛れて浮遊した状態、即ち、挿入管３の内部がスラリー状の泥土Ｓで満たされた状態となる。液体供給機構８により挿入管３の内部に新たな液体Ｌが供給されることで、挿入管３の内部の水Ｗや泥土Ｓが新たに供給された液体Ｌに置換されることが促進される。さらに、撹拌翼６の回転によって挿入管３の内部に撹拌流が発生することで、挿入管３の内部で細粒化された泥土Ｓは挿入管３の上部まで上昇し易くなる。挿入管３の上部に上昇したスラリー状の泥土Ｓは揚収手段によって揚収管２を通じて水上（揚収船２０）に順次揚収される。
このように、この採取システム１では、水底地盤Ｂに挿入した挿入管３の内部に液体Ｌを供給するとともに撹拌翼６を回転させて、挿入管３の内部で水底地盤Ｂの泥土Ｓを掘削、解泥することで、比較的少ない液量で泥土Ｓを効果的に細粒化しつつ、挿入管３の上部まで上昇させることが可能になる。しかも、挿入管３の内部に配置した軸ブレ抑制手段９によって回転軸４の軸ブレを抑制することで、安定的に泥土Ｓを細粒化して揚収するには有利になる。それ故、泥土Ｓに含有されている水底資源を効率的に採取できる。加えて、軸ブレ抑制手段９によって回転軸４の軸ブレを抑制することで、撹拌翼６が挿入管３に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
また、深海で使用する揚収管２の内径は小さく、揚収管２の内周面と回転軸４との間のすき間は比較的狭いが、軸ブレ抑制手段９により回転軸４は揚収管２および挿入管３の管軸中心に維持されるので、揚収管２に泥土Ｓが詰まり難くなる。それ故、揚収管２に不具合が生じ難く、水底地盤Ｂの泥土Ｓを非常に円滑に揚収できる。また、挿入管３の内部に液体Ｌを供給して挿入管３の内部で泥土Ｓを掘削、解泥するので、液体Ｌとして水以外を供給する場合にも液体Ｌが挿入管３の外部の水中に流出し難い。
さらに、挿入管３の内部に軸ブレ抑制手段９を設けることで、回転軸４の管軸方向と直交する方向の移動量を小さくできる。これにより、挿入管３の内周面と撹拌翼６の先端との間のすき間（クリアランス）の大きさを比較的小さく設定することが可能になる。軸ブレ抑制手段９を設けない場合よりも、撹拌翼６を挿入管３の内周面により近い位置まで延在させることが可能になるので、挿入管３の内部の泥土Ｓを撹拌翼６によってより効率よく掘削、解泥することが可能になる。
なお、この軸ブレ抑制手段９を備えた構成の採取システム１では、スラリー状になった泥土Ｓを撹拌翼６の回転によって発生する撹拌流によって挿入管３の上部に上昇させる構成に限らない。例えば、スラリー状になった泥土Ｓを揚送手段により挿入管３の上部に上昇させて揚収する構成にすることもできる。
当接部１０として、撹拌翼６の先端部から挿入管３の内周面まで延在する弾性部材を備えた構成にすると、非常に簡素な構成でありながら、挿入管３の内周面に当接した弾性部材による付勢力により、回転軸４の軸ブレを効果的に抑制できる。特に、平面視で回転軸４の軸芯を中心にして点対象になるように弾性部材を配置すると、回転軸４の軸ブレをより効果的に抑制できる。さらに、撹拌翼６の先端部と挿入管３の内周面との間に弾性部材が介在することで、撹拌翼６が挿入管３に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
さらに、撹拌翼６が届かない撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを弾性部材によって掘削、解泥できるので、挿入管３の内部の泥土Ｓを網羅的に揚収するには有利になる。また、当接部１０はスクレーパとしても機能し、挿入管３の内部の泥土Ｓを揚収し終えた後に挿入管３の内周面に付着して残る泥土Ｓがより少なくなる。挿入管３を挿入する位置を変えて泥土Ｓの揚収作業を複数回行う場合は、水底地盤Ｂの新たな位置に挿入管３を挿入する際の抵抗が大きくならず、挿入管３を円滑に挿入できる。揚収作業を終えた後の挿入管３のメンテナンスに要する労力も低減できる。
この実施形態のように、弾性部材と噴射ノズル８ａとを兼ね備えた構成にすると、撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを弾性部材と噴射ノズル８ａから噴射した液体Ｌとによってより効率よく掘削、解泥できる。それ故、挿入管３の内部の泥土Ｓを網羅的に揚収するにはより一層有利になる。
弾性部材が、取付けられている撹拌翼６と同じ向きに傾斜している構成にすると、泥土Ｓ中において弾性部材が撹拌翼６とともに回転し易くなり、泥土Ｓを円滑に掘削、解泥するには有利になる。また、弾性部材により、前述した撹拌翼６を回転方向に向かって傾斜させることによる効果と概ね同じ効果を奏することができる。
図１５、図１６に例示する別の実施形態の採取システム１のように、軸ブレ抑制手段９は、例えば軸ブレ抑制ユニット１１で構成することもできる。採取システム１のその他の構成は、先に例示した実施形態と同じである。尚、図１５では、ヘッド５、撹拌翼６および噴射ノズル８ａを省略して図示している。
