WO2022185861A1 - 水底資源の採取方法 - Google Patents

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WO2022185861A1
WO2022185861A1 PCT/JP2022/004960 JP2022004960W WO2022185861A1 WO 2022185861 A1 WO2022185861 A1 WO 2022185861A1 JP 2022004960 W JP2022004960 W JP 2022004960W WO 2022185861 A1 WO2022185861 A1 WO 2022185861A1
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mud
water
ground
pipe
insertion pipe
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PCT/JP2022/004960
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English (en)
French (fr)
Inventor
友博 森澤
慎哉 大森
洋輔 田中
英剛 宮▲崎▼
敬太 秋山
正憲 許
郁郎 澤田
善久 川村
Original Assignee
東亜建設工業株式会社
国立研究開発法人海洋研究開発機構
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C50/00—Obtaining minerals from underwater, not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a method for extracting bottom-of-water resources, and more particularly to a method for extracting bottom-of-water resources that can efficiently extract 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).
  • the recovery hopper provided at the lower portion of the lifting pipe portion faces the surface of the seabed ground.
  • the rotated bit penetrates the bottom of the sea, and 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 method for collecting bottom water resources that can efficiently collect water bottom resources contained in the mud of the bottom ground.
  • the method for extracting bottom-of-water resources of the present invention is a method for extracting bottom-of-water resources in which mud is excavated from unexcavated bottom-of-water ground containing bottom-of-water resources and lifted up from the water.
  • a liquid is supplied to the inside of the insertion pipe in a state in which at least the lower part of the insertion pipe connected to the lower part of the lifting and storage pipe is inserted into the waterbed ground.
  • a rotating shaft extending in the axial direction of the inside of the lifting and storing tube and the insertion tube and a stirring blade attached to the lower part of the rotating shaft are rotated inside the insertion tube,
  • the mud inside the insertion pipe is excavated and demulsified by the agitating blade, and the mud made into a slurry by the dissolution is raised to the upper part of the insertion pipe by the agitating flow generated by the rotation of the agitating blade.
  • the raised slurry-like mud is lifted to the surface of the water through the lifting pipe by the lifting means, and the rotational speed of the stirring blade is set higher in the initial process at the beginning of excavation than in the subsequent processes after this initial process. Characterized by slowing down.
  • the mud inside the insertion pipe is excavated and demulsified by the stirring blades rotated at a relatively high speed, thereby removing the mud inside the insertion pipe. It can be finely granulated into a slurry efficiently. Furthermore, by rotating the stirring blades at high speed, it is possible to generate a stirring flow in which the finely divided mud easily rises inside the insertion pipe. On the other hand, in the initial process at the beginning of excavation, rotating the stirring blades at a relatively low speed can reduce the risk of clogging up and down pipes due to large lumps of mud rising to the top of the insertion pipe. Therefore, it is possible to efficiently lift up and recover the mud from the bottom of the sea with a relatively small amount of liquid, and to efficiently extract the bottom water resources contained in the mud.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an outline of an embodiment of a method for extracting bottom-water resources according to 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 blades rotated at a relatively low speed from the state of FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blades rotated at a relatively high speed from the state of FIG. 6 have penetrated to the target depth of the submerged ground.
  • FIG. 8 is a graph illustrating the temporal transition of the penetration depth of the stirring blades.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blades rotated at a relatively low speed from the state of FIG. 5 have penetrated to the target depth of the submerged ground.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blades rotated at a relatively high speed from the state of FIG. 9 are reciprocated in the tube axial direction inside the insertion tube.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the inside of an insertion tube of another embodiment of the bottom water resource extraction method of the present invention in plan view.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating the inside of the insertion tube of still another embodiment of the bottom water resource extraction method of the present invention in a cross-sectional view.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating an outline of another embodiment of the bottom water resource extraction method of the present invention.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the interior of the insertion tube of FIG. 13 as viewed in longitudinal section.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a state in which the insertion tube of FIG. 13 is inserted into the seabed ground.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring impeller has penetrated from the state of FIG. 15 to the deepest penetration position of the submerged ground.
  • 17 is an explanatory diagram illustrating a state in which the stirring blade is reciprocated in the tube axial direction inside the insertion tube from the state in FIG. 16.
  • FIG. 18 is a graph illustrating the temporal transition of the penetration depth of the stirring blade.
  • FIG. S a bottom-of-water resource extraction system 1 (hereinafter referred to as the bottom-of-water resource extraction system 1) illustrated in FIG. S is excavated and recovered on the water.
  • the sampling system 1 includes a lift-and-storage pipe 2 extending from the surface of the water toward the seabed ground B, an insertion pipe 3 connected to the lower part of the lift-and-storage pipe 2, and the inside of the lift-and-storage pipe 2 and the insertion pipe 3. and an axially extending rotating shaft 4 .
  • the sampling system 1 further includes a stirring blade 6 attached to the lower portion of the rotating shaft 4 and a liquid supply mechanism 8 that supplies liquid L (sea water or fresh water) 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 length of the insertion pipe 3 in the pipe axis direction is appropriately set according to the depth of the stratum in which the submerged resources are distributed, and is set, for example, within the range of 2 m or more and 20 m or less.
  • an annular stopper 3a is provided on the outer peripheral surface of the insertion tube 3 in plan view. With this stopper 3a as a boundary, the region of the insertion pipe 3 below the stopper 3a is inserted into the waterbed ground B, and the region of the insertion pipe 3 above the stopper 3a is below the surface of the waterbed ground B. will also protrude upwards.
  • 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 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 .
  • 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. It should be noted that 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.
  • 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 water surface (lifting and collecting ship 20) toward the waterbed ground B, and at least the lower part of the insertion pipe 3 is placed in the unexcavated waterbed ground B. insert. For example, 50% or more of the total length of the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B.
  • the upper part of the insertion tube 3 containing the head 5 is not inserted into the water bottom ground B, and the head 5 is arranged above the surface of the water bottom 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 surface of the seabed ground B, the depth of the stratum in which 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 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 to the inside of the insertion tube 3, and the agitating blade 6 rotated inside the insertion tube 3 is moved to the unexcavated underwater ground B. It penetrates into the water bottom ground B from the surface of the insertion pipe 3, excavates the mud S inside the insertion pipe 3, and demulsifies.
  • the rotational speed of the stirring blade 6 is made slower than in the subsequent processes after this initial process.
  • the rotation speed (rotation per minute) of the stirring blade 6 in the initial step is set within a range of, for example, 5 rpm to 20 rpm.
  • the liquid L is supplied to the inside of the insertion tube 3 by the liquid supply mechanism 8, and the stirring impeller 6 is rotated at a relatively faster speed than the initial process.
  • the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and thawed.
  • the mud S made into a slurry by the demulsification is lifted 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 S is lifted by the lifting means. It is lifted onto the water through pipe 2.
  • the rotation speed of the stirring blades 6 in the post-process is set to, for example, 1.5 to 4.0 times the rotation speed of the stirring blades 6 in the initial step.
  • the rotation speed (rotation per minute) of the stirring blade 6 in the post-process is 20 rpm.
  • the speed it is preferable to set the speed to 30 rpm or more, and still more preferably to 40 rpm or more.
  • the upper limit of the rotation speed is set to, for example, about 80 rpm or 60 rpm.
  • the rotation speed of the stirring blade 6 is not always constant throughout the entire process, so if it is not constant, the average rotation speed is calculated. Then, using the calculated average rotation speed, the rotation speed in the post-process is set to 1.5 to 4.0 times that of the initial process.
  • the mud S between the tip of the stirring blade 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 is excavated by injecting the liquid L at high pressure from the injection nozzle 8a toward the inner peripheral surface of the insertion tube 3. , to thaw.
