JP2009057721A

JP2009057721A - 深海鉱物の連続採取方法およびその装置

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Publication number: JP2009057721A
Application number: JP2007224474A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Masuda; 善雄益田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】水深８００乃至２０００ｍの海山の傾斜面や平坦なテラス状の海底表面上の比較的狭小な面積に高い賦存密度で存在する採鉱物を、バケット付ロープを用いて効率よく採取する技術を提供する
【解決手段】洋上における採鉱船１０の位置をＧＰＳ信号受信器２０を用いて測定し、測定したデータに基づき、バケット５１付ロープ５０の繰出位置８１及び引揚位置８０におけるロープ５０の鉛直傾斜角及び水平方向角を測定し、この測定値及びＧＰＳ信号受信器２０のデータから、ロープ５０の鉱床への着底点および離底点を計算し、さらにバケット５１のドレッジ音を音響装置９０で探知し、これらにより採鉱船１０の適正な位置及び方位を求め、採鉱船１０の運動を外舷スラスタ３０、サイドスラスタ４０により適正に制御して採鉱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海山海底に存在するコバルト等に富んだクラスト鉱床等や、燐鉱やマンガンノジュール等の深海底に賦存する鉱物資源の連続採取方法及びその装置に関し、特にクラスト鉱床に好適に適用されるものである。

クラスト鉱床は深海底金属塊の一種で、水深８００ｍ乃至２０００ｍの海山の傾斜面や平旦なテラス伏の海底表面上に分布している。マンガンノジュール鉱床は水深４０００ｍ乃至６０００ｍの深海底表面上に深海底の広大な面積に賦存している。

クラスト鉱床は比較的狭小な面積上に存在し、賦存密度が非常に高い鉱床である。これを採鉱するためには、狭い鉱床で有効に採鉱することができる改良された独特の採鉱技術を必要とする。

海山海域におけるクラスト鉱床の採鉱に最も障害となるのは、変化する海象及び気象で、低速運航する採鉱船にとっては、この対策は特に必要である。

本発明者等は、海底鉱物を採取するため、バケット付ロープを用いるいわゆる連続バケット法の研究開発に努力して来た（例えば特許文献１〜３参照。）。

海底鉱物採取の実用化を図る採鉱実験が１９７２年（昭和４７年）９月にハワイ沖の海域で行われた。この採鉱実験は１６,０００トンの極洋丸Ｎｏ．２を使用した国際実験で、１５日間行われた。大型船の極洋丸Ｎｏ．２は推進機を止めて、１００ｍ間隔にバケットを吊下げた全長１２，０００ｍのロープを用いて、水深４９００〜５０００ｍの海底に賦存するマンガンノジュールを採取した。このとき、赤道域の貿易風は一定であるとの仮定の下で連続バケットを運転した。

この採鉱実験における採鉱船の漂流速度は約０．６ノット位であったが、実際の漂流速度は周期的に変動し、ロープ長が一定であったので、流れが速くバケットが着底しないような時間があり、また、流れが遅くバケットを曳かない時間もあった。成功裏にバケットが引揚げられたのは３回で、そのうち１回は、１００個のバケットがクラスト状の海底鉱物を連続して採鉱した。

最も良い時には１００個のバケットのクラスト状鉱物の収量は２５％以上で、主にクラスト状の採鉱物が得られた。ノジュール状の採鉱物は２０個のバケットで得られ、バケットの収量は５％程度であった。

また流れの変化によって、流れが止った状況の時には昇降する２本のロープのからみ合いも発生し、採鉱船は流れによるドリフトでなく、推進機による緩やかな制御された運動が必要であると判断された。
昭和４６年特許出願公告第２３４８２号昭和５２年特許出願公告第３９３６１号昭和５２年特許出願公告第４８５６１号

