[논문]대단면 석회석 광산 갱도 내 국부선풍기 승압력 및 통기효과 비교 연구

박동준; 강현호; 이창우

doi:10.7474/tus.2017.27.1.001

초록
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국내 지하 석회석 광산은 대부분 대단면 갱도로 개발되고 있으며 갱내통기는 주요 선풍기에 의한 통기방식보다는 자연통기 및 국부통기에 의존하고 있다. 국부통기는 국부선풍기와 풍관을 이용한 급배기 통기방식을 적용하고 있으나 대단면 갱도 특성과 갱내 굴진 운반장비의 디젤화에 따라 소요통기량이 대폭 증대하여 통기의 효율 및 경제성 확보가 주요과제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 대단면 갱내 작업장 국부통기를 위한 선풍기 용량 최적화를 위하여 축류식 및 프로펠러 선풍기를 개발하여 갱내 승압력 및 통기효과를 비교 분석함을 목적으로 한다.

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Most of the local limestone mines are developed as large-opening underground mines, while mine ventilation is heavily dependent on the natural ventilation and auxiliary systems, rather than the mechanical ventilation system using main fans. The current auxiliary ventilation system with fan and ducti...

Most of the local limestone mines are developed as large-opening underground mines, while mine ventilation is heavily dependent on the natural ventilation and auxiliary systems, rather than the mechanical ventilation system using main fans. The current auxiliary ventilation system with fan and ducting requires optimization since enhanced deployment of diesel equipment demands higher airflow rate and the associated cost is expected to be too excessive for the local mine operators. This paper aims at optimizing the fan capacity for the working site ventilation through comparing the fan pressure in the mine airway and the ventilation efficiency of an axial-flow fan and a propeller fan developed in this study.

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문제 정의

본 연구에서는 국부선풍기의 갱내 승압력(선풍기 특성 곡선상의 압력이 아니라 선풍기 가동에 따라 증가하는 갱도 내 압력 상승크기)산정과 국내 광산에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 고풍압 축류식 선풍기를 대체할 수 있도록 개발된 저풍압 축류식 선풍기와 본 연구를 통하여 개발한 저풍압 프로펠러 선풍기의 통기효율 및 경제성을 비교 연구함으로써 국부통기시스템의 최적화를 위한 기초 연구 수행을 목적으로 한다.
선풍기 특성자료는 “흡입구 벤츄리 노즐에 의한 성능시험방법(KSB ISO 13350)”에 의한 시험을 통하여 구하였다. 저풍압 축류식 선풍기는 기존의 광산 국부통기용 고풍압 축류식 선풍기의 문제점을 개선하기 위한 연구(Lee and Nguyen, 2015)를 통하여 개발되었으며 프로펠러 선풍기는 대단면 갱도 내 작업장 통기효율 제고를 목표로 본 연구를 통하여 개발하였다.

