扬矿系统及扬矿方法与流程

文档序号:11529212阅读:331来源:国知局
扬矿系统及扬矿方法与流程

本发明涉及采掘位于海底的有价金属等矿物资源并进行扬矿的扬矿系统及扬矿方法。



背景技术:

例如,在水深20米左右的浅海,用泵吸引沙子和海底沙所包含的砂铁、锡等,并将其输送到陆地上的技术已经确立,在产业上也已经被实用化。另外,在这样的浅的海底将包含矿石的岩盘等粉碎并细分化也是在矿业领域中广泛使用的技术。

但是,近年来,通过实际的调查等,在日本的领海、专属经济区(eez)中存在许多海底矿床这一情况逐渐变得清楚。如果能够采掘该矿床所包含的铁、铜、锌、金等,并将该金属类输送到海面上,则原来被认为资源匮乏且主要依赖于进口的日本也能够在国内获得资源。由此,尤其是在国内,能够使产业进一步活性化,另外,也能够对世界的资源供给作出贡献。

此外,已经存在用挖掘机粉碎例如水深1600~5000米的深海底的矿石的技术。然而,在深海将粉碎的矿石输送到海面上的技术还没有确立。作为输送技术,可考虑泵输送和机械式(铲斗式)输送,但机械式装置确实生产率较低,当前泵式装置成为提案的主流。作为这样的泵式装置,例如有专利文献1记载的扬矿装置。

专利文献1记载的扬矿装置从深海底到海面铅垂地保持一方成为下降管而另一方成为上升管(相当于扬矿管)的u字管,从上升管的上端开口向下降管的上端开口输送海水,而使海水在u字管内循环流动,并将在深海底采掘的矿物块送入上升管的底部,从而有效地利用液面在两端开口部被维持在相同的高度的u字管的特性,将矿物块载于在上升管中上升的海水而使其向海面浮起。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2003-269070号公报



技术实现要素:

发明要解决的课题

然而,在上述以往的扬矿装置中有如下课题。

即,在将钢铁制的扬矿管降下并装备到例如水深离矿石处理船1600~5000m的海底的情况下,即使某种程度的浮力作用于扬矿管本身,其实质重量也高达50~150吨。为了支承作为该重物的扬矿管,需要能够充分地承受其重量的结实且浮力有富余的大型的矿石处理船等。

另外,在与矿石处理船等连接并将多个作为构成单位的管体连接而形成的长条的扬矿管中,由于越接近海面,上述那样的大的荷重越会作用于连接部,所以为了将各管体牢固地连接而设为怎样的构造成为非常难的课题。

此外,在矿石处理船或支承船上,在如上述那样将极其长且重的扬矿管降下并运用的情况下,还可预想到以下那样的困难。首先,是如下这一点:矿石处理船等伴随着由波浪导致的海面的摇晃,扬矿管相对地进行如首部摇动那样的移动或如首部弯折那样的移动,由此,引起扬矿管的破损、破坏的可能性较高。

另外,是如下这一点:在台风等恶劣天气时,在矿石处理船等必须暂时退避时,如果保持连接扬矿管的状态的话,会妨碍航行,所以有时不得不将扬矿管分离。在这样的情况下,存在怎样将扬矿管分离,以及怎样将分离的扬矿管回收等大的课题。

而且,紧接着扬矿管,能够将包含粉碎矿石在内的海水从深海底输送到海面上的矿石处理船的泵系统的开发会成为问题。也就是说,对于上述那样的从例如1600~6000m的深海的输送而言,无论如何也超出了一台泵的能力,所以需要基于多台或许多台的泵的组合而形成的泵系统,但是,以往还没有采取充分的对策。

本发明是鉴于以上点而完成的,其目的在于提供一种扬矿系统及扬矿方法,所述扬矿系统具备能够将包含粉碎矿石在内的海水从深海底输送到海面上的矿石处理船的泵系统,向深海降下的扬矿管不会由于自身的重量而从管体的连接部等脱落,并且,不用为了确保浮力而将支承扬矿管的矿石处理船等过度地大型化,另外,在由于台风等而海洋波涛汹涌时,不会由于矿石处理船等因波浪而摇晃的理由,使扬矿管破损,并且不用舍弃扬矿管来进行避难。

用于解决课题的手段

(1)为了达成上述目的,本发明的扬矿系统具备:海底作业机,所述海底作业机能够进行移动操作,并具有挖掘部和泵,所述挖掘部在海底面或海底下挖掘矿物,所述泵吸引并压送包含挖掘得到的矿物和海水在内的固液混合物;电力供给部,所述电力供给部具有电力电缆,所述电力电缆对该海底作业机供给成为动力源的电力;主浮子,所述主浮子具有所需的浮力,并漂浮在海面上或海中;扬矿管,所述扬矿管具有所需长度,并将该主浮子与所述海底作业机的泵连接,将利用所述泵吸引的包含矿物和海水在内的固液混合物输送到所述主浮子侧;辅助浮子,所述辅助浮子以所需间隔被配置在该扬矿管的长度方向,并赋予所述扬矿管所需的浮力;以及矿物分选部,所述矿物分选部从利用所述扬矿管输送到所述主浮子侧的固液混合物分选并收集矿物。