本発明は、水深８００乃至２０００ｍの海山の傾斜面や平坦なテラス状の海底表面上の比較的狭小な面積に高い賦存密度で存在するクラスト鉱床等の採鉱物を、効率よく採取するための、改良された採鉱技術を提供することを目的とするものである。

本発明は、バケット付ロープを用いる深海鉱物の採取技術において、海象及び気象が変化しても、それらに影響されることなく、最も有効に連続採取することができる技術を提供するものである。

また、本発明の別の課題は連続バケット付ロープにおいてトラブルとなる昇降ロープのからみ合い事故を防止するものである。

上記課題を解決するための本発明の技術手段は、バケット付ロープを用いて深海鉱物を採取する方法において、洋上における採鉱船自身の鉱物賦存区域に対する位置を検知すると共に、前記ロープの繰出位置及び引揚位置におけるロープの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定し、これらのデータからロープの着底点及び離底点を推定し、該着定点及び離底点が鉱床内にあると共に、昇降ロープのからみ合いを防止するように、採鉱船の運動を制御することを特徴とする深海鉱物の連続採取方法である。

採鉱船の位置は鉱物賦存区域の地形図や水深などと、ＧＰＳ手段等によって検知することができる。

また、ロープの鉛直傾斜角とはロープの鉛直線に対する傾き角を云い、水平方向角とは、ロープの水平投影面におけるロープの方向と基準方向とのなす角を云う。基準方向としては、例えば採鉱船の船軸に平行な方向とすればよい。

ロープ着底点及び離底点の推定は、ロープがカテナリー曲線を描くと仮定することによって、上記採鉱船の位置、ロープの鉛直傾斜角及び水平方向角の測定値とロープ長と水深に基いて計算することができる。この場合、ロープのカテナリー曲線を直線であると仮定しても実用上ほとんど問題はない。ロープの鉛直傾斜角は、主として採鉱船の軸方向運動、海流及びロープ速度に支配される。

上昇ロープと下降ロープとのからみ合いを防止するには、ロープの着底点と離底点が離れるようにすればよく、ロープの水平方向角によって判定することができる。ロープの水平方向角は、採鉱船の船軸に直交する方向の運動及び海流によって変化する。

また、採鉱船の位置及び運動を制御する手段は、採鉱船に設けた外舷スラスタ、サイドスラスタを用いることによって容易に実現することができる。

従来、採鉱船の位置検出や運動制御を行っていなかったので、採鉱船が受ける潮流や風などの外乱による採鉱への影響を避けることが困難であったが、本発明方法によれば採鉱船の位置と運動を制御するので、これらの影響を完全に除外して、効率のよい採鉱を行うことができる。

上記方法において、バケットのドレッジ音を探知してバケットの海底からの浮上りを検知することができる。これに基いてバケットの着底と離底を確認し、これを採鉱船の運動に加える技術を併用すると、海底の地形や水深の変動、海象、気象の変化、影響を修正することができ、採鉱船の適正な運動を確保することができ好適である。

上記本発明方法の実施に用いる本発明の装置は、バケット付ロープを用いて採鉱船により深海鉱物を採取する装置において、採鉱船の位置を検知する検知装置と、ロープの繰出位置及び引揚位置におけるロープの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定する測定装置と、ロープの着底点及び離底点を推定する計算装置と、該推定に基づき採鉱船の運動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする深海鉱物の連続採取装置である。

そして、前記採鉱船の位置を測定する装置はＧＰＳ装置とすれば、簡易に所望精度の位置測定を行うことができ、好ましい。

本発明によれば、採鉱船の位置及び運動と採鉱すべき海底鉱物賦存区域との相互関係を、潮流、風速、その他の条件の変化に拘らず、誤差の範囲内で適切に制御することが可能となった。

従って、採鉱能率が画期的に向上すると共に、ロープのからみ合い等のトラブルを生ずることなく、安定的に高能率操業をすることができるというすぐれた効果を奏する。

衛星よりのＧＰＳ船位信号と連続ロープの長と傾角と方位角のデータ、風速、流速のデータを合せ精度あるバケット軌跡計算機を持ったことは本発明の一つの特長であり、限られた区域の変化の大きい鉱床上での適切な運行を可能にするものである。

