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문제 정의
- 본 연구는 산성수에 침수된 상태로 지반의 하중을 받고 있는 폐광산 암반의 물성 변화를 추정하기 위한 다양한 실내 실험을 수행하였다. 실험에서는 암석에 pH 및 하중 조건을 부여한 후, 조건에 따른 유효공극률, 탄성파 속도, 열전도도, 인장강도의 물성 변화를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 pH 및 하중조건에 따른 암석의 유효공극률 변화를 관찰하였다. 20 MPa 및 30 MPa의 하중에서 pH2, 3, 4의 산성수에 침수된 암석의 공극률은 Table 4의 결과와 같이 모두 증가하였다.
- 본 연구에서는 산성수에 침수된 암석에 일축 압축 하중을 가하여 폐광산 내부 산성수에 침수된 심부 암석의 환경을 모사하였다. pH 및 하중조건에 따른 암석 물성을 관찰함으로써 화학·역학적 복합 영향에 의한 암석 물성 변화를 예측하였다.
- pH 및 하중조건 부여 후 암석 시료를 절단하여 물성 변화를 측정하였다. 이를 통해 동일한 하중을 받는 경우, 산성수에 침수에 따른 암석의 물성변화를 파악하고자 하였다.
가설 설정
- 또한 pH4의 산성수에 침수된 암석에 40 MPa의 일정한 하중이 가해질 때는 파괴가 발생하지 않았다(Table 5). 하중에 의한 균열개시응력은 암질, 풍화 정도 등에 따라 다양하게 나타나지만, 본 연구에서는 파괴 강도의 약 40%에 해당하는 40 MPa로 가정하였다. 암석 내 하중에 의해 균열이 발생되면, 암석과 산성수 사이의 접촉 면적이 증가된다.
제안 방법
- 4와 같이 하부 절반이 산성수에 침수된 채로 Creep 시험기를 이용하여 일정한 일축 압축을 받았으며, 암석 물성이 변화되는 충분한 시간을 제공하기 위해 3일 동안 실험을 수행하였다. pH 및 하중조건 부여 후 암석 시료를 절단하여 물성 변화를 측정하였다. 이를 통해 동일한 하중을 받는 경우, 산성수에 침수에 따른 암석의 물성변화를 파악하고자 하였다.
- pH 및 하중조건에 따른 암석 물성을 관찰함으로써 화학·역학적 복합 영향에 의한 암석 물성 변화를 예측하였다.
- 본 연구에서는 산성수 침수 및 하중조건 실험 전후 암석 시료의 건조포화 상태에서 열전도도를 측정하였다. 실험 후 pH 및 하중조건이 열전도도에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험 전 암석의 평균 건조포화 열전도도를 측정하였다.
- 산성수 및 하중조건이 암석에 미치는 영향을 파악하기 위해 pH 및 하중변화에 따른 암석 물성을 측정하였다. 실험 결과, 일정한 하중이 가해진 암석에서 침수시킨 산성수의 pH가 감소함에 따라 공극률의 변화는 증가하고 탄성파 속도 및 열전도도는 감소하는 경향을 보였다(Fig.
- 산성수는 HCl을 사용하였으며, Shon 등(2004)의 연구사례를 참고하여 산성수 침수를 마친 후 암석 표면에 침전된 염을 제거하기 위해 암석 시료를 증류수로 세척하였다. 실험에 사용된 수조는 실험 기간 동안 산성수와 화학반응을 하지 않고, 실험 조건의 하중을 견딜 수 있는 Stainless steel 316 재질로 제작하여 실험에 사용하였다.
- 탄성파 속도는 산성수 침수 및 하중조건 실험 전후 암석의 건조포화 상태에서 측정하였다. 실험 후 pH 및 하중 조건이 탄성파 속도에 미치는 영향을 알기 위해 초기 물성 조사에서 측정된 암석의 평균 건조 탄성파 속도(5015 m/s)와 비교하였다. pH2의 산성수에 침수된 상태로 20 MPa 및 30 MPa의 하중을 받은 암석에서 탄성파 속도는 각각 4391 m/s, 4487 m/s로 실험 후 감소한 것을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 산성수 침수 및 하중조건 실험 전후 암석 시료의 건조포화 상태에서 열전도도를 측정하였다. 실험 후 pH 및 하중조건이 열전도도에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험 전 암석의 평균 건조포화 열전도도를 측정하였다. 측정된 실험 전 암석의 건조 열전도도는 2.
