로드헤더의 굴착 원리와 데이터베이스를 활용한 로드헤더 핵심 설계 항목의 통계분석 Excavation Mechanism of Roadheader and Statistical Analysis of its Key Design Parameters Based on Database원문보기
TBM을 적용하기 어려운 터널과 다양한 조건의 광산에서 기계 굴착장비인 로드헤더의 수요가 증가하고 있다. 하지만 우리나라에서 로드헤더의 적용 실적은 거의 전무하며, 일부 국가에서만 로드헤더의 설계 제작기술을 보유하고 있다. 따라서 본 연구에서는 로드헤더의 최적 선정과 설계를 위한 로드헤더의 굴착 원리 및 핵심설계항목들을 분석하였다. 또한 전 세계 143개의 로드헤더 설계 정보들을 데이터베이스화하고 로드헤더의 설계에 활용하기 위한 통계적인 상관관계들을 도출하였다. 마지막으로 데이터베이스에 기반하여 로드헤더를 설계하기 위한 절차를 제시하였다.
TBM을 적용하기 어려운 터널과 다양한 조건의 광산에서 기계 굴착장비인 로드헤더의 수요가 증가하고 있다. 하지만 우리나라에서 로드헤더의 적용 실적은 거의 전무하며, 일부 국가에서만 로드헤더의 설계 제작기술을 보유하고 있다. 따라서 본 연구에서는 로드헤더의 최적 선정과 설계를 위한 로드헤더의 굴착 원리 및 핵심설계항목들을 분석하였다. 또한 전 세계 143개의 로드헤더 설계 정보들을 데이터베이스화하고 로드헤더의 설계에 활용하기 위한 통계적인 상관관계들을 도출하였다. 마지막으로 데이터베이스에 기반하여 로드헤더를 설계하기 위한 절차를 제시하였다.
Nowadays, a roadheader as a mechanical excavator is in high demand, especially for mines under various conditions and tunnels where TBMs are inapplicable. However, the records of roadheaders in Korea are seldom reported. Moreover, the number of countries with their intrinsic design and manufacturing...
Nowadays, a roadheader as a mechanical excavator is in high demand, especially for mines under various conditions and tunnels where TBMs are inapplicable. However, the records of roadheaders in Korea are seldom reported. Moreover, the number of countries with their intrinsic design and manufacturing technologies of roadheaders is very limited. Therefore, this study aimed to analyse the excavation principles of roadheader as well as its key design parameters for its optimized selection and design. In addition, the database with 143 world-widely collected roadheader design data was built, and a few statistical correlations were derived from it. A schematic procedure for roadheader design based on the database was also proposed.
Nowadays, a roadheader as a mechanical excavator is in high demand, especially for mines under various conditions and tunnels where TBMs are inapplicable. However, the records of roadheaders in Korea are seldom reported. Moreover, the number of countries with their intrinsic design and manufacturing technologies of roadheaders is very limited. Therefore, this study aimed to analyse the excavation principles of roadheader as well as its key design parameters for its optimized selection and design. In addition, the database with 143 world-widely collected roadheader design data was built, and a few statistical correlations were derived from it. A schematic procedure for roadheader design based on the database was also proposed.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 로드헤더의 기초적인 설계 정보를 획득하기 위하여, 데이터베이스를 구축하고 자료들 간의 상관관계를 조사하고자 하였다. 본 연구에서 외국 12개 로드헤더 제작사의 각종 자료들로부터 수집한 로드헤더의 설계정보는 총 143개이다(Fig.
친환경적이고 안전한 암반 굴착을 위해 전 세계적으로 로드헤더의 적용이 증가하고 있으며 우리나라에 로드헤더와 관련된 기술 자료가 부족한 점을 고려하여 본 연구에서는 로드헤더의 최적 선정과 설계를 위한 로드헤더의 특징과 핵심 설계항목들을 분석하였다. 또한 본 연구에서 수집한 총 143개의 로드헤더 설계 정보들을 데이터베이스화하고 분석하여, 향후 로드헤더의 핵심 사양을 개략적으로 산출하는데 유용한 자료를 제공하고자 하였다.
