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特許6859050海中採鉱基地および採鉱基地監視装置並びに海底鉱床のチムニー回避方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6859050
(24)【登録日】2021年3月29日
(45)【発行日】2021年4月14日
(54)【発明の名称】海中採鉱基地および採鉱基地監視装置並びに海底鉱床のチムニー回避方法
(51)【国際特許分類】
E21B 15/02 20060101AFI20210405BHJP
E21B 43/01 20060101ALI20210405BHJP
E21C 50/00 20060101ALI20210405BHJP
【ＦＩ】
E21B15/02
E21B43/01
E21C50/00
【請求項の数】17
【全頁数】39
(21)【出願番号】特願2016-163682(P2016-163682)
(22)【出願日】2016年8月24日
(65)【公開番号】特開2017-201116(P2017-201116A)
(43)【公開日】2017年11月9日
【審査請求日】2019年7月22日
(31)【優先権主張番号】特願2016-91995(P2016-91995)
(32)【優先日】2016年4月28日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000165974
【氏名又は名称】古河機械金属株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100105854
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 一
(72)【発明者】
【氏名】湯浅 文雄
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 喜保
【審査官】
田島 拳士郎
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１３−１６３９０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２０４４４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０３０１３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０４−１６９６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０５−２５６０８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−０００９３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／０２１８１３６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｅ２１Ｂ １５／０２
Ｅ２１Ｂ ４３／０１−４３／０１７
Ｅ２１Ｃ ５０／００−５０／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
海中に配置されて且つ海底に立設されるとともに、海底鉱床に有底穴を形成しつつ採掘された海底鉱物を有底穴内から回収する海中採鉱基地であって、
海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるプラットフォームと、海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出手段と、を備え、
前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることを特徴とする海中採鉱基地。
海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるプラットフォームと、海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出手段と、を備え、
前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることを特徴とする海中採鉱基地。
【請求項2】
前記プラットフォームに装備された移動機構の全てまたはいずれかを制御するコントローラを備える請求項１に記載の海中採鉱基地。
【請求項3】
海中姿勢の安定機構として傾斜センサを更に備え、
前記コントローラは、前記傾斜センサの出力に基づいて、基地自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、各支持脚の垂直方向への移動機構を制御して基地自体の姿勢安定を維持する姿勢安定制御を実行する請求項２に記載の海中採鉱基地。
前記コントローラは、前記傾斜センサの出力に基づいて、基地自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、各支持脚の垂直方向への移動機構を制御して基地自体の姿勢安定を維持する姿勢安定制御を実行する請求項２に記載の海中採鉱基地。
【請求項4】
前記チムニー検出手段は、超音波を送受信する超音波送受信部と、超音波による水中探知で得たエコーに基づいて前記チムニーを検出する検出部と、を有する請求項１に記載の海中採鉱基地。
【請求項5】
前記チムニー検出手段は、カメラまたは画像センサで前記海底鉱床の前記チムニーを検出する画像処理部を有する請求項１に記載の海中採鉱基地。
【請求項6】
前記コントローラは、前記チムニー検出手段によって検出したチムニーを避ける回避制御を実行する請求項２に記載の海中採鉱基地。
【請求項7】
前記プラットフォームに装備された各移動機構は、モータによって駆動されるものであり、
前記コントローラは、各移動機構を駆動するモータのトルクを監視し、監視するトルクが所定値を超えたときには、対応する移動機構が前記チムニーに接触したと判定して前記回避制御を実行する請求項６に記載の海中採鉱基地。
前記コントローラは、各移動機構を駆動するモータのトルクを監視し、監視するトルクが所定値を超えたときには、対応する移動機構が前記チムニーに接触したと判定して前記回避制御を実行する請求項６に記載の海中採鉱基地。
【請求項8】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の海中採鉱基地を監視するために海上または陸上の基地に装備される採鉱基地監視装置であって、
前記海底鉱床のチムニーを監視するチムニー監視手段を備えることを特徴とする採鉱基地監視装置。
前記海底鉱床のチムニーを監視するチムニー監視手段を備えることを特徴とする採鉱基地監視装置。
【請求項9】
前記チムニー監視手段は、前記チムニーのエコー画像を監視画面上に表示する表示部を有する請求項８に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項10】
前記チムニー監視手段は、
検出された前記チムニーのエコー画像と前記チムニーの位置情報とを取得するチムニー情報取得部と、
前記取得した位置情報に基づいて、予め取得されている海底地図情報との関連付けをするとともに、前記監視画面上に、当該チムニーのエコー画像を海底地図と重畳表示させる表示合成部と、
前記海中採鉱基地への障害となるチムニーを判定する判定部と、
を備える請求項９に記載の採鉱基地監視装置。
検出された前記チムニーのエコー画像と前記チムニーの位置情報とを取得するチムニー情報取得部と、
前記取得した位置情報に基づいて、予め取得されている海底地図情報との関連付けをするとともに、前記監視画面上に、当該チムニーのエコー画像を海底地図と重畳表示させる表示合成部と、
前記海中採鉱基地への障害となるチムニーを判定する判定部と、
を備える請求項９に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項11】
前記位置情報は、緯度情報および経度情報を含む請求項１０に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項12】
前記位置情報は、前記チムニーの深度情報を含む請求項１０または１１に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項13】
前記判定部は、前記監視画面上に表示される複数のチムニーのうち、前記海中採鉱基地の移動方向に基づいて、最も海中採鉱基地に近いチムニーを障害となるチムニーと判定する請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項14】
前記表示合成部は、前記海中採鉱基地の移動にあわせて、前記監視画面上に重畳表示している海底地図およびチムニーのエコー画像を移動させる請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の採鉱基地監視装置。
【請求項15】
海中に配置されて且つ海底に立設されるとともに、海底鉱床に有底穴を形成しつつ採掘された海底鉱物を有底穴内から回収する海中採鉱基地であって、
海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるとともに水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備え、
前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、
前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への第一の移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、
前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への第二の移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上部プラットフォームまたは前記下部プラットフォームに装備されて第三の移動機構により移動可能な移動フレームを更に備え、
前記海底鉱物採掘装置は、前記第三の移動機構の駆動により前記装備されたプラットフォームに沿って水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に移動可能に前記移動フレームに装着され、
前記支持脚は、前記垂直方向への移動機構として、当該支持脚を上下にスライド移動およびその移動位置の保持が可能なジャッキ機構を介して前記移動フレームに固定されている、ことを特徴とする海中採鉱基地。
海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるとともに水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備え、
前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、
前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への第一の移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、
前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への第二の移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成され、
前記上部プラットフォームまたは前記下部プラットフォームに装備されて第三の移動機構により移動可能な移動フレームを更に備え、
前記海底鉱物採掘装置は、前記第三の移動機構の駆動により前記装備されたプラットフォームに沿って水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に移動可能に前記移動フレームに装着され、
前記支持脚は、前記垂直方向への移動機構として、当該支持脚を上下にスライド移動およびその移動位置の保持が可能なジャッキ機構を介して前記移動フレームに固定されている、ことを特徴とする海中採鉱基地。
【請求項16】
前記海底鉱物採掘装置は、前記移動フレームに固定されて上下方向に延びるガイドシェルと、前記ガイドシェル上部に取り付けられた給進機構と、前記給進機構に連結されて該給進機構の駆動によって前記ガイドシェルに沿って上下動する採掘装置本体と、前記採掘装置本体のロッドに連結されて該ロッドとともに前記採掘装置本体を回転させる回転機構と、を有する請求項１５に記載の海中採鉱基地。
【請求項17】
海底鉱床で用いられて海底を自走しつつ採掘に必要な作業を行う作業装置と海底鉱床のチムニーとの干渉を回避する方法であって、
超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出工程と、該チムニー検出工程で得たチムニーの位置情報に基づいて前記作業装置とチムニーとの干渉を回避する干渉回避工程と、を含むことを特徴とする海底鉱床のチムニー回避方法。