- 본 연구는 산성수에 침수된 상태로 지반의 하중을 받고 있는 폐광산 암반의 물성 변화를 추정하기 위한 다양한 실내 실험을 수행하였다. 실험에서는 암석에 pH 및 하중 조건을 부여한 후, 조건에 따른 유효공극률, 탄성파 속도, 열전도도, 인장강도의 물성 변화를 관찰하였다. 실험을 통해 얻어진 주요 결론들은 다음과 같다.
- 7은 산성수 침수 및 하중조건 부여 후 pH에 따른 건조포화 열전도도를 나타낸다. 일정한 하중이 가해진 암석에서 침수시킨 산성수의 pH가 감소됨에 따라 열전도도가 낮아지는 경향을 관찰하였다. 또한 동일한 pH의 산성수에 침수된 암석에서 가해진 하중이 증가함에 따라 열전도도가 높아지는 것을 확인하였다.
- 16 W/mK으로 나타났다. 일축압축강도는 3개의 시추공에서 각 2회씩 총 6회 측정되었으며, 평균 95.2 MPa로 측정되었다. 간접인장시험을 통해 측정된 평균인장강도는 17.
- 3의 연구절차에 따라 암석 시료 준비 및 초기 물성 측정 후, 산성수 침수 및 하중조건에서의 실험을 실시하였다. 초기 물성이 측정된 암석시료는 Fig. 4와 같이 하부 절반이 산성수에 침수된 채로 Creep 시험기를 이용하여 일정한 일축 압축을 받았으며, 암석 물성이 변화되는 충분한 시간을 제공하기 위해 3일 동안 실험을 수행하였다. pH 및 하중조건 부여 후 암석 시료를 절단하여 물성 변화를 측정하였다.
- 탄성파 속도는 산성수 침수 및 하중조건 실험 전후 암석의 건조포화 상태에서 측정하였다. 실험 후 pH 및 하중 조건이 탄성파 속도에 미치는 영향을 알기 위해 초기 물성 조사에서 측정된 암석의 평균 건조 탄성파 속도(5015 m/s)와 비교하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 금, 은, 동, 아연 등의 금속광산으로 사용되었던 국내 ○○광산에서 제공받은 암석코어를 실험에 사용하였다. 실험시료는 편암 및 석회규산염암으로 Table 2는 암석시료를 XRF(X-Ray Fluorescence)시험을 통해 화학분석을 수행한 결과를 보여준다.
- 본 연구에서는 금, 은, 동, 아연 등의 금속광산으로 사용되었던 국내 ○○광산에서 제공받은 암석코어를 실험에 사용하였다. 실험시료는 편암 및 석회규산염암으로 Table 2는 암석시료를 XRF(X-Ray Fluorescence)시험을 통해 화학분석을 수행한 결과를 보여준다. 암석 내에 산성수와 반응을 하는 원소인 Ca, Fe를 포함한 CaO와 Fe2O3가 약 70% 포함되어 있으며, SiO2 성분은 약 20% 내외로 존재함을 알 수 있다.
- 산성수는 HCl을 사용하였으며, Shon 등(2004)의 연구사례를 참고하여 산성수 침수를 마친 후 암석 표면에 침전된 염을 제거하기 위해 암석 시료를 증류수로 세척하였다. 실험에 사용된 수조는 실험 기간 동안 산성수와 화학반응을 하지 않고, 실험 조건의 하중을 견딜 수 있는 Stainless steel 316 재질로 제작하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 산성수 침수 및 하중을 가하기 전·후, 실험 시료의 유효공극률, 탄성파 속도, 열전도도, 일축압축강도, 인장 강도를 KSRM(2005, 2006)에서 제시하는 표준시험방법을 통해 측정하였다.
성능/효과
- 1. 일정한 하중을 받는 암석에서 침수시킨 산성수의 pH가 감소할 때, 공극률 변화 증가, 탄성파 속도 및 열전도도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 산성수의 pH감소에 따른 암석의 용해량 증가가 원인으로 판단된다.
- 2. 일정한 pH의 산성수에 침수된 암석에서 작용하는 하중이 증가함에 따라 공극률 변화 감소, 탄성파 속도 및 열전도도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 균열개시 응력 이하의 하중 영역에서는, 하중이 증가함에 따라 암석 내 화학반응 영역 감소 및 이에 따른 암석 용해량 감소가 원인으로 판단된다.
- 3. 하중에 의한 균열 발생이 예상되는 하중에서 pH2의 산성수에 침수된 암석은 파괴가 발생하였고, pH4의 산성수에 침수된 암석에서는 파괴가 발생하지 않았다. 균열 발생이 가능한 하중에서는 침수시킨 산성수의 pH가 낮아짐에 따라 균열 발전 속도가 증가였기 때문으로 판단된다.