以在深海中进行将有价矿物提升到海面上的作业的情况为例,说明本发明的扬矿系统的作用。

扬矿系统的海底作业机被配置在有矿床的预定的深海底,主浮子漂浮在海面上。另外,矿物分选部或电力供给部等例如能够装备于母船等作业船,构成电力供给部的电力电缆与海底作业机的受电部连接。海底作业机的行驶部、挖掘部及泵由供给的电力来驱动。

此外,也能够与电力电缆一起,以添加设置于电力电缆的形式装备进行信号的交换的信号电缆,所述信号用于进行海底作业机的挖掘部的控制、行驶部的控制或泵的控制等。

海底作业机的泵和主浮子由沿铅垂方向吊设于主浮子的长条的扬矿管连接,利用扬矿管输送的固液混合物进一步被送到装备于作业船等的矿物分选部。

在扬矿管上,例如以一定间隔在所需位置安装有多个辅助浮子,对扬矿管赋予预定的浮力。由此,扬矿管以不会落到海底的方式漂浮。此外,优选的是,扬矿管的海底附近的下端部与海底作业机的泵通过柔性的管连接,以防止给海底作业机的移动动作带来障碍,或者,即使在海中浮动的扬矿管的位置发生变动,也不会带来障碍。

在扬矿系统中,利用主浮子和各辅助浮子对长条的扬矿管赋予使扬矿管不会落到海底的程度的浮力。由于辅助浮子以所需间隔被配置在扬矿管的长度方向,所以可用这些辅助浮子分担并支承扬矿管的重量。

也就是说,在多个辅助浮子以所需间隔被安装在扬矿管的长度方向时,若使各辅助浮子仅赋予与各辅助浮子间的长度的扬矿管的重量对应的浮力,则理论上能够使长条的扬矿管的荷重不会作用在扬矿管的上部。

像这样,如果利用辅助浮子赋予适当的浮力,则在扬矿管的长度方向,重力方向的大的荷重不会偏向一部分地进行作用,在使荷重沿扬矿管的长度方向以所需间隔平均地进行作用的含义下,上述结构也是有效的。另外,由此,能够防止扬矿管由于自身的大荷重而从中途断裂的情形,或者,如果扬矿管是将多个管体连接而成的结构,则能够防止管体的连接部被破坏的情形,扬矿管不会落到海底。

此外,虽然适当设定了使扬矿管漂浮的主浮子及各辅助浮子的合计浮力,但未必需要使最上部的主浮子漂浮在海面上的浮力,优选如下浮力:至少能够维持扬矿管的下端部不落到海底的状态(漂在海中而不沉下的状态)地进行浮动。

另外,优选如下浮力:即便假使扬矿管的下端部侧接触海底,至少也能够维持其上部侧在海中成为纵向而进行浮动的状态。

此外,由于作为重物的扬矿管由主浮子及各辅助浮子赋予浮力,进行扬矿系统的管制的母船等作业船或处理船不一定需要支承扬矿管,所以无需使船大型化。

另外,对于扬矿管的实质重量而言,由于在系统的运转期间加上了通过内部而被输送的固液混合物的重量,所以变得比空的情况重。因此,在设定由上述各浮子产生的浮力时,需要考虑这一点而不进行以空的扬矿管的重量为基准的设定自不言而喻。

并且,利用远程操作,一边使海底作业机适当移动,一边用挖掘部挖掘例如有矿床的海底面或海底下,从而得到被粉碎成所需的粒径的矿物粒。这些矿物粒与周围的沙子、海水一起被泵吸引,并成为固液混合物,通过扬矿管而向海面上的主浮子侧输送。向主浮子侧输送的上述固液混合物被送到矿物分选部,从上述固液混合物中收集有价矿物。

此外,海底作业机被放置在如下区域的海底来使用,所述区域不仅较多地包含存在于例如水深数千米的海底面或海底下的贵金属、稀有金属(raremetal)等有价矿物,而且较多地包含作为化石燃料的甲烷水合物(例如表层型甲烷水合物)等有用资源。扬矿系统也能够作为将矿物以外的有用资源从深海底提升到海面上的系统来利用。

(2)本发明能够设为如下结构:所述海底作业机所具有的泵是泥浆泵。

在该情况下,能够不会给泵的可动部分带来损伤地输送(压送)包含矿物和海水在内的固液混合物。另外,利用泥浆泵,即使是包含较多量的沙子、矿物粒在内的固液混合物,也能够进行输送。由此,即便在运转期间沙子、矿物粒等固形物与海水的比率发生变动,也能够不勉强地灵活应对,能够继续进行运转。而且,泥浆泵在构造上吸入能力优异,能够高效地进行固液混合物的输送。

作为泥浆泵,只要能够不会给可动部带来损伤地输送上述的固液混合物,其种类、构造就不被特别限定。例如,能够列举沙石泵、砂泵或软管泵等。

(3)本发明能够设为如下构造:具备辅助泵,所述辅助泵向所述扬矿管的所需位置注入用于辅助固液混合物的输送的所需压力的液流。

在该情况下,即便假使没有用一台就能够将固液混合物从例如数千米的深海底输送到海面上的泵,通过在扬矿管的中途利用辅助泵注入所需压力的液流来辅助输送,从而能够在例如从深海底到海面上的数千米这样长的距离进行输送。

