[논문]암반 절취면에서 기폭 패턴에 따른 최대주변형률의 비교

송정언; 박훈; 김승곤

암반 절취면에서 기폭 패턴에 따른 최대주변형률의 비교
Comparative Study on the Maximum Principal Strain Due to Detonation Pattern at the Rock Surface 원문보기

화약·발파 = Explosives & blasting, v.35 no.4, 2017년, pp.10 - 18

송정언 (전북대학교 자원에너지공학과) , 박훈 (전북대학교 자원에너지공학과) , 김승곤 (전북대학교 자원에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 도심지 분할 발파 시 인공적으로 분리되는 절취면에서의 변형을 확인하기 위해 Visual FEA 유한요소 프로그램으로 발파 단면을 모델링하여 기폭 패턴에 따른 최대주변형률을 분석하고, 절취면에서 시간 영역에 따른 최대주변형률을 비교하였다. 결과적으로, 기폭 패턴에 따라 암반 절취면에서 최대주변형률의 차이를 보였고, 분할 발파에서 기폭 시차가 중요한 변수로 작용하고 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, Rock deformation at the artificially advanced face was investigated by using the finite element code relating to the split blasting conducted in urban area. The maximum principal strain according to the detonation pattern and the detonation delay time at the rock surface was compared with the modeled blast section. As a result, it was found that the maximum principal strain was observed a difference depending on the detonation pattern at the rock surface, and the detonation delay time was an important parameter in split blasting.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

천공간격 및 기폭시차에 따라 전열공에 발파되었을 때 후열공의 공벽에서 발생되는 최대주변형률을 수치적으로 분석하여 공벽에서의 변형성을 비교한 연구(송정언 외, 2014)도 이루어졌지만, 기폭 패턴에 따른 암반 절취면에서의 변형성 연구는 미미한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 분할 발파가 이루어질 때 인공적으로 분리되는 암반 절취면에서 발생되는 변형 정도를 확인하기 위해 발파 단면을 유한요소 프로그램으로 모델링하였다. 해석 영역에서 기폭 패턴에 따라 발파공들이 기폭될 때 암반 절취면에서 변형성을 분석하였고, 기폭 시간에 따라 절취면의 각 해석 절점에서 최대주변형률을 비교하였다.
본 연구에서는 일반적으로 도심지 내에서 적용되고 있는 분할 발파에서 인공적으로 분리되는 암반 절취면에서의 변형성을 확인하기 위해 유한요소 프로그램으로 발파 단면을 모델링하여 기폭 패턴에 따른 최대 주변형률을 분석하고, 절취면의 각 해석 절점에서 시간 영역에 따른 최대주변형률을 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

일반적으로 시간 영역에서 유한요소 방정식의 해는 직접 적분법이 많이 이용되고 있으며, 가장 보편적으로 이용되는 방법인 Newmark법(Newmark, 1959)으로 동적 해석을 수행하였다. 동적 하중의 시간 증분은 0.0005초(0.5ms)로 하였으며, 0초에서 시작하여 0.0005초(0.5ms)와 0.001초(1ms) 사이에서 최대 하중을 유지하고, 0.002초(2ms)에서 최저 하중으로 돌아오도록 하여 0.003초(3ms)까지 시간 증분에 따른 하중이 가해지도록 지정하였다. 여기서, 동적 해석 시간은 기폭 시차가 완료되는 시간으로 0초에서 0.
천공경은 공동 벽면에 작용하는 응력으로 폭발 압력을 지정하기 위해 폭발 시간 경과에 따른 발파공의 확대 정도가 1ms 이내에서 4배 확대되는 것을 감안하여 20cm로 설정하였다. 또한, 유한요소해석 변수로서 기폭 패턴을 달리하였는데, 기폭 시차에 따라 열간 기폭 패턴(pattern-1)과 집중 기폭 패턴(pattern-2)으로 구분하여 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
해석 모형의 각 요소는 사각형 및 삼각형 메쉬를 이용하여 구현하였고, 전체요소 수는 5,758개였다. 또한, 해석 모형의 절취면에서 해석 절점을 2m 단위로 지정하여 기폭 패턴에 따라 8개의 절점에서 최대주변형률을 확인할 수 있도록 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 암반 및 지반 구조의 2차원 모형을 구현할 수 있는 유한요소해석 프로그램인 Visual FEA를 이용하여 수치해석을 수행하였다. Visual FEA 프로그램의 해석 과정은 2차원 평면을 구분한 후 Mesh Generation을 통해 모형 내 요소를 형성시키고, 해석 암반의 기본 물성 및 경계 변수, 동적 하중 등을 지정하여 동적 해석 단계를 통해 각 해석 절점에서의 해를 구하게 된다.
분할 발파 시 분리되는 암반 절취면에서 기폭 패턴에 따른 변형성을 확인하기 위하여 열간 기폭 패턴(Pattern-1)과 집중 기폭 패턴(Pattern-2)으로 구분하여 동적 해석을 통해 최대주변형률을 분석하였으며, 기폭 초시는 일반적으로 상용되고 있는 전기뇌관의 지발시차로 부여하였다. Fig.
유한요소해석 모형은 Fig. 1에서 보여 주는 것과 같이, 암반 내 발파 구역의 단면을 모형화 한 것으로 최소저항선은 1.5m, 천공 간격은 2.0m, 후열공과 절취면 간의 간격은 3.0m로 설정하여 해석 모형을 2차원 평면 모형으로 유한요소 모델링을 하였다. 천공경은 공동 벽면에 작용하는 응력으로 폭발 압력을 지정하기 위해 폭발 시간 경과에 따른 발파공의 확대 정도가 1ms 이내에서 4배 확대되는 것을 감안하여 20cm로 설정하였다.
따라서, 본 연구에서는 분할 발파가 이루어질 때 인공적으로 분리되는 암반 절취면에서 발생되는 변형 정도를 확인하기 위해 발파 단면을 유한요소 프로그램으로 모델링하였다. 해석 영역에서 기폭 패턴에 따라 발파공들이 기폭될 때 암반 절취면에서 변형성을 분석하였고, 기폭 시간에 따라 절취면의 각 해석 절점에서 최대주변형률을 비교하였다.
16은 절취면에서 지정한 8개의 해석 절점에서 동적 해석 시간동안 작용하는 최대주변형률을 나타내고 있다. 해석 절점에서의 최대주변형률은 각 패턴에서 기폭될 때 시간증분에 따른 변형 파형으로 확인할 수 있었는데, 절취면을 기준으로 2m단위로 간격을 지정하여 최대주변형률을 비교하였다. 해석 절점 No.

