JP6029671B2 - 海底採掘工具 - Google Patents

Description

本発明は、海底地盤の沈殿物層を採掘するように設計された海底採掘工具の為の吸引口に関する。

ＷＯ２０１０／０００２８９には、海底地盤の沈殿物の採掘および処理のための方法および装置が提供されている。この装置は、海底地盤を横切って走行し、沈殿物をかき乱すためのクローラ（crawler）車両からなる。この車両は、かき乱された沈殿物を回収する吸引システムを含む。本発明は、そのような採掘工具の吸引システムのための吸引口を説明する。

ＵＳ４，２３２，９０３は、マンガン団塊を採掘するための海洋採掘システムを説明する。海底採掘車両は、アルキメデス式スクリューによって推進される。

車両は、熊手（rake）及びコンベヤシステムを使用し、塊を拾い上げ、その後、その塊洗われ、砕かれ、ライザを通って水上船に送られる。

浚渫作業からさまざまな掘削工具が、砂、沈泥、砂利のような採掘資材のために知られている。概して、そのような資材は、牽引吸引ホッパ浚渫船に取り付けられた牽引ヘッドを使用して回収される。牽引ヘッドは、浚渫船に沿って引っ張られ、その後方から資材を吸い上げる。これは、比較的に浅い水深であり、沈殿物層が浚渫船の重量を支えることができる場所での使用に適している。吸引口が沈殿物層へと前方に押し込まれるように、より柔らかい沈殿物層には、車両前方に取り付けられる吸引口が必要である。これは、使用される推進システムによる沈殿物のかき乱しを制限する。

本発明は、牽引ヘッドを使用することが不適切な、炭泥、ココリスのような柔らかい資材回収をアシストするように新しい吸引口を備えることを目的とする。吸引口は、比較的に薄く広い領域にわたって延びる海底地盤からの多層沈殿物の効率的な抽出を与えるように設計されてきた。ある領域において、様々な沈殿物が存在するが、これらは、水分含量、流動度、密度、隣接領域において、かき乱して吸引した後の一定形状を維持する能力が異なる。例えば、非常に流動的なココリン層と炭泥及び鉱物汚泥の層があるかもしれない。これらの層を回収するために、沈殿物をかき乱し、スラリを設けるように沈殿物を海水と混合し、炭泥、ココリン、およそ１０％の鉱物汚泥から成るスラリを吸引することが必要である。

本発明は、沈殿物へと押し込まれるように海底採掘工具の前に取り付ける為の吸引口を提供し、入口開口部及び出口開口部を有する中空体を備え、中空体は、入口開口部から出口開口部に向かって収束し、入口開口部は、下部リップ及び上部リップを有し、上部リップは、入口開口部を覆って天蓋を形成するように下部リップに関して前方及び上方に突き出た拡張部を備える。

吸引口の構成は、車両の前に押し出されるとき、より柔らかい資材を回収するのに十分に適している。下部リップを超える上部リップの突起は、海底を掘る吸引口の傾向を減じる一方、突き出た上部リップは、スラリの形成において自由水の手早いアクセスを設ける。

吸引口は、好ましくは、複数のガイドプレートを更に備え、これらは、入口開口部の幅を横切って間隔をあけて配置され、上部リップの拡張部から下部リップへと下方に突き出ている。使用中、これらのガイドプレートは、吸引口が海底を横切って移動し、障害物を乗り越えるのを助け、粗大フィルタとして作用し、吸引口に大きな物体が入ることを防止する。ガイドプレートは、それらが連結バーより少し大きくなるように、出口に向かう方向において、非常に小さな寸法を有してもよい。しかしながら、ガイドプレートは、好ましくは、下部リップを少なくとも超えて出口開口部に向かって延びる。

ガイドシューは、下部リップの下側に形成されてもよい。これは、吸引口の重量を拡散し、下部リップが表面に突っ込む傾向を減じるのを助ける。

一実施例において、出口開口部は、矩形になっている。あるいは、出口開口部は、下部リップから上部リップに向かって狭くなる台形でもよい。これは、沈殿物の回収効率を改善する。

好ましくは、吸引口は、出口開口部の下流側で本体にバルブを更に備え、これは、本体に更なる入口開口部を選択的に設けるように動作可能である。この方法において、吸引された資材の粘稠度が調節可能である。