본 연구에서는 부분단면 굴착기인 로드헤더의 굴착 원리와 주요 구성을 분석하였고, 특히 로드헤더의 성능을 좌우하는 커팅헤드와 암반 절삭도구인 픽커터의 선정 및 설계방법을 고찰하였다. 커팅헤드의 설계에 있어서 가장 중요한 픽커터의 간격은 TBM의 경우와 마찬가지로 최적의 커터 간격과 커터 관입깊이의 비율을 실험이나 예측식들을 통해 도출하게 된다.
친환경적이고 안전한 암반 굴착을 위해 전 세계적으로 로드헤더의 적용이 증가하고 있으며 우리나라에 로드헤더와 관련된 기술 자료가 부족한 점을 고려하여 본 연구에서는 로드헤더의 최적 선정과 설계를 위한 로드헤더의 특징과 핵심 설계항목들을 분석하였다. 또한 본 연구에서 수집한 총 143개의 로드헤더 설계 정보들을 데이터베이스화하고 분석하여, 향후 로드헤더의 핵심 사양을 개략적으로 산출하는데 유용한 자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
93으로서 비교적 양호한 상관관계들을 얻을 수 있었다. 또한 이와 같이 도출된 데이터베이스 기반의 상관관계들을 활용하는 로드헤더의 설계방법과 설계절차를 함께 제시하였다. 상관관계들로부터 로드헤더의 설계를 위한 입력자료를 도출하는 개념으로서, 최종적으로 커팅헤드의 설계와 픽커터의 작용력 산출을 통해 설계된 로드헤더의 적용성을 검증하는 절차로 구성하였다.
또한 이와 같이 도출된 데이터베이스 기반의 상관관계들을 활용하는 로드헤더의 설계방법과 설계절차를 함께 제시하였다. 상관관계들로부터 로드헤더의 설계를 위한 입력자료를 도출하는 개념으로서, 최종적으로 커팅헤드의 설계와 픽커터의 작용력 산출을 통해 설계된 로드헤더의 적용성을 검증하는 절차로 구성하였다.
13). 이상과 같은 커터 작용력으로부터 대상 암반을 굴착하기 위해 필요한 소요 추력, 토크 및 동력을 구할 수 있으며, 커팅헤드의 배열 설계 후에 커팅헤드의 회전에 따른 추력 및 토크의 변동을 파악하여 커팅헤드의 배열 설계가 균형 있게 이루어졌는지를 조사하게 된다.
대상 데이터
따라서 본 연구에서는 로드헤더의 기초적인 설계 정보를 획득하기 위하여, 데이터베이스를 구축하고 자료들 간의 상관관계를 조사하고자 하였다. 본 연구에서 외국 12개 로드헤더 제작사의 각종 자료들로부터 수집한 로드헤더의 설계정보는 총 143개이다(Fig. 18). 이와 같이 구축된 데이터베이스의 설계정보 항목은 Table 2와 같이 제작사 정보, 커팅헤드의 형식 등과 같은 일반적인 정보가 4개, 크기, 중량 등과 같이 장비 규격과 관련된 정보 4개, 커팅헤드 관련 정보 11개 및 동력 시스템 관련 정보 4개로 구성하였다.
이상과 같은 로드헤더의 설계와 굴착성능 예측방법에 대한 고찰 및 분석 결과, 로드헤더의 핵심 설계조건을 도출하는데 있어 경험적인 부분이 많이 포함되어 있는 것으로 파악되어 외국의 143개 로드헤더 설계 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축하였다. 데이터베이스를 바탕으로 2차원 통계분석을 실시하여 로드헤더 설계 정보들 사이의 7개 상관관계들을 분석한 결과, 최적의 회귀식들로부터 얻어진 결정계수는 0.
18). 이와 같이 구축된 데이터베이스의 설계정보 항목은 Table 2와 같이 제작사 정보, 커팅헤드의 형식 등과 같은 일반적인 정보가 4개, 크기, 중량 등과 같이 장비 규격과 관련된 정보 4개, 커팅헤드 관련 정보 11개 및 동력 시스템 관련 정보 4개로 구성하였다. 아직까지 로드헤더의 굴착성능과 관련된 정보는 데이터베이스에 포함되지 않았다.
