[논문]국내 석회석 광산 수갱 굴착에 의한 통기효과 분석 연구

이창우; 응우엔 반득; 키로 록키 키부야; 김창오

doi:10.7474/tus.2018.28.6.609

국내 석회석 광산 수갱 굴착에 의한 통기효과 분석 연구
A Study on the Ventilation Effects of the Shaft Development at a Local Limestone Mine 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.28 no.6, 2018년, pp.609 - 619

이창우 (동아대학교 공과대학 에너지.자원공학과) , 응우엔 반득 (동아대학교 공과대학 에너지.자원공학과) , 키로 록키 키부야 (동아대학교 공과대학 에너지.자원공학과) , 김창오 (대성엠디아이 신소재연구소)

초록
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주선풍기가 설치된 통기수갱이 굴착된 국내 석회석 광산에서 수행한 통기수갱의 통기효과 분석결과 자연통기 및 기계통기 효과가 뚜렷하게 나타났다. 수갱을 통하여 입기되는 자연통기량은 최대 $11.7m^3/s$이었으며 갱내 공기온도의 측정에 의하여 비교적 정확한 정량적 예측이 가능하였다. 선풍기 가동에 의한 배기 통기량은 $20.3{\sim}24.8m^3/s$로 통기량의 변동은 갱도내 장비의 이동에 의한 통기특성곡선의 상향이동에 따른 선풍기 운전점의 변화에 의한 결과이므로 통기저항의 저감 노력이 요구된다. 갱구로부터 수갱까지 총 1912 m 갱도내 난류확산계수는 $15m^2/s$, $18m^2/s$로 나타나 오염물질은 기류보다 상대적으로 빨리 확산되므로 공기질 제어를 위하여 신속한 배기가 요구된다. 따라서 통기용 수갱은 급격히 심부화 및 대형화되고 있는 국내석회석광산의 지속적 개발을 위한 필수적 갱내 환경제어 시설로 권장되어야할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out at a local limestone mine to analyze the ventilation efficiency of the shaft equipped with a main fan. The results show that its ventilation efficiency is clearly verified for the natural as well as the mechanical ventilation. The airflow rate of $11.7m^3/s$ was induced by the natural ventilation force and the maximum quantity is almost same as the airflow rate estimated by monitoring the average temperatures in the upcast and downcast air columns. Meanwhile, the airflow rate exhausted by the main fan through the shaft was $20.3{\sim}24.8m^3/s$; variation of the quantity was caused by the upward shift of the mine ventilation characteristic curve due to the frequent movement of the equipment. This indicates efforts are required to reduce the ventilation resistance and raise the quantity supplied by the main fan. The turbulent diffusion coefficients along the 1912 m long airway from the portal to the shaft bottom was estimated to be $15m^2/s$ and $18m^2/s$. Since these higher coefficients imply that contaminants will be dispersed at a faster velocity than the airflow, prompt exhaust method should be planned for the effective air quality control. The ventilation shaft and main fan are definitely what local limestone mines inevitably need for better working environment and sustainable development.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Ventilation network at Mine D
그림 Fig. 2. SF₆ dispersion and monitoring
표 Table 1. Main fan specifications
표 Table 2. Monitoring stations and equipment installation
그림 Fig. 3. Measurements in the 1^st day
그림 Fig. 4. Measurements in the 2^nd day
그림 Fig. 5. Measurements in the 3^rd day
그림 Fig. 6. Airflow direction in the ventilation network
그림 Fig. 7. Estimation of natural ventilation pressure
그림 Fig. 8. Variation of temperature and natural velocity in the upcast and downcast airways
그림 Fig. 9. Relationship between induced velocity and upcast-downcast temperature difference
그림 Fig. 10. Changes in fan operating condition
그림 Fig. 11. VentSim simulation results for the air velocity and gas dispersion
그림 Fig. 12. SF6 concentration distributions at the shaft bottom
그림 Fig. 13. Relationship between turbulent diffusion coefficient and L/D based on Widodo et. al (2007)