吸引口は、また、噴射流体を与える為に一つ以上のノズルを備えてもよく、これらが、沈殿物をバラバラにして、スラリ化するのを助ける。一つ以上のノズルは、上部リップ拡張部および／または下部リップに配置されてもよい。

一実施例において、入口開口部は、最大幅１０ｍ、最大高さ０．３５ｍを有する。そのような寸法は、吸引口が約１．５ｍの厚さの沈殿物層の場所に使用されることが意図されるとき、特に適している。

本発明は、また、海底車両を備える海底採掘工具であって、その車両の前に取り付けられる、前述されたような吸引口を含む海底採掘工具を提供する。

好ましくは、吸引口は、車両に旋回できるように連結され、採掘工具は、車両に関して吸引口の位置を調整する手段を更に備える。この調整する手段は、一つ以上の油圧シリンダを備えてもよい。

吸引口の出口開口部は、柔軟パイプによって車両上の吸引システムに連結されてもよい。

都合の良いことに、海底採掘工具は、採掘されるべき沈殿物の異なる層の検出、障害物の検出、工具の経路のモニタリングのために検出システムを更に備えてもよい。

検出システムは、上部および吸引口の前に延びるフレームに取り付けられる少なくとも一つのセンサを備えてもよく、各センサは、沈殿物に向かって下方に面するように配置される。

検出システムは、好ましくは、経路および障害物検出のための工具の走行方向において、前方に面するように配置された少なくとも一つのセンサを更に備える。

以下、添付図面を参照して、例示だけのために、本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例に従う吸引口の平面図である。 図２は、図１の吸引口の正面図である。 図３ａは、図１および図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３ｂは、図１および図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図３ｃは、図１および図２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図３ｄは、図１および図２のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 図４は、図１の吸引口の正面からの斜視図である。 図５は、図４の吸引口の縦方向の断面図である。 図６は、吸引口の概略断面側面図である。 図７は、吸引口の一実施形態が通過するときの沈殿物の層の概略側面図を示す。 図８ａは、吸引口の他の実施形態が通過するときの沈殿物の層の概略側面図を示す。 図８ｂは、吸引口の他の実施形態が通過するときの沈殿物の層の概略側面図を示す。 図８ｃは、吸引口の他の実施形態が通過するときの沈殿物の層の概略側面図を示す。 図８ｄは、吸引口の他の実施形態が通過するときの沈殿物の層の概略側面図を示す。 図９は、上部に取り付けられた吸引口を備えた海底採掘工具の斜視図である。 図１０は、上部に取り付けられた検出システムの部分を備えた海底採掘車両の一部の概略正面図である。 図１１は、図９の概略平面図である。

発明の詳細な説明

本発明の一実施形態に従う海底採掘工具と共に使用するための吸引口１０は、図１−図６に示されている。吸引口１０は、海底車両の前に取り付けられることが意図されているので、使用中、沈殿物の層へと前方に押し込まれ、水平吸引で沈殿物を吸引する。これは、垂直に資材を吸引するよりも、より効率的であると考えられている。

吸引口１０は、ほぼ平らにされた円錐形の形式の中空本体１２から成る。そのため、後部で狭い出口開口部１６に収束する広い入口開口部１４を前部に設けるように、平面図では概略三角形になっている。最も良好に見える図３ａのように、本体１２は、曲げられているので、入口開口部１４と出口開口部１６は、互いに同じ高さではない。使用中、入口開口部１４は、一番下にあり、出口開口部は一番上にある。

出口開口部１６は、吸引用導管１８に連結されている。使用中、沈殿物は、入口開口部１４の中に引き込まれ、中空本体１２を通って上がり、吸引用導管１８の中へと、出口開口部１６を通って出ていく。出口開口部１６は、吸引用導管１８を形成する配管に対する連結容易さのため、好ましくは円形である。

図２のように、前部から見える出口開口部１４は、広く浅い矩形の形状でもよい。しかしながら、より好ましくは、出口開口部１４は、広く、浅い台形形状であり、その下部リップ２０に沿って最も広くなっており、上部リップ２２に向かって僅かに狭くなる。

上部リップ２２は、拡張部２２ａを有し、拡張部は、前方および上方に入口開口部１４から突き出ており、出口開口部１４の上方および前方で広がる天蓋を形成する。これは、スラリ形成をアシストするように沈殿物の上方から水中で吸引し、沈殿物を入口開口部１４の方に向ける。一連のプレートまたはリブ２４は、上部リップ拡張部２２ａの表面に面する下方から突き出ている。これらが、上部リップ拡張部２２ａを強化し、吸引口１０が海底を横切って移動されるとき、ガイドプレートとして役立つ。

