선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나 천공기의 운용조건에 따라 달라지는 드릴비트 버튼의 타격 간격이 천공효율에 미치는 영향에 대해서 연구한 사례는 아직 조사된 바없다. 따라서 본 연구에서는 타격 속도 및 타격 간격에 따른 암석 파쇄량을 측정하고, 측정한 데이터로부터 비에너지를 산출하여 버튼의 최적 타격 간격 및 천공기의 최적 운용조건을 조사하였다.
- 이러한 홉킨스바 시험 장치는 충격 바의 발사장치, 입사바, 전달바, 완충바, 데이터 계측 시스템으로 구성된다(최미진 외, 2008, 양정훈 외, 2011). 본 연구에서는 드릴 비트의 버튼이 암석을 타격하는 현상을 모사하기 위하여 전북대의 홉킨스바 시험 장치를 일부 개조하여 활용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 암석 천공효율 조사를 위한 기초 데이터베이스 구축을 위해 홉킨스바 시험기를 이용한 단일 타격 및 다중 타격시험을 수행하였고, 수치해석을 통해 단일 버튼의 타격에 의한 암석의 파쇄과정을 모사하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 드릴 비트의 버튼이 암석을 타격하는 현상을 모사하기 위하여 전북대의 홉킨스바 시험 장치를 일부 개조하여 활용하였다. Fig. 4에서 보이는 바와 같이 입사바 끝단에 직경 10 mm의 버튼이 장착된 봉을 체결하여 비트 표면의 버튼을 모사하였으며, 전달바와 완충바 대신 암석 거치대를 설치하여 단일 버튼의 타격에 의한 암석의 파쇄 과정을 조사하였다. 암석의 타격시 발생한 충격파가 암석 시편 끝단 경계면에서 인장파로 반사되는 것을 최대한 방지하기 위하여 타격면 이외의 모든 경계면을 구속하였다.
- 각 버튼의 비에너지 추정치는 Table 2의 8 m/s의 타격간격 별비에너지 데이터를 활용하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다. 각 버튼의 비에너지 추정치를 활용하여 전체 버튼의 비에너지 평균값도출하였고, 도출한 평균값을 1회 타격시 드릴비트 전체의 천공성능으로 예측하였다(Fig. 17). 최외곽 버튼의 타격간격이 12～25 mm 까지는 평균 비에너지가 0.
- 천공기 운용조건에 따른 천공효율을 예측하기 위하여 버튼의 타격거리를 변화시키며 홉킨스바 타격시험을 수행하였다. 단일 타격 시험에서 파쇄된 암석이 다음 타격시험에 영향을 미치지 않을 정도의 간격을 도출하였고, 그 간격을 기준으로 속도 및 타격간격 별 시험을 수행하였다. 암석시편의 표면을 1차 타격한 후 설정된 거리만큼 시편을 이동시키고, 2차, 3차 타격을 계속 가하는 방식으로 시험을 진행하였다.
- 단일 타격시험(single blow test)에서 타격속도에 따른 암석의 천공효율을 분석하기 위하여 충격봉의 타격 속도를 증가시키며 암석시편을 타격하였고, 그 파쇄부피를 측정하였다. 측정한 데이터를 2차 함수로 회귀하여 Fig.
- 또한 본 연구에서 수행한 수치해석에서는 단일 타격 시험만을 모사하기 위하여 암반과 버튼을 2차원으로 모델링하였다. 이후 3차원 모델링 및 다중 타격 해석으로 발전시킨다면 천공시 암반 파쇄 메커니즘을 명확히 이해하는 데에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.
- 설정한 타격속도와 타격거리를 조합하여 3∼10회 타격 시험을 진행하였다.
- 단일 타격 시험에서 파쇄된 암석이 다음 타격시험에 영향을 미치지 않을 정도의 간격을 도출하였고, 그 간격을 기준으로 속도 및 타격간격 별 시험을 수행하였다. 암석시편의 표면을 1차 타격한 후 설정된 거리만큼 시편을 이동시키고, 2차, 3차 타격을 계속 가하는 방식으로 시험을 진행하였다. 충격봉의 타격속도는 각각 8, 10, 12 m/s로 설정하고, 버튼의 타격거리는 3, 6, 9, 12, 15, 20, 25, 30 mm로 설정하였다.