  • the stirring blades 6 are moved from the surface of the unexcavated waterbed ground B to a predetermined depth shallower than the target depth TD of the waterbed ground B. It penetrates to PD, excavates the mud S to predetermined depth PD inside the insertion pipe 3, and demulsifies.
  • the target depth TD can be set as appropriate according to the depth of the stratum in which the submerged resources are distributed.
  • the target depth TD is set to the depth of the midway position of the insertion pipe 3 in the state of being inserted into the submerged ground B.
  • the predetermined depth PD can be appropriately set according to the hardness of the mud S of the waterbed ground B, but for example, a depth of about 0.5 m to 2m from the surface of the waterbed ground B, or a target depth TD from the surface of the waterbed ground B 20% to 60% of the depth range.
  • the stirring blade 6 In the post-process in which the rotation speed of the stirring blade 6 is relatively increased, the stirring blade 6 is penetrated from the predetermined depth PD to the target depth TD, and the mud S inside the insertion pipe 3 from the predetermined depth PD to the target depth TD is removed. Excavate and demuld. Due to the stirring flow generated by the high-speed rotation of the stirring blades 6, the mud S disintegrated in the initial process is agitated inside the insertion pipe 3 together with the mud S excavated and disintegrated in the subsequent process, and the mud is disintegrated finely. .
  • the finely granulated mud S inside the insertion tube 3 is mixed with the liquid inside the insertion tube 3 (including the water W in the water area and the liquid L supplied by the liquid supply mechanism 8) and is in a floating state.
  • the inside of the insertion tube 3 is filled with the mud S in a slurry state.
  • the water W and the mud S inside the insertion tube 3 are mixed with the newly supplied liquid L. encouraged to be replaced. Furthermore, the slurry-like mud S raised to the upper part of the insertion pipe 3 by the stirring flow generated by the high-speed rotation of the stirring blade 6 is sequentially lifted onto the water (lifting vessel 20) through the lifting pipe 2 by the lifting means. be done.
  • the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and demulsified by the stirring blades 6 rotated at a relatively high speed, so that the mud S inside the insertion pipe 3 is efficiently removed. It can be finely granulated into a slurry.
  • the stirring blades 6 by rotating the stirring blades 6 at high speed, it is possible to generate a stirring flow in which the fine-grained mud S inside the insertion tube 3 tends to rise. 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 amount of mud S remaining above the impeller 6 is relatively large, and there is a possibility that the mud S will rise to the top of the insertion pipe 3 in a state of a large lump of earth. becomes lower. Therefore, in the post-process, by penetrating the stirring blade 6 from the predetermined depth PD to the target depth TD while rotating at a relatively high speed, the mud S inside the insertion pipe 3 can be efficiently excavated and demulsified. . Further, by rotating the stirring blades 6 at high speed to generate a fast stirring flow inside the insertion pipe 3, the slurry-like mud S can be efficiently raised to the upper part of the insertion pipe 3.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 8 indicates the elapsed time after the impeller 6 penetrates into the submerged ground B, and the vertical axis indicates the penetration depth of the impeller 6 with the surface of the submerged ground B as the reference (0 m). ing.
  • the stirring impeller 6 penetrates from the surface of the unexcavated waterbed ground B to the target depth TD.
  • the stirring blades 6 are reciprocated in the pipe axial direction within a predetermined depth range (a range shallower than the target depth TD) from the target depth TD inside the insertion pipe 3 to the surface of the submerged ground B. .
  • the stirring impeller 6 is moved to a predetermined depth range from the target depth TD inside the insertion pipe 3 to the surface of the submerged ground B while the rotation speed is relatively increased.
  • the mud S inside the insertion tube 3 is reciprocally moved inside the insertion tube 3 in the axial direction, the mud S inside the insertion tube 3 can be finely granulated more reliably.
  • the stirring blades 6 rotating at a high speed in the axial direction of the tube, the mud S demulsified inside the insertion tube 3 is less likely to settle in the lower portion of the insertion tube 3 .
  • the number of reciprocating movements of the stirring blades 6 can be appropriately determined according to the hardness of the mud S of the submerged ground B and the number of the stirring blades 6.
  • the reciprocating movements may be performed a plurality of times, about 2 to 15 times.
  • the rotation speed of the stirring blades 6 can be set at a constant speed in each of the initial step and the subsequent step. For example, the deeper the penetration depth of the stirring blades 6, the faster the rotation speed of the stirring blades 6 can be set.
  • the rotation speed of the stirring blade 6 is set higher as the penetration depth becomes deeper, the mud S with a large lump rises to the upper part of the insertion pipe 3 and clogs the lifting pipe 2 while avoiding clogging. It can be excavated and demulsified.
  • the speed at which the stirring blades 6 are moved in the direction of the tube axis can be appropriately set according to the hardness of the mud S of the waterbed 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 axial direction of the tube is made slower in the initial step than in the subsequent steps.
  • the load on the agitating blades 6 is relatively large. Therefore, in the initial step, by setting the moving speed of the stirring blades 6 in the tube axis direction to a relatively slow speed of about 1 mm/sec to 5 mm/sec, even if the rotation speed of the stirring blades 6 is low, The mud S of the water bottom ground B can be disintegrated relatively finely while avoiding excessive load on the stirring blades 6.
  • the rotation speed of the stirring blades 6 is made faster than in the initial step, so by making the moving speed of the stirring blades 6 in the tube axis direction faster than in the initial step, the mud S inside the insertion tube 3 is efficiently removed. can be excavated and thawed.
  • the moving speed of the stirring blades 6 in the axial direction of the tube in the post-process may be set to, for example, about 5 mm/sec to 100 mm/sec, more preferably about 5 mm/sec to 10 mm/sec.
  • the mud S inside the insertion pipe 3 is made finer. This makes it difficult for the mud S to settle to the bottom of the insertion tube 3 .
  • the amount of mud S remaining adhering to the inner peripheral surface of the insertion pipe 3 is also reduced. Therefore, 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 the 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 amount of liquid supplied to the inside of the insertion tube 3 per unit time should be smaller in the initial process than in the subsequent process.
  • the demulsified slurry-like mud S is efficiently raised to the upper part of the insertion pipe 3. be advantageous.
  • the liquid L is injected obliquely forward with respect to the rotation direction of the stirring blade 6 from the injection nozzle 8a provided at the tip of the stirring blade 6.
  • the injection angle of the injection nozzle 8a with respect to the extending direction of the stirring blade 6 can be appropriately set according to the rotational speed of the stirring blade 6 and the like, and is set, for example, within the range of 10 degrees to 45 degrees.
  • the jetted liquid L can reach the inner peripheral surface of the insertion tube 3 more vigorously. Therefore, the mud S between the tip of the stirring blade 6 and the inner peripheral surface of the insertion tube 3 can be excavated and demulsified more efficiently.
  • a variable mechanism that can change the injection angle of the injection nozzle 8a with respect to the extending direction of the stirring blade 6 can be provided to change the injection angle of the injection nozzle 8a according to the rotation speed of the stirring blade 6. .
  • a nozzle 8c may also be provided.
  • the mud S adhering to the surface of the stirring blade 6 can be removed. Therefore, it is possible to prevent the mud S from accumulating on the surface of the stirring blade 6, which is more advantageous for comprehensively lifting up and collecting the mud S inside the insertion tube 3. Further, since the liquid L is more easily spread over the mud S within the reach of the stirring blade 6, the mud S is more easily flowed inside the insertion tube 3. - ⁇ Therefore, it is more advantageous to efficiently refine the mud S inside the insertion tube 3 .
  • the sampling system 1 used in this embodiment is connected to a lifting pipe 2 extending from the water surface toward the waterbed ground B and the lower part of the lifting pipe 2. It is provided with an insertion tube 3 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 .