- 8은 산성수에 침수된 상태로 일정한 하중을 받은 암석에서 산성수의 pH가 변화에 따른 인장강도의 변화를 보여준다. 30 MPa의 하중을 받은 암석이 pH3 및 4의 산성수에서 20 MPa의 하중을 받은 암석 보다 인장 강도가 낮게 나타났다. 또한 pH2의 산성수에 침수된 암석에서는 20 MPa 하중 조건에서 30 MPa의 하중조건과 비교하여 작은 차이지만 낮은 인장강도 값을 보였다.
- 16 W/mK로 측정되었다. pH 및 하중조건 실험 후, 열전도도는 pH3 및 30MPa의 실험 조건을 제외한 5가지(20MPa-pH2, 3, 4 및 30MPa-pH2, 4) 실험 조건에서 초기 열전도도에 비해 감소하였다(Table 4). 실험 후 열전도도가 초기 열전도도에 비해 증가한 pH3 및 30 MPa 실험 조건의 암석 시료를 관찰한 결과, 암석시료에서 기존의 실험 시료 암질과 다른 석영 맥이 관찰되었다.
- 실험 후 pH 및 하중 조건이 탄성파 속도에 미치는 영향을 알기 위해 초기 물성 조사에서 측정된 암석의 평균 건조 탄성파 속도(5015 m/s)와 비교하였다. pH2의 산성수에 침수된 상태로 20 MPa 및 30 MPa의 하중을 받은 암석에서 탄성파 속도는 각각 4391 m/s, 4487 m/s로 실험 후 감소한 것을 관찰하였다. pH3의 산성수에 침수된 상태로 20MPa 및 30 MPa의 하중을 받은 암석에서 탄성파 속도는 각각 5655 m/s, 6080 m/s로 실험 후 증가하였다.
- 간접인장시험을 통해 얻어진 암석의 초기 인장강도와 산성수 및 하중 조건 실험 후 인장강도를 비교해 보았을 때, 실험 후 암석 시료의 인장강도가 약 14~32%의 범위에서 감소한 것을 관찰하였다(Table 3, Table 4). Fig.
- 2 MPa로 측정되었다. 간접인장시험을 통해 측정된 평균인장강도는 17.1 MPa로 일축압축강도의 약 18% 정도로 나타났다.
- 건조 암석의 탄성파 속도는 평균 5015 m/s 이며, 포화된 상태에서는 14% 증가한 평균 5710 m/s 로 측정되었다. 건조 암석의 열전도도는 평균 2.97 W/mK이며, 포화된 상태에서는 6% 증가한 3.16 W/mK으로 나타났다. 일축압축강도는 3개의 시추공에서 각 2회씩 총 6회 측정되었으며, 평균 95.
- 3%로 나타났다. 건조 암석의 탄성파 속도는 평균 5015 m/s 이며, 포화된 상태에서는 14% 증가한 평균 5710 m/s 로 측정되었다. 건조 암석의 열전도도는 평균 2.
- pH3의 산성수에 침수된 상태로 20MPa 및 30 MPa의 하중을 받은 암석에서 탄성파 속도는 각각 5655 m/s, 6080 m/s로 실험 후 증가하였다. 또한 pH4의 산성수에 침수된 상태로 20 MPa 및 30 MPa의 하중을 받은 암석에서도 탄성파 속도는 5496 m/s, 5584 m/s로 증가한 것을 관찰하였다(Table 4). Fig.
- 일정한 하중이 가해진 암석에서 침수시킨 산성수의 pH가 감소됨에 따라 열전도도가 낮아지는 경향을 관찰하였다. 또한 동일한 pH의 산성수에 침수된 암석에서 가해진 하중이 증가함에 따라 열전도도가 높아지는 것을 확인하였다. 이는 산성수의 pH 및 하중 조건 변화에 따른 화학반응 속도의 변화의 영향으로 판단된다.
- 1의 I, II)에서는 pH2, 3, 4의 산성수에 침수된 암석 시료에서 파괴가 발생하지 않았다. 또한 일축압축강도의 40% 하중 조건에서 pH4에 침수된 암석은 파괴가 일어나지 않았으나, pH2의 산성수에 침수된 경우 일축압축강도의 40%, 50%, 60% 하중조건에서 실험 도중 암석 파괴가 발생하였다.
- 즉, 산성수의 pH가 감소되면 용액 내 수소이온의 농도가 증가하여 암석과 수소이온의 충돌 횟수가 증가하게 되고, 이에 따라 높아진 화학반응 속도에 의해 용출량이 증가되어 암석 내 공극 부피가 증가한 것으로 판단된다. 또한, pH가 낮아짐에 따라 암석 내 공극률 변화가 증가하여 탄성파 속도 및 열전도도가 감소한 것으로 판단된다.
