[논문]인공 화재 실험을 통한 광해방지 응급조치용 우레탄 폼 재료 특성 및 적정 복토에 관한 연구

김수로; 박제현; 이진수; 양인재

doi:10.9719/eeg.2020.53.3.287

인공 화재 실험을 통한 광해방지 응급조치용 우레탄 폼 재료 특성 및 적정 복토에 관한 연구
A Study on the Urethane Foam Material Characteristics and Appropriate Soil Covering for Mine Reclamation Emergency Action through Atificial Fire Test 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.53 no.3, 2020년, pp.287 - 296

김수로 (한국광해관리공단) , 박제현 (한국광해관리공단) , 이진수 (한국광해관리공단) , 양인재 (한국광해관리공단)

초록
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광해방지사업은 광산 개발로 인해 국민건강 생활에 미치는 위해요인을 분석, 제거 및 예방을 통해 지속가능한 녹색생활권 보장 및 친환경적 광산개발을 도모를 목표로 수행되고 있다. 일제강점기 및 광산개발 활황기에 개발되어 전국에 산재된 광산은 아직도 복구되지 않은 상태로 방치되고 있으며, 이런 산재된 위험으로 부터 국민안전은 물러설수 없는 최우선의 가치가 되고 있다. 광해방지사업에서 국민안전과 밀접한 사업은 응급조치이며, 이중 가장 광범위하게 사용되고 있는 공법은 지반침하방지사업과 유사하게 충전공법이다. 위험한 광산 공동 및 터널이 산악에 위치한 경우, 기존 재료로 충전 공법이 불가능하거나, 불합리한 경우가 발생가능하며, 새로운 공법의 기술개발이 필요하다. 위험한 광산 채굴지가 인접한 등산로에서 국민의 소중한 인명피해가 발생하지 않도록 응급조치사업은 안전하고 효율적으로 시행되어야 한다. 이러한 현장여건에서 우레탄 폼 재료는 하나의 대안이 될수 있다. 본 연구는 우레탄 폼 재료의 해외 광업분야 적용사례를 살펴보고, 실규모 화재 실험을 통해 광해방지사업의 응급조치을 위한 우레탄폼 재료와 복토 심도에 적용성을 실험하였다. 실험결과를 통해 약 15cm의 복토(추천 20cm 이상)로 산림화재로부터 폼 재료의 기능유지에 적정하다는 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mine Reclamation Project is being carried out with the aim of ensuring a sustainable green living and helping to develop eco-friendly mines by analyzing, removing and preventing the harmful factors. Mines developed during the japanese colonial period and mining boom period are still not repaired throughout the country, and from these scattered risks, public safety is worth pursuing as a top priority. The project that is close to public safety in the mine recalmation project is an emergency treatment, and the most widely used method is a filling method similar to the ground subsidence prevention. If dangerous mine cavity or tunnels are located in the mountains, charging with existing materials may not be possible, or unreasonable cases may occur, and new methods of technological development are required. Emergency actions should be carried out safely and efficiently to prevent the loss of precious people's lives on the hiking paths adjacent to dangerous mining sites. In these field conditions, urethane foam materials may be an alternative. In this study, the applicability of urethane foam materials in mining was reviewed through overseas cases. It was also tested on the appropriate depth of top soil for the protection of urethane foam materials through forest fire simulation test. The test result show that approximately 15cm of soil covering (recommended 20cm over) was suitable for maintaining the function of foam materials from forest fires.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Polyurethane Form methods for mine closing(Pricsu et al., 2010).
그림 Fig. 2. Mine Reclamation Emergency Action procedures in Korea(Mine Reclamation Corp., 2017).
표 Table 1. PUF Examples in State of Wyoming (Suman et al., 2000)
표 Table 2. Polyurethane Foam method criteria in Kentucky(2017)
표 Table 3. Product Characteristics in Kentucky(2017) and PU Glossary(KUMHO Chem.)
표 Table 4. Simulation results of Material Transport quantity (m³) in the field work
그림 Fig. 3. Comparisons of the transport quantity(m³) according to the field condition.
그림 Fig. 4. Cases of mine subsidence risks and Emergency action test in Korea.
그림 Fig. 5. Comparisons of Eq(3) and Eq(4) about the form plug thickness claculations.
그림 Fig. 6. Schematic diagram of forest fire simulation test.
그림 Fig. 7. Picture of the forest fire simulation test site.
표 Table 5. Material properties of the urethane form material
그림 Fig. 8. Results of untreated urethane fire test.
그림 Fig. 9. Fire flame temperature results during the fire test (t= 0 ~ 10,800sec).
그림 Fig. 10. Measured temperature results during the fire test (t= 0 ~ 10,800sec).
표 Table 6. Temperature results of the forest fire simulation test
그림 Fig. 11. Material surface conditions after the forest fire simulation tests.