  • the collection system 1 of this embodiment further comprises an intensity sensor 9 and a pressure sensor 10 installed in the insertion tube 3 .
  • 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 strength sensor 9 measures the strength of the unexcavated waterbed ground B.
  • the index indicating the strength of the waterbed ground B include the uniaxial compressive strength of the mud S of the waterbed ground B in the direction of the tube axis, the N value, and the cone index.
  • the strength sensor 9 for example, a soil hardness meter, a soil layer strength test rod, or the like is used.
  • the strength sensor 9 is installed at a position where the insertion tube 3 is inserted into the waterbed ground B.
  • the intensity sensor 9 is preferably installed near the lower end opening 3c of the insertion tube 3 (at a position where the distance from the lower end opening 3c in the tube axial direction is within 30 cm).
  • the strength sensor 9 is installed on the inner peripheral surface of the insertion tube 3 at a position that does not come into contact with the stirring blades 6, but it can also be installed on the outer peripheral surface or the lower end surface of the insertion tube 3, for example.
  • the pressure sensor 10 measures the pressure inside the insertion pipe 3 inserted into the submerged ground B.
  • the pressure sensor 10 is installed, for example, in a range to be an excavation target region R1 in which the mud S is excavated and thawed by the stirring blades 6 .
  • the pressure sensor 10 may be arranged at a position where the distance upward from the lower end 3b of the insertion tube 3 is 100 cm or more and 500 cm or less.
  • the pressure sensor 10 is installed on the inner peripheral surface of the insertion tube 3 at a position where it does not come into contact with the stirring blades 6 .
  • the measurement data of the strength sensor 9 and the pressure sensor 10 are sequentially transmitted to the management section on the water (the recovery vessel 20) so that the manager can grasp them.
  • the intensity sensor 9 and the pressure sensor 10 can each be optionally provided.
  • 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 water surface (lifting and collecting ship 20) toward the waterbed ground B, and at least the lower part of the insertion pipe 3 is inserted into the unexcavated waterbed ground B.
  • the upper part of the insertion tube 3 containing the head 5 is not inserted into the water bottom ground B, and the head 5 is arranged above the surface of the water bottom ground B.
  • - ⁇ At least the lower part of the insertion pipe 3 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. For example, 50% or more of the total length of the insertion pipe 3 is inserted into the seabed 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 unexcavated 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. While the insertion tube 3 is being inserted into the waterbed ground B, the strength of the waterbed ground B is successively measured by the strength sensor 9 .
  • 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 surface of the seabed ground B, the depth of the stratum in which 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 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 L is supplied to the inside of the insertion tube 3 by the liquid supply mechanism 8, and the rotating shaft 4 and the stirring blade 6 attached to the lower part (head 5) of the rotating shaft 4 is rotated inside the insertion tube 3. Then, the rotating impeller 6 penetrates the mud S of the water bottom ground B from the surface of the water bottom ground B to excavate the mud S inside the insertion pipe 3 and dissolve it into slurry.
  • the deepest penetration position D1 of the agitating blade 6 (the lowest agitating blade 6) is set above the lower end 3b of the insertion tube 3 by a predetermined distance T. Then, the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 is kept closed by the mud S of the waterbed ground B, and the mud S disintegrated into a slurry state by the stirring blade 6 flows into the insertion pipe 3 through the lower end opening 3c of the insertion pipe 3. Prevent it from leaking outside.
  • the mud S in the excavation target region R1 from the surface of the submerged ground B inside the insertion pipe 3 to the deepest penetration position D1 is excavated and dissipated by the stirring blade 6, and the deepest penetration position D1 and the lower end 3b of the insertion pipe 3 are separated.
  • a non-excavation region R2 having a thickness of a predetermined distance T in the pipe axial direction is left between the position depth D2.
  • the lower end opening 3c of the insertion tube 3 is plugged with the mud S in the non-excavation region R2 that is relatively harder than the mud S that has been demulsified.
  • the unexcavated mud S is indicated by hatching.
  • the above-mentioned predetermined distance T is such that even when the internal pressure of the insertion pipe 3 becomes maximum when the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and demulsified by the stirring blade 6, the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 is The distance is set to prevent the mud S in the blocking non-excavation region R2 from collapsing due to the internal pressure of the insertion pipe 3.
  • the resistance of the mud S in the non-excavation area R2 against the internal pressure of the insertion pipe 3 increases as the strength of the waterbed ground B (eg, uniaxial compressive strength, N value, cone index, etc.) and the predetermined distance T increase.
  • the proper predetermined distance T that can prevent the mud S blocking the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 from collapsing due to the internal pressure of the insertion pipe 3 is determined by the strength of the seabed ground B and the internal pressure of the insertion pipe 3. can be set based on By setting the predetermined distance T, it is possible to set the deepest penetration position D1 where the stirring blade 6 penetrates from the relationship with the depth D2 where the lower end 3b of the insertion tube 3 is located.
  • the strength of the waterbed ground B can be obtained by the strength sensor 9 when the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B as in this embodiment, or it can be obtained in advance before the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B. You can also keep it. Alternatively, the strength of the waterbed ground B can be obtained both before and during the insertion of the insertion pipe 3 into the waterbed ground B.
  • the strength sensor 9 When obtaining the strength of the waterbed ground B in advance, for example, a known strength test (for example, a uniaxial compression test or a standard intrusion test, etc.). If the strength sensor 9 is provided as in this embodiment, the strength of the water bottom ground B can be measured by the strength sensor 9 when the insertion pipe 3 is inserted into the water bottom ground B.
  • a known strength test for example, a uniaxial compression test or a standard intrusion test, etc.
  • the measured value of the strength of the waterbed ground B that is relatively lower is adopted. and set the predetermined distance T.
  • the mud blocking the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 is more likely than the case where the predetermined distance T is set based on the measured value either before or when the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B. S can be more reliably prevented from collapsing due to the internal pressure of the insertion tube 3 .
  • the internal pressure of the insertion pipe 3 inserted into the waterbed ground B can be obtained by the pressure sensor 10 after the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B as in this embodiment, or the insertion pipe 3 is inserted into the waterbed ground B. You can also get it in advance. Alternatively, the internal pressure of the insertion tube 3 can be obtained both before and after the insertion tube 3 is inserted into the seabed ground B.
  • the internal pressure of the insertion pipe 3 inserted into the waterbed ground B is based on the conditions such as the dimensions of the insertion pipe 3, the amount of liquid supplied to the inside of the insertion pipe 3 per unit time, and the amount of lifting per unit time by the lifting means. , can be calculated in advance.
  • the internal pressure of the insertion tube 3 can also be obtained in advance by performing a preliminary test using the sampling system 1 or a simulation using a computer. For example, in the preliminary test, while supplying the liquid L to the inside of the insertion pipe 3 inserted in the waterbed ground B, the mud S inside the insertion pipe 3 is excavated and demulsified by the stirring blade 6.
  • the pressure sensor 10 measures the internal pressure of the insertion tube 3 at R1.
  • the pressure sensor 10 can measure the internal pressure of the insertion tube 3 . Then, the predetermined distance T can be set using the measured value of the internal pressure of the insertion tube 3 acquired by the pressure sensor 10 in the process of penetrating the stirring blade 6 .
  • the rotation speed and movement speed of the stirring blade 6 When excavating and dissolving the mud S, the rotation speed and movement speed of the stirring blade 6, the amount of liquid supplied to the inside of the insertion tube 3 per unit time, the amount of liquid lifted per unit time by the lifting means, etc.
  • the internal pressure of the insertion tube 3 fluctuates accordingly. Therefore, it is preferable to set the predetermined distance T based on the maximum value of the internal pressure of the insertion pipe 3 during excavation and thawing.