对于辅助泵而言,根据上述目的,无需向扬矿管注入固液混合物,只要注入周围的海水即可,所以能够采用泥浆泵以外的泵,例如具有叶轮(impeller)的多级离心泵、隔膜泵等泵。

此外,当前,例如1600m以上的深海用的粉碎矿石输送泵的实用化较为困难,不难想像,4000~6000m的超深海部的开发极其困难。作为其解决对策,将多台或许多台已有的泵组合是有效的。当扬矿管长为数千米时,用一台海中扬水泵(混流、斜流)的话,尤其是不能将包含粉碎矿石在内的这样的固液混合物输送到海面上的作业船。

但是,在扬矿管的中途,在用于输送固液混合物的能量不足的情况下,通过在扬矿管的中途用泵注入小流量且高压的海水,能够消除该问题。由于泵传递给流体的动力(能量)由压力p与流量q之积p×q来决定,所以在实现高效化方面,优选压力为超高压且流量极其小的泵。另外,如果是小流量,则能够进行泵的小型化。

(4)本发明能够设为如下结构:具备gps接收机和位置校正装置,所述位置校正装置比较利用该gps接收机接收的位置信息和预先确定的扬矿系统的设定位置,从而进行位置的校正,以维持设定位置。

在该情况下,能够利用gps(全球定位系统:globalpositioningsystem)来维持预先设定的扬矿系统的位置。即,利用设置在扬矿系统的所需位置(例如主浮子等)的gps接收机来获取表示扬矿系统的位置的位置信息。

接着,利用位置校正装置,对预先设定的成为基准的位置信息与由gps接收机获取的位置信息进行比较。并且,以其差值为基础,利用位置校正装置使扬矿系统的位置(该情况下为主浮子的位置)移动而进行校正,以便维持成为基准的位置(设定位置)或接近(朝向)成为基准的位置。此外,对于该位置的校正而言,既可以在系统的运转期间始终进行,也可以每隔一定时间地进行。

位置校正装置被配置于作为整体在海中浮动的扬矿系统的所需位置,能够使系统的一部分或全部移动。对于位置校正装置的结构而言,只要能够比较利用gps接收机得到的位置信息和预先确定的基准的位置信息,并以其差值为基础来校正位置即可,不进行特别限定。

例如有马达、由马达驱动的推进方向不同的多个螺旋桨、成为马达的驱动源的电池、比较上述位置信息并根据其结果选择并驱动马达及螺旋桨的控制部等。另外,对于位置校正装置而言,能够在系统中配置多个。

另外,对于位置校正装置而言,虽然更加优选设于设置有gps接收机的部件,但也可以未必如此,能够适当设定。例如,既可以将gps接收机和位置校正装置这两者设于主浮子,或者,也可以将gps接收机设于在利用浮子支承电力电缆的情况下的浮子,并将位置校正装置设于主浮子。在后者的情况下,只要作为电力电缆的支承部的浮子与主浮子的距离在构造上保持为一定或大致一定,就能够在实质上与前者没有差别地进行位置的校正。

(5)本发明能够设为如下结构:具备注水排水装置,所述注水排水装置进行向所述主浮子的内部的注水和向所述主浮子的外部的排水,并调节该浮子的浮力。

在该情况下,利用注水排水装置,向主浮子的内部引入海水,或向主浮子的外部排出内部的海水,从而能够适当调节主浮子本身的浮力。通过像这样调节主浮子的浮力,能够使主浮子的一部分从海面露出或全部沉到海面下。另外,设为沉下时的主浮子的海面下的高度也能够调节。

在使主浮子沉到海面下时,主浮子不容易受到波浪(海面的上下运动)的影响。例如,当在台风中或在台风接近时的恶劣天气时,如果主浮子保持漂浮在海面上的状态的话,会受到激烈的波浪的影响而重复上下运动、横摆,连接于主浮子的扬矿管的安装部分或其周边部变形或破损的可能性变高。此外,在海面产生波浪的地方多为海面下数米至10米左右,如果能够将主浮子维持成在比上述位置深的地方浮动,则即使在台风中,也能够基本上不受波浪的影响。

注水排水装置的构造不特别限定,例如设为在主浮子具备防水锂蓄电池、利用该电池的电力进行驱动的泵、吸水阀和排水阀的构造,通过对泵进行驱动,能够将位于主浮子的内部的空间的海水排水或从外部吸水来调整海水的量。

(6)本发明能够设为如下结构:具备作业船,该作业船具有所述电力供给部和所述矿物分选部,并且,构成所述电力供给部的电力电缆及构成所述矿物分选部并从扬矿管接受固液混合物的供应管在能够恢复系统的运转的状态下能够分离。

在该情况下,在系统的运转时,电力电缆与供应管连接,各自发挥功能。并且,在由于例如因台风的接近等导致的恶劣天气或者其它的某些理由而必须使作业船停靠港口等作业船必须脱离现场海域时,能够分离电力电缆或供应管。