本発明はバケット付ロープを用いて深海鉱物を採取する方法において、次の技術手段を講じたものである。
（ａ）洋上における採鉱船自身の鉱物賦存区域に対する位置を検知すること。
（ｂ）ロープの繰出位置及び引揚位置におけるロープの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定すること。
（ｃ）ロープの鉱床への着底点及び離底点を計算し推定すること。
（ｄ）ロープの着底点及び離底点が鉱床内にあるように、かつ、ロープのからみ合いを防止するように採鉱船の運動を制御すること。

本発明は、舷外機等の推進機を複数装備した深海鉱物採取船より繰出されたエンドレスロープの鉛直傾斜角と水平方向角をロープの繰出位置及び引揚位置において測定し、水深とロープ長に基づきロープバケットの海底への着地点と離底点を計算により求める。一方ＧＰＳ受信機で船位を検知する。これらを合せて、バケットの海底への位置軌跡を推定し、その軌跡を別に調査された深海鉱物鉱床の上に正しく位置するようにスラスタを使い採鉱船の運動を制御する。

バケット付ロープの繰出位置及び引揚位置における鉛直傾斜角と水平方向角の測定は、ロープの方向を検出する専用の測定装置を用いて測定することができる。しかし、例えば、ロープの繰出位置及び引揚位置のロープ案内車を鉛直軸まわりに可動に形成すると共にロープの上下を検出する腕を設け、ロープ案内車がロープの方向に倣って動く動き及び腕の動きをポテンショメータ等によって角度の変動として測定することができる。これらの角度情報をもとに、海底へ延びるエンドレスロープの着底点と離底点を算出する。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に本発明の実施例の深海鉱物採取システム１の全体説明図を示す。

採鉱船１０は、採鉱用のバケット５１を取付けたエンドレスロープ５０を採鉱船１０と海底の深海鉱物賦存区域２００との間を循環させて鉱石２０１を採鉱する。

エンドレスロープ５０は引揚げロープ案内車８０を通って海中より採鉱船１０内に入り、採鉱船１０内で引揚げられたバケット５１を転倒してバケット５１の中の採取物を船内に落す。エンドレスロープ５０はボールローラと駆動車を組合わせたロープ駆動機７０等を用いたロープ駆動機により駆動され、送り出しロープ案内車８１を通して海中に進入する。

海中に進入したバケット付エンドレスロープ５０は海底に到達し、海底上のクラストやノジュール（鉱石２０１）をバケット５１の中に入れて引揚げられる。

採鉱船は通常航海のための主プロペラ、主舵および採取物の収容施設等を備えている（図示省略）。

採鉱船１０には人工衛星よりの電波を受信するＧＰＳ信号受信機２０が取付けられ、船尾の甲板上には外舷スラスタ３０を備え、船体前部には、サイドスラスタ４０と船体を横断する貫通孔４１を備えている。深海鉱石を採取する多数のバケット５１を装着したバケット付エンドレスロープ５０を採鉱船１０から、海中に繰出し引揚げる。引揚側ロープ５０ａは矢印５２方向に進み、繰出側ロープ５０ｂは矢印５３方向に繰出される。バケット５１は深海鉱物賦存区域２００内の鉱床上を引きづられて鉱石２０１を採取する。ロープ５０はロープ案内車８０を通って船上に引き上げられ排鉱櫓６０でバケット５１内の鉱石を船上に排出し、ロープ駆動装置７０、ロープ案内車８１を経て、海底に循環される。

引揚位置のロープ案内車８０，繰出位置のロープ案内車８１の位置でロープ５０ａ、５０ｂの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定する。