  • the measured value with the relatively higher maximum internal pressure of the insertion tube 3 is adopted. and set the predetermined distance T.
  • the mud blocking the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 is more likely than the case where the predetermined distance T is set based on either the measured value before or after inserting the insertion pipe 3 into the waterbed ground B. S can be more reliably prevented from collapsing due to the internal pressure of the insertion tube 3 .
  • the mud S in the excavation target region R1 is repeatedly dismantled by reciprocating in the pipe axis direction.
  • the number of times the stirring blades 6 are reciprocated can be appropriately determined according to the strength of the submerged ground B, the number of the stirring blades 6, the rotational speed of the stirring blades 6, etc.
  • the reciprocating motion is performed a plurality of times, about 2 to 15 times. Good.
  • the work of reciprocating the stirring blades 6 can be omitted as appropriate, if this work is performed, the mud S in the excavation target region R1 can be made finer with greater certainty.
  • the mud S in the excavation target region R1 finely grained inside the insertion pipe 3 is mixed with the liquid inside the insertion pipe 3 (including the water W in the water area and the liquid L supplied by the liquid supply mechanism 8). It will be in a floating state, and the inside of the insertion pipe 3 above the deepest penetration position D1 will be in a state filled with slurry-like mud S. Then, the mud S in the excavation target region R1 made into a slurry by desludging is lifted to the upper part of the insertion pipe 3, and the raised slurry mud S is lifted up on the water (lifting ship) through the lifting pipe 2 by lifting means. 20).
  • the water W inside the insertion pipe 3 and the mud S in the excavation target region R1 are newly supplied. Substitution with the liquid L is facilitated. Furthermore, the rotation of the stirring blade 6 generates a stirring flow inside the insertion tube 3, so that the mud S finely granulated inside the insertion tube 3 easily rises to the upper part of the insertion tube 3, and is efficiently lifted up on the water.
  • the liquid L is supplied to the inside of the insertion tube 3 inserted into the submerged ground B, and the stirring blades 6 are rotated to excavate and disintegrate the mud S inside the insertion tube 3 .
  • the deepest penetration position D1 of the stirring blade 6 is set above the lower end 3b of the insertion tube 3 by a predetermined distance T, and the lower end opening 3c of the insertion tube 3 is kept closed with the mud S of the waterbed ground B, It prevents the slurry-like mud S from flowing out of the insertion pipe 3 through the lower end opening 3 c of the insertion pipe 3 .
  • the mud S inside the insertion pipe 3 is effectively finely granulated into a slurry with a relatively small amount of liquid, while avoiding waste due to the outflow of the slurry-like mud S. can be effectively raised to Therefore, the water bottom resources contained in the mud S of the water bottom ground B can be efficiently collected.
  • the outflow of the thawed mud S it is possible to prevent the state of the mud S around the outer periphery of the insertion tube 3 from being disturbed. Even when a liquid other than water is supplied as the liquid L, it is possible to prevent the liquid L from flowing out into the water outside the insertion tube 3, so the risk of harming the underwater environment is extremely low.
  • the present invention is a simple method in which a non-excavation area R2 having a thickness of a predetermined distance T is intentionally left in the lower part of the insertion pipe 3, but the efficiency of lifting and collecting the mud S can be effectively and stably improved. It has become. Therefore, it is a very useful method for those skilled in the art.
  • 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 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.
  • the moving speed of the stirring blades 6 in the tube axis direction can be appropriately set according to the strength 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 horizontal axis of the graph of FIG. 18 indicates the elapsed time after the impeller 6 penetrates into the submerged ground B, and the vertical axis indicates the penetration depth of the impeller 6 with the surface of the submerged ground B as the reference (0 m). ing. As shown in the graph of FIG.
  • the measured value of the pressure sensor 10 it is preferable to adjust the amount of liquid supplied to the inside of the insertion tube 3 per unit time based on. As the amount of liquid supplied to the inside of the insertion tube 3 per unit time is increased, the thawed mud S easily rises to the upper part of the insertion tube 3, which is advantageous for improving the lifting efficiency.
  • the internal pressure of the insertion pipe 3 increases by a predetermined distance T may be greater than the maximum value of the internal pressure of the insertion tube 3 used when setting . Therefore, based on the measurement value of the pressure sensor 10, the pressure of the insertion tube 3 is adjusted so that the lifting efficiency is increased as much as possible within the range not exceeding the maximum value of the internal pressure of the insertion tube 3 used when setting the predetermined distance T. It is preferable to adjust the amount of liquid supplied to the inside per unit time.
  • the predetermined distance T can be set so that the lower end opening 3c of the insertion pipe 3 can be blocked by the mud S of the non-excavation region R2 of the waterbed ground B against the internal pressure of the insertion pipe 3, the predetermined distance T can be set.
  • the method is not limited to the methods exemplified above. For example, a preliminary test using the collection system 1 or a simulation using a computer may be performed multiple times while changing the conditions for the predetermined distance T, and an appropriate predetermined distance T may be set based on the test results.
  • the deepest penetration position D1 of the stirring blade 6 is set above the lower end 3b of the insertion tube 3 by a predetermined distance T, and the lower end opening 3c of the insertion tube 3 is placed on the waterbed ground B, as in the method described later. It is also possible to prevent the slurry S from flowing out of the insertion pipe 3 through the lower end opening 3c by maintaining the state blocked by the mud S of the water bottom resource without adopting the method described later. can also be taken.
  • the rotation speed of the stirring blade 6 in the initial step at the beginning of excavation can be made slower than in the subsequent steps after the initial step. It is also possible to extract sea bottom resources without adopting the method.