ガイドプレート２４は、入口開口部１４を横切って延びるように下方に延びているので、開口部を横切って障害物を形成し、より大きな物体が吸引口１０に入ることを防止する。

吸引口１０の寸法は、回収されるべき沈殿物の性質に依存する。約０．４ｍ〜１．５ｍの深さの沈殿物層のための典型的な実施例において、ありえる吸引口１０の寸法は、以下のとおりであり、図１および図５に示されている。

吸引口の幅：１０ｍ

吸引口の高さ：１．７ｍ（上部リップ拡張部２２ａの自由縁部まで）

入口開口部の高さ：０．３ｍ（下部リップから垂直上方の口の上面までの寸法）

出口開口部の直径：０．９５ｍ

水平に対する上部リップ拡張部の角度：５０度

吸引口の前後の長さ：５ｍ

ガイドプレートの間隔：０．３ｍ

これらは限定するものではなく、単に一つの可能な実施例を示すことは、理解されよう。

吸引口１０は、溶接された軟鋼から形成されてもよい。外部の不撓性リブ２５が、吸引口１０に溶接され、それを強化するとともに、不十分な圧力による内破（implosion）を避ける。

図６に最も良く見えるように、噴射水を与えるためのノズル２６が、吸引口１０の下部リップ２０および／または上部リップ拡張部２２ａに設けられてもよい。ノズル２６は、噴射水を沈殿物に向けて、沈殿物をバラバラにしてスラリと混合させるのを助ける。

グライドシュー２８は、下部リップ２０の下側に設けられてもよい。これは、吸引口１０を保有する車両が走行するにつれて海底の上を動くように滑らかな面を与える。グライドシュー２８は、下部リップ２０が表面に突っ込むことを避けるように吸引口１０の重量を拡散する。グライドシュー２８の角度は、例えば、油圧シリンダによって調整可能である。

グライドシュー２８の後方には、一つ以上のバルブ３０が設けられてもよく、自由水が吸引口１０に入ることを可能にする。このように、スラリの粘稠度が調節可能になり、吸引システムの効率的な作業が最適化される。真空リリーフバルブも、吸引口１０が詰まったり、真空が下流側に形成される場合に、設けられてもよい。

図９に示されるように、使用中、吸引口１０は、クローラまたはアルキメデス式スクリュー３３のような起動手段を備えた車両３２（概略的に図示）形式の海底採掘工具の前に取り付けられてもよく、これらが、車両３２が海底を横切って走行することを可能にする。

吸引口１０は、相対的な運動を考慮に入れるように、好ましくは、車両にヒンジで連結された２つのピボットアームによって、車両３２から吊り下げられる。吸引口１０の出口開口部１６は、車両３２における吸引用導管１８に連結されている。車両３２に関して吸引口１０の運動の自由度を考慮に入れるため、吸引用導管１８は、好ましくは、柔軟ホースである。柔軟ホースは、鋼製支持リングを設けられてもよく、回転式パッキン押さえ１９が設けられ、吸引口１０が角度的に回り、作業中に沈殿物を追従させてもよい。

吸引口１０のための積極的な高さ調整は、例えば、油圧シリンダ３４によって設けることができる。いったん、吸引口１０が海底に載ると、油圧シリンダ３４は、油圧的に自由に設定可能になり、吸引口１０は、その高さを受動的に設定し、その重量をグライドシュー２８で運ぶ。

車両３２を制御し、積極的な高さ調整のための最適な高さを決定するために、車両３２は、リアルタイム検出システムと共に設けられている。これは、車両の前にある後退可能なフレーム上に取り付けられる多数のセンサ形式をとる。センサは、幾つかの目的、すなわち、車両の直接的な環境と水上の下で、避けるべき物体を検出し、正しい経路が追従されることを確実にするとともに、沈殿物の深さを決定し、吸引口のための高さ調整に対するフィードバックを与えるために、車両の前の土をスキャンする。