此时,在分离后,分离的一侧仍为被固定或连接于浮子等某些支承部的状态,以使电力电缆或供应管即使分离也不会沉到海中或落到海底。

另外,在使作业船脱离的理由消除时,通过使作业船返回到作业海域,将电力电缆或供应管与作业船一侧连接,使扬矿系统恢复至原来的状态,从而能够再次开始系统的运转。像这样,由于能够进行作业船从系统的脱离和恢复,并能够灵活地进行作业船的移动而不产生例如必须舍弃主浮子、扬矿管等来避难的事态,所以容易运用系统。

(7)本发明能够设为如下结构:在所述主浮子的连接有所述扬矿管的部分配有支撑该扬矿管的悬架装置,该悬架装置附近的该扬矿管能够在供该扬矿管通过的空隙内在所需的振动的范围内振动。

在该情况下,由于在供扬矿管通过或者连接的主浮子处,扬矿管由悬架装置支承,而且悬架装置附近的该扬矿管能够在空隙内在所需的振动的范围内振动或摇动,所以扬矿管的该部分的移动的自由度较高,不会成为被固定的状态。

由此,尤其是在主浮子漂浮在海面上的情况下,即使主浮子受到波浪的影响而重复上下运动或横摆,扬矿管也能够在悬架装置附近以不怎么随之变形的状态,进行长度方向的进退移动、直径方向的振动或摇动等某种程度的自由的移动,因此,不容易引起例如由金属疲劳等导致的破损、破坏。

此外,悬架装置的构造并不特别限定,例如由能够支承扬矿管的螺旋弹簧或与施力体组合而成的连杆机构等构成。悬架装置为如下结构:能够支承在海中侧由辅助浮子赋予浮力的扬矿管的实质重量,且在扬矿管沿其长度方向进退移动时具有缓冲作用。

(8)本发明能够设为如下结构:通过在所述电力电缆的长度方向以所需间隔配置辅助浮子,从而赋予电力电缆所需的浮力。在该情况下,与上述扬矿管的情况同样地,利用辅助浮子的浮力赋予电力电缆所需的浮力。由此,能够防止由于电力电缆自身的重量而在长度方向的中途断裂。

(9)本发明也能够设为如下结构:矿物分选部具备废水处理装置。在该情况下,能够利用矿物分选部分选并收集矿物,并且,能够通过海洋投入(也称为海洋丢弃)等来处理利用废水处理装置对废液实施所需的处理后的澄清的水。

(10)本发明也能够设为如下结构:所述矿物分选部具备将矿物磁化并分选的磁化装置。在该情况下,针对与扬水同时上升的海底泥会成为环境破坏的原因的问题,利用设在矿石处理船上的电磁铁等磁化装置来采集提升的扬海中所包含的金属或矿物,其后,能够通过沉淀式等与在一般的污水处理中进行的方法相同的方法来除去海底泥。也就是说,能够通过使作业船为装备有废水处理装置的矿石处理船来应对该问题。

此外,作为具有磁性的矿物,例如能够列举铁、铬、镍、钴等。这些矿物均为有价金属,能够从被从海底提升到海面上的扬水中高效地进行分选而收集。

(11)本发明能够设为如下结构:扬矿管是钢和轻合金制的双层管构造、利用碳纤维增强钢管而成的构造、或将周壁设为中空而成的构造。在该情况下,能够使扬矿管轻量化。原本扬矿系统的最大的课题就是如何减轻全长达数千米的扬矿管的重量。为了减轻该扬矿管的重量,除了如上述那样对扬矿管提供浮力来减轻实质重量的方法之外,还有如本项发明这样减轻扬矿管本身的重量的方法。

作为减轻扬矿管本身的重量的方法,例如有设为如下的扬矿管的方法:设为轻合金或钢制的双层管构造,并在内管与外管之间具有气密空间。另外,在周壁设置气密空间,能够用其浮力抵消一部分扬矿管的重量,能够减轻由扬矿管的自身重量导致的对其它位置的负担。

另外,作为减轻扬矿管本身的重量的其它方法,例如有设为如下的扬矿管的方法:将钢制制作的内管的外表面设为利用碳纤维增强的树脂制。另外,树脂制的增强管也会对金属制内管的保护作出贡献。

(12)本发明是一种扬矿方法,利用浮子赋予扬矿管所需的浮力,所述扬矿管将包含在海底面或海底下挖掘并粉碎的矿物和海水在内的固液混合物送到海面上。根据该方法,在使用漂浮在海面的主浮子等支承扬矿管以使之不沉到海底的情况下,能够赋予扬矿管所需的浮力,所以,例如通过设为与从扬矿管的重量减去浮力而得到的重量相同的重量,从而能够使重量实质上不作用于支承扬矿管的主浮子。另外,也能够设为:使基于浮子的浮力比上述稍小,能够保持扬矿管成为铅垂方向的平衡。

此外,本发明利用浮子支承扬矿管及通信、电力电缆,并减轻扬矿管的重力。另外,本发明包含在海面上浮动的在内部具有空腔的金属制的大型浮子和由该浮子支承的扬矿管及通信、电力电缆,为了应对扬矿管的重量,也能够包含具有浮力调整用的海水排出及海水吸入阀的大型浮子。