- 4에서 보이는 바와 같이 입사바 끝단에 직경 10 mm의 버튼이 장착된 봉을 체결하여 비트 표면의 버튼을 모사하였으며, 전달바와 완충바 대신 암석 거치대를 설치하여 단일 버튼의 타격에 의한 암석의 파쇄 과정을 조사하였다. 암석의 타격시 발생한 충격파가 암석 시편 끝단 경계면에서 인장파로 반사되는 것을 최대한 방지하기 위하여 타격면 이외의 모든 경계면을 구속하였다.
- 6에서 보이는 바와 같이 공압이 증가함에 따라 충격봉의 타격속도가 완만한 2차 함수형태로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 데이터를 기준으로 공압을 이용하여 충격봉의 타격 속도를 제어하면서 타격시험을 수행하였다.
- 좌측부터 우측까지 타격간격이 3∼30 mm인 조건이며, 타격간격이 20 mm 이상부터는 타격지점 간 균열이 원활히 연결되지 않는 것을 확인할 수 있다. 정량적인 분석을 위해 타격거리별 비에너지 변화를 조사하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타냈다. 충격봉의 타격속도가 8 m/s인 경우에는 타격 간격이 12 mm일 때 최적의 천공효율을 보이는 것으로 조사되었으며, 이는 8 m/s의 타격속도에서는 드릴비트 버튼의 타격간격이 12 mm 정도를 유지하도록 해야 천공작업이 효율적으로 이루어진다는 것을 의미한다.
- 천공기 운용조건에 따른 천공효율을 예측하기 위하여 버튼의 타격거리를 변화시키며 홉킨스바 타격시험을 수행하였다. 단일 타격 시험에서 파쇄된 암석이 다음 타격시험에 영향을 미치지 않을 정도의 간격을 도출하였고, 그 간격을 기준으로 속도 및 타격간격 별 시험을 수행하였다.
- 홉킨스바를 이용한 암석 타격시험을 수행하기 전 충격봉 발사장치에 입력된 공압에 따른 충격봉의 타격속도 변화를 조사하였다. 충격봉의 타격 속도를 측정하기 위하여 홉킨스바 시험기에서 충격봉이 지나가는 경로에 2개의 광센서를 설치하였으며, 충격봉이 지나가는 순간 빛이 차단되는 전기적 신호를 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 그 결과 Fig.
- 암석시편의 표면을 1차 타격한 후 설정된 거리만큼 시편을 이동시키고, 2차, 3차 타격을 계속 가하는 방식으로 시험을 진행하였다. 충격봉의 타격속도는 각각 8, 10, 12 m/s로 설정하고, 버튼의 타격거리는 3, 6, 9, 12, 15, 20, 25, 30 mm로 설정하였다. 설정한 타격속도와 타격거리를 조합하여 3∼10회 타격 시험을 진행하였다.
- 설정한 타격속도와 타격거리를 조합하여 3∼10회 타격 시험을 진행하였다. 타격시험 후 암석시편의 표면 전체를 레이저 스캐너로 측정하여 파쇄된 암석부피를 측정하였다. 시험조건과 결과를 Table 2에 정리하였으며, 여기서 drilled volume은 암석의 파쇄부피, impact energy는 타격에너지, SE는 비에너지이다.
- 홉킨스바 시험을 통한 타격 후 암석 파쇄량을 정량적으로 획득하고자 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 파쇄된 암석표면을 측정하였다. 본 측정 시스템은 laser beam을 측정 대상물에 조사시켜 대상물에 의해 산란된 빛을 CCD(Charge Coupled Device) array에 수집하고 3각측량법을 사용하여 점(point)으로 대상물의 표면을 표현하는 방식이다(Fig.