図９−図１１は、検出システム５４の実施例を示し、図１０−図１１は、概略形式のみである。後退可能なフレーム５６は、吸引口１０の上方および前方に延びている。この実施例において、６つの下方観察用センサ５８と、６つの前方観察用センサ６０がフレーム５６上に取り付けられている。どちらかの端部にある下方観察用センサ５８は、狭いビーム角度６２、例えば、およそ１５°を有するが、それらの間の４つのセンサ５８は、より広いビーム角度６４，例えば、およそ３９°を有する。センサ５８は、海底の上方、およそ３ｍに取り付けられ、それらが、吸引口１０の全幅を横切って完全なカバレージを得ることが確実になっている。センサ５８は、また、吸引口１０の上部リップ拡張部２２ａの前方、およそ３．２ｍにあり、吸引口１０と広い内部ビームのビーム足跡との間に、およそ２ｍの隙間を与え、車両自身の吸引口１０から信号が拾われないことを確実にする。これらの寸法は、単なる例示であり、限定ではない。

下方観察用センサ５８は、低周波スキャンを使用して、スラリ層の底部プロファイルを作り出すことができる。これは、車両３２の前の深さとともに本来の位置での密度変化における土のマップを作り出す。これらの深さに伴う密度変化は、層間の（例えば、抽出されるべき炭泥の層と、抽出されない鉱物泥の層との間の）推移を決定する。センサ５８によって生成されるプロットは、掘削可能な土の高さを示し、これが、吸引口の位置と車両速度を決定する。たとえば、抽出されるべき資材の薄い領域において、吸引口は、重要な層だけを抽出するように持ち上げられ、その速度は、この薄い層を取り入れるのにかかる時間が小さくなるときに増加される。

６つの前方観察用センサ６０は、車両３２の経路をモニタし、それが、先のレーンに対して平行かつ近いことを確実にし、海底における大きな障害物を検出する。

密度検出のための下方観察用センサ５８は、以下の種類の一つでもよい。

（ｉ）ソースおよび検出器間の媒体によるγ線の吸収に一般的に基づく、γ送信型センサ、

（ｉｉ）媒体およびセンサ間の音響インピーダンスの差により生じる信号反射を記録する、超音波音響反射センサ

（ｉｉｉ）海底からの一定距離（通常は数ｍ）に配置され、海底の密度差により生じる信号反射を記録する、サブボトムプロファイラ

（ｉｖ）非常に低い密度範囲（混濁度センサのような桁、ｇｍ３）で一般的に作用する、光学的後方散乱センサ

車両経路および障害物の撮像のための前方観察用センサ６０は、以下の種類の一つでもよい。

（ｉ）検出器の感度スペクトラムと合致するスペクトラムの光源を使用する、ビデオ撮像センサ

（ｉｉ）検出器の感度ウィンドウの外側の波長の光源を使用し、標準照明より信号対雑音比が非常に高いが、蛍光資材にのみ作用する、蛍光型センサ

吸引用導管１８は、それ自体、ＷＯ２０１０／０００２８９に開示されたような表面にスラリを送るためのライザシステム３６につながる車両３２に取り付けられた更なる配管に連結されている。吸引は、例えば、電気駆動モータを備えた遠心型ドレッジポンプによって与えられる。スラリを表面に移動させるための車両運搬システムの更なる詳細は、出願人の同時係属出願（代理人参照番号：P113711GB00）において見出される。さらに、出願人の同時係属出願（代理人参照番号：P113711GB00）には、車両３２によって採用されてもよい採掘パターンを説明する。

車両３２は、前方に走行し、吸引口１０は、前方に押し出され、グライドシュー２８は、吸引口１０が海底に沿って円滑に滑ることを可能にする。車両３２が移動すると、沈殿物層は、効率的に吸引口１０の中にごり押しされる。上部リップ拡張部２２ａは、沈殿物と自由水を入口開口部１４の方に迂回させて導くのに役立つ。ガイドプレート２４は、沈殿物をバラバラにすることを助け、吸引口１０を上方に押すのに役立つので、バラバラにできず、吸引システムに入らない重い泥の塊や岩のような大きな障害物４０を乗り越える。より小さな重い障害物は、吸引口１０の重量下で、グライドシュー２８によって、車両３２の下の柔らかい泥の中に単純に押し込まれてもよい。

ポンプおよび適した配管４２は、水をノズル２６に与え、噴射水を形成する。この配管は、また、柔軟連結部４４を含み、吸引口１０に取り付けられた部品と車両３２に取り付けられた部品との間の相対運動を考慮に入れる。ノズル２６によって与えられる水噴射は、沈殿物をほぐして自由水と混合させるように腐食性の力を加え、それをスラリ化させ、吸引口１０による吸引を可能にする。