另外,通过驱动骑乘(装备)于大型浮子的防水蓄电池和泵并向大型浮子的下部的空腔部对海水进行供水和排水,从而能够使大型浮子具有潜水功能。

而且,为了减轻由大型浮子支承的扬矿管的重量,也能够配备装备在海海中的扬矿管的中途的小型浮子组。另外,为了减轻重量并维持强度,也能够配备利用碳纤维增强而成的树脂制扬矿管。

为了减轻重量,也能够配备在双层管道的间隙具有空腔的扬矿管。能够设为如下构造:在恶劣天气时或在海上矿石处理船脱离现场时,由大型浮子支承的扬矿管及通信、电力电缆能够从矿石处理船脱离。

能够设为如下系统:使矿石输送用泵骑乘(装备)于海底矿石采掘机,缩短吸入管。为了供给流体能量,也能够在扬矿管的中间部配备注入压力水的泵系统。

而且,为了从利用扬矿管而输送到海面上的矿石处理船的包含粉碎矿石(细粉化矿石)在内的海水采集矿石,也能够配备电磁铁式或永磁体式的磁铁装置。另外,也能够在矿石处理船上配备进行矿石采集后的排水处理的装置。

发明效果

本发明能够提供一种扬矿系统及扬矿方法,所述扬矿系统具备能够将包含粉碎矿石在内的海水从深海底输送到海面上的矿石处理船的泵系统,向深海底降下的扬矿管不会由于自身的重量而从管体的连接部等脱落,并且,不用为了确保浮力而将支承扬矿管的矿石处理船等过度地大型化,另外,在由于台风等而海洋波涛汹涌时,不会由于矿石处理船等因波浪而摇晃的理由,使扬矿管破损,并且不用舍弃扬矿管来进行避难。

附图说明

图1是表示本发明的扬矿系统的一实施方式的说明图。

图2是表示基于主浮子和辅助浮子的扬矿管吊挂构造并省略了一部分的剖视说明图。

图3是表示主浮子及其附近的构造的剖视说明图。

图4是表示在扬矿系统中使用的作业船所具备的废水处理装置的构造的说明图。

图5是表示构成在扬矿系统中使用的扬矿管的管体的构造的剖视说明图。

图6是表示构成在扬矿系统中使用的扬矿管的管体的另一构造的剖视说明图。

图7表示辅助浮子的另一构造,图7(a)是纵剖视说明图,图7(b)是与a-a对应的剖视说明图。

具体实施方式

参照图1至图6,更详细地说明本发明的实施方式。

扬矿系统s由在海底进行矿物采掘的采掘单元1、将采掘的矿物和海水提升到海面上的扬矿单元2以及从利用扬矿单元2提升的固液混合物分选有价矿物的作为矿物分选部的分选单元3构成。

(采掘单元1)

采掘单元1具有能够从外部进行移动操作的海底作业机13。海底作业机13具有履带行驶机130、搭载在其上部的挖掘机131以及吸引并压送固液混合物的泥浆泵132,所述固液混合物包含挖掘得到的矿物和海水。海底作业机13为如下构造:将各部形成为高水密等而能够进行在深海底的高压下的作业。泥浆泵132与后述的各压力注入泵24一起构成泵系统。

挖掘机131能够通过前端的钻头的旋转或振动来破碎并挖掘矿床的矿物。此外,挖掘机也能够采用其它构造。泥浆泵132能够压送挖掘并被破碎的矿物和海水的混合物(固液混合物),例如能够采用斜流式或混流式。

此外,泥浆泵132的压送能力并不特别限定,至少具有能够与后述的作为辅助泵的压力注入泵24协作而将海水与粉碎矿物的固液混合物提升到海面上的能力即可。在该情况下,例如,从泥浆泵132到后述的扬矿管21的下部为止的输送能量能够由泥浆泵132供给,比其靠上的扬矿管21内的输送能量能够由设在扬矿管21的中途的后述的多个作为辅助泵的压力注入泵24供给。

在海底作业机13上,用于供给电力的电力电缆12连接于受电部(省略附图标记),所述电力成为履带行驶机130、挖掘机131及泥浆泵132的动力源。电力电缆12的海面上侧的端部一旦与漂浮在海面上的浮子11连接,由此,电力电缆12的重量由浮子11支承。此外,为了减轻作用于浮子11的电力电缆12的重量,与后述扬矿管21同样地,也能够安装用于赋予浮力的辅助浮子。

电力从搭载于母船即作业船10的作为电力供给部的发电机(省略图示)经由电力电缆120而被供给至与浮子11连接的电力电缆12。另外,在电力电缆12、120上,以添加设置于电力电缆12、120的形式,装备有在与作业船10所具备的管制部之间进行信号交换的信号电缆(省略图示),所述信号用于进行海底作业机13的挖掘机131的控制、履带行驶机130的控制或泥浆泵132的控制等。

(扬矿单元2)

扬矿单元2具有扬矿管21。扬矿管21将多个所需长度的管体210连接,与成为扬矿作业的对象的海域的深度对应,形成为例如5000m的长度。此外,在后面详细说明管体210的构造。并且,该长条的扬矿管21的上端侧与漂浮在海面的主浮子20实质连接,以便挂在主浮子20上。另外,扬矿管21在海中侧按长度方向的每个所需间隔(在本实施方式中,按各管体210的每个)而与辅助浮子22实质连接,以便挂在辅助浮子22上。