ＧＰＳ信号受信器２０が検知した採鉱船１０の深海鉱物賦存区域２００との関係位置及びロープ５０ａ、５０ｂのそれぞれの鉛直傾斜角及び水平方向角のデータは図示省略した採鉱船１０内に設けた計算・制御装置に送られる。計算、制御装置はバケット５１の鉱床への着底点、離底点を計算し、この着底点、離底点が鉱床内にあるように外舷スラスタ３０、サイドスラスタ４０を駆動し採鉱船１０任意の方向に任意の速度で移動させ、その運動を制御する。

音響探知装置９０は、水中にマイクロホン９２等をケーブル９１で吊下し、バケット５１のドレッジ音を探知する。ロープ５０が採鉱船１０の移動速度や潮流などの影響によって、水中に浮上してバケットが着底しない場合があるので、音響探知装置９０の探知を参照してバケット５１の着底を確認し、ロープの浮上を防止するように採鉱船１０の運動制御を行う。

ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）信号受信器２０は２〜３個の人工衛星からの航法用信号を受け、人工衛星よりの距離をドップラ波を測定することにより算出し、人工衛星からの距離によって採鉱船１０の位置を求めるものである。この技術を連続バケット式深海鉱業に利用することは従来全くなかった。

深海鉱業を実施するためには採鉱船の位置を精度よく求めることが必要であり、ＧＰＳの採用により採鉱船１０の位置測定精度の飛躍的向上を図ることができるようになった。

ＧＰＳによる位置検出の原理を図２に示した。ＧＰＳ信号受信器２０は人工衛星より発信される電波を受信し、採鉱船１０の位置を測定する。図２はＧＰＳ衛星Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３からの距離ＳＰ_１，ＳＰ_２，ＳＰ_３を半径とする円Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３の交点として採鉱船の位置Ｐが求められる測定の原理を説明したものである。

図３に外舷スラスタ３０の１例を示した。外舷スラスタ３０は採鉱船１０の甲板上に設けられ、水中にプロペラ３５を備えている。エンジン３４の出力は伝導部３２、３３、３４の組歯車及び組傘歯車でプロペラ３５を回転させる。プロペラ３５の回転方向は大歯車と小歯車の組合せによって変更することができる。このプロペラ３５の推力の大きさはエンジン３１の回転数の変更により行い、推力の方向はプロペラ３５の軸の方向を変更して行う。外舷スラスタ３０及びサイドスラスタ４０の操作によりどの方向へも推力を発生させることができ、採鉱船１０は任意の運動が可能となる。

図４、図５は、ロープ引揚位置（又は繰出位置）におけるロープ案内車８０（又はロープ案内車８１）を示すもので、ロープ案内車８０は採鉱船１０の外舷１１にほぼ直角な軸８３を中心に回転し、鉛直軸８２を中心として揺動自在に吊下げられている。

図４、図５に示すように、ロープ５０の引揚位置と繰出位置で連続ロープの傾角と方向角を精度良く（１°以下の精度）測定し、深度Ｄを測深機で測定し、又はロープ長からのバケットの着底と離底点とを計算する。

ロープ案内車８０はパケット５１（図示省略）を取付けたロープを案内するので、前面が開放型で背面の背板板８４に支持され、この背面板は鉛直軸８２によって吊り下げられており、この鉛直軸８２を中心としてそのまわりに揺動自在に吊下げられている。この軸に吊下げされた水平方向角測定用腕とその先端に取付けられた水平方向角測定用車で連続ロープの鉛直傾斜角αとを水平方向角βを計測する。水平方向角はロープ５０の水平投影線と採鉱船１０の軸線とのなす水平面内の角度である。この測定したαおよびβのデータからバケット５１の海底への着底点及び離底点を計算する。ロープ長Ｌの時バケット着地点は船位のＬ・ｃｏｓαだけ後で、Ｌｃｏｓβだけ横に位置している。