吸引口１０の有限幅のため、ある領域内の沈殿物の回収は、通常、海底車両３２を用いた一連の平行横動を行い、沈殿物層４８を通る一連のレーン４６の切断部を作ることによって実行される。最高の吸引効率のために、吸引口１０が、吸引口１０の全幅にわたり、まずまずの厚さで沈殿物層４８を吸い上げることが重要である。既に横動されてきたレーン４６に隣接する吸引口１０の側部が沈殿物で完全に覆われず、そのために、大量の水が吸引口１０の、その部分に必要とする場合、これは阻害可能である。そのため、図７に示されるように、沈殿物の***５０が、レーン４６の間に残る場合に好ましい。

しかしながら、沈殿物の回収効率は、***５０の幅が増加するとともに急速に落ちる。そのため、効率を高めるために、吸引口１０の入口開口部１４は、前述されたように、広く、浅い台形になっているのが好ましい。図８ａ−図８ｄに示されるように、吸引口１０が沈殿物層４８を通過するとき、それは、図８ｂに最も良くみえるように、取り除かれたレーン４６の各側部に突出部５２を残す。これらの突出部５２は、図８ｃのように、取り除かれたレーン４６に崩れがちである。結果として生じる形状は、大体、入口開口部１４の縁の形状に合致するので、次の通過では、図８ｄに示されるように、資材の崩された部分は、入口開口部１４の中に入れることができ、隣接レーン４６間に資材５０の***を残すことが避けられる。そのため、沈殿物の回収は最大限に増加される。

Claims (15)

1. 海底車両を備える海底採掘工具であって、前記海底車両は、前記車両の前に取り付ける為の吸引口を含み、
   前記吸引口は、沈殿物へと押し込まれるように操作可能であり、前記吸引口は、入口開口部及び出口開口部を有する中空体を備え、前記中空体は、前記入口開口部から前記出口開口部に向かって収束し、前記入口開口部は、下部リップ及び上部リップを有し、前記上部リップは、前記入口開口部を覆って天蓋を形成するように前記下部リップに関して前方及び上方に突き出た拡張部を備え、前記吸引口は、更なる入口開口部を前記中空体に選択的に設けるように動作可能なバルブを前記入口開口部の下流側で前記中空体に更に備え、
   前記海底採掘工具は、掘削される沈殿物の異なる層の検出および障害物の検出および前記工具の経路のモニタリングの為に検出システムを更に備える、海底採掘工具。
2. 前記入口開口部の幅を横切って、前記上部リップ拡張部から前記下部リップまで下方に突き出て、間隔を開けて配置された複数のガイドを更に備える、請求項１に記載の海底採掘工具。
3. 前記下部リップの下側に形成されたグライドシューを更に備える、請求項１または２に記載の海底採掘工具。
4. 前記入口開口部は矩形である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の海底採掘工具。
5. 前記入口開口部は、下部リップから前記上部リップに向かって狭くなる台形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の海底採掘工具。
6. 噴射流体を与える為の一つ以上のノズルを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の海底採掘工具。
7. 一つ以上のノズルが、前記上部リップ拡張部に配置されている、請求項６に記載の海底採掘工具。
8. 一つ以上のノズルが前記下部リップに配置されている、請求項６または７に記載の海底採掘工具。
9. 前記入口開口部は、１０ｍの最大幅と、０．３５ｍの最大高さを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の海底採掘工具。
10. 前記吸引口は、前記車両に旋回できるように連結されている、請求項１に記載の海底採掘工具。
11. 前記車両に関して前記吸引口の位置を調整する手段を更に備える、請求項１０に記載の海底採掘工具。
12. 前記車両に関して前記吸引口の位置を調整する手段は、一つ以上の油圧シリンダを備える、請求項１１に記載の海底採掘工具。
13. 前記吸引口の前記出口開口部は、柔軟パイプによって前記車両上の吸引システムに連結されている、請求項１、１０〜１２のいずれか一項に記載の海底採掘工具。
14. 前記検出システムは、上方及び前記吸引口の前に延びるフレームに取り付けられた少なくとも一つのセンサを備え、前記センサまたは各センサは、前記沈殿物に向かって下方に面するように配置される、請求項１に記載の海底採掘工具。
15. 経路及び障害物検出のために前記工具の走行方向において、前方に面するように配置された少なくとも一つのセンサを更に備える、請求項１または１４に記載の海底採掘工具。
    

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