AI 본문요약
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문제 정의

미혼합 재료의 위해성과 시공 중 노출 방지의 필요성에 대하여 언급하였다. 또한 노출된 폴리우레탄 폼 재료는 연소성을 가지며, 자외선에 의한 성능저하도 논하였다. 이는 시공 절차와 외부 노출에 대한 조치를 강조한 것으로 사료된다.
본 논문에서는 우수한 물리적 특성으로 다양한 산업에서 응용되는 폴리우레탄 폼 재료를 광해방지사업 응급조치에 적용하기 위하여 산림 화재로부터 적정한 안전조치 방안에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 광해방지사업 응급조치를 위한 우레탄 폼 재료의 국외 사례를 검토하였으며, 산림 화재로부터 우레탄 폼 재료의 안전확보를 위한 최소 복토 기준을 검토하였다.
실험종료 이후 복토심 두께의 적정성 검토를 위하여 4개 실험구와 비복토 실험구의 재료의 상태를 육안으로 확인하였다. 시간 지연에 따른 추가 변형의 영향을 최소화하기 위하여 실험 종료 이후 동시에 실시하였다. 육안 관찰조사는 폴리우레탄 폼 재료의 표면에 대하여 실시하였으며, 주요 관찰항목은 재료의 변색, 변형, 손상 및 기능저하의 여부이다.

가설 설정

또한 현장의 경사 여건은 10°, 20° 및 30°를 가정하였으며, 광해방지사업의 응급조치 위치가 주로 산악지라는 점을 고려하여 가정한 평균 경사와 고도차를 통해 운반거리로 환산하였다.
(2010)은 뒷불 특성 연구에서 소나무 낙엽층의 화재실험에 대하여 최고 온도를 600oC로 규정하여 145분 동안 실험을 실시한 바 있다. 본 실험에서는 산림 화재를 보다 보수적으로 검토하여 화원의 온도를 약 800^oC로가정하였으며, 화재 지속시간은 180분으로 계획하였다.