超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出工程と、該チムニー検出工程で得たチムニーの位置情報に基づいて前記作業装置とチムニーとの干渉を回避する干渉回避工程と、を含むことを特徴とする海底鉱床のチムニー回避方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、海底鉱物を採掘する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、各種産業機器を製造する上で必要不可欠な金属であり存在量が少ない有用金属の価格が高騰している。有用金属は産業上必要不可欠なものであるが、可採量が少ないだけでなく、産出国が限られているため地政学的リスクが存在している。そこで、海底鉱物の中でも、海底下に存在する有用金属含有鉱物が注目されている。海底鉱物中には、現在地上で採掘されている鉱物と比較して、高濃度で有用金属が存在していることが各種調査で明らかにされている。そこで、近年、様々な機関で試掘調査が行なわれ、また、海底鉱物の採掘方法や採掘システムも種々提案されている（例えば特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１には、海底鉱物の採掘システムが開示されている。同文献記載の採掘システムは、海底鉱床の表面を研削可能な研削ツールを有する海底移動装置を備える。海底移動装置は、海面側の供給源から電力および制御信号を受けて海底を移動しつつ、開放型の研削ツールにより海底鉱床の表面を研削する。研削によって生産された研削物は、分級手段によって所定のサイズを超えないように分級され、分級された研削物が海上まで運搬される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１３−５２８７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、クローラ型の掘削機は、海底の起伏に応じた操作が煩雑で、自動化が困難であるという問題がある。また、海底鉱床は、海山の傾斜角が大きく、海山の表面に堆積する軟弱な地盤ではクローラでの走行に支障があるという問題がある。そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、海底鉱床の傾斜や起伏に対応できる海中採鉱基地および採鉱基地監視装置並びに海底鉱床のチムニー回避方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海中採鉱基地は、海中に配置されて且つ海底に立設されるとともに、海底鉱床に有底穴を形成しつつ採掘された海底鉱物を有底穴内から回収する海中採鉱基地であって、海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるプラットフォームと、を備え、前記プラットフォームは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることを特徴とする。本発明の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、海底鉱物採掘装置が装備されるとともに複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されているので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【0007】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地は、海中に配置されて且つ海底に立設されるとともに、海底鉱床に有底穴を形成しつつ採掘された海底鉱物を有底穴内から回収する海中採鉱基地であって、海底鉱床に有底穴を形成する海底鉱物採掘装置と、該海底鉱物採掘装置が装備されるとともに水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なプラットフォームと、を備えることを特徴とする。本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地によれば、海底に立設されるプラットフォームは、海底鉱物採掘装置が装備されるとともに、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【0008】
ここで、本発明の他の一態様に係る海中採鉱基地において、前記プラットフォームは、上部プラットフォーム、下部プラットフォーム、および、これら上下のプラットフォームの間に配置される中間フレームを有し、前記中間フレームと前記上部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して一の方向に相対的スライド移動が可能に構成されるとともに、前記中間フレームと前記下部プラットフォームとは、水平方向への移動機構を介して前記一の方向と直交する他の方向に相対的スライド移動が可能に構成され、前記上下のプラットフォームそれぞれは、複数の支持脚を有し、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能に構成されていることは好ましい。このような構成であれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応する上で好適である。また、本発明のいずれか一の態様に係る海中採鉱基地において、前記海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出手段を更に備えることは好ましい。このような構成であれば、海底鉱床のチムニーを検出できるので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応する上でより好適である。
【0009】
さらに、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る採鉱基地監視装置は、本発明のいずれか一の態様に係る海中採鉱基地を監視するために海上または陸上の基地に装備される採鉱基地監視装置であって、前記海底鉱床のチムニーを監視するチムニー監視手段を備えることを特徴とする。本発明の一態様に係る採鉱基地監視装置によれば、オペレータが海上または陸上の基地にて海中採鉱基地を監視する際に、海底鉱床のチムニーを海上または陸上の基地にて監視できるので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【0010】
さらに、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海底鉱床のチムニー回避方法は、海底鉱床で用いられて海底を自走しつつ採掘に必要な作業を行う作業装置と海底鉱床のチムニーとの干渉を回避する方法であって、超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出工程と、該チムニー検出工程で得たチムニーの位置情報に基づいて前記作業装置とチムニーとの干渉を回避する干渉回避工程と、を含むことを特徴とする。本発明の一態様に係る海底鉱床のチムニー回避方法によれば、超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出し、チムニー検出工程で得たチムニーの位置情報に基づいて作業装置とチムニーとの干渉を回避するので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【発明の効果】
【0011】
上述のように、本発明によれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一態様に係る海底鉱物の採掘システムの全体構成の一実施形態を説明する模式図である。
【図2】図１の採掘システムの海中採鉱基地の模式的説明図であり、同図(ａ)は平面視、(ｂ)は一の海中採鉱基地の正面視（但し、海底鉱床の部分は断面のイメージ（以下正面視にて同様））をそれぞれ模式的に示している。
【図4】海中採鉱基地に装備される海底鉱物採掘装置を説明する模式的正面図である。
【図9】本発明の一態様に係る海底鉱物採掘装置の変形例の縦断面図である。
【図10】本発明の一態様に係る海中採鉱基地の第二実施形態の模式的平面図（(ａ)〜(ｃ)）である。
【図11】本発明の一態様に係る海中採鉱基地の第三実施形態を説明する模式的斜視図である。
【図12】第三実施形態の海中採鉱基地のプラットフォームの模式的平面図である。
【図13】第三実施形態の海中採鉱基地のプラットフォームの模式的正面図である。
【図14】第三実施形態の海中採鉱基地の中間フレームの模式的平面図である。
【図15】第三実施形態の海中採鉱基地の支持脚の横断面図である。
【図20】第三実施形態の海中採鉱基地と海底鉱床（チムニー含む）との相対寸法の一例のイメージを示す図である。
【図21】本発明の採掘システムでの海中採鉱基地の着底方法の一実施形態を説明する図（（ａ）、（ｂ））である。
【図22】本発明の採掘システムでの海中採鉱基地の着底方法の一実施形態を説明する図（（ａ）〜（ｄ））である。
【図23】第三実施形態の海中採鉱基地により海底鉱床を採鉱する手順を説明する図である。
【図25】第三実施形態の海中採鉱基地の歩行動作を説明する斜視図（（ａ）〜（ｄ））である。
【図34】本発明の採掘システムで用いる架設配置用母船の一実施形態を説明する図であり同図（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
【図35】第三実施形態での基地制御ユニットを説明するブロック図である。
【図37】第三実施形態での採鉱基地監視装置を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
【0014】
まず、本実施形態の採掘システムの全体構成について説明する。この採掘システムは、図１に示すように、海上採鉱基地として海上ＳＬに配置される採鉱母船１と、海底ＳＢに配置される採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４とを有する。この採掘システムでは、複数の採鉱ステーション２０を海中採鉱基地とする。各採鉱ステーション２０には複数の海底鉱物採掘装置３０が装備されている（以下、「採掘装置３０」とも呼ぶ）。
【0015】
各採掘装置３０は、海底鉱床ＯＤにさく孔により有底穴である竪穴を形成可能に構成されている。また、各採掘装置３０は、海底鉱物を竪穴内でスラリー状にして採掘可能に構成されている。そして、この採掘システムは、各採掘装置３０で採掘されたスラリー状の海底鉱物を、吸込管５を介して海中の揚鉱ユニット４に移送し、揚鉱ユニット４は、揚鉱管６を介して採鉱母船１に揚鉱するように構成されている。
【0016】
詳しくは、本実施形態の例では、採鉱母船１、架設配置用母船２および運搬船３が目的とする海域の海上ＳＬに停泊される。架設配置用母船２は、揚鉱ユニット４および複数の採鉱ステーション２０を運搬するとともに、これらを海底ＳＢに架設配置するための架設配置用の母船である。架設配置用母船２には、揚鉱ユニット４および採鉱ステーション２０を、海底ＳＢに架設配置するためのクレーン等の作業機１１が装備されている。架設配置用母船２は、海底鉱床ＯＤの所定の位置まで採鉱ステーション２０を搬送し、作業機１１のワイヤ１１ｗで採鉱ステーション２０を垂下して海底ＳＢに立設する。また、同様にして、架設配置用母船２は、海底ＳＢの適切な位置に揚鉱ユニット４を配置する。
【0017】
採鉱母船１には、発電機１２および貯蔵器１３、並びに不図示の管理コンピュータが搭載されている。貯蔵器１３は換装可能に船上に載置されている。管理コンピュータおよび発電機１２は、アンビリカルケーブル８を介して海底ＳＢに配置された採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４に接続され、採鉱ステーション２０および採掘装置３０、並びに揚鉱ユニット４の作動に必要な電力や制御信号を供給可能になっている。
【0018】
揚鉱ユニット４は、揚鉱用ポンプ２５と、サイクロン装置を有する分級器２７とを備える。分級器２７は、その吐出側が、揚鉱ユニット４の内部で揚鉱用ポンプ２５の吸い込み側に接続される。分級器２７の吸入側は、吸込管５を介して採鉱ステーション２０と接続される。吸込管５内には海水が満たされる。分級器２７には、排出管７の一端が接続され、排出管７の他端が、分級で不要とされた鉱物の戻し置き場まで配管される。なお、吸込管５、揚鉱管６および排出管７にはフレキシブル管を用いている。
【0019】
揚鉱用ポンプ２５は、上記揚鉱管６を介して採鉱母船１と接続される。揚鉱管６は、採鉱ステーション２０で採掘したスラリー状の鉱物を採鉱母船１まで揚鉱するためのフレキシブル性を有する円筒状管路である。揚鉱管６内には海水が満たされる。揚鉱管６の上部は、海上ＳＬの採鉱母船１まで到達し、採鉱母船１の船底を介して貯蔵器１３に接続される。貯蔵器１３は、揚鉱管６から揚鉱用ポンプ２５で揚鉱されたスラリー状の鉱物を貯蔵する。運搬船３は、貯蔵器１３を採鉱母船１と換装して、採鉱母船１に揚鉱された海底鉱物を必要な場所に移送する。
【0020】
次に、上記採鉱ステーション２０について詳しく説明する。図２に示すように、採鉱ステーション２０は、プラットフォームとなる矩形枠体状のベースフレーム２１を有する。ベースフレーム２１は、枠体の四隅が複数（この例では４脚）の支持脚２６で支持されている。各支持脚２６は、ジャッキ機構４９を介してベースフレーム２１に固定されている。
ジャッキ機構４９は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有する。ラックは支持脚２６の軸方向に沿って形成されている。ジャッキ機構４９は、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、支持脚２６を上下方向（Ｚ方向）にスライド移動可能に且つその移動位置の保持が可能になっている。なお、ジャッキ機構４９の駆動用のモータとしては、流体圧による駆動（例えば油圧駆動）であっても、電力による駆動（例えば電磁式モータ）であってもよい（以下、他の駆動用のモータにおいて同様）。