제안 방법

Fig. 2와 3에 도시된 바와 같이 설치된 국부선풍기로부터 하류 250 m(Site A)와 65 m 및 120 m(Site B)에 높이별로 열선식풍속계(hot-wire anemometer)를 설치하여 풍향과 풍속을 측정하였다. 국내 대단면 석회석 광산 갱내에서의 기류유동의 특징은 대부분 0.
2와 3에 도시된 바와 같이 설치된 국부선풍기로부터 하류 250 m(Site A)와 65 m 및 120 m(Site B)에 높이별로 열선식풍속계(hot-wire anemometer)를 설치하여 풍향과 풍속을 측정하였다. 국내 대단면 석회석 광산 갱내에서의 기류유동의 특징은 대부분 0.5 m/s이하의 초저풍속이고 자연통기력에 의한 비정상 유동이므로(김두영 외., 2004) vane 타입 풍속계로는 풍속측정이 불가능하여 지향성 열선식 풍속계를 갱도 중앙에 높이 1, 2, 4, 6 m 지점에 설치하여 단면상의 높이별 풍속 분포를 측정하였으며, 필요에 따라서는 수평 방향의 풍속도 다지점 측정을 동시에 실시하였다.
4에서와 같이 피토튜브(pitot tube)를 설치하고 튜브로 연결한 후 정압 또는 전압의 차이를 차압계를 이용하여 측정한다. 본 연구에서는 선풍기의 승압력에 의한 압력 상승폭을 측정하기 위하여 2단계의 측정을 수행하였다. 선풍기의 토출속도가 12～24 m/s로 고속이므로 피토튜브를 선풍기의 하류 부근에 설치하여 측정한 압력은 단면상 풍속 분포의 불균일성으로 인하여 대표성이 없는 측정값일 가능성이 높다.
선풍기의 토출속도가 12～24 m/s로 고속이므로 피토튜브를 선풍기의 하류 부근에 설치하여 측정한 압력은 단면상 풍속 분포의 불균일성으로 인하여 대표성이 없는 측정값일 가능성이 높다. 따라서 첫 번째 단계로 피토튜브를 Fig. 4에서와 같이 선풍기의 상류편 약 5 m지점인 Station 1에 설치하여 Station 2와의 압력차(△P_Measured)를 측정하고, 두 번째 단계로 Fig. 5와 같이 두 지점간 압력 손실(△P_Estimated)을 고려하여 승압력(△P_Fan)을 추정하였다. 한편 압력손실은 Atkinson 식 (1)을 이용하여 추정 가능하므로 통기저항계수 k를 직접 측정하여 추정하였다.
Site A 및 B 2개소에서 동일지점에 설치한 축류식 및 프로펠러 선풍기를 이용한 실험은 2015년 9월과 2016년도 9, 10월에 수행하였다. 선풍기 가동 전 자연통기에 의한 풍속을 측정한 후 선풍기를 20～102분 가동하였으며 선풍기 가동 중지 후 갱내 풍속이 가동 전 풍속 수준으로 안정화된 후에 다시 가동하는 방식을 적용하였다. 전체 실험시간동안의 모니터링 지점에서의 단면상 풍속 분포를 측정하기 위하여 수직 및 수평방향으로 복수의 지점에 설치된 열선식 풍속계를 이용하여 연속적으로 측정하였다.
선풍기 가동 전 자연통기에 의한 풍속을 측정한 후 선풍기를 20～102분 가동하였으며 선풍기 가동 중지 후 갱내 풍속이 가동 전 풍속 수준으로 안정화된 후에 다시 가동하는 방식을 적용하였다. 전체 실험시간동안의 모니터링 지점에서의 단면상 풍속 분포를 측정하기 위하여 수직 및 수평방향으로 복수의 지점에 설치된 열선식 풍속계를 이용하여 연속적으로 측정하였다.
차압계를 이용해 측정된 차압은 갱내 실험자의 이동, 상류편 차량운행, 외부기압 변화 등의 다양한 변수에 의해 지속적으로 변화한다. 따라서 본 연구에서는 비교적 일정한 차압을 유지하는 시간대를 선택하여 동시간대의 평균 풍속 측정값을 이용하여 Table 2와 같이 통기저항계수를 산정하였다.
갱내 유도 풍속이 거의 동일하게 나타난 두 종류의 선풍기 가동에 따른 통기효율을 비교분석하기 위하여 단일갱도인 Site A에서 선풍기 설치위치로부터 30, 50, 100, 150, 200, 250, 300 m 지점의 단면상 풍속분포를 비교한 결과를 Fig. 8에 도시하였다.
본 연구는 국내 석회석 광산 갱내에서 동일한 15 kW 용량의 Φ950의 저풍압 축류식 선풍기와 Φ1600의 저속회전, 저풍압 프로펠러 선풍기의 승압력과 통기효과를 비교분석하였으며 주요 연구결과는 다음과 같다.

대상 데이터

갱도 내 국부선풍기 종류별 승압력 및 통기효율을 산정하기 위해 Fig. 2의 강원도 삼척시 소재 D광업소의 통기사갱과 주방식 굴진 작업장 2개소를 실험 장소로 선택하였다. 통기사갱인 Site A는 갱도 평균단면적 32.
7 m², 대상구역의 크기는 약 400 m × 300 m이다. Site A는 평균 구배 4%인 통기사갱으로 실험기간 중 자연통기에 의한 풍향이 수시로 바뀌는 단일갱도이며 실험은 Fig. 2. a의 선풍기 설치지점과 모니터링 지점 간격이 250 m인 구간에서 수행하였다.
Fig. 3은 본 연구에서 비교분석 대상으로 선택한 Φ 950의 저풍압 축류식 선풍기와 Φ 1600의 프로펠러 선풍기이며 선풍기 특성은 Table 1에 정리하였다.
b의 선풍기 설치지점과 모니터링 지점 1, 2를 연결하는 총 120 m 갱도구간에서 수행하였다. 실험대상 갱도구간에는 여러 개의 크로스컷 갱도와 접속되어 있으며 선풍기의 통기효율 분석은 Site B 전체 공간을 대상으로 하였다.
Site A 및 B 2개소에서 동일지점에 설치한 축류식 및 프로펠러 선풍기를 이용한 실험은 2015년 9월과 2016년도 9, 10월에 수행하였다. 선풍기 가동 전 자연통기에 의한 풍속을 측정한 후 선풍기를 20～102분 가동하였으며 선풍기 가동 중지 후 갱내 풍속이 가동 전 풍속 수준으로 안정화된 후에 다시 가동하는 방식을 적용하였다.