- 산성수의 pH가 낮아짐에 따라 탄성파 속도가 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 포화 시료의 탄성파 속도가 건조 시료의 탄성파 속도에 비해 평균 18% 높게 나타났다.
- 5은 20 MPa 및 30 MPa의 일정한 하중을 받은 암석에서 침수시킨 산성수의 pH 변화에 따른 암석의 공극률 변화를 나타낸다. 산성수의 pH가 감소할수록 공극률 변화가 증가하는 것을 관찰할 수 있으며, 20 MPa의 하중 조건에서 30 MPa에 비해 상대적으로 큰 공극률 변화가 발생하였다. 이는 산성수의 pH 및 하중 조건 변화에 따라 화학반응 속도가 변했기 때문으로 판단된다.
- 산성수 및 하중조건이 암석에 미치는 영향을 파악하기 위해 pH 및 하중변화에 따른 암석 물성을 측정하였다. 실험 결과, 일정한 하중이 가해진 암석에서 침수시킨 산성수의 pH가 감소함에 따라 공극률의 변화는 증가하고 탄성파 속도 및 열전도도는 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7). 암석과 산성수 사이에 화학반응이 발생하게 되면, 용액(산성수)과 용질(암석)사이의 물질교환이 발생되어 암석 내 공극부피가 변하게된다.
- pH 및 하중조건 실험 후, 열전도도는 pH3 및 30MPa의 실험 조건을 제외한 5가지(20MPa-pH2, 3, 4 및 30MPa-pH2, 4) 실험 조건에서 초기 열전도도에 비해 감소하였다(Table 4). 실험 후 열전도도가 초기 열전도도에 비해 증가한 pH3 및 30 MPa 실험 조건의 암석 시료를 관찰한 결과, 암석시료에서 기존의 실험 시료 암질과 다른 석영 맥이 관찰되었다. 공극률이 작은 암석의 열전도도는 구성하고 있는 광물의 조성에 크게 영향을 받을 것으로 예상할 수 있다(Lee, 2007).
- Table 5는 수행된 실험의 pH 및 하중 조건을 보여준다. 실험결과 일축압축강도(100MPa)의 20%, 30%에 해당하는 20, 30MPa 하중 조건(Fig. 1의 I, II)에서는 pH2, 3, 4의 산성수에 침수된 암석 시료에서 파괴가 발생하지 않았다. 또한 일축압축강도의 40% 하중 조건에서 pH4에 침수된 암석은 파괴가 일어나지 않았으나, pH2의 산성수에 침수된 경우 일축압축강도의 40%, 50%, 60% 하중조건에서 실험 도중 암석 파괴가 발생하였다.
- 암석의 간접인장강도는 실험 전후 측정된 값의 비교를 통해 pH 및 하중조건에 의해 모든 암석시료에서 감소된 것을 관찰하였다. 그러나 pH 및 하중의 변화에 따른 일정한 암석 인장강도의 변화는 나타나지 않았다(Fig.
- Table 4는 각각의 산성수 침수 및 하중조건이 부여된 한 개의 암석시료에서 실험 후 유효공극률, 간접인장강도, 건조·포화 상태의 탄성파 속도 및 열전도도를 측정한 결과이다. 유효공극률은 pH 및 하중 조건실험 후 모든 암석 시료에서 증가하였으며 평균 0.45% 로 나타났다. 평균 탄성파 속도는 건조 상태에서 5282 m/s, 포화상태에서 6195 m/s로 측정되었다.
- 일정한 pH의 산성수에 침수된 암석에서는 가해진 하중 증가에 따라 공극률의 변화가 감소하고, 탄성파 속도 및 열전도도는 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 균열개시 응력(Crack initiation stress) 이하의 하중에서 예상할 수 있는 변형에 의한 공극 부피의 감소가 원인으로 판단된다.
- 용액과 용매 사이의 화학반응 속도는 일정한 온도에서 분자사이의 유효 충돌 횟수와 관련된 용액 농도에 비례하여 증가하게 된다. 즉, 산성수의 pH가 감소되면 용액 내 수소이온의 농도가 증가하여 암석과 수소이온의 충돌 횟수가 증가하게 되고, 이에 따라 높아진 화학반응 속도에 의해 용출량이 증가되어 암석 내 공극 부피가 증가한 것으로 판단된다. 또한, pH가 낮아짐에 따라 암석 내 공극률 변화가 증가하여 탄성파 속도 및 열전도도가 감소한 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은 균열개시 응력(Crack initiation stress) 이하의 하중에서 예상할 수 있는 변형에 의한 공극 부피의 감소가 원인으로 판단된다. 즉, 하중 증가에 따라 암석과 산성수 사이의 화학반응 면적이 감소하여 공극률 변화는 줄고 암석 내부 입자구조가 더욱 치밀해지면서 탄성파 속도 및 열전도도가 높아진 것으로 판단된다.