角度の計測精度を１度とすると測位精度としてロープ長２０００ｍのとき３４ｍである。ＧＰＳの測位精度は、約３０ｍであるから両者は略相当する誤差範囲内の実用的測定となる。

なお連続ロープにかかる力は非常に強大であるので、これ等滑車ならびに支持機構は十分に強く設計したものを使用する必要がある。

また船位のデータをＧＰＳ信号受信器２０で求め、これらのデータを合せて、ロープバケットの着地点と、引揚点を求め、金属鉱床の調査データを参照して海底鉱物賦存区域の鉱床上をバケットが移動するように採鉱船１０の運動を計算する計算装置を採鉱船１０に搭載する。

この外、計算機の中に入力するデータとして、風速、海流、潮流による採鉱船の漂流データがある。従来の実験では風、海流や潮流及び船のドラフトによるロープ傾角の実例として、ハワイ沖第２極洋丸の操業実験では、船のエンジンを停止して自在に漂流している条件において、ロープの鉛直傾斜角は横方向に流される速度が０．４ノットでは２０度，０．６ノットでは３８度、１．２ノットで６０度であった。そして、その例ではロープの鉛直傾斜角が３８°〜３３°の時に良好な金属塊が採鉱され、ロープ角度が４０°以上のときはバケットが海底から浮上っていた。

本発明では、採鉱船１０の運動速度を外舷スラスタ３０やサイドスラスタ４０を用いて制御するので、効率の良い採鉱を実現することができる。

バケット５１をつけた連続ロープ５０は図６、図７に示したボールローラ５５と図８、図９に示した水平多重車７２の組合せにより、バケット５１をロープ５０につるしたまま連続駆動される。

ボールローラ５５は２個のボールの間にロープ５０を挟み、支持材５８に取付けたモータ５６により軸受５７を介してボールローラ５５を回転させてロープ５０を駆動する。バケット５１はロープ５０に吊下げられたままボールローラ５５の下方を通過する、水平多重車７２はモータ７１によって鉛直軸まわりに回転する多数のシーブであって、ロープ５０を中心角で２００〜２４０°順次互いちがいに巻きつけ、ロープ５０を駆動する。

図１０および図１１はバケット５１の中の採取物を甲板に落す、バケット転倒トラス機構を示したものである。斜に傾斜した櫓６０の傾斜側の側面にシーブ６２、６３、６４を上下に配設して、これらのシーブ６２、６３、６４にロープ５０を巻掛けて斜めに昇降させ、昇降によるバケット５１の転倒によりバケット内の収容物を落下させ回収鉱石２０２を得るものである。

図１２はドレッジ音を探知する音響装置９０を示したものである。実際の採鉱は複雑であり、また、海流等の流速は深度により変るものであり、バケット５１の海底からの浮上りを検出する必要がある。

バケット５１の軌跡をチェックし修正するためバケット５１が着底し、ドレッジしている時に発する音を聞き、着底を確認することが効果的である。

音響装置９０の水中マイクロホン９２は採鉱船１０よりケーブル９１で水中に吊り下げられ、水中音を把える。バケット５１の水中音は一般に横にひろがり、マイクロホン９２を深く海中に置けば良く聞える。

バケットが海底の鉱床上をドレッジする時の音はかなり高く、海底をバケットがドレッジしているか又は着底してなくてまだ全部水中にあるかを明瞭に識別することができる。この音響を採鉱船１０の運動制御のデータとして使用する事が出来る。またこれによる修正値をバケット付ロープの軌道計算に入力することが出来る。

次に、バケット５１を取付けたロープ５０の水中の軌跡は計算及び海や水槽で研究された結果を以下説明する。

図１３は、２次元プログラムによる解析結果を示すもので、バケット内鉱石充填率が０．５、船速０．５ｍ／ｓ、ロープ速度０．５ｍ／ｓ、潮流がないときの昇降ロープのカテナリー曲線であり、図１３（ａ）は側面図、図１３（ｂ）は背面図である。引揚ロープ５０ａは遠くから引揚げられ、繰出ロープ５０ｂは垂れ下っている。