- 홉킨스바를 이용한 암석 타격시험을 수행하기 전 충격봉 발사장치에 입력된 공압에 따른 충격봉의 타격속도 변화를 조사하였다. 충격봉의 타격 속도를 측정하기 위하여 홉킨스바 시험기에서 충격봉이 지나가는 경로에 2개의 광센서를 설치하였으며, 충격봉이 지나가는 순간 빛이 차단되는 전기적 신호를 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 2와 같은 직경 102 mm 드릴비트가 암반을 1회 타격할 경우에 발생하는 각 버튼의 비에너지 추정치(SEP)를 도출하였다. 각 버튼의 비에너지 추정치는 Table 2의 8 m/s의 타격간격 별비에너지 데이터를 활용하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다. 각 버튼의 비에너지 추정치를 활용하여 전체 버튼의 비에너지 평균값도출하였고, 도출한 평균값을 1회 타격시 드릴비트 전체의 천공성능으로 예측하였다(Fig.
- 버튼은 4분원으로 생성하여 초기속도를 입력하였고, 암석의 가장자리에는 변위구속 및 응력파 투과 조건을 부여하였다. 버튼의 규격은 직경 10 mm의 반구형으로 홉킨스바 타격버튼과 동일한 치수이며 버튼의 재료모델은 ANSYS Material Library(Century Dynamics, 2003)의 텅스텐 합금으로 입력하였다. 암석시편은 반경 50 mm의 실린더형이며 외곽면에는 변위구속 조건 및 응력파 투과조건을 부여하였다.
- 천공기는 천공 방법에 따라 Rotary drilling, DTH, THD(Top hammer drilling) 방식으로 구분된다. 본 연구에서는 THD 방식을 사용하는 천공기를 기준으로 시험하였다. THD 방식을 사용하는 천공기의 붐(boom)은 일반적으로 드리프터, 익스텐션 로드(extension rod), 드릴 비트(drill bit)로 구성된다.
- 버튼의 규격은 직경 10 mm의 반구형으로 홉킨스바 타격버튼과 동일한 치수이며 버튼의 재료모델은 ANSYS Material Library(Century Dynamics, 2003)의 텅스텐 합금으로 입력하였다. 암석시편은 반경 50 mm의 실린더형이며 외곽면에는 변위구속 조건 및 응력파 투과조건을 부여하였다. 암반의 재료모델은 DruckerPrager 항복함수(Cho 외, 2010, 정호영 외, 2012)를 도입하여 황등화강암의 재료 특성을 구현하였다.
- 홉킨스바 타격시험에 사용된 암석은 전라북도 익산시 황등면에서 생산되는 황등화강암이며, 시편 크기는 200× 200×200 mm이고 기초 물성은 아래의 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 암석시편은 반경 50 mm의 실린더형이며 외곽면에는 변위구속 조건 및 응력파 투과조건을 부여하였다. 암반의 재료모델은 DruckerPrager 항복함수(Cho 외, 2010, 정호영 외, 2012)를 도입하여 황등화강암의 재료 특성을 구현하였다.
성능/효과
- Fig. 8에서 보이는 바와 같이 단일 타격시 타격속도가약 10～12 m/s의 범위일 때 최상의 천공 효율을 가짐을 알 수 있었고, 타격속도가 14 m/s를 초과했을 때는 오히려 천공효율이 낮아지는 것으로 조사되었다. 이 결과는 타격 속도가 14 m/s로 증가할 때 암석의 파쇄부피가 오히려 감소하는 결과가 도출되었기 때문이다(Fig.
- 충격봉의 타격 속도를 측정하기 위하여 홉킨스바 시험기에서 충격봉이 지나가는 경로에 2개의 광센서를 설치하였으며, 충격봉이 지나가는 순간 빛이 차단되는 전기적 신호를 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 그 결과 Fig. 6에서 보이는 바와 같이 공압이 증가함에 따라 충격봉의 타격속도가 완만한 2차 함수형태로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 데이터를 기준으로 공압을 이용하여 충격봉의 타격 속도를 제어하면서 타격시험을 수행하였다.
