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문제 정의
- 특히 석회석광산의 경우 내부의 침식작용이 활발하여 대상 암반에 공동이 존재하거나 또는 천공작업 시의 충격으로 발파공 내부가 확공 또는 파손되어 의도하지 않은 장약집중이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 일괄적으로 Air Deck 구간을 설정하여 적용하였던 사례와는 달리 최초 설계 단계에서부터 석회석 광산에서 흔히 천공벽내에 발생하는 공동(空洞)을 사전에 파악하여 그 구간에 대하여 Air Tube를 이용한 Air Deck층을 형성시키는 이중 분상 장약을 실시하였으며, 비교를 위하여 Air Deck 장전을 적용하지 않은 일반발파를 수행하였다. 제안된 Air Deck 발파공법의 유효성 검토는 발파효과, 파쇄도, 장약량 절감율 및 시공속도를 비교하여 수행되었다.
- 본 연구에서는 기존 사용되어지는 다양한 Air Deck 발파 공법 중 공내에서 기울어짐을 방지하기 위하여 자립형 에어튜브(Self Support Air Tube)로 Air Deck 구간(Air Gap)을 형성하였다. 자립형 에어튜브(Self Support Air Tube)는 기존 국내외에서 시공한 에어볼(Air Ball), 가스백(Gas Bag), Vari-Stem 및 Power Deck 공법의 시공성을 극복하기 위해 만든 것으로 대구경 공에서 탁월한 시공성 및 안정성을 가지는 것으로 알려져 있으며 그 모식도는 Fig.
제안 방법
- 1) 일반적으로 소할암의 기준은 30cm로 인정하나 본 실험부지에서는 겉보기 대괴의 조건으로 1.0m 이상 암괴를 관찰하였다.
- Air Deck 발파를 위하여 각각의 천공된 발파공에 장약 전 내시경을 삽입하여 각 내부를 관찰하였다. 관찰항목은 지하수 유무, 지하수위, 확공 확인, 동공의 유무 확인 등이며 기타 특이사항에 대하여 면밀히 검사하였다.
- 각 파쇄된 암석의 크기는 전반적으로 양호하였으며 일부 구간에서 매달려 있는 형태의 버럭이 관찰되었다. Fig. 14와 같이 나누어진 각 발파구간의 파쇄도를 분석하기 위하여 일정한 길이의 척도(Scale)을 파쇄석으로 이루어진 사면의 상, 하부에 위치시키고 2 point 파쇄도 분석을 실시하였다.
- 각 round 당 파쇄된 벤치의 형상을 이미지 프로세싱하여 각각의 파쇄정도 및 평균적인 파쇄입도를 구하였다. 이미지 프로세싱은 미국 Split Engineering社에서 개발된 Split DeskTop ver.
- 각 발파공에 대하여 장약작업은 장전차량 준비, 발파공 확인 및 검사(공 청소), 기폭제 삽입, 주장약, 장약 중간 검사, 장약완료 검사, 전색 순으로 이루어졌으며 에어데크차지의 경우 주장약 중간에 에어튜브 삽입, 에어튜브 삽입 후 검사, 재장약(이중기폭), 상부 에어튜브 삽입의 공정이 첨가되었다.
- Air Deck 발파를 위하여 각각의 천공된 발파공에 장약 전 내시경을 삽입하여 각 내부를 관찰하였다. 관찰항목은 지하수 유무, 지하수위, 확공 확인, 동공의 유무 확인 등이며 기타 특이사항에 대하여 면밀히 검사하였다. 관찰결과 예상했던 바와 같이 지하수 및 내부 동공이 발견되었으며 일부 공 내부에서 파손이 진행되어 확공된 모습이 발견되었다.
- 그리고 시험발파 bench Ⅱ에서는 일반발파 총 16공을 공당 87~100kg으로 각각 장약하였고 Air Deck 발파공은 총 14공으로 공당 75~80kg 장약하였다.
- 발파공에 대한 사전 내시경 관찰결과를 토대로 각 발파공의 취약부위를 판단하였고, 이러한 취약부는 HMX(HiMEX; Bulk Emulsion; 한화)를 대체하여 ANFO 장약, 또는 에어튜브를 이용하여 에어데크차지 함으로서 과장약을 방지하고 벤치 전체의 장전밀도를 동일하게 유도하였다. 확대공 또는 내부 공동이 존재할 시, 벌크 에멀젼 계열의 폭약은 액상(Gel)이므로 공벽을 따라 밀충전되는 경향이 있어 과장약을 피할 수 없다.
- 따라서 모든 석회광산에서는 천공 후 내시경을 삽입하고 발파공 내부 상태를 점검하는 시스템이 필요한데도 현실적으로는 이루어지지 않고 있다. 본 실험에서는 자체 제작된 발파공 내시경 촬영 시스템을 사용하여 각각의 발파공 내부를 영상촬영 하였고 그 결과를 이용하여 Air Deck의 위치를 조절하였다.