首先,参照图3来说明主浮子20的构造和扬矿管21相对于主浮子20的连接构造。

主浮子20具有水密且中空构造的密封箱体200。密封箱体200的外形是所谓的圆环形,在内部,以俯视描绘圆的方式形成有空间部201。另外,在密封箱体200的中心部,贯通地设有通过壁部而与空间部201隔离的圆孔形状的通孔202。

密封箱体200内的空间部201以液密状态被隔离构件203上下分割,所述隔离构件203在整周范围内被固定在上下方向的大致中间位置。在上部空间部201a配置有注水排水泵204,所述注水排水泵204固定于隔离构件203并构成注水排水装置。另外,同样地,电池205固定并配置于隔离构件203,在本实施方式中,电池205采用防水锂蓄电池,对注水排水泵204供给电力。

电池205与控制盘206连接,电力电缆26从外部与控制盘206连接。电力电缆26与搭载在后述的矿物处理船30上的作为电力供给部的发电机(省略图示)连接,在电池205存储从发电机供给的电力。

密封箱体200内的由隔离构件203分割而成的下部空间部201b为蓄水容器,能够利用注水排水泵204调整下部空间部201b内部的水量(根据需要,也能够调整空气量)。通过该水量的调整,能够根据需要来增大主浮子20本身的浮力而使之漂浮在海面上,或者减小浮力而使之潜水。此外,对于潜水而言,既可以仅使主浮子20进行,也可以连扬矿管21也包含在内作为整体来进行,能够适当选择。

在密封箱体200的上表面设置有接收gps卫星27的信号的gps接收机207。经由电力电缆26,也向gps接收机207供给电力。另外,在密封箱体200的下表面安装有构成位置校正装置的多个推进机208。推进机208是利用马达使螺旋桨旋转来得到推力的构造。

此外,位置校正装置的结构包括作为控制部的上述控制盘206,所述控制部能够比较利用gps接收机得到的位置信息和预先确定的基准的位置信息,以其差值为基础使各推进机208工作来校正位置。从电池205向各推进机208供给电力,利用基于gps的自动控制,将各推进机208适当组合并进行驱动,从而能够使主浮子20在海面上向所需的方向移动。

扬矿管21的上端部的管体210通过密封箱体200的通孔202。构成扬矿管21的多个管体210具有图5所示的构造。管体210在长度方向的两端配有连接用的凸缘211、212,管的部分为由内管213和外管214构成的双层管构造。在内管213与外管214之间形成有为了轻量化而产生浮力的可以说是圆管形状的空间部215。

此外,管体210的外管214的外径形成为直径比密封箱体200的通孔202的内径小,在管体210与通孔202之间设有空隙209。另外,最上部的管体210的凸缘211(在插通于通孔202之后附加。)位于密封箱体200的上侧,在密封箱体200上表面与凸缘211之间配置有上部侧直径逐渐变小的压缩螺旋弹簧28。

通过该构造,对于管体210及连接于其下方的其它的多个管体210而言,即使上下移动,也会由于压缩螺旋弹簧28的作用力而得到缓冲,能够减轻对主浮子20作用的冲击、大的荷重。另外,利用空隙209的作用,管体210能够在通孔202内部,在某一定的范围内游动或摇动。此外,在上端部的管体210的上端连接有柔性的供给管25,供给管25的前端侧向后述的分选单元3导入。

如上所述,扬矿管21是将多个管体210水密地连接而成,在最下部的管体210的下端部连接有所需长度的柔性中继管23的一端部。中继管23的另一端部与上述泥浆泵132的排出口(省略附图标记)连接。此外,泥浆泵132的吸引口(省略附图标记)配置在上述挖掘机131的钻头附近,能够同时吸引挖掘并破碎的矿物和海水。

并且,如上所述,该长条的扬矿管21在海中侧按长度方向的各管体210的每个,将上部侧的凸缘211挂在辅助浮子22上而与辅助浮子22实质连接。辅助浮子22具有水密且中空构造的密封箱体220。密封箱体220的外形是所谓的圆环形,在内部,以俯视描绘圆的方式形成有空间部221。另外,在密封箱体220的中心部,贯通地设有通过壁部而与空间部221隔离的圆孔形状的通孔222。

管体210的外管214的外径形成为直径比密封箱体220的通孔222的内径小,在管体210与通孔222之间设有空隙229。此外,虽然没有示出具体的构造,辅助浮子22是如下构造(公知构造):能够以从横向嵌入管体210的管的部分的方式进行安装,也能够拆下。

利用该构造,多个辅助浮子22在各管体210上下移动时也能够相对于各管体210相对地滑动,在辅助浮子22与管体210的凸缘211或后述的压力注入泵24的注入管241抵接时,停止相互的滑动。由于辅助浮子22与各管体210的相互的间隙会发挥作用,所以冲击、大的荷重难以作用。另外,由于空隙229的作用,管体210能够在通孔202内部,在某一定的范围内游动或摇动。