【0021】
この例では、ベースフレーム２１には、図３に示すように、Ｘ方向に沿って二つの移動フレーム４３が張り渡されている。移動フレーム４３は、例えばトラス構造を有する。各移動フレーム４３の両端は、Ｙ方向用移動機構４４を介してベースフレーム２１にそれぞれ支持される。Ｙ方向用移動機構４４は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、移動フレーム４３をベースフレーム２１沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。
【0022】
各移動フレーム４３には、ガイドシェル４８が縦に配置されている。ガイドシェル４８は、採掘装置３０のＺ方向の送り機構を構成している。ガイドシェル４８は、Ｘ方向用移動機構５２を介して移動フレーム４３に支持されている。Ｘ方向用移動機構５２は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＸ方向にスライド移動可能になっている。
【0023】
さらに、ベースフレーム２１には、基地制御ユニット４５および吸込チャンバ５１が設けられている。基地制御ユニット４５には、上記アンビリカルケーブル８が接続されている。基地制御ユニット４５には、採鉱ステーション２０および採掘装置３０を駆動するために、以下不図示の、高圧水供給ポンプと、高圧水供給ポンプを駆動するモータと、採鉱ステーション２０全体の作動を制御する制御部とが内蔵されている。
【0024】
これにより、各採鉱ステーション２０は、採鉱母船１からアンビリカルケーブル８を介して必要な電力や制御信号の供給を基地制御ユニット４５に受ける。基地制御ユニット４５は、採鉱母船１側の管理コンピュータの指令に基づいて、各ジャッキ機構４９の駆動により、採鉱ステーション２０の姿勢を制御するコントローラとして機能する。さらに、各採鉱ステーション２０は、管理コンピュータの管理下、基地制御ユニット４５によるＸ方向用移動機構５２およびＹ方向用移動機構４４の駆動により、ガイドシェル４８をＸ方向およびＹ方向に移動するとともに、高圧水供給ポンプの駆動により、取水した海水を高圧水として採掘装置３０に供給し、ガイドシェル４８に設けられた採掘装置３０を駆動可能になっている。
【0025】
次に、採鉱ステーション２０に装備された採掘装置３０について詳しく説明する。図４に示すように、ガイドシェル４８には、スライダ４６を介して採掘装置３０が装備されている。ガイドシェル４８の上部には、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構４７が設けられている。スライド移動機構４７は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動可能になっている。
【0026】
採掘装置３０は、スライダ４６に装着されるハウジング部７１を有する。ハウジング部７１には、不図示の回転駆動機構およびスイベルが内蔵されている。ハウジング部７１は、ハウジング部７１の上部が、高圧水供給管９を介して上記基地制御ユニット４５の高圧水供給ポンプに接続される。また、ハウジング部７１の側面には、この採掘装置３０の駆動により採掘されたスラリー状の鉱物を吸入するための吸込管５の一端が接続される。吸込管５の他端は、上記吸込チャンバ５１を介して分級器２７に接続される。
【0027】
次に、上記採掘装置３０の採掘装置本体の構成についてより詳しく説明する。図５に採掘装置本体の部分を拡大して示すように、この採掘装置３０は、二重管ロッド４０よりも前方の部分に採掘装置本体１０が装備される。採掘装置本体１０は、円筒状のシリンダ３１を備える。シリンダ３１の内周面には、略円筒状のシリンダライナ３３が嵌め込まれている。シリンダ３１とシリンダライナ３３との間には、シリンダ３１の軸方向に沿って通水孔３２が形成されている。
【0028】
シリンダライナ３３内には、略円筒状のハンマ３４が往復摺動可能に保持されている。シリンダ３１の後端は、連結部材３５を介して、採掘装置３０の二重管ロッド４０に連結されている。二重管ロッド４０は、外筒４０ａと内筒４０ｂとを同軸に有する二重管から構成されている。外筒４０ａと内筒４０ｂとの相互の隙間には給水路４０ｃが形成されている。給水路４０ｃの上流側は、上記ハウジング部７１のスイベルを介して高圧水供給管９に接続される。高圧水供給管９は、採鉱ステーション２０の基地制御ユニット４５に設けられた高圧水供給ポンプの吐出側に接続される。給水路４０ｃの下流側は、連結部材３５の内部の給水路３５ｃに連通している。
【0029】
シリンダ３１の後端側には、連結部材３５の前端面との間にシリンダブシュ３６が挿入されている。シリンダブシュ３６の前側には、シリンダ後室４２を形成するためのリング３９が挿入されている。これにより、リング３９とハンマ３４の後方部分との間にシリンダ後室４２が画成されている。シリンダブシュ３６には、給水路３５ｃに連通する連通孔３６ｃが軸方向に沿って設けられている。
【0030】
シリンダ３１の前端には、打撃用の破砕工具であるビット５０が装着される。ビット５０の後端とハンマ３４の前方部分との間にシリンダ前室４１が画成される。ビット５０は、シリンダ前室４１の前側面を塞ぐとともに、ハンマ３４からの打撃力を自身後端が受けて、軸方向で所定ストロークの往復摺動が可能に装着されている。ハンマ３４の外周面には、複数の制御溝３４ａ、３４ｃおよび連通流路３４ｂが形成されている。
【0031】
シリンダ３１内には、シリンダブシュ３６の前側とリング３９との間に第一入水孔３１ｂが形成されている。第一入水孔３１ｂは、シリンダブシュ３６の連通孔３６ｃとシリンダライナ３３の後端部の連通孔３３ｅとを連通させている。シリンダライナ３３の連通孔３３ｅは、上記通水孔３２に連通している。通水孔３２は、ハンマ３４の軸方向での位置に応じて、シリンダライナ３３の複数の連通孔３３ａ〜３３ｄに対し、ハンマ３４の制御溝３４ａ、３４ｃを所期の位置で連通させることで、ハンマ３４をシリンダ３１内で前後進させるようにシリンダ前室４１またはシリンダ後室４２に高圧水を給排するハンマ往復動切換機構を構成している。
【0032】
更に、シリンダ３１内には、円筒状のスリーブ３８がシリンダ３１と同軸に設けられている。スリーブ３８は、内部に吸入孔３８ｔが軸方向に沿って貫通形成されている。スリーブ３８は、その後部に形成された段部が、シリンダブシュ３６とリング３９とに挿入されて軸方向の位置が保持されている。スリーブ３８の吸入孔３８ｔの後端は、連結部材３５の吸入孔３５ｔを介して、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔ前端に連通している。
【0033】
スリーブ３８の中間部分は、ハンマ３４内部に貫通形成された連通孔３４ｄに隙間を隔てて貫挿されるとともに、スリーブ３８の前端部分が、ビット５０内部に貫通形成された連通孔５０ｄに隙間を隔てて挿入されている。スリーブ３８は、ハンマ３４およびビット５０に挿入されている径方向での間隙部が、シリンダ前室４１およびシリンダ後室４２からの排水用通路３８ａになっている。スリーブ３８には、排水用通路３８ａの先端側の位置に吐出孔３８ｇが穿孔されている。吐出孔３８ｇは、スリーブ３８の外周から中心の吸入孔３８ｔに向けて且つ二重管ロッド４０の方向に向けて後方側に傾斜している。スリーブ３８の吸入孔３８ｔには、吐出孔３８ｇの出口に、シリンダ前室４１への土砂等の侵入を防ぐ為の可撓性のチェックバルブ３７が取り付けられている。
【0034】
ビット５０の前端には、スリーブ３８中心の吸入孔３８ｔに連通する吸水孔５０ｋが開口している。これにより、採掘装置３０は、吐出孔３８ｇから吸入孔３８ｔに向けて後方側に吐出される高圧水の流速により、吸水孔５０ｋに負圧を生じさせ、吸水孔５０ｋから吸引した海底鉱物が、吸入孔３８ｔ内で海水と混合されるようになっている。
【0035】
したがって、この採掘装置３０によれば、さく孔により破砕された海底鉱物を排水流によって採掘装置３０の内部に吸引し、吸入孔３８ｔの内部で海水と混合してスラリーを生成することができる。また、この採掘装置３０によれば、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔから、生成されたスラリーを回収することができる。さらに、揚鉱用ポンプ２５は、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの上端に吸込管５を介して接続され、ビット５０の吸水孔５０ｋからさく孔により破砕された海底鉱物を吸引し、海上の採鉱母船１に揚鉱可能である。
【0036】
次に、上述の採掘システムによって、海底鉱床ＯＤから鉱物を揚鉱する手順、並びにこの海底鉱物の採掘システム並びに採掘装置３０による海底鉱物の採掘方法の作用・効果について説明する。まず、図１に示したように、採鉱母船１、および架設配置用母船２を目的とする海域の海上ＳＬに停泊する。次いで、架設配置用母船２に設置されているクレーン等の作業機１１を用い、採鉱ステーション２０および揚鉱ユニット４を海中に降ろし、これらの機材が図１に示す配置となるように海底ＳＢの適切な位置に設置する。これらの機材の設置前または設置後に、吸込管５、揚鉱管６および排出管７、並びにアンビリカルケーブル８等の必要な配管および配線を行い、各配管内には海水を満たす。
【0037】
機材の設置後、採鉱母船１からアンビリカルケーブル８を介して基地制御ユニット４５および揚鉱ユニット４に必要な電力や制御信号を供給し、採鉱ステーション２０および採掘装置３０並びに揚鉱ユニット４を駆動して海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔しつつ海底鉱物を粉砕する。なお、本実施形態において、採鉱ステーション２０を海底鉱床ＯＤに配置する際は、海底ＳＢの凹凸形状に応じ、ベースフレーム２１の姿勢が水平になるように、ベースフレーム２１四隅の支持脚２６をジャッキ機構４９により上下にスライド移動させておく。
【0038】
ここで、採鉱ステーション２０のベースフレーム２１に設けられた高圧水供給ポンプから供給される高圧水は、図５において、採掘装置３０の二重管ロッド４０の内筒４０ｂと外筒４０ａの間の給水路４０ｃを通って、連結部材３５の給水路３５ｃから第一入水孔３１ｂから連通孔３３ｅを経て通水孔３２に入る。通水孔３２に入った高圧水は、ハンマ往復動切換機構に導入される。ハンマ往復動切換機構において、ハンマ前進状態での高圧水は、シリンダライナ３３の連通孔３３ｂ〜制御溝３４ａ〜連通孔３３ｃ〜３２Ｌ〜３３ｄの順に通り、ハンマ３４前端のシリンダ前室４１に入る。このとき、制御溝３４ｃは連通孔３３ａとハンマ３４の外周面で遮断されている。これにより、ハンマ３４は後退（図５において上方に移動）する。
【0039】
ハンマ３４の後退により、ハンマ３４後方のシリンダ後室４２内の海水は、排水用通路３８ａを通り、吐出孔３８ｇからチェックバルブ３７を経て吸入孔３８ｔに向けて吐出される。次いで、ハンマ３４が、図６に示すように、後退限に達すると、シリンダライナ３３に形成された通水孔３３ｂがハンマ３４の外周面で遮断される。一方、通水孔３３ａは、ハンマ３４の外周面に形成されている制御溝３４ｃと連通する。そのため、シリンダ３１の通水孔３２からの高圧水は、ハンマ３４後側のシリンダ後室４２に流入する。
この高圧水のシリンダ後室４２への流入により、ハンマ３４は後退から前進に転じ、所期の打撃位置でビット５０の後端面を打撃する。打撃されたビット５０は、先端のチップ５０ｂがさく孔面に衝撃力を加えて海底鉱物を破砕する。
【0040】
高圧水供給ポンプから採掘装置３０に高圧水が供給され続けることにより、ハンマ３４は、上述の往復移動によりビット５０の後端面への打撃を繰り返す。そして、ビット５０でのさく孔面への打撃とともに、ガイドシェル４８に設けられた送り機構４７による採掘装置３０の給進駆動がなされるとともに、ハウジング部７１の回転機構による採掘装置３０の回転駆動がなされる。
【0041】
そのため、この採掘装置３０によれば、海底鉱床ＯＤにさく孔により竪穴ＶＨを形成しつつ海底鉱物の採掘を継続することができる。そして、この採掘装置３０によれば、竪穴ＶＨ内に自身の採掘装置本体１０が存在しているので、竪穴ＶＨの開口側を塞いだ状態のままさく孔を進めることができる。したがって、海底鉱物の破砕粉が海中に流出することが防止または抑制される。そのため、海水の懸濁が防止または抑制される（採掘部、採掘工程）。
【0042】
そして、この採掘装置３０によれば、ビット５０の前端には、スリーブ３８の吸入孔３８ｔに連通する吸水孔５０ｋが開口しており、吸入孔３８ｔは、二重管ロッド４０の方向に向けて傾斜した吐出孔３８ｇに沿って開放されているので、吸入孔３８ｔを通る高圧水の流速により、吸水孔５０ｋに負圧が生じる。これにより、ビット５０の吸水孔５０ｋから、さく孔により破砕した海底鉱物が吸引されるとともに、吸引した海底鉱物を吸入孔３８ｔ内で海水と混合することができる。
【0043】
