[논문]구리광산에 적용된 부분단면굴착기용 국산 코니컬 픽커터의 성능평가 연구

최순욱; 장수호; 이철호; 이규필; 배영환; 하태욱

doi:10.7474/tus.2015.25.6.496

초록
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로드헤더는 커팅헤드에 픽커터를 설치하여 지반을 굴착하는 장비이다. 픽커터는 일반적으로 코니컬타입을 사용하며, 코니컬 픽커터는 선단부에 마모에 강한 텅스텐카바이드 팁을 사용하여 커터의 소모를 감소시키는 굴착 도구이다. 본 연구에서는 구리광산의 망토와 역암으로 구성된 복합지반을 대상으로 로드헤더 커팅헤드에 3종류의 코니컬 픽커터를 사용하여 내구성능을 살펴보았다. 현장적용 후, 픽커터의 육안조사와 중량감소율 측정, 그리고 CT 및 SEM을 이용한 내 외부 균열조사를 수행한 결과, 하드페이싱으로 보강한 코니컬 픽커터의 내구성능이 가장 우수하였으며, 각 코니컬 픽커터의 내 외부에서는 현장적용 전과 후 모두에서 매크로 크랙 및 미세균열을 발견할 수 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Roadheader that excavates ground using pick cutters installed on the cutting head is one of the partial-face machines. A conical cutter among pick cutters is excavation tool decreasing the loss of cutter using tungsten carbide insert at the tip of the cutter and it has been widely used in the roadhe...

Roadheader that excavates ground using pick cutters installed on the cutting head is one of the partial-face machines. A conical cutter among pick cutters is excavation tool decreasing the loss of cutter using tungsten carbide insert at the tip of the cutter and it has been widely used in the roadheaders. In this study, durability performance for three kinds of conical cutters was evaluated in copper mines composed of Manto and conglomerate. After field test, the visual inspection as well as the weight loss measurement of pick cutters was carried out to investigate the damage of pick cutters. In addition, CT scan and SEM were performed to check whether or not crack and apertures in pick cutters. As results, the conical cutter with hardfacing was evaluated as having the best durability performance and it was unable to find cracks in all cutters investigated.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드에 장착되어 지반을 굴착할 수 있는 3종류의 코니컬커터를 구리 광산의 복합지반에 적용하여 성능을 평가하였다. 코니컬커터는 로드헤더 장비 선정 시 선택된 국외 제품 1종과 동일경도의 국산제품 1종 그리고 텅스텐카바이드 팁 부분을 보강한 국산 제품 1종을 Antraquip H-150 로드헤더의 횡방향 커팅헤드(transverse type)에 적용하였다.
본 연구에서는 볼레오 광산 현장에서 기존에 사용하고 있는 SANDVIK의 코니컬커터 제품 1종(S), 기존 현장제품과 유사한 형상을 가진 국산 코니컬커터 제품 1종(#1), 그리고 #1 제품에 내마모성 향상을 위해 하드페이싱(hardfacing)을 부가한 제품 1종(#2)을 같은 조건에서 비교하여 커터의 내구성을 측정해 보고자 하였다(Fig. 4).
본 연구에서는 코니컬커터의 현장적용 후 표면과 내부의 균열(macro crack), 그리고 미세균열(micro crack)의 발생여부를 조사하기 위하여 X-ray 단층촬영(CT; Computed Tomography)과 전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)분석을 실시하였다.

제안 방법

CT이미지분석과 더불어 코니컬커터의 내부 및 표면에서의 미세균열을 조사하기 위하여 SEM분석을 실시하였다. SEM이미지는 SNE-3000M장비를 사용하여 촬영하였고 해상도(resolution)는 1.
CT이미지분석과 더불어 코니컬커터의 내부 및 표면에서의 미세균열을 조사하기 위하여 SEM분석을 실시하였다. SEM이미지는 SNE-3000M장비를 사용하여 촬영하였고 해상도(resolution)는 1.0 nm(15 kV)이며, 배율(magnification)은 100, 300, 700배로 하였다. SEM이미지촬영을 위한 시험편은 현장적용 전과 후의 코니컬커터(S제품과 #2제품)로부터 Fig.
동일한 조건에서 조사를 실시하기 위해 작업 전 사용하던 모든 코니컬커터를 제거하고 3.2절의 배치방법에 따라서 로드헤더 커팅헤드에 코니컬커터를 배치한 다음, 망토와 역암이 혼재되어 있는 볼레오 광산 M303C의 1번 주운반갱도 막장에서 코니컬커터의 현장적용을 실시하였다. 로드헤더 운용시간은 24시간으로 동일하며, 24시간 이후 전량 회수하여 육안조사를 실시하였다.
2절의 배치방법에 따라서 로드헤더 커팅헤드에 코니컬커터를 배치한 다음, 망토와 역암이 혼재되어 있는 볼레오 광산 M303C의 1번 주운반갱도 막장에서 코니컬커터의 현장적용을 실시하였다. 로드헤더 운용시간은 24시간으로 동일하며, 24시간 이후 전량 회수하여 육안조사를 실시하였다.
6a). 막장에서는 커팅헤드가 토사로 덮여 있는 관계로 정확한 픽커터의 손상 및 파손 정도를 육안으로 확인하기가 어려웠으므로, 모든 픽커터를 외부로 반출하여 조사를 수행하였다(Fig. 6b).
본 연구에서는 복합지반으로 구성된 구리광산에 코니컬커터 3종류를 현장적용한 후 커터의 손상 및 마모와 같은 내구성능을 평가하였다. 육안조사와 중량감소율을 측정한 결과, #2제품, #1제품, S제품 순으로 내구성이 좋은 것으로 조사되었다.
10은 각 코니컬커터 제품별 CT촬영된 이미지의 예이다. 코니컬커터 제품별로 각각 4개씩 CT촬영을 수행하였으며, CT촬영이미지분석에서는 0.26 mm 픽셀 크기 이상의 균열을 조사하였다. 이미지분석결과, 내부 및 외부의 균열은 없는 것으로 조사되었다.