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Abstract

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の下部を水底地盤Ｂに挿入する。挿入管３の内部に液体Ｌを供給しつつ、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、回転軸４の下部に取付けられている撹拌翼６とを挿入管３の内部で回転させて、撹拌翼６により挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥する。そして、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を通じて水上に揚収する。この際、撹拌翼６の回転速度を、掘削当初の初期工程では、この初期工程以後の後工程よりも遅くする。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

水底資源の採取方法
　本発明は、水底資源の採取方法に関し、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表面に対向させる。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。
日本国特開２０１９－１１５６８号公報
　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、本発明の水底資源の採取方法は、水底資源が含有されている未掘削状態の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と、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼とを前記挿入管の内部で回転させて、前記撹拌翼により前記挿入管の内部の前記泥土を掘削、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し、前記撹拌翼の回転速度を、掘削当初の初期工程では、この初期工程以後の後工程よりも遅くすることを特徴とする。
　本発明によれば、初期工程以後の後工程では、相対的に高速で回転させた状態の撹拌翼によって、挿入管の内部の泥土を掘削、解泥することで、挿入管の内部の泥土を効率的にスラリー状に細粒化できる。さらに、撹拌翼を高速で回転させることによって、挿入管の内部に細粒化された泥土が上昇し易い撹拌流を発生させることができる。一方、掘削当初の初期工程では、撹拌翼を相対的に低速で回転させることで、土塊の大きい泥土が挿入管の上部に上昇して揚収管が詰まるリスクを低くできる。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、泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる。
図１は、本発明の水底資源の採取方法の実施形態の概要を例示する説明図である。 図２は、図１の挿入管の内部を平面視で例示する説明図である。 図３は、図２のＡ矢視で挿入管の内部を例示する説明図である。 図４は、図２のＢ矢視で挿入管の内部を例示する説明図である。 図５は、図１の挿入管を水底地盤に挿入した状態を例示する説明図である。 図６は、図５の状態から相対的に低速で回転させた状態の撹拌翼を水底地盤の目標深度よりも浅い所定深度まで貫入した状態を例示する説明図である。 図７は、図６の状態から相対的に高速で回転させた状態の撹拌翼を水底地盤の目標深度まで貫入した状態を例示する説明図である。 図８は、撹拌翼の貫入深さの時間推移を例示するグラフ図である。 図９は、図５の状態から相対的に低速で回転させた状態の撹拌翼を水底地盤の目標深度まで貫入した状態を例示する説明図である。 図１０は、図９の状態から相対的に高速で回転させた状態の撹拌翼を挿入管の内部で管軸方向に往復移動させている状態を例示する説明図である。 図１１は、本発明の水底資源の採取方法の別の実施形態の挿入管の内部を平面視で例示する説明図である。 図１２は、本発明の水底資源の採取方法のさらに別の実施形態の挿入管の内部を断面視で例示する説明図である。 図１３は、本発明の水底資源の採取方法の別の実施形態の概要を例示する説明図である。 図１４は、図１３の挿入管の内部を縦断面視で例示する説明図である。 図１５は、図１３の挿入管を水底地盤に挿入した状態を例示する説明図である。 図１６は、図１５の状態から撹拌翼を水底地盤の最深貫入位置まで貫入した状態を例示する説明図である。 図１７は、図１６の状態から撹拌翼を挿入管の内部で管軸方向に往復移動させている状態を例示する説明図である。 図１８は、撹拌翼の貫入深さの時間推移を例示するグラフ図である。
　以下、本発明の水底資源の採取方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。本発明では、図１に例示する水底資源の採取システム１（以下、採取システム１という）を用いて、レアアース等の水底資源（鉱物資源）が含有されている未掘削状態の水底地盤Ｂの泥土Ｓを掘削して水上に揚収する。
　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（海水または淡水）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。
　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。
　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。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。
　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作業手順の一例を以下に説明する。本発明では、初期工程と後工程とを行う。
　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。初期工程では、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、挿入管３の少なくとも下部を未掘削状態の水底地盤Ｂに挿入する。例えば、挿入管３の全長の５０％以上を水底地盤Ｂに挿入した状態にする。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の表面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の表面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、挿入管３の内部で回転させた状態の撹拌翼６を未掘削状態の水底地盤Ｂの表面から水底地盤Ｂ中に貫入して、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥する。掘削当初の初期工程では、撹拌翼６の回転速度を、この初期工程以後の後工程よりも遅くする。初期工程における撹拌翼６の回転速度（回転毎分）は、例えば５ｒｐｍ～２０ｒｐｍの範囲内に設定する。
　次いで、後工程では、図７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、回転速度を初期工程よりも相対的に速くした状態の撹拌翼６によって、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥する。そして、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を通じて水上に揚収する。
　後工程における撹拌翼６の回転速度は、例えば、初期工程における撹拌翼６の回転速度の１．５倍～４．０倍の回転速度に設定する。具体的には、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ため、後工程における撹拌翼６の回転速度（回転毎分）は２０ｒｐｍ以上、より好ましくは３０ｒｐｍ以上、さらに好ましくは４０ｒｐｍ以上に設定するとよい。一方、撹拌翼６を高速で回転させるには限界があるので、回転速度の上限は例えば８０ｒｐｍ、或いは６０ｒｐｍ程度にする。尚、初期工程、後工程のそれぞれでは、工程の全期間を通じて撹拌翼６の回転速度が一定とは限らないので、一定ではない場合は、平均回転速度を算出する。そして、算出した平均回転速度を用いて、初期工程に対して後工程では１．５倍～４．０倍の回転速度に設定する。
　この実施形態では、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を掘削、解泥する。図６に例示するように、撹拌翼６の回転速度を相対的に遅くする初期工程では、撹拌翼６を未掘削状態の水底地盤Ｂの表面から水底地盤Ｂの目標深度ＴＤよりも浅い所定深度ＰＤまで貫入して、挿入管３の内部の所定深度ＰＤまでの泥土Ｓを掘削、解泥する。
　目標深度ＴＤ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できるが、例えば、水底地盤Ｂの表面から１．５ｍ～９ｍ程度の深度に設定する。目標深度ＴＤは、水底地盤Ｂに挿入した状態の挿入管３の中途位置の深度に設定する。所定深度ＰＤ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が、例えば、水底地盤Ｂの表面から０．５ｍ～２ｍ程度の深度、或いは、水底地盤Ｂの表面から目標深度ＴＤの２０％～６０％の深さ範囲に設定する。
　撹拌翼６の回転速度を相対的に速くする後工程では、撹拌翼６を所定深度ＰＤから目標深度ＴＤまで貫入して、所定深度ＰＤから目標深度ＴＤまでの挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥する。撹拌翼６の高速回転によって発生する撹拌流により、初期工程で解泥された泥土Ｓが後工程で掘削、解泥された泥土Ｓとともに挿入管３の内部で撹拌され、より細かく解泥される。挿入管３の内部の細粒化された泥土Ｓは、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となり、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。