軸ブレ抑制ユニット１１は、回転軸４に外嵌めされた軸受部１２と、軸受部１２に連結された複数のアーム１３で構成されたアーム群と、それぞれのアーム１３の先端部に設けられた当接部１０とを有して構成されている。軸受部１２は、回転軸４に回転可能に軸支されている。
平面視で複数のアーム１３が回転軸４を中心にして軸受部１２から挿入管３の内周面に向かって放射状に延在している。この実施形態ではアーム群が、４本のアーム１３を有する場合を例示しているが、アーム１３の本数は２本以上であれば特に限定されず、例えば、３本のアーム１３を有する構成や、５本以上のアーム１３を有する構成にすることもできる。この実施形態の当接部１０は、挿入管３の内周面に当接して管軸方向に回転するローラ１５で構成されている。当接部１０はその他にも例えば、挿入管３の内周面に当接した状態で管軸方向に滑動可能な滑動部材や、挿入管３の内周面に固定された固定部材などで構成することもできる。
この実施形態の軸ブレ抑制ユニット１１は撹拌翼６の直上に配置されている。この軸ブレ抑制ユニット１１は、撹拌翼６（ヘッド５）に追従して挿入管３の内部で管軸方向に移動することで、軸ブレ抑制ユニット１１と撹拌翼６との管軸方向の離間距離が一定に保たれる構成になっている。即ち、この軸ブレ抑制ユニット１１（軸受部１２）は、回転軸４に外嵌めされた状態で、回転軸４とともに管軸方向に移動する構成になっている。
この採取システム１を用いて水底資源の採取を行なう方法は先に例示した実施形態と概ね同じである。ただし、この実施形態では、揚収管２の下部に接続されている挿入管３の下部を水底地盤Ｂに挿入する際に、ヘッド５と軸ブレ抑制ユニット１１が収容されている挿入管３の上部は水底地盤Ｂに挿入せずに、ヘッド５と軸ブレ抑制ユニット１１を水底地盤Ｂの表面よりも上方に配置した状態にする。
次いで、回転軸４を、揚収管２および挿入管３の内部に挿通させた状態で水上（揚収船２０）から水底地盤Ｂへ向けて降下させて、回転軸４を軸ブレ抑制ユニット１１の軸受部１２に挿通させ、回転軸４の下端部にヘッド５（撹拌翼６）を連結する。回転軸４の下端部にヘッド５を連結した状態で、回転軸４をさらに水底地盤Ｂへ向けて下方移動させると挿入管３からヘッド５および軸ブレ抑制ユニット１１が外れる。その結果、回転軸４と一体化したヘッド５（撹拌翼６）および軸ブレ抑制ユニット１１が管軸方向に移動可能な状態となる。その後の作業手順は先に例示した実施形態と同じである。
この実施形態のように、軸ブレ抑制手段９として軸ブレ抑制ユニット１１を備えた構成にすると、当接部１０が挿入管３の内周面に当接することにより、回転軸４の軸芯位置のずれが規制された状態となり、回転軸４が管軸中心に維持される。それ故、回転軸４の回転時の軸ブレを効果的に抑制できる。さらに、軸受部１２が、回転軸４に回転可能に軸支されていることで、回転軸４が高速回転している場合にも、軸ブレ抑制ユニット１１の回転を抑制できる。それ故、アーム１３や当接部１０に大きな負荷がかかることを回避できる。
軸ブレ抑制ユニット１１は、最下段の撹拌翼６、より好ましくは最上段の撹拌翼６よりも上方に配置することが好ましい。軸ブレ抑制ユニット１１を撹拌翼６よりも上方に配置することで、泥土Ｓの掘削時に軸ブレ抑制ユニット１１にかかる抵抗を小さくでき、水底地盤Ｂをより掘削し易くなる。特に、撹拌翼６の上方位置に軸ブレ抑制ユニット１１が配置されていて、撹拌翼６とともに軸ブレ抑制ユニット１１が管軸方向に移動する構成にすると、軸ブレ抑制ユニット１１が常に撹拌翼６に近い位置で回転軸４の軸ブレを抑制した状態になる。そのため、撹拌翼６が管軸方向と直交する方向によりブレ難くなり、撹拌翼６が挿入管３に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
この実施形態のように、アーム１３の先端部に設ける当接部１０を、挿入管３の内周面に当接して管軸方向に回転するローラ１５で構成すると、回転軸４とともに軸ブレ抑制ユニット１１を挿入管３に対して管軸方向に円滑に移動させ易くなる。例えば、当接部１０を、挿入管３の内周面との摩擦が小さい滑動部材で構成し、滑動部材が挿入管３の内周面に当接して管軸方向に滑動する構成した場合にも概ね同じ効果を奏することができる。
なお、軸ブレ抑制手段９は、挿入管３の内部に配置されていて回転軸４の回転時の軸ブレを抑制するものであれば、上記で例示した弾性部材および軸ブレ抑制ユニット１１に限定されず、他にも様々な構成にすることができる。例えば、軸ブレ抑制ユニット１１が撹拌翼６と独立して、挿入管３の内部で管軸方向に移動する構成にすることもできる。また、例えば、軸ブレ抑制ユニット１１（当接部１０）が挿入管３の内部の所定位置に固定されていて、軸ブレ抑制ユニット１１（軸受部１２）に対して回転軸４が管軸方向に相対移動可能な構成にすることもできる。また、例えば、軸ブレ抑制手段９として弾性部材と軸ブレ抑制ユニット１１とを兼ね備えた構成にすることもできる。
１ 水底資源の採取システム
２ 揚収管
３ 挿入管
３ａ ストッパー
３ｂ 下端
４ 回転軸
５ ヘッド
６ 撹拌翼
７ 掘削刃
８ 液体供給機構
８ａ 噴射ノズル
８ｂ 配管
９ 軸ブレ抑制手段
１０ 当接部
１１ 軸ブレ抑制ユニット
１２ 軸受部
１３ アーム