대상 데이터

0 nm(15 kV)이며, 배율(magnification)은 100, 300, 700배로 하였다. SEM이미지촬영을 위한 시험편은 현장적용 전과 후의 코니컬커터(S제품과 #2제품)로부터 Fig. 12와 같이 텅스텐카바이드 팁 부분과 두부의 중앙부에서 시험편을 채취하여 사용하였다.
동일한 조건에서, 현장에서 기존에 사용하는 제품(S)과 국산 코니컬커터(#1, #2)를 비교하기 위해 Antraquip사(H-150)의 로드헤더 횡방향 커팅헤드(Fig. 2) 좌측 드럼에 S제품 20개와 #1제품 19개를 설치하고 우측 드럼에는 마찬가지로 S제품 20개와 #2제품 19개를 설치하였다. 각 코니컬커터 제품들은 회수 시 구분을 위해 락카스프레이를 이용하여 S제품은 흰색, #1제품은 노란색, #2제품은 분홍색으로 색상 차이를 두었다(Fig.
본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드에 설치되는 코니컬커터의 성능을 평가하기 위해 멕시코 산타로살리오 지방의 볼레오 광산(Boleo mines)에서 활용하고 있는 Antraquip H-150 로드헤더(Fig. 1)를 사용하였다. 사용된 로드헤더는 횡방향 커팅헤드 방식(transverse type cutting head)이며, 드럼 양측에 39개씩 총 78개의 픽커터 홀더(holder)가 3열의 나선형으로 배열된 구조이다(Fig.
3). 본 연구에서는 복합암반 막장의 특징을 보이고 있는 M303C 광산 내 1번 주운반갱도를 대상으로 하였다.
1)를 사용하였다. 사용된 로드헤더는 횡방향 커팅헤드 방식(transverse type cutting head)이며, 드럼 양측에 39개씩 총 78개의 픽커터 홀더(holder)가 3열의 나선형으로 배열된 구조이다(Fig. 2).
본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드에 장착되어 지반을 굴착할 수 있는 3종류의 코니컬커터를 구리 광산의 복합지반에 적용하여 성능을 평가하였다. 코니컬커터는 로드헤더 장비 선정 시 선택된 국외 제품 1종과 동일경도의 국산제품 1종 그리고 텅스텐카바이드 팁 부분을 보강한 국산 제품 1종을 Antraquip H-150 로드헤더의 횡방향 커팅헤드(transverse type)에 적용하였다.