　そして、液体供給機構８（噴射ノズル８ａ）から挿入管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の高速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、掘削当初の初期工程では、撹拌翼６を相対的に低速で回転させることで、十分に解泥されていない土塊の大きい泥土Ｓが挿入管３の上部に上昇して揚収管２が詰まるリスクを低くできる。一方、後工程では、相対的に高速で回転させた状態の撹拌翼６によって、挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥することで、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的にスラリー状に細粒化できる。さらに、撹拌翼６を高速で回転させることによって、挿入管３の内部に細粒化された泥土Ｓが上昇し易い撹拌流を発生させることができる。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。
　比較的浅い深度の泥土Ｓを掘削、解泥しているときには、上方に滞留している泥土Ｓが比較的少ないため、撹拌翼６で掘削、解泥された泥土Ｓが比較的上昇し易い。そのため、この実施形態のように、初期工程において、回転速度を相対的に遅くした状態で撹拌翼６を未掘削状態の水底地盤Ｂの表面から目標深度ＴＤよりも浅い所定深度ＰＤまで貫入すると、浅い深度の泥土Ｓが土塊の大きい状態で挿入管３の上部に上昇して揚収管２が詰まるリスクを低くできる。
　撹拌翼６を所定深度ＰＤまで貫入した後には、撹拌翼６よりも上方に滞留している泥土Ｓが比較的多くなり、泥土Ｓが土塊の大きい状態で挿入管３の上部に上昇する可能性は低くなる。それ故、後工程では、回転速度を相対的に速くした状態で撹拌翼６を所定深度ＰＤから目標深度ＴＤまで貫入することで、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率よく掘削、解泥できる。さらに、撹拌翼６を高速で回転させて、挿入管３の内部に流れの速い撹拌流が発生させることで、スラリー状の泥土Ｓを挿入管３の上部に効率よく上昇させることができる。
　次に、水底資源の採取方法の手順の別の一例を以下に説明する。挿入管３を未掘削状態の水底地盤Ｂに挿入し、回転軸４の下端部にヘッド５（撹拌翼６）を連結するまでの手順は、先に例示した手順と同じである。
　図８のグラフの横軸は撹拌翼６を水底地盤Ｂに貫入してからの経過時間を示し、縦軸は水底地盤Ｂの表面を基準（０ｍ）とした撹拌翼６の貫入深さを示している。図８のグラフに示すように、この実施形態では、初期工程において、撹拌翼６を未掘削状態の水底地盤Ｂの表面から目標深度ＴＤまで貫入する。そして、後工程において、撹拌翼６を挿入管３の内部の目標深度ＴＤから水底地盤Ｂの表面までにおける所定の深さ範囲内（目標深度ＴＤよりも浅い範囲）で管軸方向に往復移動させる。
　図９に例示するように、初期工程において、回転速度を相対的に遅くした状態で撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面から目標深度ＴＤまで貫入すると、土塊の大きい泥土Ｓが挿入管３の上部に上昇して揚収管２が詰まるリスクをさらに低くできる。
　そして、図１０に例示するように、後工程において、回転速度を相対的に速くした状態で撹拌翼６を挿入管３の内部の目標深度ＴＤから水底地盤Ｂの表面までにおける所定の深さ範囲内で管軸方向に往復移動させて、挿入管３の内部の泥土Ｓを繰り返し解泥すると、挿入管３の内部の泥土Ｓをより確実に細粒化できる。さらに、高速回転する撹拌翼６を管軸方向に往復移動させることで、挿入管３の内部で解泥された泥土Ｓが挿入管３の下部により沈降し難くなる。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には益々有利になる。撹拌翼６は、目標深度ＴＤから挿入管３の上部まで移動させることが好ましい。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が、例えば、２回～１５回程度、複数回往復移動させるとよい。
　初期工程と後工程とでそれぞれ、撹拌翼６を一定の回転速度に設定することもできるが、例えば、撹拌翼６の貫入深度が深くなるほど撹拌翼６の回転速度を速く設定することもできる。貫入深度が深くなるほど撹拌翼６の回転速度を速く設定すると、土塊の大きい泥土Ｓが挿入管３の上部に上昇して揚収管２が詰まることを回避しつつ、泥土Ｓをより効率的に掘削、解泥できる。
　撹拌翼６を管軸方向に移動させる速度は、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の管軸方向の移動速度を、初期工程では、後工程よりも遅くするとよい。
　撹拌翼６を未掘削状態の水底地盤Ｂに貫入する初期工程では、撹拌翼６にかかる負荷も比較的大きい。それ故、初期工程では、撹拌翼６の管軸方向の移動速度を１ｍｍ／秒～５ｍｍ／秒程度の比較的遅い速度に設定することで、撹拌翼６の回転速度が低速であっても、撹拌翼６に過大な負荷がかかることを回避しつつ、水底地盤Ｂの泥土Ｓを比較的細かく解泥できる。後工程では、初期工程よりも撹拌翼６の回転速度を速くするので、初期工程よりも撹拌翼６の管軸方向の移動速度を速くすることで、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的に掘削、解泥できる。後工程での撹拌翼６の管軸方向の移動速度は、例えば、５ｍｍ／秒～１００ｍｍ／秒程度、より好ましくは５ｍｍ／秒～１０ｍｍ／秒程度に設定するとよい。
　撹拌翼６の先端部に設けた噴射ノズル８ａから挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを噴射すると、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。
　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、挿入管３の内部の泥土Ｓがより細粒化され易くなり、泥土Ｓが挿入管３の下部により沈降し難くなる。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もより少なくなる。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。
　初期工程において、挿入管３の内部に液体Ｌを急速に供給すると、土塊の大きい泥土Ｓが挿入管３の上部に上昇して揚収管２が詰まるリスクが比較的高くなる。それ故、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量を、初期工程では、後工程よりも少なくするとよい。後工程では、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量を初期工程よりも多くすることで、解泥したスラリー状の泥土Ｓを挿入管３の上部に効率的に上昇させるには有利になる。
　図１０に例示する本発明の別の実施形態のように、撹拌翼６の先端部に設けた噴射ノズル８ａから、撹拌翼６の回転方向に対して斜め前方に向けて液体Ｌを噴射することもできる。撹拌翼６の延在方向に対する噴射ノズル８ａによる噴射角度は、撹拌翼６の回転速度等に応じて適宜設定できるが、例えば、１０度～４５度の範囲内に設定する。
　このように、噴射ノズル８ａから撹拌翼６の回転方向に対して斜め前方に向けて液体Ｌを噴射すると、噴射された液体Ｌが挿入管３の内周面により勢いよく到達し易くなる。それ故、撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓをより効率的に掘削、解泥できる。例えば、撹拌翼６の延在方向に対する噴射ノズル８ａの噴射角度を変更可能な可変機構を設けて、撹拌翼６の回転速度に応じて噴射ノズル８ａによる噴射角度を変更する構成にすることもできる。
　図１１に例示する本発明のさらに別の実施形態のように、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８ｃを設けることもできる。このように、吐出ノズル８ｃから撹拌翼６の表面に向けて液体Ｌを吐出すると、撹拌翼６の表面に付着した泥土Ｓを除去できる。それ故、撹拌翼６の表面に泥土Ｓが堆積することを防止でき、挿入管３の内部の泥土Ｓを網羅的に揚収するにはより有利になる。また、撹拌翼６が届く範囲の泥土Ｓに液体Ｌがより行渡り易くなるので、挿入管３の内部で泥土Ｓがより流動し易くなる。それ故、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的に細粒化するにはより有利になる。
　次に、水底資源の採取方法の手順のさらに別の一例を以下に説明する。
　図１３および図１４に例示するように、この実施形態で使用する採取システム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とを備えている。この実施形態の採取システム１はさらに、挿入管３に設置された強度センサ９と圧力センサ１０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。
　強度センサ９は、未掘削状態の水底地盤Ｂの強度を測定する。水底地盤Ｂの強度を示す指標としては、例えば、水底地盤Ｂの泥土Ｓの管軸方向の一軸圧縮強度やＮ値、コーン指数などが例示できる。強度センサ９としては、例えば、土壌硬度計や土層強度検査棒などを用いる。強度センサ９は、挿入管３の水底地盤Ｂに挿入される位置に設置される。強度センサ９は例えば、挿入管３の下端開口３ｃの近傍（下端開口３ｃからの管軸方向の離間距離が３０ｃｍ以内となる位置）に設置するとよい。この実施形態では、強度センサ９を挿入管３の内周面の撹拌翼６に接触しない位置に設置しているが、例えば、挿入管３の外周面や下端面に設置することもできる。