성능/효과
이상과 같은 로드헤더의 설계와 굴착성능 예측방법에 대한 고찰 및 분석 결과, 로드헤더의 핵심 설계조건을 도출하는데 있어 경험적인 부분이 많이 포함되어 있는 것으로 파악되어 외국의 143개 로드헤더 설계 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축하였다. 데이터베이스를 바탕으로 2차원 통계분석을 실시하여 로드헤더 설계 정보들 사이의 7개 상관관계들을 분석한 결과, 최적의 회귀식들로부터 얻어진 결정계수는 0.74~0.93으로서 비교적 양호한 상관관계들을 얻을 수 있었다. 또한 이와 같이 도출된 데이터베이스 기반의 상관관계들을 활용하는 로드헤더의 설계방법과 설계절차를 함께 제시하였다.
19와 같이 비교적 양호한 상위 7개의 상관관계들을 도출하였다. 이 가운데, 커팅헤드의 직경과 커팅헤드의 최대 동력 사이의 결정계수가 0.93 으로서 가장 좋은 상관관계를 나타내었으며, 커팅헤드의 폭과 높이 그리고 커팅헤드의 토크 용량은 지수함수로 근사시킬 수 있었다. 본 연구에서 구축한 자료 개수 는 143개이지만 각 자료별로 Table 2와 같이 구분한 모든 설계정보 항목이 포함된 것은 아니기 때문에, 각 분석 항목별로 포함된 자료의 개수는 상이하다.
후속연구
향후에는 커팅 헤드의 상세 배열설계, 암반 조건에 따른 최적의 픽커터 간격과 관입깊이 등에 대한 후속 연구가 필요하다. 또한 데이터베이스의 신뢰성을 보다 높이기 위해서 추가적인 관련 자료의 수집 및 분석이 필요할 것으로 사료된다.
향후에는 로드헤더의 상세설계를 위해 필수적인 픽커터의 최적 간격과 관입깊이를 도출하는 방법과 데이터베이스의 신뢰성을 높이기 위한 추가적인 자료 수집 및 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
이상과 같이 본 연구에서 제시한 로드헤더의 설계과정은 기초적인 연구 단계로서, 경험적인 노하우가 크게 요구되는 로드헤더의 설계 조건들을 데이터베이스를 활용하는 개념을 소개한 것에 의의가 있다. 향후에는 커팅 헤드의 상세 배열설계, 암반 조건에 따른 최적의 픽커터 간격과 관입깊이 등에 대한 후속 연구가 필요하다. 또한 데이터베이스의 신뢰성을 보다 높이기 위해서 추가적인 관련 자료의 수집 및 분석이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로드헤더의 특징은 무엇인가?
앞서 언급한 바와 같이 로드헤더는 부분단면 굴착기 또는 자유단면 굴착기로 불리기도 하며, TBM과 달리 단면 형상에 따른 큰 제약이 없이 터널을 굴착할 수 있는 기계 굴착장비이다. 또한 로드헤더 전방에 장착되어 실제 암반을 굴착하는 커팅헤드에는 TBM의 디스크커터(disc cutter)와 달리 텅스텐 카바이드(tungsten carbide) 재료로 구성된 픽커터(pick cutter)가 사용된다는 특징이 있다(Copur 외, 1998).
기계 굴착장비인 로드헤더의 수요가 늘어나고 있는 곳은 어디인가?
TBM을 적용하기 어려운 터널과 다양한 조건의 광산에서 기계 굴착장비인 로드헤더의 수요가 증가하고 있다. 하지만 우리나라에서 로드헤더의 적용 실적은 거의 전무하며, 일부 국가에서만 로드헤더의 설계 제작기술을 보유하고 있다.
본 논문에서 수행한, 로드헤더의 굴착 원리와 주요 구성을 분석하고, 커팅헤드와 픽커터의 성정 및 설계방법을 고찰한 결과는 어떠한가?