성능/효과

7b는 굴착작업 후 회수한 코니컬커터들이다. Fig. 7a와 Fig. 7b 모두에서 SANDVIK의 S제품이 #1과 #2의 제품에 비해 텅스텐카바이드 팁의 손실이 많이 나타났으며, 마모손실이 크게 나타났다. 또한 #1에 비해 #2제품의 손실량이 더 작게 나타났다.
Table 4는 텅스텐카바이드를 포함한 코니컬커터 두부에서의 손실을 정량적으로 평가하기 위하여 현장적용 전과 후의 코니컬커터 중량차이를 측정한 것이다. 각 제품들의 중량손실율은 S제품이 9%, #1제품이 5%, #2제품이 3%로써 하드페이싱으로 보강한 #2제품이 가장 내구성이 좋은 것으로 나타났다(Fig. 8).
위 결과들은 연결부 주변이 보강된 코니컬커터를 사용할 경우 커터의 수명연장으로 인한 비용절감과 교체 주기 감소로 인한 장비 운용시간 증가 및 교체에 필요한 인력감소에서 효과적임을 보여주었다. 또한 보강된 코니컬커터는 기존 코니컬커터 대비 약 20~30%의 작업시간 절감이 가능할 것으로 판단된다.
위 결과들은 연결부 주변이 보강된 코니컬커터를 사용할 경우 커터의 수명연장으로 인한 비용절감과 교체 주기 감소로 인한 장비 운용시간 증가 및 교체에 필요한 인력감소에서 효과적임을 보여주었다. 또한 보강된 코니컬커터는 기존 코니컬커터 대비 약 20~30%의 작업시간 절감이 가능할 것으로 판단된다.
코니컬커터의 두부와 텅스텐카바이드 팁의 연결부에서의 공극은 국내·외 제품 모두에서 나타났으며 일부 제품에 대해서 조사한 결과이지만, 공극크기는 국산제품인 #1과 #2제품이 S제품보다 더 크게 나타났다.
회수된 코니컬커터들을 육안조사한 결과, 커팅헤드 좌측과 우측 코니컬커터들의 마모상태가 유사하여 위치에 따른 차이는 없는 것으로 판단되었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로드헤더의 장점은?	로드헤더는 쉽고 빠르게 굴착단면의 크기와 형상을 조절할 수 있기 때문에 광산과 터널, 그리고 수갱굴하 (shaft sinking)에서 전 세계적으로 널리 활용되고 있다. 로드헤더의 굴착대상 지반의 강도는 픽커터의 절삭성능과 내마모성의 한계로 인해 압축강도가 100 MPa 이하인 연암 또는 보통암에서 효과적인 것으로 알려져 있지만, 근래에는 120 MPa 이상의 경암을 대상으로 하는 로드헤더가 제작되고 있다(Rostami et al.
	로드헤더란?	로드헤더(roadheader)는 장비 전방에 장착된 커팅헤드(cutting head)에 다수의 픽커터(pick cutter)를 배열하여 회전시킴으로써 암반 또는 콘크리트를 굴착하는 장비이다. 이 장비는 자유단면 굴착기 또는 부분단면 굴착기(partial-face machine)로 불리는데 TBM(Tunnel Boring Machine)과 같은 전단면 굴착기(full-face machine)에 비해 굴착단면의 형상을 구현하는 데 자유롭기 때문이다.
	로드헤더가 자유단면 굴착기 또는 부분단면 굴착기로 불리는 이유는?	로드헤더(roadheader)는 장비 전방에 장착된 커팅헤드(cutting head)에 다수의 픽커터(pick cutter)를 배열하여 회전시킴으로써 암반 또는 콘크리트를 굴착하는 장비이다. 이 장비는 자유단면 굴착기 또는 부분단면 굴착기(partial-face machine)로 불리는데 TBM(Tunnel Boring Machine)과 같은 전단면 굴착기(full-face machine)에 비해 굴착단면의 형상을 구현하는 데 자유롭기 때문이다.

참고문헌 (8)

Balci, C., Demircin, M. A., Copur, H., Tuncdemir, H. (2004), "Estimation of optimum specific energy based on rock properties for assessment of roadheader performance.", The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, December 2004, pp. 633-642.
Bilgin, N., Kuzu, C., Eskikaya, S. (1997), "Cutting performance of rock hammers and roadheaders in Istanbul Metro drivages.", Proceedings, Word Tunnel Congress'97, Tunnels for People, Balkema, pp. 455-460.
Choi, S.W., Chang, S.H., Lee, G.P., Park, Y.T. (2014a), "Performance estimation of conical picks with slim design by the linear cutting test (I): depending on attack angle variation.", J of Korean Tunn Undergr. Sp. Assoc., Vol. 16, No. 6, pp. 573-584.

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Choi, S.W., Chang, S.H., Lee, G.P., Park, Y.T. (2014b), "Performance estimation of conical picks with slim design by the linear cutting test (II): depending on skew angle variation.", J of Korean Tunn Undergr. Sp. Assoc., Vol. 16, No. 6, pp. 585-597.

원문보기 상세보기
Copur, H., Balci, C., Tumac, D., Bilgin, N. (2011), "Field and laboratory studies on natural stones leading to empirical performance prediction of chain saw machines.", International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 48, pp. 269-282.

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Park, Y.T., Choi, S.W., Park, J.H., Lee, C.H., Chang, S.H. (2013), "Excavation Mechanism of Roadheader and Statistical Analysis of its Key Design Parameters Based on Database.", Tunnel & Underground Space, Vol. 23, No. 5, pp. 428-441.

원문보기 상세보기
Rostami, J., Ozdemir, L., Neil, D.M. (1994), "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.
SANDVIK (2012), Tunneling Roadheader MT720 Hard Rock, MT720 Brochure, mining.sandvik.com

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