ここで、衝撃力によるさく孔であると、さく孔により生じる破砕された海底鉱物は、その粒子径が非常に細かくて粒度が均一になる。そのため、この採掘装置３０によれば、さく孔により生じる破砕された海底鉱物を排水流の作用によって吸引し、採掘装置３０の吸入孔３８ｔ内部で海水と混合したスラリーとすることができる（スラリー生成部、スラリー生成工程）。さらに、この採掘装置３０によれば、スリーブ３８の吸入孔３８ｔは、二重管ロッド４０の内筒４０ｂの吸入孔４０ｔを経て吸込管５に直接導入され、揚鉱ユニット４は、採掘装置３０で採掘されたスラリー状の鉱物を海水と共に吸込管５から吸入できる。よって、スラリー状の海底鉱物が海水中に舞い上がって飛散してしまうことを防止または抑制できる（回収部、回収工程）。
【0044】
次いで、吸込管５で吸入されたスラリー状の鉱物は分級器２７に移送される。分級器２７は、鉱物粒子の比重差によって遠心力により所望の鉱物とそうでない不要な鉱物とを分離する。分級で不要とされた鉱物は、図１に示すように、分級器２７に接続された排出管７を介して海底の戻し置き場に導かれる。一方、分離されたスラリー状の鉱物のうち、所望の比重の鉱物は、揚鉱用ポンプ２５に送られ、揚鉱管６を介して採鉱母船１の貯蔵器１３に揚鉱される。採鉱母船１では、貯蔵器１３に貯蔵するときに、スラリー状の鉱物を海水と分離し、海底鉱物が貯蔵器１３内部に貯蔵され、分離された海水は海中に排出される。
【0045】
各採鉱ステーション２０は、採掘装置３０それぞれの最大さく孔深度まで採掘したら採掘装置３０を後退した後に、採掘装置３０をＸ−Ｙ平面で移動して、図７(ｂ)に示すように、Ｘ−Ｙ平面全体を走査するように順次にさく孔を行う。Ｘ−Ｙ平面での移動および移動後のさく孔は、本実施形態のように、コンピュータ（上記管理コンピュータ、および基地制御ユニット４５等）により自動的に行ってもよいし、各採鉱ステーション２０の状況をオペレータが海上の採鉱母船１から監視しつつ、オペレータの手動操作によって行ってもよい。
【0046】
特に、この採掘装置３０を備える採鉱ステーション２０、および、海底鉱物の採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、各採鉱ステーション２０は、複数の支持脚２６を有し、各支持脚２６は、垂直方向への移動機構であるジャッキ機構４９を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能なので、海底鉱床の傾斜や起伏に対応することができる。そして、オペレータがカメラ等によって監視しつつ手動操作を行う場合、海水中への海底鉱物の飛散が防止または抑制されているため、採掘作業の効率を向上させる上で好適である。
【0047】
ここで、採鉱ステーション２０は、上記実施形態のように、複数台を用いて広範囲を同時に採掘することができるが、採鉱ステーション２０が装備する採掘装置３０についても、細径用のものから大径用のものまで、種々の採掘装置３０を用いることができる。例えば、図７(ａ)に示すように、細径用採掘装置３０を装備した採鉱ステーション２０で採掘後に、同じ領域に対して、図８に示すように、大径用採掘装置３０を装備した他の採鉱ステーション２０、または大径用採掘装置３０に換装した同一の採鉱ステーション２０で更に採掘することもできる。なお、図７(ａ)および図８での、符号５０および５０Ｂは、ビットのみを換装するのではなく、細径ビット５０ないし大径ビット５０Ｂに対応した採掘装置３０全体を換装する意味である。
【0048】
このように、採掘装置３０を備える採鉱ステーション２０、および、海底鉱物の採掘システム並びにこれらの設備を用いた揚鉱方法によれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応可能であり、さらに、スラリー状の海底鉱物が竪穴ＶＨ内にあるので、海底鉱物が海水中に舞い上がって飛散してしまうことが防止または抑制される。また、本実施形態の採掘システムは、採掘装置３０で採掘されたスラリー状の海底鉱物を竪穴ＶＨ内部から吸込管５に直接導入するので、揚鉱時の海水中への飛散も防止または抑制することができる。
【0049】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。例えば、上記実施形態では、海上採鉱基地として採鉱母船１を例に説明したが、これに限定されず、海上揚鉱基地として機能すれば、例えば海上に建設されたプラットフォームなどであってもよい。
また、例えば上記実施形態では、スラリー状の鉱物を、採鉱母船１内に設けられた貯蔵器１３まで運搬する例で説明したが、これに限定されず、海底で採掘した鉱物を有底穴である竪穴ＶＨ内部から直接運搬すれば、海上の近傍や海面下（例えば船底近くに貯蔵器を設ける）で揚鉱もしくは貯蔵、または分級を行ってもよい。
【0050】
また、例えば上記実施形態では、有底穴の一例として竪穴ＶＨをさく孔する例で説明したが、本発明に係る有底穴は、その軸線の向きが垂直方向に限定されない。つまり、本発明は、さく孔により有底穴を形成し、その有底穴の内部で海底鉱物をスラリーとし、そのスラリーを有底穴の内部から回収可能であればよい。よって、本発明に係る有底穴は、その軸線を水平とする横穴であってもよいし、また、軸線が斜めであってもよい。また、竪穴ＶＨを形成する方法および装置は、打撃機構によるさく孔に限定されず、回転機構によるドリル穿孔であってもよい。但し、採掘した鉱物をスラリー状とし、粒子径を非常に細かくして粒度を均一にする上では、ドリル穿孔ではなく、打撃機構によるさく孔が好ましい。
【0051】
また、例えば上記実施形態では、揚鉱ユニット４が分級器２７を有し、この分級器２７により海中でスラリー状の鉱物を分級する例を示したが、これに限定されず、本発明に係る採掘装置によれば、採掘した鉱物がスラリー状であり、粒子径が非常に細かくて粒度が均一になるので、スラリー状の海底鉱物を分級することなしに揚鉱してもよい。
【0052】
また、例えば上記実施形態では、採掘装置３０は、外筒４０ａと内筒４０ｂとを有する二重管ロッド４０を有する例で説明したが、これに限定されず、例えば図９に示すように、単管ロッドを用いて採掘装置を構成してもよい。すなわち、同図に示すように、この採掘装置１３０は、単管のロッド５７を有し、ロッド５７の前方に採掘装置本体１００が装着されている。採掘装置本体１００は、ロッド５７の先端にテーパねじ部５６ａで連結されたシリンダ５６を有する。シリンダ５６には、上方から順に、チェックバルブ５１、ハンマ５４およびビット５０が内装され、ハンマ５４の前後には、シリンダ前室５２とシリンダ後室５３が画成されている。
【0053】
この採掘装置１３０を駆動する高圧水は、上記実施形態同様に、ロッド５７上端のハウジング部７１に、高圧水供給ポンプから高圧水供給管９を介して供給される。供給された高圧水は、上記実施形態同様に、シリンダ５６とハンマ５４の内外周面に形成されたハンマ往復動切換え機構により、ハンマ５４をシリンダ５６内で前後進させるようにシリンダ前室５２またはシリンダ後室５３に給排される。また、ロッド５７は、上記実施形態同様に、ガイドシェル４８に据え付けた送り機構４７とハウジング部７１の回転機構により回転および給進される。ここで、この採掘装置１３０は、シリンダ５６には、さく孔口の周囲を囲繞するように、フートパッド５８がさく孔口側に向けて押圧可能且つ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。フートパッド５８の上部側面には、スラリーを海底鉱物資源として採掘する吸込管５が接続される。
【0054】
この採掘装置１３０において、高圧水は、上部のチェックバルブ５１を通り、ハンマ往復動切換え機構により、シリンダ前室５２とシリンダ後室５３とに給排されてハンマ５４を前後に駆動し、ハンマ５４がビット５０を打撃した衝撃によって海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔する（採掘部、採掘工程）。打撃後の高圧水は、ビット５０の軸心に設けた吸入孔５０ａを経てビット先端に出るが、さく孔で採掘された海底鉱物は、竪穴ＶＨ内で海水と混合されてスラリーとなる（スラリー生成部、スラリー生成工程）。
【0055】
そして、竪穴ＶＨ内で生成されたスラリーは、シリンダ５６の外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間、ないし、さく孔内壁ＶＨｎに接して海水中まで延設されたロッド５７外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間を通り、フートパッド５８の内側から吸込管５を介して竪穴ＶＨ内から直接回収される（回収部、回収工程）。よって、この採掘装置１３０のような構成であっても、海中での採掘鉱物の飛散を防止または抑制することができる。また、例えば上記実施形態では、海中採鉱基地として、採鉱ステーション２０が自らは水平方向には移動しない例で説明したが、これに限らず、例えば、図１０に示すように、採鉱ステーションが自ら水平方向に移動可能な機構を有する構成とすることもできる。
【0056】
ここで、海底鉱床の鉱物資源を採掘する掘削機について、これまでに提案されている主なコンセプトは、クローラ式の遠隔操作掘削機を用いて、クローラで走行しつつ掘削機に搭載したドラムカッターで水平方向に海底鉱床を採掘する方式である。これを、以下、水平式採掘システム（ＨＭＳ）と呼ぶことにする。ＨＭＳは、可動性、可搬性に優れ、自由に海底を走行しながら採掘できる。一方、ＨＭＳは、以下の（課題１）〜（課題５）のような点で解決すべき課題がある。
【0057】
（課題１）ドラムカッターの採掘反力を採掘平面内で保障するために、大きな摩擦力を必要とする。そのため、掘削機本体の重量を大きくする必要がある。（課題２）ドリリング時に粉砕された鉱石が水中に舞い上がり、視界が不良となる。ＨＭＳの操作は、海上のオペレータがカメラにより目視で操作する必要があるため、操業率に影響が出る可能性がある。また、環境への負荷も大きい可能性がある。
（課題３）海底の起伏に応じた操作が必要であり、カメラで目視しながらの掘削となるため、完全自動化が難しい。
（課題４）鉱山の傾斜角に対応した登坂能力が必要となる。また、傾斜地でなくても、海底の地盤が軟弱な場合には、クローラによる走行に支障が出る可能性がある。
（課題５）ドラムカッターの形状の工夫にもよるが、採掘した鉱石のサイズが均一でないため、ＳＣＵ（Ｓｕｂｓｅａ Ｃｒｕｓｈｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が必要といわれている。
【0058】
このように、クローラ型の掘削機であるＨＭＳは、海底の起伏に応じた操作が煩雑であり、自動化が困難である。また、海底鉱床は傾斜角が大きく、表面堆積する軟弱な地盤ではクローラでの走行に支障がある。特に、海底熱水鉱床では、熱水が噴出するチムニー（煙突状の熱水噴出突起）が海山に多く存在するところ、このようなチムニーを回避することが難しい。そこで、本発明者らは、ＨＭＳのこのような課題を解決すべく、ＨＭＳとは異なる方式として、垂直式採掘システム（ＶＭＳ）である上記第一実施形態を発明した。
【0059】
ＶＭＳのメリットは、少なくとも以下の（効果１）〜（効果４）のように纏められる。（効果１）鉱石が破砕され非常に細かい粉末状となるため、ＳＣＵ（Ｓｕｂｓｅａ Ｃｒｕｓｈｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を省略できる可能性がある。
（効果２）海底鉱床を縦に採掘していくため、ライザー掘削と同様に、採掘で破砕された鉱石はフローラインを用いて吸い出すことになり、環境へのまき散らしが少ない。そのため、環境への負荷も小さく、海上からオペレータがカメラで監視する場合に、視界の不良も防ぐことができる。
（効果３）着底位置での区画（所定範囲）を採鉱可能なので、予め定めたプログラムに従い、視認性の問題無く自動的に採掘できる。
（効果４）海底に立設されるとともに、各支持脚は、垂直方向への移動機構を介してＺ方向に個別に相対的スライド移動が可能なので、ＨＭＳでの適用が難しいであろう複雑な海底形状や軟弱地盤に適用できる。
【0060】
但し、第一実施形態の採鉱ステーション２０は、最初の区画の採掘が終了した後は、次の隣接する区画に採鉱ステーション２０を改めて設置する必要がある。つまり、第一実施形態の採鉱ステーション２０は、ジャッキアップ式のプラットフォームの設置と移動に際し、その都度、設置移動用船舶（ＩＲＶ）を必要とする。そのため、ＩＲＶによるＶＭＳの吊り上げ、移動、着底の作業に多くの時間とコストがかかる。また、採掘期間中に常時ＩＲＶを使用するため、用船費も大きい。これに対し、以下説明する第二および第三実施形態は、この問題を解決するものであり、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方に自ら移動可能なＶＭＳ、すなわち海底鉱物資源開発用自走式垂直採掘システムである。
【0061】
詳しくは、第二実施形態の採鉱ステーション１２０は、図１０(ａ)に示すように、第一のベースフレーム２１Ａと、第二のベースフレーム２１Ｂと、第三のベースフレーム２１Ｍとからなる３つのベースフレームで構成されている。第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂとは、互いにコ字状の枠体からなる。第一および第二のフレーム２１Ａ、２１Ｂは、コ字状をなす二つの角部に、上記実施形態同様に、ジャッキ機構４９を介して支持脚２６がそれぞれ設けられている。第一のベースフレーム２１Ａのコ字状の幅は、第二のベースフレーム２１Ｂのコ字状の幅よりも狭い。
【0062】