AI 본문요약
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문제 정의

모든 연구는 작업장 부근 500 m 길이 이내의 비교적 짧은 갱도를 대상으로 수행된 결과이며 채굴 작업공간내 물질확산을 예측 및 제어하기 위한 난류확산계수로 적용 가능한 연구결과이다. 그러나 본 연구에서는 통기계통내 입기점부터 배기점 부근까지 1912 m에 이르는 장대 갱도내 평균 난류확산계수의 추정분석을 함으로써 기류유동 전체공간내에서의 물질확산 분석이 가능토록 하였다. 추정 결과는 Fig.
4 m²/s이다. 모든 연구는 작업장 부근 500 m 길이 이내의 비교적 짧은 갱도를 대상으로 수행된 결과이며 채굴 작업공간내 물질확산을 예측 및 제어하기 위한 난류확산계수로 적용 가능한 연구결과이다. 그러나 본 연구에서는 통기계통내 입기점부터 배기점 부근까지 1912 m에 이르는 장대 갱도내 평균 난류확산계수의 추정분석을 함으로써 기류유동 전체공간내에서의 물질확산 분석이 가능토록 하였다.
본 연구는 갱구로부터 150 m 심부화된 국내 석회석 광산에 최근 굴착된 110 m 길이 통기용 수갱에 설치된 67 KW용량의 주선풍기의 통기효과를 분석하기 위하여 갱내외 기압, 온도 및 확산가스 모니터링을 수행하고 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 최근 110 m 깊이의 지름 2 m 통기전용 수갱을 굴착하고 67 KW 용량의 주선풍기를 설치한 충청북도 소재의 D광업소 현장을 대상으로 통기조사를 수행하여 통기수갱의 효율을 분석함을 목적으로 하였으며 궁극적으로는 국내 석회석 광산의 중장기적 통기망 확충을 위한 기초 자료를 제공함을 목표로 하였다

가설 설정

수갱내부 평균온도는 수갱하부와 및 외부 온도의 평균으로 가정하고, 갱구로 부터 4편까지 연결된 rampway내 평균온도는 외부, 갱구, rampway내 온도의 평균으로 각각 가정하였다. Fig.
시뮬레이션을 위한 갱도 통기저항계수는 국내 석회석 광산을 대상으로 차압측정방식과 선풍기를 이용한 속도감쇠법 모두를 적용하여 연구한 박동준 등(2017)의 연구 결과를 이용하여 0.0125 kg/m³를 K값으로 가정하였다. 두 방법으로 박동준 등(2017)이 추정한 저항계수는 불규칙적인 발파면을 가진 갱도의 통기저항계수인 0.
따라서 갱구로부터 유입된 신선한 입기가 수갱하부까지 1912 m(갱구 운반갱도, rampway, 4편 갱도를 통한 최단거리)를 유동하는데 소요되는 시간이 상당할 것으로 예상된다. 이를 분석하기 위하여 Howden사의 광산통기 시뮬레이터인 VentSim 버전 5.1.1을 이용하여 수갱을 통한 배기량 23 m³/s을 가정하고 입기 갱구 부근에서 60초 동안 농도 100%의 가스를 20초간 확산할 경우, 수갱하부점에서 모니터링한 가스의 농도분포를 Fig. 11에 도시하였다. 약 1시간 경과 후에 수갱바닥에 도착한 가스는 1시간 40분 경과시 최대농도를 보인 후 점진적으로 감소하며 2시간 경과 후에도 지속적으로 모니터링된다.

제안 방법

1) 2018년 10월 14부터 3일간 주선풍기 가동 전 자연통기 측정을 위하여 갱외 1개소의 기압 및 온도, 갱내 3개소의 온도, 풍속, 풍향을 실시간 모니터링하였다. 주선풍기 가동시간대를 제외하고 자연통기에 의한 통기가 이루어지고 있으며 통기방향은 수갱에서 갱구방향으로 그리고 통기량은 작지만 0~11.
1에서와 같이 370 ML갱구를 통하여 입기되어 rampway 그리고 260 ML의 4편까지 굴착된 수갱을 통하여 배기된다. 따라서 본 연구에서는 Table 2에 정리한 바와 같이 갱외부에서는 기압 및 온도, 갱구부, 290 ML 3편과 4편 연결 rampway, 수갱 하부에서는 온도(기류 및 내벽), 풍속을 실시간 모니터링하였다.
2의 시뮬레이션 상황과 동일한 지점에서 선풍기 가동 시간대에 확산 실험을 수행하였다. 추적가스로는 SF6 약 120~130 liter정도를 풍선에 담아 순간 확산하였으며 수갱하부에 INNOVA사의 Model 1312 Photo-acoustic 가스 모니터를 설치하여 농도 모니터링을 수행하였다. 2회에 걸쳐 수행한 확산 실험 결과를 Fig.
한편 주선풍기 가동 후, 통기계통도내 기류 유동이 정상상태에 도달하기까지의 풍속 추이를 분석하기 위하여 갱구에서 추적가스 SF₆를 확산하고 수갱하부 지점에서 농도를 모니터링하였다.
한편, 기류유동의 동적 특성을 분석하기 위하여 Fig. 2의 시뮬레이션 상황과 동일한 지점에서 선풍기 가동 시간대에 확산 실험을 수행하였다. 추적가스로는 SF6 약 120~130 liter정도를 풍선에 담아 순간 확산하였으며 수갱하부에 INNOVA사의 Model 1312 Photo-acoustic 가스 모니터를 설치하여 농도 모니터링을 수행하였다.