제안 방법

골재(모래)와 폴리우레탄 폼 재료의 운송 효과를 비교하여 검토하였다. 경사도 및 운반거리 요소를 변경하여 수치적으로 시공 재료의 운반량을 비교하였다. 이를 위하여 모래의 단위중량은 1.
골재(모래)와 폴리우레탄 폼 재료의 운송 효과를 비교하여 검토하였다. 경사도 및 운반거리 요소를 변경하여 수치적으로 시공 재료의 운반량을 비교하였다.
그러나 이 공법의 단점은 노출에 의한 파손의 위험에 대비하여 최소 2피트 이상의 피복재료가 요구된다고 설명하였다. 미혼합 재료의 위해성과 시공 중 노출 방지의 필요성에 대하여 언급하였다. 또한 노출된 폴리우레탄 폼 재료는 연소성을 가지며, 자외선에 의한 성능저하도 논하였다.
6). 복토 심도는 0.1m(실험구 C-1)0.2m(실험구 C-2), 0.4m(실험구 C-3) 및 0.6m(실험구 C-4)가 되도록 차등 적용하였으며, 폴리우레탄 폼 재료의 시공 두께는 약 0.5m로 동일하다(Fig. 6).
폐광산 위험지에서 국민의 소중한 인명피해가 발생하지 않도록 응급조치사업은 적시에 효율적으로 추진되어야 한다. 비효율적 요인의 검토를 위하여 건설공사 표준품셈(MOLIT and KICT, 2020)의 인력운반 관계식을 검토하였으며, 다음 식(1)과 식(2)와 같다.
산림 화재로부터 광해방지시설은 안전하게 관리되어야 하며, 제2의 산불원인으로 전이 가능성에 대하여 적극적으로 검토할 필요가 있다. 산림 화재로부터 항구적으로 안전사고 방지를 위하여 산불 모의(模擬)실험을 통해 폴리우레탄 폼 재료의 열 변형 특성과 적정한 복토 방안에 대하여 검토하였다.
식(1)과 식(2)를 통해 운반량은 단위중량과 같은 비율로 효과를 기대해 볼 수 있다. 시공 재료와 경사도를 고려한 환산된 운반거리에 따라 시공량(m³)의 차이를 비교하였다(Table 4). 골재(모래)의 인력운반을 통한 위험지 복구는 운반거리가 짧고(약 200m 이내), 소규모 체적(약 7m³이내)인 경우에 실효성이 있는 것으로 사료된다.
폴리우레탄 폼 재료의 물리적 성질을 정리하면 Table 5와 같다. 실험장은 소규모 광산 위험지를 가정하여 가로 1.0m, 세로 1.0m 규모로 4개 실험구를 굴착하였으며, 비교를 위하여 무처리구(무복토, C-0)를 조성하였다(Fig. 6). 복토 심도는 0.
실험종료 이후 복토심 두께의 적정성 검토를 위하여 4개 실험구와 비복토 실험구의 재료의 상태를 육안으로 확인하였다. 시간 지연에 따른 추가 변형의 영향을 최소화하기 위하여 실험 종료 이후 동시에 실시하였다.
시간 지연에 따른 추가 변형의 영향을 최소화하기 위하여 실험 종료 이후 동시에 실시하였다. 육안 관찰조사는 폴리우레탄 폼 재료의 표면에 대하여 실시하였으며, 주요 관찰항목은 재료의 변색, 변형, 손상 및 기능저하의 여부이다.
경사도 및 운반거리 요소를 변경하여 수치적으로 시공 재료의 운반량을 비교하였다. 이를 위하여 모래의 단위중량은 1.7t/m³, 폴리우레탄 폼의 단위중량은 57kg/m³을 적용하였다. 또한 현장의 경사 여건은 10°, 20° 및 30°를 가정하였으며, 광해방지사업의 응급조치 위치가 주로 산악지라는 점을 고려하여 가정한 평균 경사와 고도차를 통해 운반거리로 환산하였다.
화재 중심부 온도는 휴대용 열적외적 측정기로 측정하여 기록하였으며, 복토층 하부의 폼 재료의 온도는 k-type(800oC) 열전대를 사용하여 측정하였다. 적용된 tes-1383 시스템은 4개 채널로 구성되어, 동시에 4개 실험구 내부 특정 위치에 대한 온도 측정 및 기록이 가능하다.

성능/효과

C-3실험구 및 C-4 실험구는 실험시간 내에서 유의한 온도변화를 관찰할 수 없었다. 각 실험구의 중심 구간은 시간에 따른 온도 상승이 선형적 증가를 보였다. C-1실험구의 경우, 온도 15^oC부터 95^oC 구간까지의 단위 온도 상승 당 소요시간이 평균 36.
7^oC로 기록되었다. 또한 100^oC로 수렴되는 특성을 보였다. 온도의 수렴 및 유지는 복토 재료(흙)의 수분과 관계된 것으로 사료된다.
온도 변화를 구간별로 살펴보면, 실험시작 약 20분 부터 C-1 실험구는 온도 상승이 관찰되었으며, C-2 실험구는 약 124분 부터 온도 상승이 관찰되었다. C-3실험구 및 C-4 실험구는 실험시간 내에서 유의한 온도변화를 관찰할 수 없었다.