이상과 같은 로드헤더의 설계와 굴착성능 예측방법에 대한 고찰 및 분석 결과, 로드헤더의 핵심 설계조건을 도출하는데 있어 경험적인 부분이 많이 포함되어 있는 것으로 파악되어 외국의 143개 로드헤더 설계 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축하였다. 데이터베이스를 바탕으로 2차원 통계분석을 실시하여 로드헤더 설계 정보들 사이의 7개 상관관계들을 분석한 결과, 최적의 회귀식들로부터 얻어진 결정계수는 0.74~0.93으로서 비교적 양호한 상관관계들을 얻을 수 있었다. 또한 이와 같이 도출된 데이터베이스 기반의 상관관계들을 활용하는 로드헤더의 설계방법과 설계절차를 함께 제시하였다. 상관관계들로부터 로드헤더의 설계를 위한 입력자료를 도출하는 개념으로서, 최종적으로 커팅헤드의 설계와 픽커터의 작용력 산출을 통해 설계된 로드헤더의 적용성을 검증하는 절차로 구성하였다.
참고문헌 (18)
Balci, C. and N. Bilgin, 2007, Correlative study of linear small and full-scale rock cutting tests to select mechanized excavation machines, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 44, 468-476.
Bilgin, N., S. Yazici, S. Eskikaya, 1996, A model to predict the performance of roadheaders and impact hammers in tunnel drivages, Proceedings of Eurock '96, A.A Balkema, 715-720.
Copur, H., L. Ozdemir, J. Rostami, 1998, Roadheader applications in mining and tunneling, Mining Engineering, Vol. 50, 38-42.
Hekimoglu, O.Z., 1984, Studies in the excavation of selected rock materials with mechanical tools, Ph.D. Thesis, Newcastle Upon Tyne, United Kingdom.
McFeat-Smith, I., R.J. Fowel, 1977, Correlation of rock properties and the cutting performance of tunneling machines, Proceedings of Conference on Rock Engineering, Newcastle Upon Tyne, United Kingdom, 581-602.
Ocak, I. and N. Bilgin, 2010, Comparative studies on the performance of a roadheader, impact hammer and drilling and blasting method in the excavation of metro station tunnels in Istanbul, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 25, 181-187.
Pichler, J., 2011, Mechanical excavation of tunnels with Roadheaders, Lecture note, Post graduate master course - Tunnelling and Tunnel Boring Machine, Politecnico Di Torino, 1-78.
Rostami, J., 2013, Cutterhead Design Procedures and Performance Evaluations for Roadheader, Final report submitted to Korea Institute of Construction Technology, August 2013, Jamal Rostami Engineering Services LLC.
Rostami, J., 2011, Section 7.1 Rock Breakage, Mechanical, Mining Engineering Handbook, Society of Mining, Metallurgy, and Exploration Engineering Inc (SME).
Rostami, J., L. Ozdemir, D.M. Neil, 1994a, Application of Heavy Duty Roadheaders for Underground Development of the Yucca Mountain Exploratory Study Facility, High level radioactive waste management, Proceedings of the 5th Annual international conference, Vol. 2, 395-402.
Rostami, J., L. Ozdemir, D. Neil, 1994b, Performance prediction: A key issue in mechanical hard rock mining. Mining Engineering, November 1994, 1264-1267.
Sandvik, 2010, Mineral Ground Tools - Mining, Product Catalog, http://www.miningandconstruction.sandvik.com.
Sandvik, 1999, Rock excavation handbook for civil engineering, 254-265.
Tatiya, R.R., 2005, Surface and Underground Excavations-Methods, Techniques and Equipment, A.A. Balkema, 237-244.
Thuro, K., R.J. Plinninger, 1999, Roadheader excavation performance-geological and geotechnical influences, Proceedings of the 9th ISRM Congress, Paris, 1241-1244.
Thuro, K. and R.J. Plinninger, 1998, Geological limits in roadheader excavation-Four case studies, Proceedings of the 8th International IAEG Congress, 3545-3552.
Tunnel Business Magazine, 2011, Roadheaders in Hard Rock-East Side Access Among North American Projects Employing Roadheader Technology, February 2011, 20-21.
West, G., 1988, Innovation and the Rise of the Tunnelling Industry, Cambridge University Press, 260-262.
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