第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂとは、相互のフレーム２１Ａ、２１Ｂのコ字状の開口部分が組み合わせ可能に対向配置される。相互のフレーム２１Ａ、２１Ｂの横枠は、不図示の第一のラック・ピニオン機構およびリニアガイド等の第一のスライド案内装置を介して対向面で係合しており、不図示の第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動することにより、Ｘ方向に相対的にスライド移動可能になっている。
【0063】
第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｙ方向に延びる縦枠からＩ字状に構成されている。第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｉ字状の両端に、上記実施形態同様に、ジャッキ機構４９を介して支持脚２６がそれぞれ設けられている。また、第三のベースフレーム２１Ｍは、Ｙ方向用移動機構およびガイドシェル４８を有し、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。なお、ガイドシェル４８には、上記実施形態同様の採掘装置が装備される。
【0064】
第三のベースフレーム２１Ｍは、第一のベースフレーム２１Ａと第二のベースフレーム２１Ｂに対して横枠と直交する方向に配置される。第三のベースフレーム２１Ｍは、第一および第二のフレーム２１Ａ、２１Ｂの横枠に対し、不図示の第二のラック・ピニオン機構およびリニアガイド等の第二のスライド案内装置を介して対向面で係合しており、不図示の第二のモータで第二のラック・ピニオン機構を駆動することにより、Ｘ方向に相対的にスライド移動可能になっている。
【0065】
この採鉱ステーション１２０において、移動する際は、同図(ｂ)に示すように、まず、第一のベースフレーム２１Ａのジャッキ機構４９を駆動して、第一のベースフレーム２１Ａの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第一のベースフレーム２１Ａを第二のベースフレーム２１Ｂに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第一のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第一のベースフレーム２１Ａの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。
【0066】
次いで、同図(ｃ)に示すように、まず、第二のベースフレーム２１Ｂのジャッキ機構４９を駆動して、第二のベースフレーム２１Ｂの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第一のモータで第一のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第二のベースフレーム２１Ｂを第一のベースフレーム２１Ａに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第一のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第二のベースフレーム２１Ｂの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。
【0067】
次いで、第三のベースフレーム２１Ｍのジャッキ機構４９を駆動して、第三のベースフレーム２１Ｍの二本の支持脚２６を上方に移動させて非支持状態とする。次いで、第二のモータで第二のラック・ピニオン機構を駆動し、これにより、第三のベースフレーム２１Ｍを、第一および第二のベースフレーム２１Ａ、２１Ｂに対してＸ方向の正方向に相対的にスライド移動させる。スライド移動後に、第二のモータを停止し、ジャッキ機構４９を駆動して、第三のベースフレーム２１Ｍの二本の支持脚２６を下方に移動させて支持状態とする。これにより、３つのベースフレーム２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｍ全体は、スライド移動量の分だけ全体がＸ方向の正方向に移動しつつ、同図(ａ)に示す状態となる。
【0068】
よって、この採鉱ステーション１２０によれば、上記のようにして、３つのベースフレーム２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｍを順次に移動させることにより、採鉱ステーション１２０全体をＸ方向に自ら移動させることができる。なお、スライド移動に際し、ベースフレーム２１Ａ、２１Ｂが片持ち状態でオーバーハングするが、相互はスライド案内装置を介して対向面で係合しているので、水平姿勢が保持される。
【0069】
そして、第三のベースフレーム２１Ｍには、上記第一実施形態同様に、Ｙ方向用移動機構を有し、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＹ方向にスライド移動可能であり、ガイドシェル４８には、上記実施形態同様の採掘装置３０が装備されるので、第三のベースフレーム２１Ｍを移動させていないタイミングで、Ｙ方向移動を適宜行いつつ、採掘装置３０を駆動することができる。したがって、このような構成であっても、採掘装置３０をＸ方向およびＹ方向に移動可能であり、海底鉱床の傾斜や起伏に対応しつつ、さく孔により有底穴である竪穴を形成しつつ海底鉱物を採掘し、その海底鉱物を竪穴内でスラリーにするとともに、そのスラリーを竪穴の内部から直接回収することができる。
【0070】
次に、本発明の第三実施形態について、図１１〜３０を適宜参照しつつ説明する。第三実施形態は、採鉱ステーションをＸ方向およびＹ方向に移動可能とした、海底鉱物資源開発用の自走式垂直採掘システムであり、特に、縦孔掘削ドリルを備えた自走式海底掘削機械である海中採鉱基地の例である。
【0071】
図１１に、第三実施形態の採鉱ステーション全体の模式的斜視図を示す。同図に示すように、この採鉱ステーション２２０は、採掘装置３０と、Ｘ方向およびＹ方向へ自走可能なプラットフォーム２１とを備える。プラットフォーム２１は、平面視が矩形枠状をなす上部プラットフォーム（Ｕｐｐｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｘと、平面視が矩形枠状をなす下部プラットフォーム（Ｌｏｗｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ）２１Ｙと、両プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの中間に設けられ平面視が矩形枠状をなす中間フレーム（Ｍｉｄｄｌｅ ｆｒａｍｅ）２１Ｍとを有する。
【0072】
なお、第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、プラットフォーム２１および、これが備えるＸ方向およびＹ方向への移動機構以外の構成は、上記第一実施形態同様である。そのため、第三実施形態では、以下、プラットフォーム２１とそのＸ方向およびＹ方向への移動機構について説明し、他の機構についての説明は適宜省略する。
【0073】
以下、図１２〜図１９に基づき、第三実施形態の採鉱ステーション２２０の移動機構を詳しく説明する。なお、図１２および図１３は、上記架設配置用母船２から海底鉱床ＯＤに採鉱ステーション２２０が着底させられる時のプラットフォーム２１の着底準備姿勢を示すもので、プラットフォーム２１は、着底準備姿勢にあっては、上部プラットフォーム２１Ｘ、中間フレーム２１Ｍおよび下部プラットフォーム２１Ｙの水平面内の中心（重心）Ｇが一致している。なお、図１３において符号ＣＬは、各支持脚２６の中心軸線を示している。
【0074】
上部プラットフォーム２１Ｘは、図１２に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＸｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＸａとを有する。２つの横ガーダーＸａの各外側面には、横ガーダーＸａの延在方向に沿って、Ｘ移動用ラックＲｘが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。
【0075】
また、下部プラットフォーム２１Ｙは、同図に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＹｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＹａとを有する。２つの縦ガーダーＹａの外側面には、縦ガーダーＹａの延在方向に沿って、Ｙ移動用ラックＲｙが、中央から左右対称にそれぞれ取付けられている。
【0076】
中間フレーム２１Ｍは、図１４に示すように、平面視が矩形枠状をなし、Ｘ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の縦ガーダーＭｂと、Ｙ方向に離隔して互いに並行に設けられた矩形筒状をなす一対の横ガーダーＭａとを有する。中間フレーム２１Ｍの各横ガーダーＭａの延在方向の中央の位置には、横ガーダーＭａの矩形筒内に、Ｘ駆動モータＭｘがそれぞれ配置されている。また、中間フレーム２１Ｍの各縦ガーダーＭｂの延在方向の中央の位置には、縦ガーダーＭｂの矩形筒内に、Ｙ駆動モータＭｙがそれぞれ配置されている。
【0077】
図１１および図１２に示すように、上下の各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙは、上記第一実施形態のプラットフォーム同様に、それぞれ４本の支持脚２６と各支持脚２６を昇降可能なジャッキ機構４９とを有するジャッキアッププラットフォームである。そして、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、図１６および図１７に示す直動案内機構を介してスライド移動可能に支持されるとともに、図１７および図１８に示すラック＆ピニオン機構を介して係合され、水平面で互いに直交するＸ方向およびＹ方向に相対的スライド移動可能に構成されている。
【0078】
詳しくは、第三実施形態のプラットフォーム２１は、図１２に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの矩形状の枠体の四隅それぞれと、下部プラットフォーム２１Ｙの矩形状の枠体の四隅それぞれとに支持脚２６を有する。各支持脚２６には、Ｚ方向のスライド移動機構であるジャッキ機構４９が昇降用のジャッキングユニットとして設けられている。第三実施形態のジャッキ機構４９は、各支持脚２６の両側に１基ずつ、合計２基が装備され、各支持脚２６には、図１５に示すように、二条のＺ移動用ラックＲｚが、各支持脚２６の軸方向に沿って周方向で対向する位置にそれぞれ取付けられている。
【0079】
各Ｚ移動用ラックＲｚに対応するジャッキ機構４９は、不図示のＺ駆動モータと、Ｚ駆動モータの出力軸に装着されたピニオンと、ピニオンに噛合された上記Ｚ移動用ラックＲｚを有してラック＆ピニオン機構が構成される。これにより、各支持脚２６は、自身が装着された各プラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙに対しＺ方向に相対的スライド移動して、複数の支持脚２６の協働によって、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの上昇および下降が可能になっている。
【0080】
上部プラットフォーム２１Ｘの直動案内機構は、図１６に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの横ガーダーＸａ底面に、横ガーダーＸａの延在方向に沿って取付けられたスキッディングレールＳｘを有する。スキッディングレールＳｘは、上部プラットフォーム２１Ｘの横ガーダーＸａに沿って上部プラットフォーム２１Ｘの端から端まで取り付けられている。
【0081】
スキッディングレールＳｘの上下は、例えば２００ｍｍ×２００ｍｍ程のベアリングプレートＢｘで案内される。ベアリングプレートＢｘは、中間フレーム２１Ｍの横ガーダーＭａの角部上面に取り付けられる。また、スキッディングレールＳｘを左右から覆うように、ベアリングプレートＢｘの配置位置と同じ位置に、ホールディングクローＨｘが取り付けられている。ホールディングクローＨｘは、上部プラットフォーム２１ＸがＸ方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールＳｘを両側から支持している。
【0082】
上記Ｘ駆動モータＭｘの駆動軸には、図１８に示すように、Ｘ移動用ピニオンＰｘが装着され、Ｘ移動用ラックＲｘのラック面に対向する位置に張り出している。二つのＸ移動用ピニオンＰｘは、それぞれＸ移動用ラックＲｘに噛合され、Ｘ駆動モータＭｘにより同期駆動されて、上部プラットフォーム２１ＸをＸ方向にスライド移動可能に構成されている。
【0083】
一方、下部プラットフォーム２１Ｙの直動案内機構は、図１７に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙの縦ガーダーＹａ上面に、縦ガーダーＹａの延在方向に沿って取付けられたスキッディングレールＳｙを有する。スキッディングレールＳｙは、下部プラットフォーム２１Ｙの縦ガーダーＹａの端から端まで取り付けられている。
【0084】