　圧力センサ１０は、水底地盤Ｂに挿入した挿入管３の内部での圧力を測定する。圧力センサ１０は例えば、撹拌翼６により泥土Ｓを掘削、解泥する掘削対象領域Ｒ１となる範囲に設置する。圧力センサ１０は、例えば、挿入管３の下端３ｂから上方へ離間距離が１００ｃｍ以上５００ｃｍ以下となる位置に配置するとよい。この実施形態では、圧力センサ１０を挿入管３の内周面の撹拌翼６に接触しない位置に設置している。強度センサ９および圧力センサ１０のそれぞれの測定データは、水上（揚収船２０）の管理部に逐次送信され、管理者が把握できる構成になっている。強度センサ９および圧力センサ１０はそれぞれ任意に設けることができる。
　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作業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。図１５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、挿入管３の少なくとも下部を未掘削状態の水底地盤Ｂに挿入する。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。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に挿入された状態となる。
　この段階では、水底地盤Ｂに挿入されている挿入管３の下部の内部は未掘削状態の水底地盤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。挿入管３を水底地盤Ｂに挿入している過程で、強度センサ９によって水底地盤Ｂの強度が逐次測定される。
　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の表面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の表面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１６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と回転軸４の下部（ヘッド５）に取付けられている撹拌翼６とを挿入管３の内部で回転させる。そして、回転させた状態の撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面から水底地盤Ｂの泥土Ｓに貫入して挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削して、スラリー状に解泥する。この実施形態では、噴射ノズル８ａから挿入管３の内周面に向かって液体Ｌを高圧で噴射することで、挿入管３の内部に液体Ｌを供給しつつ、撹拌翼６の先端と挿入管３の内周面との間の泥土Ｓを掘削、解泥する。挿入管３の内部での圧力（以下、挿入管３の内圧という）は、圧力センサ１０によって逐次測定される。
　撹拌翼６を水底地盤Ｂに貫入する際には、撹拌翼６（最も下方に位置する撹拌翼６）の最深貫入位置Ｄ１を、挿入管３の下端３ｂから所定距離Ｔだけ上方にする。そして、挿入管３の下端開口３ｃを水底地盤Ｂの泥土Ｓによって塞いだ状態に維持して、撹拌翼６によってスラリー状に解泥した泥土Ｓが挿入管３の下端開口３ｃを通じて挿入管３の外部に流出することを防止する。
　即ち、挿入管３の内部の水底地盤Ｂの表面から最深貫入位置Ｄ１までの掘削対象領域Ｒ１の泥土Ｓを撹拌翼６によって掘削、解泥し、最深貫入位置Ｄ１と挿入管３の下端３ｂが位置する深度Ｄ２との間に管軸方向に所定距離Ｔの厚みを有する非掘削領域Ｒ２を残存させる。そして、解泥した泥土Ｓに対して相対的に硬い非掘削領域Ｒ２の泥土Ｓによって、挿入管３の下端開口３ｃに栓をして塞いだ状態にする。図中では、掘削されていない状態の泥土Ｓを斜線部で示している。
　前述した所定距離Ｔは、撹拌翼６によって挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥している際の挿入管３の内圧が最大になった場合でも、挿入管３の下端開口３ｃを塞ぐ非掘削領域Ｒ２の泥土Ｓが、挿入管３の内圧によって崩壊することを防止できる距離に設定する。挿入管３の内圧に対する非掘削領域Ｒ２の泥土Ｓによる抵抗力は、水底地盤Ｂの強度（例えば、一軸圧縮強度やＮ値、コーン指数等）や、所定距離Ｔが大きくなる程増大する。
　それ故、挿入管３の下端開口３ｃを塞ぐ泥土Ｓが、挿入管３の内圧により崩壊することを防止できる過不足ない適正な所定距離Ｔは、水底地盤Ｂの強度と、挿入管３の内圧とに基づいて設定することが可能である。所定距離Ｔを設定することで、挿入管３の下端３ｂが位置する深度Ｄ２との関係から撹拌翼６を貫入する最深貫入位置Ｄ１も設定できる。
　水底地盤Ｂの強度は、この実施形態のように挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する際に強度センサ９により取得することもできるし、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前に予め取得しておくこともできる。或いは、水底地盤Ｂの強度を、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入する際の両方で取得することもできる。
　水底地盤Ｂの強度を予め取得する場合には、例えば、未掘削状態の水底地盤Ｂの泥土Ｓを採取して水底地盤Ｂの強度を測定する公知の強度試験（例えば、一軸圧縮試験や標準貫入試験など）を行う。この実施形態のように、強度センサ９を設ければ、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する際に強度センサ９により水底地盤Ｂの強度を測定できる。
　水底地盤Ｂの強度を、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入する際の両方で取得する場合には、水底地盤Ｂの強度の測定値が相対的に低い方の測定値を採用して、所定距離Ｔを設定するとよい。このようにすると、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入する際のいずれか片方の測定値に基づいて所定距離Ｔを設定する場合よりも、挿入管３の下端開口３ｃを塞ぐ泥土Ｓが、挿入管３の内圧によって崩壊することをより確実に防止できる。
　水底地盤Ｂに挿入した挿入管３の内圧は、この実施形態のように挿入管３を水底地盤Ｂに挿入した後に圧力センサ１０により取得することもできるし、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前に予め取得しておくこともできる。或いは、挿入管３の内圧を、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入した後の両方で取得することもできる。
　水底地盤Ｂに挿入した挿入管３の内圧は、挿入管３の寸法や、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量、揚収手段による単位時間当たりの揚収量など条件に基づいて、予め算出することが可能である。挿入管３の内圧は、採取システム１を用いた事前試験やコンピュータを用いたシミュレーションを行うことによっても予め取得することが可能である。例えば、事前試験では、水底地盤Ｂに挿入した挿入管３の内部に液体Ｌを供給しつつ、撹拌翼６によって挿入管３の内部の泥土Ｓを掘削、解泥しているときの掘削対象領域Ｒ１における挿入管３の内圧を、圧力センサ１０により測定する。
　この実施形態のように、圧力センサ１０を設けることで、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入した後に撹拌翼６を水底地盤Ｂに貫入する過程で、撹拌翼６を貫入した掘削対象領域Ｒ１における挿入管３の内圧を圧力センサ１０により測定できる。そして、撹拌翼６を貫入する過程で圧力センサ１０により取得した挿入管３の内圧の測定値を用いて、所定距離Ｔを設定できる。
　泥土Ｓを掘削、解泥している際に、撹拌翼６の回転速度や移動速度、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量、揚収手段による単位時間当たりの揚収量などの条件を変更すると、それに伴い挿入管３の内圧はある程度変動する。そのため、掘削、解泥時の挿入管３の内圧の最大値に基づいて所定距離Ｔを設定するとよい。
　挿入管３の内圧を、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入した後の両方で取得する場合には、挿入管３の内圧の最大値が相対的に高い方の測定値を採用して、所定距離Ｔを設定するとよい。このようにすると、挿入管３を水底地盤Ｂに挿入する前と挿入した後のいずれか片方の測定値に基づいて所定距離Ｔを設定する場合よりも、挿入管３の下端開口３ｃを塞ぐ泥土Ｓが、挿入管３の内圧によって崩壊することをより確実に防止できる。
　撹拌翼６を最深貫入位置Ｄ１まで貫入した後には、図７に例示するように、撹拌翼６を最深貫入位置Ｄ１から水底地盤Ｂの表面までにおける所定の深さ範囲内（最深貫入位置Ｄ１よりも浅い範囲）で管軸方向に往復移動させて、掘削対象領域Ｒ１の泥土Ｓを繰り返し解泥する。撹拌翼６を往復移動させる回数は水底地盤Ｂの強度や撹拌翼６の数、撹拌翼６の回転速度などに応じて適宜決定できるが、例えば、２回～１５回程度、複数回往復移動させるとよい。この撹拌翼６を往復移動させる作業は適宜省略することもできるが、この作業を行うと、掘削対象領域Ｒ１の泥土Ｓをより確実に細粒化できる。
　挿入管３の内部で細粒化された掘削対象領域Ｒ１の泥土Ｓは、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となり、最深貫入位置Ｄ１よりも上方の挿入管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。そして、解泥によってスラリー状にした掘削対象領域Ｒ１の泥土Ｓを挿入管３の上部に上昇させ、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。