- 본 해석결과를 바탕으로 타격속도에 따른 수직방 향의 균열길이와 수평방향으로의 균열길이를 Table 3에 나타내었다. 그 결과, 수직 균열길이는 타격속도 증가에 따라 증가폭이 크지 않았으나 수평방향 균열길이는 타격속도의 증가에 따라 지속적으로 증가하는 양상을 보였다. 본 수치해석 결과에서도 타격 속도의 상승이 수평방향 균열의 확장에 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 단일 타격시험 결과를 바탕으로 드릴 비트 전체의 천공성능을 예측한 결과, 게이지 버튼의 타격간격이 12 mm에서 25 mm로 증가할 때까지 천공성능이 최적치로 유지되어 기존 문헌(Atlas Copco, 2006)과 상이한 예측 결과가 도출되었다. 이는 본 연구의 단일 타격시험의 시험조건의 한계점 때문인 것으로 판단되며 정확한 예측을 위해 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 수치해석 결과에서도 타격 속도의 상승이 수평방향 균열의 확장에 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 따라서 타격압 및 타격 속도에 따라 최적의 RPM을 유지하는 것이 천공작업의 효율성과 가장 밀접한 관계가 있는 것으로 확인되었다.
- 9 J/mm3 이상으로 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 본 결과에서는 최외각 게이지 버튼의 타격간격이 12 mm에서 25 mm로 증가할 때까지 천공성능이 최적치로 유지되는 것으로 예측되었다. 이 예측치는 Atlas Copco(2006)와 상이한 결과이다.
- 그 결과, 수직 균열길이는 타격속도 증가에 따라 증가폭이 크지 않았으나 수평방향 균열길이는 타격속도의 증가에 따라 지속적으로 증가하는 양상을 보였다. 본 수치해석 결과에서도 타격 속도의 상승이 수평방향 균열의 확장에 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 따라서 타격압 및 타격 속도에 따라 최적의 RPM을 유지하는 것이 천공작업의 효율성과 가장 밀접한 관계가 있는 것으로 확인되었다.
- 암석에 대한 타격시험 결과, 타격압이 증가함에 따라 최적 타격 간격도 증가함을 알 수 있었다. 본 연구에서 도출된 최적 타격간격은 충격봉의 타격속도가 8 m/s일때 12 mm, 10 m/s일 때 25 mm이다. 타격간격이 최적 간격으로 유지될 때 최상의 천공효율을 가지는 것을 확인하였다.
- Atlas Copco(2006)에 따르면 드릴비트의 회전은 최외각 버튼(gage button)이 10 mm 정도 간격으로 타격이 되도록 하는 것이 적절하다고 보고된 바 있다. 본 연구의 타격시험 결과(Fig. 9, 10)와 비교했을 때 국내현장에 사용 되는 THD 천공기의 드리프터는 본 홉킨스바 시험의 8 m/s에 해당하는 타격에너지를 배출하는 것으로 추측된다.
- 암석에 대한 타격시험 결과, 타격압이 증가함에 따라 최적 타격 간격도 증가함을 알 수 있었다. 본 연구에서 도출된 최적 타격간격은 충격봉의 타격속도가 8 m/s일때 12 mm, 10 m/s일 때 25 mm이다.
- 17). 최외곽 버튼의 타격간격이 12～25 mm 까지는 평균 비에너지가 0.42～0.45 J/mm3으로 비슷하지만, 타격 간격이 25 mm 이상에서는 0.9 J/mm3 이상으로 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 본 결과에서는 최외각 게이지 버튼의 타격간격이 12 mm에서 25 mm로 증가할 때까지 천공성능이 최적치로 유지되는 것으로 예측되었다.
- 10에 나타냈다. 충격봉의 타격속도가 8 m/s인 경우에는 타격 간격이 12 mm일 때 최적의 천공효율을 보이는 것으로 조사되었으며, 이는 8 m/s의 타격속도에서는 드릴비트 버튼의 타격간격이 12 mm 정도를 유지하도록 해야 천공작업이 효율적으로 이루어진다는 것을 의미한다.
- 13은 충격봉의 타격속도가 12 m/s일 때 파쇄된 암석표면의 형상을 보여주고 있다. 타격간격이 증가함에 따라 균열이 연결되지 않는 지점을 조사하고자 하였으나 시험 전 예측한 타격영역을 초과하여 25 mm 간격의 타격시험 시 인접한 타격시험 트랙(S: 20mm)까지 균열이 연결되는 현상이 나타났다. 두 지점의 간격이 약 30 mm 임을 감안하면 타격 간격이 30mm인 조건에서도 균열이 원활히 연결될 것으로 예측된다.