下部プラットフォーム２１Ｙは、上部プラットフォーム２１Ｘと同様に、中間フレーム２１Ｍの縦ガーダーＭｂの角部下面に、ベアリングプレートＢｙが取付けられ、ベアリングプレートＢｙによりスキッディングレールＳｙの上下を案内している。また、ベアリングプレートＢｙの配置位置と同じ位置に、スキッディングレールＳｙを左右から覆うように、ホールディングクローＨｙが取り付けられ、下部プラットフォーム２１ＹがＹ方向に移動する時に、その落下を防ぐようにスキッディングレールＳｙを両側から支持している。
【0085】
上記Ｙ駆動モータＭｙの駆動軸には、図１９に示すように、Ｙ移動用ピニオンＰｙが装着され、Ｙ移動用ラックＲｙのラック面に対向する位置に張り出している。二つのＹ移動用ピニオンＰｙは、それぞれＹ移動用ラックＲｙに噛合され、Ｙ駆動モータＭｙにより同期駆動されて、下部プラットフォーム２１ＹをＹ方向にスライド移動可能に構成されている。これにより、第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１ＹをＸ方向およびＹ方向にスライド移動させるスライド移動機構、並びに各支持脚２６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構により、後述する歩行制御処理の手順に従い、予定採掘区域をＸ方向およびＹ方向それぞれに歩行するとともに、採掘装置３０をＸ方向およびＹ方向に移動させて、所定区画を順次に掘削可能になっている。
【0086】
なお、第三実施形態において、中間フレーム２１Ｍと上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙとは、ラック＆ピニオン機構を介して水平方向への移動が可能な例を示すが、移動機構はこれに限定されず、水平方向への移動が可能な移動機構であれば、種々の移動機構を採用可能である。例えば、油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構を用いることができる。同様に、各支持脚２６は、ラック＆ピニオン機構を介してＺ方向に相対的スライド移動が可能な例を示すが、これに限定されず、例えば油圧シリンダ方式でスライドさせる移動機構とすることができる。また、油圧駆動に限定されず、電気駆動式としてもよい。
【0087】
ここで、第三実施形態では、採鉱ステーション２２０の仕様として、全生産能力（Ｄｒｙ ＳＭＳ）を２，０００，０００ｔ／年（６，６００ｔ／日）とし、密度を３〜５（ｔ／ｍ３）としたとき、体積として６６００／５〜６６００／３＝１３２０〜２２００ｍ３を想定し、一台の採鉱ステーション２２０が掘削する所定領域（区画）の大きさを約１０ｍ×１０ｍと決定した。また、採掘装置３０は、深さが約２０ｍまで掘削可能な構成を有するものとする。
【0088】
そこで、第三実施形態では、上記生産能力に鑑みて、一台の採鉱ステーション２２０が、１日に、深さ２０ｍの所定領域を１区画掘削することにする。また、第三実施形態では、採鉱ステーション２２０を自走式とすることにより、隣接する区画へのプラットフォーム２１の移動が短時間で済む。そのため、１日に深さ１０ｍの所定領域を２区画掘削することも考慮する。
【0089】
具体的には、上記第一実施形態に示した、移動機構５２および採掘装置３０が占める幅を３ｍとすると、所定領域となる掘削区画の大きさを１０ｍ×１０ｍにするには、プラットフォーム２１の内側の掘削用領域の寸法を１３ｍ×１０ｍに設定する必要がある。また、荷重条件としては、曳航時、吊下げ時および作業時を考慮し、上部プラットフォーム２１Ｘ、下部プラットフォーム２１Ｙおよび中間フレーム２１Ｍの形状寸法を設定した。
【0090】
上記支持脚２６の形状および寸法は、支持脚２６の軸方向の全長を３０ｍとしたとき、図１５に支持脚２６の横断面を示すように、主に曳航条件を考慮して、ローリング時の荷重条件から、支持脚２６の外径Ｄを１０００ｍｍとした。また、図１２において、曳航時、吊り下げ時および作業時の荷重条件より、上部プラットフォーム２１Ｘのガーダー内側のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の幅Ｌｙはそれぞれ２３ｍおよび１０ｍとした。また、上部プラットフォーム２１Ｘのガーダー自体の幅Ｗｇおよび厚さＤｇはそれぞれ１ｍおよび２ｍとした。
【0091】
また、同図において、下部プラットフォーム２１Ｙのガーダー内側のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の幅Ｌｙは、それぞれ１３ｍおよび２０ｍとした。また、下部プラットフォーム２１Ｙのガーダー自体の幅Ｗｇおよび厚さＤｇは、それぞれ１ｍおよび２ｍとした。さらに、中間フレーム２１Ｍは、図１４に示すように、中間フレーム２１Ｍのガーダー内側のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の幅Ｌｙは、それぞれ１３ｍおよび１０ｍとした。また、中間フレーム２１Ｍのガーダー自体の幅Ｗｇおよび厚さＤｇは、両方ともに１ｍとした。また、図１６に示したラック＆ピニオン機構部において、ラックの長さは約１０ｍとした。また、図１７に示したラック＆ピニオン機構部において、ラックの長さは、約１０ｍとした。
【0092】
図１２に示す平面視において、上部プラットフォーム２１Ｘ、下部プラットフォーム２１Ｙおよび中間フレーム２１Ｍが重なっている状態での中央部の枠体内側の矩形部寸法は、１３ｍ×１０ｍである。上記移動機構５２および採掘装置３０の幅を３ｍとしたので、掘削可能な所定区画の大きさは１０ｍ×１０ｍとなる。以上の設定寸法のとき、海中に配置されて且つ海底に立設されて、海底鉱床ＯＤに竪穴ＶＨを形成している状態の採鉱ステーション２２０の海底鉱床ＯＤでの相対サイズのイメージを図２０に示す。なお、同図において符号Ｃは、海底鉱床ＯＤに存するチムニーのイメージである。
【0093】
さらに、第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、図１１に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘに、採鉱ステーション２２０自身を制御するための基地制御ユニット４５を備える。第三実施形態の基地制御ユニット４５は、プラットフォーム２１の姿勢を検出する傾斜センサを有する。さらに、第三実施形態では、各支持脚２６を駆動するジャッキ機構４９には、不図示のトルク検出器が装備されている。各トルク検出器は、対応する各ジャッキ機構４９のラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータのトルクを検出可能なトルク計である。各トルク検出器は、各駆動モータの随時のモータトルクを検出し、検出したトルク情報を基地制御ユニット４５に出力可能になっている。
【0094】
基地制御ユニット４５は、コンピュータと、姿勢安定制御処理を実行するためのプログラムとを含む採鉱ステーション自身のコントローラ（制御部）である。基地制御ユニット４５は、採鉱ステーション２２０の歩行制御処理、採鉱ステーション２２０の採鉱制御処理、および、採鉱ステーション２２０の姿勢制御、並びにその他必要な処理を実行する。基地制御ユニット４５は、採鉱ステーション２２０の姿勢制御処理が実行されると、傾斜センサの出力に基づいて、採鉱ステーション２２０自体の姿勢の不均衡の程度を判定し、ラック＆ピニオン機構のピニオンを駆動する各駆動モータの調整により、姿勢安定を維持する姿勢安定制御を行う。
【0095】
また、基地制御ユニット４５は、傾斜センサの検出した傾斜情報、および、複数の支持脚２６のモータのトルクを検出したモータトルク情報を、海上の曳航船である架設配置用母船２に装備された管理コンピュータに出力する。管理コンピュータは、オペレータに対して、ディスプレイ上に、随時の傾斜情報およびモータトルク情報を表示可能に構成される。
【0096】
次に、第三実施形態の採鉱ステーション２２０の安定化着座方法について図２１および図２２を適宜参照して説明する。海上の曳航船である架設配置用母船２から採鉱ステーション２２０を吊り下げロープで吊り下げて海底に着底させる場合、まず、採鉱ステーション２２０は、平面視が、図１２に示す着底準備姿勢の状態とされる。オペレータは、図２１（ａ）に示すように、架設配置用母船２から採鉱ステーション２２０をロープで吊り降ろす。
【0097】
オペレータは、図２２（ａ）に示すように、垂下した深度に注意しつつ、海底鉱床ＯＤの所期の位置に採鉱ステーション２２０を下していく。そして、オペレータは、同図（ｂ）に示すように、複数の支持脚２６のうち、少なくとも３脚のモータトルクの応答を検出した時点で吊り下げを停止する。但し、支持脚２６の１脚が着座してから、他の３脚が着座する前に予め規定した傾斜角を超えた場合には着座位置を変更する。なお、この吊り下げ操作は、オペレータが管理コンピュータを介して基地制御ユニット４５を手動操作してもよいし、管理コンピュータと基地制御ユニット４５とにより自動制御してもよい。例えば、採鉱ステーション２２０の基地制御ユニット４５は、吊り下げ操作の終了情報（着座情報）を取得したときに、上記姿勢安定制御を実行する。
【0098】
つまり、基地制御ユニット４５は、傾斜センサの姿勢検出情報に基づいて、同図（ｃ）に示すように、採鉱ステーション２２０の姿勢が水平になるように、着底した支持脚２６を伸縮させる。基地制御ユニット４５は、モータトルク情報に基づいて、着底してない支持脚２６を伸長させ、各支持脚２６のモータトルクがほぼ均衡するように制御して着底させる。基地制御ユニット４５は、採鉱ステーション２２０の姿勢が水平であると判断したら、姿勢安定制御の終了情報を架設配置用母船２の管理コンピュータに送信する。
【0099】
架設配置用母船２のオペレータは、管理コンピュータのディスプレイから採鉱ステーション２２０の状態を監視し、姿勢安定制御の終了情報を確認したら、同図（ｄ）に示すように、吊り下げロープの張力を緩める指令を管理コンピュータから入力する。このとき、吊り下げロープの張力変動により、採鉱ステーション２２０の姿勢が不安定になるおそれがある。そのため、基地制御ユニット４５は、姿勢安定制御を継続して実行する。
【0100】
つまり、基地制御ユニット４５は、傾斜センサの姿勢検出情報に基づいて、採鉱ステーション２２０の姿勢が水平になるように各支持脚２６の脚長を調整する。これにより、採鉱ステーション２２０は、図２６（ｄ）に示す初期着底状態で海底に安定した姿勢で着底できる。以降、オペレータは、吊り下げロープの係合解除装置（不図示）により吊り下げロープの係合を解除し、図２１（ｂ）に示すように、自立した採鉱ステーション２２０により、海底鉱床ＯＤに竪穴ＶＨを形成して採鉱を開始する。なお、この安定化着座制御を含む管理コンピュータおよび基地制御ユニット４５の構成および安定化着座方法は、上述した第一実施形態および第二実施形態においても同様に適用できる。
【0101】
次に、第三実施形態の採鉱ステーション２２０の自走方法について図２３〜図３３を適宜参照して説明する。ここでは、一例として、図２３に示すように、採鉱ステーション２２０の自走と掘削とによって、４０×４０ｍの海底鉱床ＯＤを採鉱する手順を説明する。なお、以下説明する採鉱ステーション２２０の自走動作は、上記管理コンピュータの監視下、基地制御ユニット４５が実行する所定のプログラムに基づき行われるが、これに限定されず、オペレータのマニュアル操作によって行ってもよい。
【0102】
（手順１）準備工程採鉱ステーション２２０は、図２２（ｄ）に示した初期着底状態では、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの相対位置が、図１１および図１２に示した着底準備姿勢において、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。
そのため、基地制御ユニット４５は、管理コンピュータから採掘準備命令を受けると、まず、図２４に平面図を示すように、同図（ａ）の着底準備姿勢から、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を一旦離底させ、中間フレーム２１Ｍと下部プラットフォーム２１Ｙを結合した状態で上部プラットフォーム２１ＸをＸの正方向に一杯に移動させる。その後、基地制御ユニット４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの全ての支持脚２６を着底させて、同図（ｂ）に示すように、採掘の開始状態とする。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図２３に示す第一の区画Ａとなる。
【0103】
（手順２）Ｘの正方向への歩行および掘削（手順２−１）第一の区画Ａにおいて、採鉱ステーション２２０の基地制御ユニット４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域（１０ｍ×１０ｍ）を採掘する。基地制御ユニット４５は、一の区画の採鉱時には、採鉱ステーション２２０の歩行を停止した状態で、中間フレーム２１Ｍの内側の１０×１０ｍの所定領域を、図７に示した方法で採掘装置３０のＸ方向およびＹ方向の移動により順次に掘削して採鉱を行っていく（以下同様）。
【0104】
（手順２−２）第一の区画Ａでの所期の採鉱を終えたら、基地制御ユニット４５は、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を、図２３に示す第二の区画Ｂに対応する位置となるように、図２５（ａ）〜（ｄ）に示すように各部を駆動制御して、図３０に示すようにプラットフォーム２１を移動させる。つまり、第一の区画Ａの採鉱を終えた状態では、図２６に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘおよび下部プラットフォーム２１Ｙの全ての支持脚２６が着底している。