후속연구

또한 이를 응용하면 단면 가정(타원)을 통해, 식(5)와 같이 개략적 시공량 추정도 가능하다. 개략적인 현황조사에 활용될 수 있을 것이다.
시공 전 조치와 관련하여, 먼지 및 이완암 정리와 같은 측벽부 처리는 준용되어야 한다. 또한 재료의 지반 접착이나 물리 화학적 특성은 중요 검토 사항으로 성적서 징구, 사전 인증으로 절차의 간소화가 가능할것으로 판단된다.
복토 재료의 구득이 어려운 산악지에서 최소한의 복토심으로 화재로 부터 폼 재료의 연소 및 변형을 방지에 참고할 수 있을 것으로 판단된다.
시공 수량의 산정은 본문의 간편식(4)를 활용하여 국내의 개략적 현장 조사 등에 편리하게 사용할 수 있을것으로 사료된다.
실험조건 결과를 고려할 때, 최소 15cm이상(권장 20cm)의 복토(흙)가 산림화재로 부터 폴리우레탄 폼 재료의 기능유지를 위한 최소 기준 요건으로 적정할 것으로 판단되나, 시공이후 복토에 대한 모니터링 및 사후관리가 필요하다. 또한 재료의 유실 가능성 및 흙 이외의 재료 혼입 등도 핵심 검토사항이라 할수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광해방지사업의 목표는?	광해방지사업은 광산 개발로 인해 국민건강 생활에 미치는 위해요인을 분석, 제거 및 예방을 통해 지속가능한 녹색생활권 보장 및 친환경적 광산개발을 도모를 목표로 수행되고 있다. 일제강점기 및 광산개발 활황기에 개발되어 전국에 산재된 광산은 아직도 복구되지 않은 상태로 방치되고 있으며, 이런 산재된 위험으로 부터 국민안전은 물러설수 없는 최우선의 가치가 되고 있다.
	연질 우레탄 폼의 특징은?	전 세계적으로 소비되는 폴리우레탄의 75%이상은 폴리우레탄 폼(Polyurethane Form, PUF) 형태이며, 원료물질의 특성에 따라 연질 우레탄 폼과 경질 우레탄 폼으로 분류된다. 연질 우레탄 폼은 쿠션성이 양호하고, 기계적 강도가 우수하여 원료물질의 바합 비율에 따라 다양한 물성을 조절할 수 있기 때문에 가구나 침구류에 국한되지 않고 자동차에 까지 널리 사용되고 있다. 경질 우레탄 폼은 우수한 단열 성능, 완충성, 간편 제조성 등이 타 단열재에 비해 우수하여 경량구조재, 완충재 등으로 널리 사용되고 있다(Jeong et al.
	폴리우레탄의 응용 분야는?	폴리우레탄은 강인하며, 인장 파괴 강도가 크고, 탄성이 우수하며, 내마모성과 내유성, 그리고 내용제성이 뛰어나서 발포체, 탄성체, 도료, 접착제, 섬유와 합성피혁은 물론 실링제 등에도 사용되고 있다. 그 응용분야는 신발, 건자재, 자동차용품, 주형 재품, 각종 페인트 및 가구에 이르기까지 매우 광범위하다.

참고문헌 (14)

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Kim, J. I., Cheon, B. S. and Ryu, D. S. (1994) Physical & chemical properties of polyurethane materials for subsurface improvement, Proceedings of Korean Geotechnical Society Conference, p.47-61.
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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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