- 본 연구에서 도출된 최적 타격간격은 충격봉의 타격속도가 8 m/s일때 12 mm, 10 m/s일 때 25 mm이다. 타격간격이 최적 간격으로 유지될 때 최상의 천공효율을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 드리프터와 드릴비트의 사양 및 암반 조건에 따라 최적 운용조건을 제시한다면 천공기의 작업능력을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 타격을 수치해석으로 모사한 결과, 타격속도 증가에 따라 수평방향 균열의 길이가 증가하는 양상을 확인할 수 있었다. 수치해석 방법은 암석 타격시험 결과와 유사한 경향을 보이므로 천공시 암석 파쇄 경향을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 다중 타격을 모사한다면 일부 실험결과를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 결과적으로 본 예측결과(Fig. 17)는 단일 버튼을 이용한 타격시험 결과를 바탕으로 추정한 것이므로 실제 드릴비트 전체의 천공성능을 정확히 예측하기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 실제 천공작업에서는 초기 천공시점을 제외하고는 선행 타격에 의해 손상을 받은 암반을 지속적으로 타격하는 과정으로 천공 작업이 진행된다.
- 그리고 드릴비트의 버튼 배열을 살펴보면 가장 중앙에 위치한 버튼부터 최외곽에 위치한 게이지 버튼들까지 각각 4개의 동심원 트랙(track)을 그리며 타격하게 된다. 그러나 본 연구의 타격시험에서는 트랙 사이의 상호작용을 분석하지 못한 한계가 있으므로 이에 대한 추가적인 연구도 필요하다.
- 두 지점의 간격이 약 30 mm 임을 감안하면 타격 간격이 30mm인 조건에서도 균열이 원활히 연결될 것으로 예측된다. 따라서 12 m/s의 속도로 타격시험 시에는 타격시험에 영향을 미치지 않을 정도의 간격을 두고 추가시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 타격간격이 최적 간격으로 유지될 때 최상의 천공효율을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 드리프터와 드릴비트의 사양 및 암반 조건에 따라 최적 운용조건을 제시한다면 천공기의 작업능력을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 암종에 따른 타격에너지 및 타격간격 데이터를 축적한다면 천공시스템을 선진화하고 암종별 최적 운용조건을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
- 따라서 드리프터와 드릴비트의 사양 및 암반 조건에 따라 최적 운용조건을 제시한다면 천공기의 작업능력을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 암종에 따른 타격에너지 및 타격간격 데이터를 축적한다면 천공시스템을 선진화하고 암종별 최적 운용조건을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
- 타격을 수치해석으로 모사한 결과, 타격속도 증가에 따라 수평방향 균열의 길이가 증가하는 양상을 확인할 수 있었다. 수치해석 방법은 암석 타격시험 결과와 유사한 경향을 보이므로 천공시 암석 파쇄 경향을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 다중 타격을 모사한다면 일부 실험결과를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 7). 이 결과는 홉킨스바 타격시험 시스템의 타격바와 제작 버튼의 압축파 전달과정의 특성 때문인 것으로 판단되며, 정확한 이유에 대해서는 추가 실험 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 단일 타격시험 결과를 바탕으로 드릴 비트 전체의 천공성능을 예측한 결과, 게이지 버튼의 타격간격이 12 mm에서 25 mm로 증가할 때까지 천공성능이 최적치로 유지되어 기존 문헌(Atlas Copco, 2006)과 상이한 예측 결과가 도출되었다. 이는 본 연구의 단일 타격시험의 시험조건의 한계점 때문인 것으로 판단되며 정확한 예측을 위해 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 본 연구에서 수행한 수치해석에서는 단일 타격 시험만을 모사하기 위하여 암반과 버튼을 2차원으로 모델링하였다. 이후 3차원 모델링 및 다중 타격 해석으로 발전시킨다면 천공시 암반 파쇄 메커니즘을 명확히 이해하는 데에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.
- 향후 선행 천공에 의한 암석의 손상 영향을 규명하고, 버튼 트랙 사이의 상호작용을 고려한 타격시험이 수행 된다면 최적 천공 조건을 더욱 정확히 조사할 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.