そのため、基地制御ユニット４５は、まず、図２７に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させる。
【0105】
次いで、基地制御ユニット４５は、図２８および図３０（ｂ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、基地制御ユニット４５は、図２９に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を下方に伸長してそれぞれ着底させる。これにより、図３０（ｃ）に示すように、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図２３に示す第二の区画Ｂとなる。
【0106】
（手順２−３）第二の区画Ｂにおいて、採鉱ステーション２２０の基地制御ユニット４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を採掘する。（手順２−４）第二の区画Ｂでの所期の採鉱を終えたら（図３０（ｃ））、基地制御ユニット４５は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図３１（ａ）に示すように、上部プラットフォーム２１ＸをＸの正方向一杯に移動させる。その後、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を着底させる。
【0107】
次いで、基地制御ユニット４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図３１（ｂ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を下方に伸長してそれぞれ着底させる。これにより、図３１（ｃ）に示すように、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図２３に示す第三の区画Ｃとなる。
【0108】
（手順２−５）以下、同様にして、第三の区画Ｃでの所期の採鉱を終えたら、基地制御ユニット４５は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図３１（ｄ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。
【0109】
次いで、基地制御ユニット４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を離底させ、次いで、下部プラットフォーム２１ＹとＭＦを結合した状態で、図３１（ｅ）に示すように、下部プラットフォーム２１Ｙと中間フレーム２１ＭをＸの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させる。これにより、図３１（ｆ）に示すように、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図２３に示す第四の区画Ｄとなる。（手順２−６）第四の区画Ｄにおいて、基地制御ユニット４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受け、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を採掘する。
（手順２−７）以下、同様にして、Ｘの正方向への歩行および掘削では（２−４）〜（２−６）の手順を繰り返す。
【0110】
（手順３）Ｙの正方向への走行および掘削次に、前述の（手順１）の（手順２−４）の状態からＹ方向に移動する手順を説明する。
（手順３−１）図３１（ｆ）に示す状態から、Ｙ方向に採鉱ステーション２２０を移動するときは、基地制御ユニット４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図３２（ａ）に示すように、下部プラットフォーム２１ＹをＹの正方向一杯に移動させる。その後、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を着底させる。
【0111】
（手順３−２）その後、基地制御ユニット４５は、下部プラットフォーム２１Ｙの支持脚２６を着底させたまま、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を離底させ、次いで、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを固定した状態で、図３２（ｂ）に示すように、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１ＭをＹの正方向一杯に移動させる。その後、上部プラットフォーム２１Ｘの４つの支持脚２６を着底させる。
【0112】
（手順３−３）次いで、基地制御ユニット４５は、上部プラットフォーム２１Ｘの支持脚２６を着底させたまま、下部プラットフォーム２１Ｙの４つの支持脚２６を離底させ、上部プラットフォーム２１Ｘと中間フレーム２１Ｍを結合した状態で、図３２（ｃ）に示すように、下部プラットフォーム２１ＹをＹの正方向に、下部プラットフォーム２１Ｙの平面中心が上部プラットフォーム２１Ｘおよび中間フレーム２１Ｍの平面中心に一致する位置まで移動させる。その後、基地制御ユニット４５は、下部プラットフォーム２１Ｙ４つの支持脚２６を着底させる。これにより、上下のプラットフォーム２１Ｘ、２１Ｙの内側の所定領域が、図２３に示す第五の区画Ｅとなる。図３３に示すように、第五の区画Ｅにおいて、基地制御ユニット４５は、管理コンピュータから採掘開始命令を受けると、中間フレーム２１Ｍの内側の所定領域を採掘する。
【0113】
（４） 繰返し以下、図３３（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｘの負方向に移動する場合は、Ｘの正方向と同様の手順を逆方向に向けて行えばよく、予定採掘区域（４０×４０ｍ）の掘削終了まで、上述した（手順２）と（手順３）の動作を繰り返し行う。また、Ｘ方向の走行に関しては、Ｘの正方向と負方向の手順を交互に実行すればよい。
【0114】
このように、第三実施形態の採鉱ステーション２２０によれば、海底鉱床の傾斜や起伏に対応できる上、採鉱ステーション２２０を自走可能な構成とすることにより、採鉱ステーションの位置替え（リロケーション）を行う支援船である架設配置用母船２を不要または使用を要する状態を大幅に少なくすることができる。そのため、プロジェクトの工期とコストを大幅に減少することができる。
【0115】
なお、上記第一実施形態では、架設配置用母船２は、図１のように、揚鉱ユニット４および複数の採鉱ステーション２０を運搬する大型船舶の例を示したが、これに限定されず、例えば図３４に示すように、小型の架設配置用母船２を用いることができる。同図の架設配置用母船２は、平面視が矩形枠状の船体を有し、船体の左右が浮体２ｆとされている。平面視で、船体中央は、矩形状のムーンプール２ｐとされ、ムーンプール２ｐを跨ぐようにクレーン１１が船体上に跨設されている。
船体の甲板には、居住室２ｈおよび貯蔵室２ｓが設けられるとともに、適所にウインチ１１ｗが装備され、ムーンプール２ｐから採鉱ステーション２２０を海中に吊り下ろし、および引き揚げ可能になっている。なお、同図（ｃ）の符号ＤおよびＵは、採鉱ステーション２２０の吊り下ろし、および引き揚げ可能なイメージを示している。
【0116】
なお、この架設配置用母船２の寸法は、上記第三実施形態の採鉱ステーション２２０を架設配置する上で、全長７２ｍ×全幅４８ｍ程度とし、ムーンプール２ｐの寸法を３０ｍ×３３ｍ程度とすれば好適である。このような小型の架設配置用母船２を用いれば、支援船自体の費用や、海上に停泊させる際の用船費等をより少なくできるため、コストを減少する上でより好ましい。
【0117】
ここで、海底熱水鉱床には、海山の熱水が噴出するチムニー（煙突状の熱水噴出突起）が存在する。そのため、上記各実施形態の採鉱ステーション２０、１２０、２２０を海底に立設する際、および、上記第二ないし第三実施形態の採鉱ステーション１２０、２２０の歩行動作を行う際に、採鉱ステーションとチムニー等の障害物との干渉を防止または抑制する必要がある。そこで、以下、チムニー監視手段を備える採鉱ステーション、および採鉱基地監視装置、並びにチムニー回避方法について説明する。
【0118】
第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、図３５に示すように、上記基地制御ユニット４５が、チムニー探知部９１を含んで構成されている。チムニー探知部９１は、海底鉱床のチムニーを検出するチムニー検出手段である。チムニー探知部９１は、超音波送受信部９２と、超音波による水中探知で得たエコーに基づいてチムニーを検出する検出部９３とを有する。
【0119】
超音波送信部９２は、基地側から海底鉱床に向けて超音波を発射し、直ちに受信状態に切り替わり、海底鉱床からの反射波を受信する。検出部９４は、超音波の発射時から反射波の受信時までの往復時間を測定し、その往復時間を距離に換算して、採鉱ステーション２２０からチムニーまでの距離を測定するとともに、海底鉱床の界面状態およびチムニーの有無を探知する。
【0120】
図３５に示すチムニー検出手段は、チムニー探知部９１に駆動部９０が付設されたサーチライト型ソナー（マルチビームソナー）である。チムニー探知部９１は、例えばプラットフォーム２１の中央の最も高い適所に設けられ、チムニー探知部９１が所定角度の視野角で探査を行いつつ、駆動部９０によってチムニー探知部９１が水平面上で３６０°回転される。これにより、採鉱ステーション２２０の全周を探知可能になっている。なお、チムニー探知部９１の設置箇所は、「プラットフォーム２１の中央の最も高い適所」に限定されず、所期の探査が可能であれば、採鉱ステーション２２０の他の位置に設置できる。例えば、プラットフォーム２１の鉱床側を向く面にチムニー探知部９１を設けてもよい。この場合、プラットフォーム２１の鉱床側を向く面から、自身の支持脚２６やガイドシェル４８を含み、自身下部とその周囲の地形の高さを測定して鉱床の凹凸を検知することができる。
【0121】
なお、チムニー検出手段は、サーチライト型ソナーに限らず、例えばスキャニング型ソナーを用いてもよい。スキャニング型ソナーであれば、一度に採鉱ステーション２２０の３６０度全周を探知できる。また、第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、チムニー検出手段として、超音波を用いたチムニー探知部９１を備える例を説明したが、これに限らず、チムニー検出手段として、光を用いてチムニーを検出してもよい。例えば、基地制御ユニット４５が、カメラまたは画像センサで海底鉱床のチムニーを検出する画像処理部を有する構成とすることができる。
【0122】
さらに、第三実施形態の採鉱ステーション２２０は、基地制御ユニット４５が、検出したチムニーを避ける回避制御を実行するように構成されている。具体的には、図３５に示すように、基地制御ユニット４５は、上述した各移動機構を駆動するモータのトルクをそれぞれのトルク検出器５２ｘ、４４ｙ、４７ｚ、７１ｒ、９ｐ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ（４９）の検出値からを取得することによって監視可能に構成されている。また、基地制御ユニット４５は、チムニー回避処理のプログラムを実行可能に構成されている。
【0123】
なお、同図において、符号５２ｘは、Ｘ方向用移動機構５２のモータに付設されるトルク検出器、符号４４ｙは、Ｙ方向用移動機構４４のモータに付設されるトルク検出器、符号４７ｚは、スライド移動機構４７のモータに付設されるトルク検出器、符号７１ｒは、ハウジング部７１の回転駆動機構に付設されるトルク検出器、符号９ｐは、高圧水供給管９の高圧水供給ポンプの駆動部に付設されるトルク検出器、符号Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ（４９）それぞれは、上記Ｘ駆動モータＭｘ、Ｙ駆動モータＭｙおよびジャッキ機構４９のモータにそれぞれ付設されるトルク検出器である。
【0124】
詳しくは、基地制御ユニット４５でチムニー回避処理が実行されると、図３６に示すように、ステップＳ２１に移行し、ステップＳ２１では、Ｘ駆動モータＭｘおよびＹ駆動モータＭｙに付設されたトルク検出器に基づきモータトルクを確認する。トルクが正常値の範囲であれば（Ｙｅｓ）続くステップＳ２２に移行し、トルクが異常値、つまり、監視するトルクが所定を超えたときは（Ｎｏ）、対応する移動機構がチムニーに接触したと判定してステップＳ２６に移行する。ステップＳ２２では、採鉱基地監視装置８０からの回避命令（例えばオペレータによるマニュアル操作）の有無を確認し、回避命令が有れば（Ｙｅｓ）処理を戻して回避命令に応じた制御を行い、回避命令が無ければ（Ｎｏ）、続くステップＳ２３に移行する。
【0125】
ステップＳ２３では、チムニー探知部９１が探知したエコー画像情報を取得し、続くステップＳ２４では、チムニー探知部９１が探知したチムニーの位置情報を取得してステップＳ２５に移行する。ステップＳ２５では、採鉱ステーション２２０自身の位置情報とチムニーの位置情報とを関連付けする処理を行う。この関連付け処理では、採鉱ステーション２２０自身の各部の位置情報とチムニーの位置情報相互の界面情報を比較して相対距離を算出し、所定の閾値よりも相対距離が近い場合には障害物と判定する。例えばプラットフォーム２１の鉱床側を向く面にチムニー探知部９１が装備されている場合は、自身の支持脚２６やガイドシェル４８の位置情報から、プラットフォーム２１の設定高さとの高低差を判断可能であり、さらに、採鉱ステーション２２０の移動方向から障害物を判定できる。