이론/모형

선풍기 특성자료는 “흡입구 벤츄리 노즐에 의한 성능시험방법(KSB ISO 13350)”에 의한 시험을 통하여 구하였다.
△P_Estimated의 추정을 위하여 필요한 통기저항계수(k)를 측정하기 위하여 본 연구에서는 차압측정법(Gauge and tube method)과 속도감쇠법 두 가지 방법을 적용하였다. 차압측정법은 두 지점 사이의 압력손실을 직접적으로 측정하는 방법으로 피토튜브를 이용해 각 위치의 전압(total pressure)의 차이를 측정하여 식 (1)을 이용한 다음 식 (2)에 따라 통기저항계수를 산출한다(Brian and Loomis, 2004).

성능/효과

1. 갱도 단면적 32.7 m²인 중규모 갱도 내에서 측정한 축류식 및 프로펠러 선풍기의 승압력은 각각 9.7 Pa, 8.4 Pa로 축류식 선풍기가 15% 크나, 갱도 내 유도풍량은 64.9 m³/s, 64.0 m³/s로 거의 동일하다.
2. 프로펠러 선풍기는 단면적 32.7 m² 갱도의 경우 약 300 m, 단면적 122.7 m² 갱도에서는 약 120 m 범위내에서 축류식 선풍기에 비하여 상대적으로 균일한 단면상 풍속분포를 보임에 따라 벽면 및 천정 부근에 확산된 입자상 및 가스상 물질의 희석 및 배기 효율 면에서 프로펠러 선풍기가 우수하다고 평가된다.
3. 선풍기의 가동으로 토출되는 고속의 제트류의 유동에 의해 인접갱도로부터 기류가 유입되는 현상인 벤츄리 효과는 주방식 굴진 현장인 단면적 122.7 m²대단면 갱도의 경우 축류식 선풍기가 유입구간의 길이는 한 크로스컷 길게 나타나며, 유입량은 164.3～187.1 m³/s로 프로펠러 선풍기의 139.6～147.8 m³/s에 비하여 많다. 그러나 작업장 국부통기의 경우에 오염물질 재순환 제어가 중요하므로 풍관을 접속하지 않고 사용하는 프로펠러 선풍기의 재순환 제어 통기효과가 우수하다고 판단된다.
4. 동일한 통기량을 작업장에 공급하기 위하여 소요되는 15 kW 축류식 선풍기와 프로펠러 선풍기의 에너지 소비량은 상대적으로 승압력이 15%정도 큰 축류식 선풍기가 프로펠러 선풍기에 비하여 1.23～1.51배 크게 나타난다.
5. 147 Pa, 880 rpm의 저풍압, 저속회전 프로펠러 선풍기는 기존의 고풍압 축류식 선풍기를 개량한 100m³/s, 235 Pa의 저풍압 축류식 선풍기에 비하여 갱 내 전단면에 걸친 오염물질 배기 및 작업장 부근 오염물질 재순환 제어 효율 그리고 에너지 효율 면에서도 우수한 성능을 보였다. 현재 국내광산에 소개된 적이 없는 프로펠러 선풍기의 국내 대단면 광산에의 적용을 위한 보다 적극적인 검토가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 지하 석회석 광산은 대부분 무엇으로 개발되고 있는가?	국내 지하 석회석 광산은 대부분 대단면 갱도로 개발되고 있으며 갱내통기는 주요 선풍기에 의한 통기방식보다는 자연통기 및 국부통기에 의존하고 있다. 국부통기는 국부선풍기와 풍관을 이용한 급배기 통기방식을 적용하고 있으나 대단면 갱도 특성과 갱내 굴진 운반장비의 디젤화에 따라 소요통기량이 대폭 증대하여 통기의 효율 및 경제성 확보가 주요과제로 대두되고 있다.
	갱내통기는 무엇에 주로 의존하고 있는가?	국내 지하 석회석 광산은 대부분 대단면 갱도로 개발되고 있으며 갱내통기는 주요 선풍기에 의한 통기방식보다는 자연통기 및 국부통기에 의존하고 있다. 국부통기는 국부선풍기와 풍관을 이용한 급배기 통기방식을 적용하고 있으나 대단면 갱도 특성과 갱내 굴진 운반장비의 디젤화에 따라 소요통기량이 대폭 증대하여 통기의 효율 및 경제성 확보가 주요과제로 대두되고 있다.
	국내 대부분의 석회석 광산의 통기가 자연통기에 주로 의존하고있는 이유는?	국내 대부분의 석회석 광산의 통기는 주요 선풍기와 같은 통기설비를 이용한 전체 갱내통기 방식보다는 자연통기에 주로 의존하고 필요에 따라 국부 선풍기를 이용한 지엽적 통기(regional ventilation)방식에 의존하고 있다. 국내 석회석 광산과 같이 교대시간 내에 채굴작업이 동시에 진행되는 작업장이 인접해 있지 않고 작업장 개소 수도 2～3개 정도에 불과하므로 주요 선풍기를 이용한 광산 전체통기방식(total mine ventilation system)보다는 적절한 설비용량의 국부선풍기를 이용한 국부통기방식이 상대적으로 적합하기 때문이다. 자연통기는 광산 내･외부의 공기밀도 차이와 갱구에 작용하는 풍압에 의하여 가능하지만 통기량의 확보와 통기방향 제어가 어려워 심부화 및 대형화가 진행된 국내 광산에서는 소요통기량 확보를 위한 통기시스템의 구축이 지하광산의 핵심과제가 되고 있다.