대상 데이터

10은 주선풍기 가동시의 운전점을 보여준다. 선풍기 특성곡선은 선풍기 공급자가 제공한 곡선이며 광산통기특성곡선(P=RQ²) C와의 교차점(P: 1848Pa, Q: 28.9 m³/s)은 선풍기 설치시 측정된 운전점이나 본 연구시 측정된 통기량 Q의 범위 20.3~24.8 m³/s에 의하여 추정된 선풍기 운전점의 범위는 통기특성곡선 A 및 B와 교차점으로 정의되는 운전점 사이 범위이다. 본 연구 수행시 선풍기의 가동은 작업시간 중에만 진행하였으며 선풍기 가동에 의한 통기량이 선풍기 공급자의 제공 운전점의 통기량에 비하여 상대적으로 적게 나타났다.
수갱의 통기효과를 분석하기 위하여 충북 제천시 소재 D광산을 대상으로 2018년 10월 14일 10:30부터 16일 16:30까지 갱내외 기압, 온도 및 기류 유동(풍속 빛 방향)을 조사 및 분석하였다. 온도 및 풍속측정 결과를 Fig.
수갱의 통기효과를 분석하기 위하여 충북 제천시 소재 D광산을 대상으로 통기조사 및 분석을 수행하였다. Fig.
2와 같이 설치되었다. 현장의 갱구는 370 ML에 위치하며 지름 2m의 수갱은 갱구와 동일한 고도의 인접 지점에서부터 4편인 260 ML까지 굴착되었다. 주선풍기가 설치된 수갱의 칼러(collar)에는 통기게이트를 설치하여 팬을 가동하지 않을 경우 게이트를 개방하여 자연통기력이 작용할 수 있도록 하고 있다.

성능/효과

2) 67 KW Serpent 선풍기를 배기방식으로 가동한 경우 수갱하부내 배기풍속은 0.45~0.55 m/s, 풍량 20.3~24.8 m³/s이다. 선풍기 운전점의 변동에 따른 통기량의 변화는 주선풍기의 공기밀도변화에 따른 선풍기 특성곡선 변동의 영향 보다는 차량 등 장비의 운행에 따른 광산 통기특성곡선의 상향이동에 따른 영향이 클 것으로 판단된다.
3) 갱구로부터 수갱하부까지 총 길이 1912 m 갱도내에서의 난류확산계수는 15 m²/s, 18 m²/s로 나타났다. 비교적 큰 난류확산계수는 장대 갱도를 대상으로 한 기존 연구결과와도 일치한다.
4) 본 연구대상 석회석 광산에 설치된 통기수갱은 자연통기 및 기계통기 모두에 큰 효과를 보였다. 그러나 수갱 하부에 개발되는 갱도에는 전혀 통기가 이루어지지 않음에 따라 국부 선풍기 및 통기승갱 등에 의한 통기방식의 적용이 요구된다.
12에는 농도 측정값과 동시에 이류 및 난류확산에 의한 다음과 같은 물질확산농도식에 의한 추정 곡선을 중복 도시하였다. 두 번의 실험 모두 초기 농도 관측시점, 초기 농도 증가 추세 그리고 피크 농도 도달시기 및 농도가 뚜렷한 유사성을 보인다. 피크농도 관찰 후 지속적으로 관측되는 농도는 장비 이동에 의한 난류강도의 증가 및 여타 기류유동이 없는 갱도로 확산된 가스의 재유입에 따른 것으로 판단된다.
8 m³/s에 의하여 추정된 선풍기 운전점의 범위는 통기특성곡선 A 및 B와 교차점으로 정의되는 운전점 사이 범위이다. 본 연구 수행시 선풍기의 가동은 작업시간 중에만 진행하였으며 선풍기 가동에 의한 통기량이 선풍기 공급자의 제공 운전점의 통기량에 비하여 상대적으로 적게 나타났다. 선풍기 특성곡선은 공기온도의 변화에 따른 공기밀도의 변화시 선풍기 승압력과 동력이 비례하여 변화하나 이 보다는 상대적으로 영향이 큰 광산통기 특성곡선의 이동이 주요 원인으로 판단된다.
al(2013), 이승호(2012), 김두영(2018) 등이 수행하였다. 이들 연구결과를 종합하면 대단면 석회석광산에서 추정된 계수의 범위는 0.01~3.4 m²/s이다. 모든 연구는 작업장 부근 500 m 길이 이내의 비교적 짧은 갱도를 대상으로 수행된 결과이며 채굴 작업공간내 물질확산을 예측 및 제어하기 위한 난류확산계수로 적용 가능한 연구결과이다.
12에 도시하였다. 점으로 도시된 추적가스 농도의 초기 측정시간은 확산 후 각각 34분, 36분이었으며 피크 농도 도달시간은 각각 63분, 62분으로 두 실험 모두 매우 유사하며 모두 피크 농도에 도달한 후 상당 시간동안 지속적으로 농도가 측정되었음을 알 수 있다. 이는 VentSim 시뮬레이션 결과로 부터 예상되었던 결과이다.
8에는 수갱내부 및 rampway내부의 평균온도와 수갱하부로 유입되는 자연통기 풍속의 분포를 도시하고 있다. 주선풍기의 가동에 따라 풍속의 급격한 증가가 없는 순수 자연통기에 의한 시간대에서는 하향 구간(수갱) 내부 평균온도가 상향구간(rampway) 내부 평균온도보다 상대적으로 작게 관찰되어 공기밀도가 큰 수갱에서 갱구방향으로 기류유동이 이루어지며 이에 따른 자연통기풍속인 수갱하부 유입 풍속과 평균온도차이 사이에 명확한 상관 관계가 있음을 3일 동안의 모든 관측값에서 관찰할 수 있다. 자연통기에 의한 통기량은 0~11.
최근 연산 0.25~1.50백만톤 규모의 국내 주요 석회석 광산 9개소의 통기 인프라를 분석 결과 (1) 석회석 광산은 5.5~40 m/년 정도로 심부화가 진행되어 현재 갱구 기준으로 최대 약 200 m 정도까지 심부화되었으며 (2) 모든 현장에서 천공, 스케일링, 굴착, 적재, 운반 작업에 디젤장비를 활용하고 있고, (3) 주선풍기(main fan)를 이용한 전체 갱내통기를 하고 있는 현장은 전무하고, 거의 모든 현장이 자연통기에 의존하며, 작업장 통기는 일부 국부 선풍기를 활용하고 있음으로 조사되었다. 한편, (4) 통기전문인력 보유광산은 30%에 불과하였으며 생산계획과 연계된 통기망 확충 계획을 수립하고 있는 광산은 전무하였다.