【0126】
続くステップＳ２６では、回避制御が実行される。回避制御は、検出したチムニーのうち、障害物と判定したチムニーを避けるための処理である。例えば、ステップＳ２１から移行した場合、障害物に接触時の回避対応として、監視するトルクが所定を超えたと判定されたいずれかの駆動モータＭｘ、Ｍｙに対し、そのトルクが正常値の範囲に戻るまで、対応するモータを逆転駆動する制御を行う。
【0127】
また、例えば上記予定採掘区域（４０×４０ｍ）の掘削を行っている場合であれば、予定採掘区域の区画内に障害物と判定したチムニーがあるときは、障害物に非接触時の回避対応として、該当する区画を全体的に迂回する迂回プログラムを実行し、障害物と判定したチムニーを避ける。また、障害物に非接触時の回避対応として、採鉱ステーション２２０自身の歩行処理を中断または低速駆動にて制御し、ステップＳ２７に移行して、オペレータの指示を待つように構成してもよい。
【0128】
非接触時の回避対応として、オペレータの指示を待つ場合、ステップＳ２７に移行し、障害物と判定したチムニーの位置情報を含む探知情報を採鉱基地監視装置８０に出力する。これにより、採鉱基地監視装置８０で監視中のオペレータは、採鉱基地監視装置８０のディスプレイの画像表示および界面情報並びに相対距離の情報等を勘案して、採鉱ステーション２２０を適切にマニュアル操作できる。ここで、非接触時の回避対応をオペレータが行う場合、例えばプラットフォーム２１の底面のチムニー探知部９１により、採鉱ステーション２２０の支持脚２６やガイドシェル４８の位置情報を含む脚底情報から地形の高さを測定して鉱床の凹凸を検知するとともに、超音波画像、およびカメラによる撮像画像を参照してチムニーをマニュアル回避することが好ましい。
【0129】
その理由は、一般に、水深２ｋｍの海底基地を海上からのソナーで計測したときの誤差は２０ｍ程度（水深の１％）であり、採鉱ステーション２２０の想定サイズは２０ｍ程度である。一方、採鉱ステーション２２０に搭載したチムニー探知部９１はチムニーを検出するに充分な分解能を有する。そのため、海上と海底で同時に計測した画像を単純に照合するのは補正処理が困難な場合があるからである。また、あらかじめ海底近くで得た詳細画像（地図）と海底計測画像との照合も、地形に特徴がないと単純には照合が困難な場合があるからである。
【0130】
なお、採鉱ステーション２２０の位置・方位の計測は、海上基地となる採鉱母船１または架設配置用母船２と採鉱ステーション２２０とをつなぐ超音波、採鉱ステーション２２０に装備したジャイロ、さらに深度計を搭載して精度を上げることが好ましい。または、海上基地から採鉱ステーション２２０を投入する際に、ＧＰＳで投入位置を計測し、海底に着座するまでの経路を採鉱ステーション２２０に搭載された慣性センサで計測することが好ましい。海底着座開始地点から海底を歩行する移動工程では、海底基地のメカニカルな移動量、移動方向から積算することが好ましい。続くステップＳ２８では、探知情報を再取得するか否かが判定される。つまり、海上のオペレータから、探知情報を再取得する命令が入力されていればステップＳ２１に処理を戻し、そうでなければ処理を主制御処理に戻す。
【0131】
次に、採鉱基地監視装置について図３７および図３８を適宜参照しつつ説明する。図３７に示す採鉱基地監視装置８０は、採鉱ステーション２２０を監視するために海上基地となる採鉱母船１または架設配置用母船２に装備される上記管理コンピュータが対応する。なお、本実施形態では、採鉱基地監視装置８０を海上基地に装備した例を説明するが、これに限定されず、採鉱基地監視装置８０を陸上基地に装備し、監視するオペレータは海上基地でなく、離れた陸上基地において監視することもできる。
【0132】
図３７に示すように、第三実施形態の採鉱基地監視装置８０は、制御部８１、表示部８６、入力部８７および海中探知装置８２を備える採鉱ステーション位置監視手段であって、また、チムニー監視手段でもある。制御部８１は、チムニー監視処理に必要なソフトウェアと、そのソフトウェアによる情報処理を具体的に実行するハードウェア資源であるコンピュータとを含む。制御部８１は、アンビリカルケーブル８を介して基地制御ユニット４５と通信可能に接続されるとともに、ディスプレイ等の表示部８６およびキーボード等の入力部８７に対し必要なデータ通信が可能に信号線を介して接続されている。表示部８６は、採鉱ステーション２２０の位置情報およびチムニーのエコー画像を監視画面上に表示可能に構成される。
【0133】
海中探知装置８２は、採鉱ステーション２２０に装備される超音波送信器８３と、採鉱母船１または架設配置用母船２の船底部の三箇所に装備される超音波受信器８４、探知部８５とから構成され、例えば、ＳＳＢＬ（スーパー・ショート・ベース・ライン）と同様の技術によって、採鉱ステーションの位置情報を得ることができる。
【0134】
チムニー監視を行う場合、オペレータが採鉱基地監視装置８０の入力部８７から所定の入力操作を行うとチムニー監視処理が実行され、採鉱基地監視装置８０の制御部８１は、図３８に示すように、まず、ステップＳ１１に移行し、コンピュータの記憶装置等に予め格納されている海底地図データベースから、対応海域の海底地図情報を読み込んでステップＳ１２に移行する。続くステップＳ１２〜Ｓ１３では、上記基地制御ユニット４５のチムニー探知部９１で検出されたチムニーのエコー画像情報、および、チムニーの位置情報を取得する（チムニー情報取得部に対応）。
【0135】
続くステップＳ１４では、基地制御ユニット４５から取得した採鉱ステーション２２０の姿勢等の情報を含む海中採鉱基地の位置情報を取得する。なお、基地制御ユニット４５は、三次元ジャイロセンサを備え、架設配置用母船２から採鉱ステーション２２０が吊り降ろされたときの初期位置情報を基準として、その後の採鉱ステーション２２０の相対的な位置変化に基づき、海中での採鉱ステーション２２０の位置情報を随時に生成することができる。
【0136】
そして、ステップＳ１５では、上記取得したチムニーの画像情報および位置情報、並びに採鉱ステーション２２０の位置情報に基づいて、対応海域の海底地図情報との関連付け処理を行う。これにより、採鉱ステーション２２０の位置情報、および、チムニーのエコー画像とそのチムニーの位置情報が対応海域の海底地図情報と関連付けられる。続くステップＳ１６では、関連付けられたデータに基づく画像を、監視画面である表示部８６に重畳表示させる。
【0137】
これにより、オペレータは、表示部８６に重畳表示された画像によって、対応海域の海底地図に対する、海中での採鉱ステーション２２０の位置およびそのイメージ画像、並びに、チムニーの位置およびそのイメージ画像を目視確認により監視可能になっている（表示合成部に対応）。制御部８１は、採鉱ステーション２２０の移動にあわせて、表示部８６に重畳表示している海底地図およびチムニーのエコー画像を移動させる。これにより、採鉱ステーション２２０が歩行中の随時のイメージ画像を常に表示部８６に表示することができる。なお、チムニーの位置情報と採鉱ステーション２２０の位置情報は、緯度情報および経度情報を含むものであり、また、チムニーと採鉱ステーション２２０の深度情報を含むものである。これにより、より精度の高い探査が可能となる。また、界面状態を正確に判定する上で好適である。
【0138】
そして、続くステップＳ１７では、障害判定処理を実行し、障害判定処理では、上記関連付けられたチムニーの位置情報と採鉱ステーション２２０の位置情報とから、採鉱ステーション２２０への障害となるチムニーを判定する（判定部に対応）。障害判定処理では、表示部８６の監視画面上に表示される複数のチムニーのうち、例えば、採鉱ステーション２２０の移動方向に基づいて、最も採鉱ステーション２２０に近いチムニーを障害となるチムニーと判定する。
【0139】
障害となるチムニーと判定された場合、例えば、当該チムニーの表示画像を、通常色（例えば青）から警戒色（例えば赤）に替えたり、他のチムニーよりも明るく表示したり、あるいは点滅させたりするなどにより、オペレータに対する注意を喚起させる注意喚起表示を行う。続くステップＳ１８では、オペレータによる入力部８７からの再探査要求の入力操作の有無を見て、再探査要求があれば（Ｙｅｓ）ステップＳ１２に処理を戻し、そうでなければ（Ｎｏ）ステップＳ１４に処理を戻し、採鉱ステーション２２０の位置情報以外の情報を引き続き用いる。
【0140】
次に、チムニー回避方法について図３９、図４０を参照しつつ説明する。上述したように、第三実施形態では、作業装置である採鉱ステーション２２０は、基地制御ユニット４５がチムニー探知部９１を含んで構成され、また、採鉱母船１または架設配置用母船２は、採鉱基地監視装置８０を備えるので、第三実施形態の構成であれば、障害物となるチムニーを回避できる。
つまり、採鉱ステーション２２０は、上述したように、基地制御ユニット４５は、検出したチムニーを避ける回避制御を実行し、チムニー探知部９１が、超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出し（チムニー検出工程）、検出されたチムニーの位置情報に基づいて、障害物と判定したチムニーを避ける回避制御が実行されるので、障害物となるチムニーとの干渉を回避できる（干渉回避工程）。
【0141】
なお、ステップＳ２６の回避制御で説明したように、予定採掘区域の区画内に障害物と判定したチムニーがあるときに、該当する区画を全体的に迂回する迂回プログラムを実行して障害物と判定したチムニーを避けるのであれば、図３９に事前回避のイメージを示すように、障害物となるチムニーとの干渉を事前に回避できる。また、採鉱ステーション２２０自身の歩行処理を中断して、オペレータの指示を待つ場合であっても、障害物となるチムニーとの干渉を事前に回避できる。
【0142】
これに対し、ステップＳ２６の回避制御で説明したように、基地制御ユニット４５は、歩行に係る駆動モータＭｘ、Ｍｙ等の駆動機構のモータトルクを監視しているので、なんらかの理由で事前回避ができなかったときであっても、障害物となるチムニーとの干渉を事後的に自動で回避できる。換言すれば、オペレータの指示によらない自動制御での採掘を行う場合や、万一、オペレータがマニュアル操作を誤って、採鉱ステーション２２０がチムニー（障害物）に接触した場合であっても、チムニーとの過剰な衝突を防止または抑制できる。
【0143】
つまり、図４０に事後的回避のイメージを示すように、いま、同図において、下部プラットフォーム２１ＹがＸ方向に移動中に（符号Ｍを付した矢印は移動のイメージ）、チムニーＣに支持脚２６が接触した場合を想定する。このときは、下部プラットフォーム２１Ｙを駆動するＹ駆動モータＭｙに異常トルクが生じることになる。そのため、Ｙ駆動モータＭｙのトルク検出器は、ただちに異常値を出力する。これにより、基地制御ユニット４５は、Ｙ駆動モータＭｙに対応する移動機構がチムニーに接触したと判定し（図３６のステップＳ２１の「Ｎｏ」）、回避制御により、Ｙ駆動モータＭｙのトルクが正常値の範囲に戻るまで、対応するＹ駆動モータＭｙを逆転駆動できる（図３６のステップＳ２６）。よって、チムニーに接触した場合であっても、チムニーとの過剰な衝突を防止または抑制できる。
【0144】
さらに、採鉱母船１または架設配置用母船２のオペレータは、採鉱基地監視装置８０にチムニー監視処理を実行させる。これにより、採鉱基地監視装置８０は、チムニー探知部９１の超音波の送受信による水中探知で得たエコーに基づいて海底鉱床のチムニーを検出し（チムニー検出工程）、監視画面である表示部８６に海底地図を表示するとともに、障害判定の表示も含め、採鉱ステーション２２０およびチムニーのエコー画像を重畳表示させることができる。よって、オペレータは、海中の採鉱ステーション２２０の状態を随時に監視し、検出されたチムニーの位置情報に基づいて、採鉱ステーション２２０にチムニーが干渉するおそれがあると判断したら、マニュアル操作によって、障害物となるチムニーとの干渉を事前に回避できる（干渉回避工程）。
【符号の説明】
【0145】
１ 採鉱母船（海上採鉱基地）２ 架設配置用母船
３ 運搬船
４ 揚鉱ユニット
５ 吸込管
６ 揚鉱管
７ 排出管
８ アンビリカルケーブル
９ 高圧水供給管
１０ 採掘装置本体
１１ 作業機
１２ 発電機
１３ 貯蔵器
２０、１２０、２２０ 採鉱ステーション（海中採鉱基地）
２１ ベースフレーム（プラットフォーム）
２５ 揚鉱用ポンプ
２６ 支持脚
２７ 分級器
３０ 採掘装置
３１ シリンダ
３２ 通水孔
３３ シリンダライナ
３４ ハンマ
３５ 連結部材
３６ シリンダブシュ
３７ チェックバルブ
３８ スリーブ
３９ リング
４０ 二重管ロッド
４１ シリンダ前室
４２ シリンダ後室
４３ 移動フレーム
４５ 基地制御ユニット（コントローラ）
４８ ガイドシェル
４９ ジャッキ機構
５０ ビット
７１ ハウジング部
８０ 採鉱基地監視装置
８１ 制御部
８２ 海中探知装置
８３ 超音波送信器
８４ 超音波受信器
８５ 探知部
８６ 表示部
８７ 入力部
９０ 駆動部
９１ チムニー探知部
９２ 超音波送受信部
９３ 検出部
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底
ＯＤ 海底鉱床
ＶＨ 竪穴（有底穴）