特許 7518512 水底資源の採取方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】水底資源の採取方法

(51)【国際特許分類】

   E21C 50/00 20060101AFI20240710BHJP

   E21B 43/00 20060101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

E21C50/00

E21B43/00 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021034373

(22)【出願日】2021-03-04

(65)【公開番号】P2022134892

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2024-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000219406

【氏名又は名称】東亜建設工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504194878

【氏名又は名称】国立研究開発法人海洋研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】森澤 友博

(72)【発明者】

【氏名】大森 慎哉

(72)【発明者】

【氏名】田中 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼ 英剛

(72)【発明者】

【氏名】秋山 敬太

(72)【発明者】

【氏名】許 正憲

(72)【発明者】

【氏名】澤田 郁郎

(72)【発明者】

【氏名】川村 善久

【審査官】松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３６４０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－２４８５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７６３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９８４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６６５３８９０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１９－１１５６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｃ ５０／００

Ｅ２１Ｂ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、
水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、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ことを特徴とする水底資源の採取方法。

【請求項2】

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１に記載の水底資源の採取方法。

【請求項3】

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２に記載の水底資源の採取方法。

【請求項4】

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２または３に記載の水底資源の採取方法。

【請求項5】

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２～４のいずれかに記載の水底資源の採取方法。

【請求項6】

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２～５のいずれかに記載の水底資源の採取方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

従来、水底地盤の泥土を掘削して揚収するシステムが種々提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の海洋資源揚鉱装置では、揚収管部の下部に設けられている回収ホッパを水底地盤の地表に対向させる。次いで、回転させたビットを水底地盤に貫入するとともに、ビットの下端部に設けられたノズルから海水よりも比重の軽いエマルション（界面活性剤を混ぜた油）を噴射することで水底地盤の泥土を掘削する。そして、水底地盤中から回収ホッパの上部にまで上昇した泥土およびエマルションを、揚収管部を介して水上に揚収している。この方法では、ビットによって掘削した水底地盤中の泥土の多くが水底地盤中で拡散してしまうため、泥土を細かく解泥できない。それ故、この海洋資源揚鉱装置では、泥土を上昇させるために海水よりも比重の軽いエマルションを水底地盤中に噴射している。しかしながら、多量のエマルションを水底地盤中に噴射し、揚収する必要があるため、揚収した泥土とエマルションとを分離する作業工数が増大し、水底資源の採取に要するコストが高くなる。また、水中に流出するエマルションにより水中環境が害されることも懸念される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－１１５６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、水底地盤に挿入した挿入管の内部に液体を供給するとともに撹拌翼を回転させて、挿入管の内部の泥土を掘削、解泥する。しかも、撹拌翼の最深貫入位置を、挿入管の下端から所定距離だけ上方にして、挿入管の下端開口を水底地盤の泥土によって塞いだ状態に維持して、スラリー状に解泥した泥土が挿入管の下端開口を通じて挿入管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の内部の泥土を効果的に細粒化してスラリー状にしつつ流出無駄をなくして、挿入管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。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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】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】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】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】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】図５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7】図６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8】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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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）が含有されている水底地盤Ｂの泥土Ｓを掘削して水上に揚収する。

【0010】

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。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。

【0011】

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。

【0012】

水底地盤Ｂの泥土Ｓを採取する際には、挿入管３は少なくとも下部が水底地盤Ｂに挿入された状態となり、挿入管３の上部は水底地盤Ｂの表面よりも上方に突出した状態となる。例えば、挿入管３の全長の５０％以上が水底地盤Ｂに挿入された状態となる。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。

【0013】

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、泥土Ｓを掘削、解泥する撹拌翼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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

回転軸４の軸方向に隣り合う撹拌翼６どうしは、平面視で回転軸４の周方向にずれた位置に配置されている。挿入管３の内周面と撹拌翼６の先端との間には、５０ｍｍ～５００ｍｍ程度のすき間（クリアランス）が設けられている。撹拌翼６（回転軸４）の回転数は例えば１０ｒｐｍ～２００ｒｐｍである。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

次いで、図６に例示するように、液体供給機構８により挿入管３の内部に液体Ｌを供給するとともに、回転軸４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。

【0029】

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。

【0030】

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、解泥した土砂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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

このように、本発明では、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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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、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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【符号の説明】

【0054】

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
９ 強度センサ
１０ 圧力センサ
２０ 揚収船
Ｂ 水底地盤
Ｓ 泥土
Ｌ 液体
Ｗ 水
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】