대상 데이터

또한, 절취면을 기준으로 구속된 지반의 경계 조건은 △x=△y=0 상태, 발파영역 지반의 경계 조건은 △x=0, △y=free 상태를 유지하였다. 해석 모형의 각 요소는 사각형 및 삼각형 메쉬를 이용하여 구현하였고, 전체요소 수는 5,758개였다. 또한, 해석 모형의 절취면에서 해석 절점을 2m 단위로 지정하여 기폭 패턴에 따라 8개의 절점에서 최대주변형률을 확인할 수 있도록 유한요소해석을 수행하였다.

이론/모형

발파공의 폭발하중은 암반 내 원형 확대공 벽면에서의 등분포 하중(기경철 외, 1999)으로서 각 절점에 선형 동적 하중을 입력하여 시간에 따른 폭발 하중 변화를 볼 수 있도록 지정하였다. 일반적으로 시간 영역에서 유한요소 방정식의 해는 직접 적분법이 많이 이용되고 있으며, 가장 보편적으로 이용되는 방법인 Newmark법(Newmark, 1959)으로 동적 해석을 수행하였다. 동적 하중의 시간 증분은 0.

성능/효과

1) 분할 발파에서 기폭 패턴을 좌우하는 전열과 후열 간의 기폭 시차가 중요한 변수로 작용하고 있음을 확인하였고, 전열과 후열 간의 기폭 시차가 짧은 기폭 패턴에서 암반 절취면으로의 변형이 크게 발생되는 것으로 나타났다.
2) 기폭 패턴에 따라 암반 절취면에서 최대주변형률의 차이를 보였으며, 열간 기폭 패턴보다 집중 기폭 패턴일 때 절취면에서의 암반 변형이 빠른 시간 영역에서 더욱 크게 나타났다. 이는 분할 발파에서 기폭 패턴 설계 시 뇌관의 단차 및 장약 집중도를 적절하게 유지하여 발파 작업에 임해야 함을 의미한다.
8은 기폭 패턴에 따라 각 해석 절점에서 산출된 최대주변형률 값을 비교한 것이다. 열간 기폭 패턴(Pattern-1)과 집중 기폭 패턴(Pattern-2)으로 기폭할 때 절취면의 각 해석 절점에서 최대주변형률 값을 비교한 결과, 해석 절점 간의 차이는 있었지만 열간 기폭 패턴(Pattern-1)에서의 최대주변형률 값은 8.309E-05, 집중 기폭 패턴(Pattern-2)에서의 최대주변형률 값은 8.676E-05으로 열간 기폭 패턴(Pattern-1)으로 기폭하였을 때 최대변형률 값이 작게 나오는 것으로 확인되었다. Table 2는 각 해석 절점에서 최대주변형률 값과 그 해석 시간을 나타내고 있다.
Table 2는 각 해석 절점에서 최대주변형률 값과 그 해석 시간을 나타내고 있다. 열간 기폭 패턴(Pattern-1)에서는 전열 기폭 후 후열이 기폭되므로 절취면에서 최대 변형이 발생되는 시간이 172.5ms에서 220.5ms로 전반적으로 늦게 나타났으며, 집중 기폭 패턴(Pattern-2)에서는 기폭이 집중되는 시차에 따라 절취면에서 최대 변형이 발생되는 시간이 91.5ms에서 223.0ms로 변형 시간의 차이를 보였다.
7은 동적 해석 시간동안 기폭 패턴에 따라 변화하는 절취면에서의 최대주변형률을 묘사한 것으로, 각 기폭 패턴에서 전기뇌관의 지발시차에 따라 기폭이 시작되고 5ms 시간 경과 후의 최대주변형률을 보여 주고 있다. 열간 기폭 패턴(Pattern-1)에서는 전열 기폭을 시작으로 후열 기폭이 이어지므로 전열과 후열 간의 기폭 시차가 주요 변수로 작용을 하고, 집중 기폭 패턴(Pattern-2)에서는 전열과 후열 간의 짧은 기폭 시차가 집중적으로 작용하여 절취면에서의 최대주변형률이 크게 나타났다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지 내에서의 발파 공사의 악영향은 무엇인가?	도심지 내에서의 발파 공사는 주변 보안물건 및 사람들에게 환경적인 공해를 야기시키고, 이로 인해 시공사와 민원인들 간의 분쟁이 끊이질 않는다. 이러한 여지를 미연에 방지하기 위해 발파 공사가 시작되기 전에 시험발파를 통해 현장에 적합한 발파공법을 찾게 되고, 대부분의 시가지 발파에서는 분할 발파 패턴으로 설계가 이루어진다.