- 본 연구는 비교적 대규모 발파작업이 이루어지는 석회석 광산에서 기존 일반발파 방법과 Air Tube 를 이용한 이중 분상 Air Deck 발파 공법을 비교 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 현장에서는 각각의 벤치에 89~102 mmφ 비트로 89mmφ의 경우 15.0m, 102mmφ의 경우 17.0m 천공하였으며 각 벤치당 기존 발파 패턴 1회, Air Tube를 이용한 이중 분상 발파 패턴 1회씩 총 8회 발파 실험하였다.
- 시험발파 bench Ⅳ에서는 일반발파공이 14공으로 공당 120kg 장약하였고 Air Deck 발파공은 총 15공으로 공당 105kg을 장약하여 실험하였다.
- 각 round 당 파쇄된 벤치의 형상을 이미지 프로세싱하여 각각의 파쇄정도 및 평균적인 파쇄입도를 구하였다. 이미지 프로세싱은 미국 Split Engineering社에서 개발된 Split DeskTop ver.2.0으로 처리하였으며 신뢰도의 확보를 위해 동일 파쇄암군에 대하여 2 cut 이상의 이미지를 촬영하여 분석하였다.
- 이번 실험은 아래 Fig. 11과 같은 형상의 벤치를 선정하여 각 1/2 분할한 뒤 각각의 분할된 암반에 일반장약, Air Deck를 이용한 이중분상장약 하였으며 발파 상세 패턴은 다음의 Table 3에 나타내었다. 주요 관찰 사항은 천공경, 천공장, 상부/하부 장약량, 취약 지점의 위치, 수공의 존재 여부를 표시하였고 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 일괄적으로 Air Deck 구간을 설정하여 적용하였던 사례와는 달리 최초 설계 단계에서부터 석회석 광산에서 흔히 천공벽내에 발생하는 공동(空洞)을 사전에 파악하여 그 구간에 대하여 Air Tube를 이용한 Air Deck층을 형성시키는 이중 분상 장약을 실시하였으며, 비교를 위하여 Air Deck 장전을 적용하지 않은 일반발파를 수행하였다. 제안된 Air Deck 발파공법의 유효성 검토는 발파효과, 파쇄도, 장약량 절감율 및 시공속도를 비교하여 수행되었다.
- 천공이 이루어진 후 해당 발파공에 대하여 함몰된 두공을 제외하고 모두 장약작업이 이루어졌으며 장약 장전차량이 진입하여 해당 벤치의 모든 장약을 완료할 때까지의 시간을 측정하였다. 장약 중간에 장전차량의 화약 수령을 위하여 대기한 시간은 측정에서 제외하였으며 그 외 발파공이 불량하여 작업이 지체되거나 대기하는 시간은 작업의 일부로 판단할 수 있으므로 모두 포함하였다.
- 최초 발파공 상부의 주상장약장과 전색장 사이를 마게(Cap)로 막아 일차적으로 전색장을 줄이고 공내부 압력을 증대시켜 벤치발파에서의 파쇄도를 높임으로서 삿갓형태의 잔류석(Blasting Overhangs)을 방지하고자 사용되었다. 1971년 러시아의 Melnikov 와 Marchenko에 의해 제시되었으며 1979년 Melnikov가 공 내부의 빈 공간에서 작용되는 압력에 대해 정의하였다(1979, Melinkov et al,).
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3. 실험 현장
현장실험 위치는 성신양회(주) 단양공장의 기존의 일반 발파공법과 Air Deck 발파 공법을 서로 비교할 수 있는 인접부지로 두 개로 벤치로 결정하였다
. 각 단의 중간지점을 좌우로 분할하여 기존의 일반발파 공법과 이중 분상 Air Deck 발파 공법을 각각 적용하였으며 발파제원은 동일하게 설정하였다.
대상 데이터
- 모든 발파작업에 있어 주 폭약으로 bulk emulsion을, 취약부분에는 ANFO를 사용하였고 기폭약으로는 emulsion cartridge φ 50mm를 이용하였다.
- 본 실험현장은 Fig. 1과 같은 지형을 이루고 있으며 충북 단양 성신양회(주)의 석회석 광산에서 행해졌다. 단양지역의 지질은 지체 구조적으로 옥천대 중북부와 영남육괴에 걸쳐있으며 선캄브리아 시대에서부터 중생대에 이르기까지 다양한 퇴적층이 복잡하게 분포한다.
- 본 현장의 총 4개의 bench에서 시험발파를 실시하였으며 각 bench마다 Table 3에 나타낸 것과 같이 시험 bench Ⅰ발파에서는 기존의 일반 발파가 17공, Air Deck 발파공은 12공으로 하였으며 이때 일반발파에서의 공당 장약량은 약 125~140kg이었고 Air Deck 발파공은 공당 약 115~124kg이었다.