２０ 揚収船
Ｂ 水底地盤
Ｓ 泥土
Ｌ 液体
Ｗ 水
２ 揚収管
３ 挿入管
３ａ ストッパー
３ｂ 下端
４ 回転軸
５ ヘッド
６ 撹拌翼
７ 掘削刃
８ 液体供給機構
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８ｂ 配管
９ 軸ブレ抑制手段
１０ 当接部
１１ 軸ブレ抑制ユニット
１２ 軸受部
１３ アーム
２０ 揚収船
Ｂ 水底地盤
Ｓ 泥土
Ｌ 液体
Ｗ 水
Claims (11)
- 水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、
水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続された挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構とを備え、
前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が、前記撹拌翼の回転によって発生する撹拌流によって前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする水底資源の採取システム。 - 水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、
水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続されている挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構と、前記挿入管の内部に配置されていて前記回転軸の回転時の軸ブレを抑制する軸ブレ抑制手段とを備え、
前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、回転する前記回転軸の軸ブレが前記軸ブレ抑制手段によって抑制された状態で、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする水底資源の採取システム。 - 前記軸ブレ抑制手段が、前記挿入管の内周面に当接する当接部を有している請求項２に記載の水底資源の採取システム。
- 前記当接部として、前記撹拌翼の先端部から前記挿入管の内周面まで延在する弾性部材を備えている請求項３に記載の水底資源の採取システム。
- 前記軸ブレ抑制手段として、前記回転軸に回転可能に軸支される軸受部と、平面視で前記軸受部から前記挿入管の内周面に向かって放射状に延在している複数のアームを有するアーム群と、それぞれの前記アームの先端部に設けられた前記当接部とを有する軸ブレ抑制ユニットを備えている請求項３または４に記載の水底資源の採取システム。
- 前記撹拌翼の上方位置に前記軸ブレ抑制ユニットが配置されていて、前記軸ブレ抑制ユニットが前記撹拌翼とともに前記挿入管に対して管軸方向に移動する構成である請求項５に記載の水底資源の採取システム。
- 少なくとも１つの前記撹拌翼の先端部に前記液体供給機構が設けられていて、この液体供給機構が前記挿入管の内周面に向かって前記液体を噴射する噴射ノズルを有している請求項１～６のいずれかに記載の水底資源の採取システム。
- 水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、
水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させて、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記撹拌翼の回転によって発生させた撹拌流によって前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする水底資源の採取方法。 - 水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、
水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させつつ、前記挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段により前記回転軸の軸ブレを抑制した状態で、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする水底資源の採取方法。 - 前記撹拌翼を前記水底地盤の新たな表面から所定深度まで貫入して前記挿入管の内部の前記泥土を掘削した後に、前記挿入管の内部で前記撹拌翼を管軸方向に複数回往復移動させて前記泥土を繰り返し解泥する請求項８または９に記載の水底資源の採取方法。
- 前記撹拌翼を前記水底地盤の新たな表面から所定深度まで貫入する掘削時の前記撹拌翼の管軸方向の移動速度よりも、前記挿入管の内部で前記撹拌翼を管軸方向に複数回往復移動させる時の前記撹拌翼の管軸方向の移動速度を速くする請求項１０に記載の水底資源の採取方法。
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