　液体供給機構８（噴射ノズル８ａ）から挿入管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や掘削対象領域Ｒ１の泥土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り、効率的に水上に揚収される。
　このように、この採取方法では、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の内部の泥土Ｓを掘削、解泥する。しかも、撹拌翼６の最深貫入位置Ｄ１を、挿入管３の下端３ｂから所定距離Ｔだけ上方にして、挿入管３の下端開口３ｃを水底地盤Ｂの泥土Ｓによって塞いだ状態に維持して、スラリー状に解泥した泥土Ｓが挿入管３の下端開口３ｃを通じて挿入管３の外部に流出することを防止する。これにより、比較的少ない液量で挿入管３の内部の泥土Ｓを効果的に細粒化してスラリー状にしつつ、スラリー状にした泥土Ｓの流出による無駄を回避して、挿入管３の上部まで効率的に上昇させることができる。それ故、水底地盤Ｂの泥土Ｓに含有されている水底資源を効率的に採取できる。解泥した泥土Ｓの流出を防止することで、挿入管３の外周周辺の泥土Ｓの状態が乱れることも防止できる。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することを防止できるので、水中環境を害するリスクも非常に低くなる。
　一見すると、所定距離Ｔを実質ゼロにして撹拌翼６を最大限深く貫入して泥土Ｓを解泥することでより多くの水底資源を採取できると考えられる。しかしながら、レアアース等の水底資源が含有されている水底地盤Ｂの泥土Ｓの強度は比較的低く、しかも水深が深いので不確定要素が多い。そのため、挿入管３の下端３ｂまで撹拌翼６を貫入した場合には、挿入管３の内部で解泥した泥土Ｓや供給した液体Ｌが、挿入管３の下端開口３ｃを通じて挿入管３の外部に流出するリスクが非常に高くなる。このような流出が生じると、スラリー状の泥土Ｓが散逸するとともに、挿入管３の内圧が急激に低下する。それ故、泥土Ｓの揚収効率は低下することになる。本発明は、あえて挿入管３の下部に所定距離Ｔの厚みを有する非掘削領域Ｒ２を残存させるという簡易でありながら、泥土Ｓの揚収効率を効果的に安定して向上させることができる方法になっている。それ故、当業者にとっては非常に有益な方法である。
　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。
　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。
　撹拌翼６の管軸方向の移動速度は、水底地盤Ｂの泥土Ｓの強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。図１８のグラフの横軸は撹拌翼６を水底地盤Ｂに貫入してからの経過時間を示し、縦軸は水底地盤Ｂの表面を基準（０ｍ）とした撹拌翼６の貫入深さを示している。図８のグラフに示すように、撹拌翼６を水底地盤Ｂの表面から最深貫入位置Ｄ１まで貫入する際の撹拌翼６の管軸方向の移動速度よりも、その後の、挿入管３の内部で撹拌翼６を管軸方向に往復移動させるときの撹拌翼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を未掘削状態の水底地盤Ｂに貫入する時には、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相対的に遅く設定して撹拌翼６を貫入していくことで、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、撹拌翼６を最深貫入位置Ｄ１まで貫入した後には、撹拌翼６の管軸方向の移動速度を相対的に速く設定して往復移動させることで、挿入管３の内部の泥土Ｓを効率的に解泥できる。
　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。さらに、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼６によって撹拌された泥土Ｓおよび液体（水域の水Ｗと液体Ｌとを含む）による下向きの圧力が比較的小さくなるので、挿入管３の下端開口３ｃを塞ぐ非掘削領域Ｒ２の泥土Ｓが崩壊することを防止するには有利になる。
　この実施形態のように、圧力センサ１０を設けた場合には、撹拌翼６を最深貫入位置Ｄ１まで貫入した後の撹拌翼６を管軸方向に往復移動させる工程において、圧力センサ１０の測定値に基づいて、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量を調整するとよい。挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量を多くするほど、解泥した泥土Ｓが挿入管３の上部に上昇し易くなり、揚収効率を高めるには有利になる。一方で、泥土Ｓおよび液体（水域の水Ｗと液体Ｌとを含む）の揚収量に対して、挿入管３の内部に供給する液量が過剰になると、挿入管３の内圧が所定距離Ｔを設定する際に使用した挿入管３の内圧の最大値よりも大きくなる恐れがある。そのため、圧力センサ１０の測定値に基づいて、所定距離Ｔを設定する際に使用した挿入管３の内圧の最大値を超えない範囲で、出来る限り揚収効率が高まるように、挿入管３の内部に供給する単位時間当たりの液量を調整するとよい。
　尚、挿入管３の内圧に対抗して、挿入管３の下端開口３ｃを水底地盤Ｂの非掘削領域Ｒ２の泥土Ｓによって塞いだ状態に維持できる所定距離Ｔを設定できれば、所定距離Ｔの設定方法は上記で例示した方法に限定されない。例えば、採取システム１を用いた事前試験やコンピュータを用いたシミュレーションを、所定距離Ｔの条件を変えて複数回行い、試験結果に基づいて適切な所定距離Ｔを設定することもできる。
　図１～図１２を参照して説明した前述の方法と、図１３～図１８を参照して説明した後述の方法は適宜組み合わせることができる。例えば、前述の方法において、後述の方法のように、撹拌翼６の最深貫入位置Ｄ１を、挿入管３の下端３ｂから所定距離Ｔだけ上方にして、挿入管３の下端開口３ｃを水底地盤Ｂの泥土Ｓによって塞いだ状態に維持して、スラリー状にした泥土Ｓが下端開口３ｃを通じて挿入管３の外部に流出することを防止することもできるし、後述の方法を採用せずに水底資源を採取することもできる。また、例えば、後述の方法において、前述の方法のように、掘削当初の初期工程では撹拌翼６の回転速度を、初期工程以後の後工程よりも遅くする構成にすることもできるし、前述の方法を採用せずに水底資源を採取することもできる。
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
３ｃ　下端開口
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
８ｃ　吐出ノズル
９　強度センサ
１０　圧力センサ
２０　揚収船
Ｂ　水底地盤
ＰＤ　所定深度
ＴＤ　目標深度
Ｄ１　最深貫入位置
Ｄ２　挿入管の下端が位置する深度
Ｒ１　掘削対象領域
Ｒ２　非掘削領域
Ｓ　泥土
Ｌ　液体
Ｗ　水

Claims (12)

  1. 　水底資源が含有されている未掘削状態の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と、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼とを前記挿入管の内部で回転させて、前記撹拌翼により前記挿入管の内部の前記泥土を掘削、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し、前記撹拌翼の回転速度を、掘削当初の初期工程では、この初期工程以後の後工程よりも遅くすることを特徴とする水底資源の採取方法。
  2. 　前記初期工程では、前記撹拌翼を前記水底地盤の表面から目標深度よりも浅い所定深度まで貫入し、前記後工程では、前記撹拌翼を前記所定深度から前記目標深度まで貫入する請求項１に記載の水底資源の採取方法。
  3. 　前記初期工程では、前記撹拌翼を前記水底地盤の表面から目標深度まで貫入し、前記後工程では、前記撹拌翼を前記目標深度から前記水底地盤の表面までにおける所定の深さ範囲内で管軸方向に往復移動させる請求項１に記載の水底資源の採取方法。
  4. 　前記挿入管の内部に供給する単位時間当たりの液量を、前記初期工程では、前記後工程よりも少なくする請求項１～３のいずれかに記載の水底資源の採取方法。
  5. 　前記撹拌翼の先端部に設けた噴射ノズルから前記撹拌翼の回転方向に対して斜め前方に前記挿入管の内周面に向かって前記液体を噴射する請求項１～４のいずれかに記載の水底資源の採取方法。
  6. 　前記回転軸に設けた吐出ノズルから前記撹拌翼の表面に向けて前記液体を吐出する請求項１～５のいずれかに記載の水底資源の採取方法。
  7. 　前記撹拌翼の最深貫入位置を、前記挿入管の下端から所定距離だけ上方にして、前記挿入管の下端開口を前記水底地盤の泥土によって塞いだ状態に維持して、スラリー状にした前記泥土が前記下端開口を通じて前記挿入管の外部に流出することを防止する請求項１～６に記載の水底資源の採取方法。
  8. 　前記水底地盤の強度と、前記水底地盤に挿入した前記挿入管の内部での圧力とに基づいて、前記所定距離を設定する請求項７に記載の水底資源の採取方法。
  9. 　前記強度を、前記挿入管を前記水底地盤に挿入する前に予め取得しておく請求項８に記載の水底資源の採取方法。
  10. 　前記強度を、前記挿入管を前記水底地盤に挿入する際に強度センサにより取得する請求項８または９に記載の水底資源の採取方法。
  11. 　前記圧力を、前記挿入管を前記水底地盤に挿入する前に算出して予め取得する請求項８～１０のいずれかに記載の水底資源の採取方法。
  12. 　前記圧力を、前記挿入管を前記水底地盤に挿入した後に圧力センサにより取得する請求項８～１１のいずれかに記載の水底資源の採取方法。
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