- 조사지역은 갑산층에 해당하며 암종은 석회석형 석회암으로 실험실내 시험에서 사용한 암석시료는 대표적인 암종을 얻기 위하여 표토를 제거한 후 풍화작용을 받지 않은 신성한 암반에서 부분적으로 채취하였다. 시험의 정밀도를 높이기 위하여 육안으로 절리가 보이지 않고, 충분한 크기의 코아(Core)를 얻을 수 있는 3개의 시료를 채취하였다.
- 조사지역은 갑산층에 해당하며 암종은 석회석형 석회암으로 실험실내 시험에서 사용한 암석시료는 대표적인 암종을 얻기 위하여 표토를 제거한 후 풍화작용을 받지 않은 신성한 암반에서 부분적으로 채취하였다. 시험의 정밀도를 높이기 위하여 육안으로 절리가 보이지 않고, 충분한 크기의 코아(Core)를 얻을 수 있는 3개의 시료를 채취하였다.
이론/모형
- 현장실험 위치는 성신양회(주) 단양공장의 기존의 일반 발파공법과 Air Deck 발파 공법을 서로 비교할 수 있는 인접부지로 두 개로 벤치로 결정하였다. 각 단의 중간지점을 좌우로 분할하여 기존의 일반발파 공법과 이중 분상 Air Deck 발파 공법을 각각 적용하였으며 발파제원은 동일하게 설정하였다. 파쇄도 분석을 위해 벤치 사면의 윤곽이 온전하게 나타나야 하므로 버럭처리가 완전히 이루어진 사면으로 설정하였으며 그 외 발파 대상암의 물리적 성질 외, 품위, 위치, 레벨 등은 실험 위치 선정시 고려대상에서 제외되었다.
성능/효과
- 1) 기존 일반발파 공법에 비해 이중 분상 Air Deck 발파 공법의 장약량은 평균 11.35% 감소되었다.
- 2) 실험 결과 이중 분상 Air Deck 발파 공법의 전반적인 파쇄도는 매우 양호한 수준이었으며 일반발파 공법과 대비하여 약 29.8% 파쇄입도가 감소하였다.
- 3) 이중 분상 Air Deck 발파 공법의 적용 시 벤치 상단부의 매달림 현상(Blasting Overhangs)이 현저히 줄어들었으며 전반적인 파쇄암의 이동정도가 약 20m~30m로 양호하게 나타났다. 일반 발파 공법 적용 시 발생빈도가 높은 상단부 매달림 현상과 일부구간의 과장약에서 기인한 것으로 보이는 과도한 비산현상은 이중 분상 Air Deck 발파 공법적용 시 나타나지 않았다.
- 4) 실험결과 1개 발파공에 대하여 Air Deck 발파공법은 평균적으로 약 2.67분이 추가 소요되는 것으로 나타났으며, 1 round 당 40공 내외의 발파임을 고려할 시 총 약 107분의 작업시간이 추가 소요되는 것으로 예상할 수 있다. 그러나 Air Deck 공법의 추가소요 시간은 어디까지나 장약 작업의 추가에 기인하는 것으로 장전차량의 대기 및 이동시간 외 발생되는 공사비용의 증가는 없는 것으로 나타났다.
- Table 7에서 나타난 것과 같이 총 4곳의 시험 벤치에서 기존 일반 발파의 평균입도는 176.65mm~388.15mm로 나타났으며, Air Deck 발파의 평균입도는 140.95mm~202.14mm로 나타나 파쇄도가 향상되었음을 알 수 있었고 최대입도도 기존 일반 발파는 554.71mm~1035.62mm로 나타났으나 Air Deck 발파의 경우에는 559.05mm~881.67mm로 나타나 최대 입도의 크기도 크게 감소하였다.
- 각각의 공법들은 장단점이 있으며, Air Deck 구간의 형성 시 가장 먼저 충족되어야 할 사항은 ‘설계된 위치’ 에 ‘설계된 길이’ 만큼 Air Deck 구간을 형성할 수 있는가 하는 것으로 자립형 에어튜브(Self Support Air Tube)와 가스백(Gas Bag)) 공법이 그 요구사항을 충족하였다.
- 기존에 설계된 본 현장의 일반발파 패턴에서는 전색장이 4.0m임에 비해 Air Deck 발파 공법의 전색장은 2.5m~3.0m로 장약장이 약 1.5m 자유면 방향으로 상승하였으나 내부 Air Decking 구간이 차지하는 비율이 2.5m로, 1.5m를 초과함으로 이와 같은 전체 장약량의 감소가 이루어졌다.
- 현지 암반에서 채취한 3개의 시료의 압축강도시험 결과는 1056.34Kg/cm2~1098.59Kg/cm2으로 나타났다.
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