참고문헌 (13)

김두영, 정규홍, 이창우., 2013, "대단면 갱내 초저풍속 측정 방법에 관한 연구", 2013 한국암반공학회 추계 총회 및 학술발표회 논문집, KSRM, October, pp. 180-183.
이경복, 김효규, 이창우., 2004, "도로터널 차도 벽면마찰계수 현장연구", 2004 한국암반공학회 추계학술발표회 논문집, KSRM, October, pp. 61-72.
이창우 외., 2014, 자원개발환경공학, CIR, Seoul, Korea, pp. 133-163.
Brian, S.P. and Loomis I.M., 2004, "Measurement of frictional pressure differentials during a ventilation survey." Proceedings of the 10th US/North American Mine Ventilation Symposium, Anchorage, Alaska, USA, pp. 59-66.
CHASM, 2015, Ventsim Visual User Guide.
Grau, III, R.H., Krog, R.B., and Robertson, S.B., 2006, "Maximizing the ventilation of large-opening mines", Proceedings of the 11th US/North American Mine Ventilation Symposium, University Park, Pa, USA, pp. 53-59.
Hartman, H.L., et al., 1997, Mine ventilation and air conditioning, 3th Edition, John Wiley & Sons.
Krog, R.B. and Grau III, R.H., 2006, "Fan selection for large-opening mines: vane-axial or propeller fans-which to choose?", Proceedings of the 11th US/North American Mine Ventilation Symposium, University Park, Pa, USA, pp. 527-534.
Lee, C.W., and Nguyen, V.D., 2014, "Venturi effect induced by local ventilation fan in large-opening room-and-pillar mining sites", Tunnel and Underground space, Vol 24, No 6, pp. 464-472.

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Lee, C.W. and Nguyen, V.D., 2015, "Development of a Low Pressure Auxiliary Fan for Local Large-opening Limestone Mines", Tunnel and Underground space, Vol 25, No 6, pp. 543-555.

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McPherson, M.J., 2009, Subsurface ventilation and environmental engineering, Springer Science & Business Media.
NIOSH, 2002, Using propeller fans to improve ventilation in large-entry stone mines, NIOSH Technology News, No 499.
Prosser, B.S. and Wallace, K.G., 1999, "Practical Values of Friction Factors", Proceedings of the 8th US Mine Ventilation Symposium, June 1999, pp. 691-696.

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