	분할 발파 시 계획된 절취면에서 분리되도록 기폭 패턴을 설계하는 것이 중요한 이유는?	이러한 여지를 미연에 방지하기 위해 발파 공사가 시작되기 전에 시험발파를 통해 현장에 적합한 발파공법을 찾게 되고, 대부분의 시가지 발파에서는 분할 발파 패턴으로 설계가 이루어진다. 하지만, 분할 발파는 인위적인 절취면을 형성시키며 발파가 진행되기 때문에 절취면에서의 Back break는 다음 발파에 큰 영향을 미친다. Cut off에 의해 뇌관의 불폭 및 폭약의 잔류 문제를 야기할 수 있고, 계획된 절취면 형성이 이루어지지 않아 다음 발파작업이 곤란해질 수 있다. 아울러, 파쇄되지 않은 암괴들의 잔류로 인해 소할비용이 증가하게 된다. 이러한 이유로 분할 발파 시에는 계획된 절취면에서 분리되도록 기폭 패턴을 설계하는 것이 중요하다.
	분할 발파에서 절취면의 Back break가 다음 발파에 큰영향을 미치는 이유는?	이러한 여지를 미연에 방지하기 위해 발파 공사가 시작되기 전에 시험발파를 통해 현장에 적합한 발파공법을 찾게 되고, 대부분의 시가지 발파에서는 분할 발파 패턴으로 설계가 이루어진다. 하지만, 분할 발파는 인위적인 절취면을 형성시키며 발파가 진행되기 때문에 절취면에서의 Back break는 다음 발파에 큰 영향을 미친다. Cut off에 의해 뇌관의 불폭 및 폭약의 잔류 문제를 야기할 수 있고, 계획된 절취면 형성이 이루어지지 않아 다음 발파작업이 곤란해질 수 있다.

참고문헌 (7)

기경철, 김일중, 1999, 산학인을 위한 발파공학, pp. 31-52.
김신, 이승중, 최성웅, 2010, 암반사면의 절리빈도 특성에 따른 프리스플리팅 발파공법의 적용성 연구, 화약？발파, Vol. 28, No. 2, pp.1-16.

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송정언, 박훈, 김승곤, 2014, 장공발파시 천공간격과 기폭시차에 따른 최대주변형률 비교 연구, 화약？ 발파, Vol. 32, No. 3, pp. 10-17.

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유희룡, 2007, 구조물-유체-지반의 동적 상호작용 해석을 위한 유한요소 모델링, 공학박사학위 논문, 전북대학교, pp. 122-155.
홍성민, 송하림, 강추원, 장호민, 2012, 진동저감대책을 통한 절취면 보호, 화약？ 발파, Vol. 30, No. 2, pp. 21-28.

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Newmark, N. M., 1959, A method of computation for structural dynamics, Journal of the Engineering Mechanics Division, Vol. 85, pp. 67-94.
Zaman, M. M., C. S. Desai and E. C. Drumm, 1984, Interface model for dynamic soil-structure interaction, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 110, pp. 1257-1273.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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