另外,各辅助浮子22能够对扬矿管21赋予所需的浮力。该浮力的设定例如也可以为:使浮力与扬矿管21的重量相同,使扬矿管21的重量基本上不作用于主浮子20。另外,也可以为:使浮力比扬矿管21的重量稍小,使扬矿管21的加重适度地对主浮子20进行作用,并且,使扬矿管21在海中更为稳定。此外,与后述的辅助浮子22a同样地,也可以使位于深海的辅助浮子22在内部具备用于增强的肋构造,以承受高的水压。

并且,在构成扬矿管21的管体210中的位于所需间隔的管体210的管的部分连接有注入管241,所述注入管241分别与各个压力注入泵24的排出口(省略附图标记)连接。各压力注入泵24吸引周围的海水并将海水注入扬矿管21的内部,促进通过扬矿管21的扬水(固液混合物)的向上方的输送(压送)。

此外,各压力注入泵24受到用吊挂线243连接的浮子242的浮力作用而维持所需的深度。另外,经由电力电缆240对各压力注入泵24供给电力,所述电力电缆240与作为作业船的矿物处理船30的发电机连接。另外,为了赋予该电力电缆240浮力,也可以在该电力电缆240上安装浮子。

并且,将上述作业船10和浮子11连接的电力电缆120为能够从浮子11分离的构造。另外,上述矿物处理船30为能够使供给管25和电力电缆26从主浮子20分离的构造。由此,例如在使作业船10、矿物处理船30停靠港口等情况下,以其后能够恢复的状态使之能够从作业区域脱离。

(分选单元3)

上述分选单元3搭载于矿物处理船30。在矿物处理船30上搭载有发电机(省略图示),该发电机对上述主浮子20及各压力注入泵24供给电力。分选单元3从利用扬矿单元2提升的海水与被粉碎的矿物的固液混合物分选有价矿物。

参照图4。对在扬矿管21内上升并通过供给管25而到达海面上的矿石处理船30的包含粉碎矿物50在内的固液混合物的处理方法进行说明。

分选单元3按处理的顺序依次具备分选槽31、沉淀槽32、蓄水槽33及集聚槽34。此外,沉淀槽32、蓄水槽33及集聚槽34构成废水处理装置。

包含被粉碎的矿物50在内的固液混合物从上述供给管25送入分选槽31。作为磁性体的被粉碎的矿物50由安装在旋转体311的臂前端的电磁铁(省略附图标记)磁化并进行收集。此外,非磁性体的矿物以及其它的有价矿物例如通过使用筛子等各种公知手段进行收集。

另外,通过分选槽31的包含废渣在内的海水通过网筛320而被送到沉淀槽32,废渣沉淀到槽底而被分离。并且,除去废渣后的海水通过网筛331而被送到蓄水槽33,利用泵330而被送入接下来的集聚槽34。在集聚槽34内,通过药品处理等,进一步将细小的废渣沉淀而将其除去,处理后的澄清的海水借助水轮机340而通过排水管35,并被排出到外部(海)。

(作用)

以在深海中进行将有价矿物提升到海面上的作业的情况为例,说明本发明的扬矿系统s的作用。

如图1所示,扬矿系统s的海底作业机13配置在有矿床5的预定的深海底4,主浮子20漂浮在海面上。

根据来自作业船10的管制部的信号,使用经由电力电缆120供给的电力来操作海底作业机13,在由行驶机130进行移动的同时,利用挖掘机131进行挖掘。与挖掘并行地,被破碎的矿物50(在图4中图示)与海水的混合物(固液混合物)被泥浆泵132吸引,从中继管23通过扬矿管21而向上方压送。此时,在扬矿管21的铅垂方向的路径中,利用多个压力注入泵24注入基于水流的能量,并将固液混合物提升到上方的矿物处理船30的分选单元3而进行处理,仅将澄清的处理水丢弃到海中。

另外,在扬矿管21连接有多个辅助浮子22,对扬矿管21赋予预定的浮力。在扬矿系统s中,利用主浮子20和各辅助浮子22,对数千米的长条的扬矿管21赋予使扬矿管21不会落到海底4的程度的浮力。由于在扬矿管21的长度方向配置有所需数量的(多个)辅助浮子22,所以,利用这些辅助浮子22,按每个管体210来分担扬矿管21的重量而进行支承。

也就是说,在辅助浮子22以所需间隔沿扬矿管21的长度方向安装多个时,若使各辅助浮子22赋予与各辅助浮子22间的长度的扬矿管21的重量对应的浮力,则理论上能够防止长条的扬矿管21的荷重作用在扬矿管21的上部。

像这样,如果利用辅助浮子22赋予适当的浮力,则在扬矿管21的长度方向,重力方向的大的荷重不会偏向一部分地进行作用。因此,在使荷重沿扬矿管21的长度方向以所需间隔平均地进行作用的含义下,上述结构也是有效的。另外,由此,能够防止扬矿管21由于自身的大荷重而从中途断裂、或者管体210的连接部被破坏的情形,不会产生扬矿管21落到海底的不良情况。

此外,虽然适当设定了使扬矿管21漂浮的主浮子20及各辅助浮子22的合计浮力,但未必需要使最上部的主浮子20漂浮在海面上的浮力,优选如下浮力:至少能够维持扬矿管21的下端部不落到海底的状态、即漂在海中而不沉下的状态而进行浮动。另外,优选如下浮力:即便假使扬矿管21的下端部侧接触海底,至少也能够维持其上部侧在海中成为纵向而进行浮动的状态。