후속연구

8에서 보는 바와 같이 선풍기에 의하여 유입된 기류의 상대적 빠른 유동에 따라 rampway구간과 수갱내부의 평균 온도차이가 현저히 감소한다. 따라서 선풍기 가동에 따른 통기량의 정확한 예측을 위하여서는 자연통기압의 분석 보다는 Fig. 10에서 보는 바와 같이 장비 이동에 따른 광산통기 특성곡선의 변화를 분석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 석회석 광산은 어떤 통기에 전적으로 의존하는가?	따라서 급속히 대형화 및 심부화가 이루어지고 있는 국내 석회석 광산은 자연통기에 전적으로 의존함에 따라 주요갱도에서의 통기방향 및 통기량의 제어가 불가능하므로 향후 심부화 및 디젤장비 사용의 증가에 따른 작업공간내 환경 문제의 해결 방안 강구가 시급한 과제로 대두되고 있다. 이에따라 작업환경 개선을 위한 통기문제의 해결 없이는 2018년 현재 약 130개인 국내 석회석 가행광산의 규모를 고려할 때 체계적 장기개발 계획의 실현이 거의 거의 불가능한 상황이라고 판단된다.
	국내 석회석 광산의 통기 인프라를 분석 결과는 어떠한가?	25~1.50백만톤 규모의 국내 주요 석회석 광산 9개소의 통기 인프라를 분석 결과 (1) 석회석 광산은 5.5~40 m/년 정도로 심부화가 진행되어 현재 갱구 기준으로 최대 약 200 m 정도까지 심부화되었으며 (2) 모든 현장에서 천공, 스케일링, 굴착, 적재, 운반 작업에 디젤장비를 활용하고 있고, (3) 주선풍기(main fan)를 이용한 전체 갱내통기를 하고 있는 현장은 전무하고, 거의 모든 현장이 자연통기에 의존하며, 작업장 통기는 일부 국부 선풍기를 활용하고 있음으로 조사되었다. 한편, (4) 통기전문인력 보유광산은 30%에 불과하였으며 생산계획과 연계된 통기망 확충 계획을 수립하고 있는 광산은 전무하였다.
	국내 석회석 광산에서 급속히 이루어 지고 있는 것은 무엇인가?	따라서 급속히 대형화 및 심부화가 이루어지고 있는 국내 석회석 광산은 자연통기에 전적으로 의존함에 따라 주요갱도에서의 통기방향 및 통기량의 제어가 불가능하므로 향후 심부화 및 디젤장비 사용의 증가에 따른 작업공간내 환경 문제의 해결 방안 강구가 시급한 과제로 대두되고 있다. 이에따라 작업환경 개선을 위한 통기문제의 해결 없이는 2018년 현재 약 130개인 국내 석회석 가행광산의 규모를 고려할 때 체계적 장기개발 계획의 실현이 거의 거의 불가능한 상황이라고 판단된다.

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