背面から見ると、図１３（ｂ）に示すように、引揚ロープ５０ａと繰出ロープ５０ｂは近接しており、からみ合いを生ずる危険性がある。

図１４は、図１３と同条件で潮流が横方向に０．５ｍ／ｓの場合のロープ曲線を示すもので、図１４（ａ）は側面図、図１４（ｂ）は背面図である。図１４（ｂ）に示すように、横方向の潮流によって、引揚ロープ５０ａと繰出ロープ５０ｂとが横方向に分離されている。側面図では図１３（ａ）と殆ど差がない曲線となっている。横方向の潮流が０．５ｍ／ｓ（船速と等しい速度）では繰出ロープ５０ｂと引揚ロープ５０ａとの間の分離は充分で、揚降ロープ間のからみを防止出来ることを示している。

本発明では図１４に示す潮流と同じ効果を持つように採鉱船１０を船軸に直角な方向に運動させることにより、引揚ロープ５０ａと繰出ロープ５０ｂとの間の間隔を開き、引揚ロープ５０ａと繰出ロープ５０ｂ相互のからみ合い事故を防止することが出来る。本発明による深海鉱物の採取では、このように海流や潮流等の影響によるロープのからみを防止することができる画期的な効果がある。

深海鉱物採取装置の全体説明図である。ＧＰＳの原理を示す説明図である。外舷スラスタの斜視図である。引揚ロープ案内車とロープの鉛直傾斜角測定の説明図である。水平方向角の説明図である。ボールローラ機の平面図である。ボールローラ機の側面図である。水平多重車の平面図である。水平多重車の側面図である。バケット転倒トラス機構の側面図である。バケット転倒トラス機構の正面図である。水中マイクロホンの説明図である。ロープ曲線の説明図である。ロープ曲線の説明図である。

符号の説明

１０採鉱船
１１外舷
２０ＧＰＳ信号受信機
３０外舷スラスタ
３１エンジン
３２、３３、３４伝導部
３５プロペラ
４０サイドスラスタ
４１貫通孔
５０エンドレスロープ
５０ａ引揚側ロープ
５０ｂ繰出側ロープ
５１バケット
５２、５３矢印
５５ボールローラ
５６モータ
５７軸受
５８支持材
６０櫓
６２、６３、６４シーブ
７０ロープ駆動機
７２水平多重車
８０引揚ロープ案内車
８１繰出ロープ案内車
８２鉛直軸
８３軸
８４背板
９０音響探知装置
９１ケーブル
９２マイクロホン
２００深海鉱物賦存区域
２０１鉱石
２０２回収鉱石

Claims

バケット付ロープを用いて深海鉱物を採取する方法において、洋上における採鉱船自身の鉱物賦存区域に対する位置を検知すると共に、前記ロープの繰出位置及び引揚位置におけるロープの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定し、これらのデータからロープの着底点及び離底点を推定し、該着定点及び離底点が鉱床内にあると共に、昇降ロープのからみ合いを防止するように、採鉱船の運動を制御することを特徴とする深海鉱物の連続採取方法。
バケットのドレッジ音を探知し、バケットの着底点と離底点の修正を前記採鉱船の運動の制御に加えることを特徴とする請求項１記載の深海鉱物の連続採取方法。
バケット付ロープを用いて採鉱船により深海鉱物を採取する装置において、採鉱船の位置を検知する検知装置と、採鉱船のロープ繰出位置及び引揚位置におけるロープの鉛直傾斜角及び水平方向角を測定する装置と、ロープの着底点及び離底点を推定する計算装置と、該推定に基づき採鉱船の運動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする深海鉱物の連続採取装置。
前記検知装置はＧＰＳ装置であることを特徴とする請求項３記載の深海鉱物の連続採取装置。