- Table 3은 측정된 실험 전 초기 암석 물성 자료이다. 초기 실험 시료의 평균 공극률은 일반적인 변성암의 공극률에 가까운 0.3%로 나타났다. 건조 암석의 탄성파 속도는 평균 5015 m/s 이며, 포화된 상태에서는 14% 증가한 평균 5710 m/s 로 측정되었다.
- 실험 후 pH 및 하중조건이 열전도도에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험 전 암석의 평균 건조포화 열전도도를 측정하였다. 측정된 실험 전 암석의 건조 열전도도는 2.97 W/mK, 포화 열전도도는 3.16 W/mK로 측정되었다. pH 및 하중조건 실험 후, 열전도도는 pH3 및 30MPa의 실험 조건을 제외한 5가지(20MPa-pH2, 3, 4 및 30MPa-pH2, 4) 실험 조건에서 초기 열전도도에 비해 감소하였다(Table 4).
- 평균 탄성파 속도는 건조 상태에서 5282 m/s, 포화상태에서 6195 m/s로 측정되었다. 평균 열전도도는 건조 상태에서 2.96 W/mK, 포화 상태에서 3.13 W/mK로 나타났다. 인장강도는 초기 물성 값과 비교하여 약 20% 감소한 13.
후속연구
- 하지만 실제 폐광산의 암반은 pH의 변화가 거의 없는 산성수에 침수되어 있을 것으로 예상된다. 따라서 암석을 침수시킨 산성수의 pH가 일정하게 유지될 수 있는 장치 또는 방법을 사용한다면 산성수의 영향을 보다 명확하게 볼 수 있을 것이다.
- 본 연구를 통해 얻어진 결과는 폐광산뿐만 아니라 산성수에 침수된 다양한 지하공간 암반구조물의 물성 변화를 예측하기 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 산성수에 장기간 노출된 석조 문화재 및 건축물의 안정성 평가에도 활용될 수 있을 것이다.
- 박편 관찰을 통해 산성수 침수 및 하중조건 전·후 광물학적 정보를 비교함으로써 광물 조성에 따른 암석 물성 변화를 평가할 수 있을 것이다.
- 암석물성은 실험조건이 부여되는 기간에 따라 달라질 것이다. 본 실험에서는 다수의 실험을 위해 실험 시간을 72시간으로 고정하였지만 암석 물성의 변화 메카니즘을 파악하기 위해서는 추후 산성수 및 하중 조건의 변화와 함께 실험 시간의 경과에 따른 암석 물성 변화를 관찰하는 것도 필요하다.
- 본 연구를 통해 얻어진 결과는 폐광산뿐만 아니라 산성수에 침수된 다양한 지하공간 암반구조물의 물성 변화를 예측하기 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 산성수에 장기간 노출된 석조 문화재 및 건축물의 안정성 평가에도 활용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서 고려한 산성수 및 하중 조건에서 화학·역학적 영향에 의해 암석 내 균열이 발생한다면 인장강도도 변할 것으로 예상할 수 있다.
- 지하수의 pH, 하중 및 시간 등의 복합적 상호작용을 종합적으로 평가하기 위해서는 모델링과의 연계가 필요하다. 실험을 통해 수리-역학-화학 모델링기법을 검증하고 검증된 모델링 기법을 다양한 조건에 적용함으로써 보다 신뢰도 높은 평가가 가능할 것이다.
- 8). 이는 화학역학적 영향에 의한 암석 인장강도의 변화가 매우 복잡하게 나타나는 것을 의미하며 향후 pH 및 하중이 강도에 미치는 영향에 대한 보다 면밀한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- pH 및 하중조건에 따른 암석 물성을 관찰함으로써 화학·역학적 복합 영향에 의한 암석 물성 변화를 예측하였다. 이러한 연구 결과는 산성수에 침수된 심부 암반구조물의 안정성 평가를 위한 물성 기초 자료를 제공하는 데 기여할 것이다.
- , 2011). 이에 폐광산 지하공간의 안전한 활용을 위해서는 산성수 및 하중의 복합 영향에 의한 암석물성 변화 연구가 필요하다.
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