此外,由于作为重物的扬矿管由主浮子及各辅助浮子赋予浮力,进行扬矿系统的管制的作业船10或矿石处理船30不一定需要支承扬矿管,所以无需使船大型化。

另外,对于扬矿管21的实质重量而言,由于在系统的运转期间加上了通过内部而被输送的固液混合物的重量,所以变得更重。因此,在设定由上述各浮子2、22产生的浮力时,需要考虑这一点而不进行以空的扬矿管21的重量为基准的设定。

另外,对于主浮子20而言,利用注水排水泵204调节内部的水量,从而能够调节浮力。由此,例如能够像潜水艇那样,使主浮子20的一部分从海面露出或全部沉到海面下。另外,设为沉下时的主浮子20的海面下的高度(深度)也能够调节。

在使主浮子20沉到海面下时,主浮子20不容易受到波浪的影响。例如,当在台风中或在台风接近时的恶劣天气时,如果主浮子20保持漂浮在海面上的状态的话,会受到激烈的波浪的影响而重复上下运动、横摆,连接于主浮子20的扬矿管21的安装部分或其周边部变形或破损的可能性变高。

此外,在海面产生波浪的地方多为海面下数米至10米左右,如果能够通过远程操作将主浮子20与扬矿管21的上部一起维持成在比上述位置深的地方浮动,并且,其后使主浮子20浮起,则即使在台风中,也能够基本上不受波浪的影响。

另外,主浮子20具备gps接收机207和推进机208,能够利用gps来维持预先设定的扬矿系统s的位置。即,利用设置于主浮子20的gps接收机207来获取表示扬矿系统的位置的位置信息,并利用位置校正装置对预先设定的成为基准的位置信息和用gps接收机207获取的位置信息进行比较。

并且,以其差值为基础,使各推进机208工作并进行位置的校正,以便利用位置校正装置将主浮子20的位置维持在成为基准的位置(设定位置)或者接近(朝向)成为基准的位置。此外,对于该位置的校正而言,既可以在扬矿系统s的运转期间始终进行,也可以每隔一定时间(间歇地)地进行。

并且,海底作业机13能够被放置在如下区域的海底来使用,所述区域不仅较多地包含存在于例如水深数千米的海底面4或海底下的贵金属、稀有金属(raremetal)等有价矿物,而且较多地包含作为化石燃料的甲烷水合物(例如表层型甲烷水合物)等有用资源。扬矿系统s也能够作为将这样的矿物以外的有用资源从深海底提升到海面上的系统来利用。

参照图6。图6示出了构成在扬矿系统中使用的扬矿管的管体的另一构造。

管体210a是利用丙烯酸树脂将钢制的内管213a的外管214a一体化而形成的双层管构造,所述丙烯酸树脂用碳纤维增强。由此,使管体210a的重量轻量化,并使拉伸强度增大。另外,在管体210a的两端部设有凸缘211a、212a。通过将具有足够的强度的钢制的内管213a和重量轻且强韧的外管214a组合,从而能够一边维持预定的强度,一边抑制成与上述管体210同等的重量。

参照图7。图7所示的辅助浮子22a具有水密地形成的外形为圆柱形状的密封箱体220a。在密封箱体220a内部的空间部221a,在密封箱体220a的内表面固定地设有将肋纵横交叉而成的增强肋225。并且,辅助浮子22a经由连结部件226安装在扬矿管21上。由此,赋予扬矿管21预定的浮力。

另外,通过在内部设置增强肋225,辅助浮子22a能够通过确保空间部来维持预定的浮力,即使在深海的高压下也不会压溃。

在本说明书和权利要求书中使用的术语和表达只不过是说明上的术语和表达,不是任何限定性的术语和表达,并不是要排除与在本说明书和权利要求书中记述的特征及其一部分等效的术语、表达。另外,在本发明的技术思想的范围内,能够实现各种变形方案自不言而喻。

附图标记的说明

s扬矿系统

1采掘单元,10作业船,11浮子,

12电力电缆,120电力电缆,

13海底作业机,130履带行驶机,

131挖掘机,132泥浆泵,

2扬矿单元,20主浮子,200密封箱体,

201空间部,201a上部空间部,201b下部空间部,

202通孔,203隔离构件,204注水排水泵,

205电池,206控制盘,

207gps接收机,208推进机,209空隙,

21扬矿管,210管体,211、212凸缘,

213内管,214外管,215空间部,

210a管体,211a、212a凸缘,213a内管,

214a外管,

22辅助浮子,220密封箱体,221空间部,

222通孔,

22a辅助浮子,220a密封箱体,221a空间部,

225增强肋,226连结部件,229空隙,

23中继管,24压力注入泵,240电力电缆,

241注入管,242浮子,243吊挂线,

25供给管,26电力电缆,27gps卫星,

28压缩螺旋弹簧,

3分选单元,30矿物处理船,31分选槽,

311旋转体,

32沉淀槽,320网筛,33蓄水槽,

330泵,331网筛,34集聚槽,340水轮机,

35排水管

5矿床,50粉碎矿物

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