[논문]현장실험을 통한 개선된 수압암반절개시스템의 굴착 효율성 평가

박종오; 우익

doi:10.9720/kseg.2021.4.719

현장실험을 통한 개선된 수압암반절개시스템의 굴착 효율성 평가
Estimation from Field Tests of the Excavation Efficiency of an Improved Hydraulic Rock Splitting System 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.31 no.4, 2021년, pp.719 - 730

초록
AI-Helper

본 연구는 무진동·무소음 암반 굴착을 위해 개발된 수압암반절개공법의 효율적인 굴착을 위하여 수압암반절개시스템의 패커 및 주입 시스템을 개량하였으며, 또한, 현장 실험을 수행하여 개선된 시스템의 효율성을 평가하였다. 수압파쇄균열은 누수로 인한 주입 압력의 손실로 인하여 균열확장 및 균열성장에 제한이 발생하였으나, 단일 패커의 팽창에 따른 인장응력에 의한 인장 변위는 암반 굴착을 용이하게 하였다. 현장 실험 자료를 바탕으로 수행한 수치해석결과는 현장 실험에서 형성된 균열의 발달을 모사할 수 있는 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An improved packer and injection system was developed to improve the efficiency of excavation by hydraulic rock splitting by reducing vibration and noise. Field testing of the system found hydraulic fractures limited in expansion and extension due to the loss of injection pressure by leackage from the cracks, and then the single packer applied to injection hole allowed to produce a sufficient tensile displacement for rock excavation. Numerical analysis based on the field test data could explain the development of cracks in the field experiments.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. (a) Photograph and (b) diagram of Improved wedge-type, high- pressure, urethane and expandable rubber staddle packer system using hydraulic power.
그림 Fig. 2. Packer system induces sufficient tensile displacement in a borehole.
그림 Fig. 2. Water supply unit with a capacity of 300 L min^-1 - 30 MPa.
그림 Fig. 4. Geological map of the test site.
그림 Fig. 5. (a) Photograph (b) point clould image of the test rock mass.
그림 Fig. 6. Borehole array for the hydraulic splitting testing.
그림 Fig. 7. Rock splitting testing for theree boreholes vertically aligned with free surface in section A1.
그림 Fig. 8. Pressure variation after in jection into three boreholes in section A1.
$Fig. 9. (a) Inside of borehole A1-1 with only one pre-existing fracture (N80°E/60°SE parallel with slope surface) and fractures induced by injection testing. (b) Borehole A1-2 at a depth of 0.8m.(c) Borebole A1-3 at a depth of 1.0 m. (d) Vertically induced hydraulic fractures on the surface around boreholes A1-2 and A1-3.$ 그림 Fig. 9. (a) Inside of borehole A1-1 with only one pre-existing fracture (N80°E/60°SE parallel with slope surface) and fractures induced by injection testing. (b) Borehole A1-2 at a depth of 0.8m.(c) Borebole A1-3 at a depth of 1.0 m. (d) Vertically induced hydraulic fractures on the surface around boreholes A1-2 and A1-3.
$Fig. 10. (a) Injection tests for four boreholes in ah rhombus array in section A2. (b) Pre-existing crack inside A2-1.(c) Pre-existing main joint in borehole A2-2. (d) Vertical hydraulic fracture in borehole A2-3. (e) Vertical hydraulic fracture in borehole A2-4.$ 그림 Fig. 10. (a) Injection tests for four boreholes in ah rhombus array in section A2. (b) Pre-existing crack inside A2-1.(c) Pre-existing main joint in borehole A2-2. (d) Vertical hydraulic fracture in borehole A2-3. (e) Vertical hydraulic fracture in borehole A2-4.
그림 Fig. 11. Variation of injection pressure in the boreholes of section A2.
$Fig. 12. (a) Injection tests for four boreholes in ah rhombus array in section A3. (b) Horizontal hydraulic fracture inside borehole A3-1. (c) Inclined fracture at the entrance of borehole A3-2 prolonged by vertical hydaulic fracture in the injection interval. (d) Pre-existing main joint set in borehole A3-3. (e) Inclined hydraulic fracture at the entrance of borehole A3-4 prolonged by vertical hydaulic fracture in the injection interval.$ 그림 Fig. 12. (a) Injection tests for four boreholes in ah rhombus array in section A3. (b) Horizontal hydraulic fracture inside borehole A3-1. (c) Inclined fracture at the entrance of borehole A3-2 prolonged by vertical hydaulic fracture in the injection interval. (d) Pre-existing main joint set in borehole A3-3. (e) Inclined hydraulic fracture at the entrance of borehole A3-4 prolonged by vertical hydaulic fracture in the injection interval.
그림 Fig. 13. Variation of injection pressure in stction A3.
그림 Fig. 14. (a) Dilatation of hydraulic induced tension cracks after expansion of single packer in borehole A1-2. (b) Variation of single packer pressure during packer expansion test for borehole A1-2.
그림 Fig. 15. (a) Dilatation of hydraulic induced tension cracks after expansion of single packer in borehole A3-2. (b) Variation of single packer pressure during packer expansion test for borehole A3-2.
그림 Fig. 16. Minimum principal stress distribution around injection holes in section A1 modeled by FLAC2d using injection pressure of (a) 2.0 MPa for borehole A1-1, 3.5 MPa for borehole A1-2 and 2.0 MPa for borehole A1-3. (b) Simulation of packer inflation test with 10 MPa packer pressure for borehole A1-2.
그림 Fig. 17. Minimum principal stress distribution around injection holes in section A3 modeled by FLAC2d using (a) an injection pressure of 2.0 MPa for all injection holes. (b) Simulation of packer inflation test with 10 MPa packer pressure for borehole A3-2.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 수압암반절개 시스템의 굴착 효율성을 개선하기 위해 이중 패커 및 유량공급장치를 개량하였으며, 현장 굴착에 적용하여 굴착 효율성을 판단하였다.
본 연구에서는 수압암반절개시스템을 개량하여 기존의 시스템이 가졌던 굴착의 효율성을 증대시키고자 하였다. 이를 위하여 패커 시스템과 주입 시스템을 개선하였으며, 암반 굴착에 필요한 변위를 제공하는 단일 패커를 도입하였다.

제안 방법

8 m로 모든 시추공에 대하여 동일하다. 각 실험에서 모든 시추공에 물을 주입하여 균열 발생 및 누수 등을 관찰하였으며, 데이터로거를 이용하여 공내 압력변화를 실시간으로 측정하였다.
현장 실험에서 유도된 수압파쇄균열은 2~4 MPa 정도의 낮은 주입압에서 형성되어 균열의 확장 및 연장이 제한적이었다. 본 연구에서는 수압파쇄균열의 확장 및 연장을 위하여 주입공 내부에 설치된 단일패커의 팽창력을 이용하였다. 수압파쇄균열 발생 압력보다 5~6배 높은 팽창력에 의한 인장응력과 이에 따른 인장 변위는 이미 생성된 수압파쇄균열의 변위를 확장시켜 암반 굴착을 용이하게 하였다.
본 연구에서는 수압암반절개시스템을 개량하여 기존의 시스템이 가졌던 굴착의 효율성을 증대시키고자 하였다. 이를 위하여 패커 시스템과 주입 시스템을 개선하였으며, 암반 굴착에 필요한 변위를 제공하는 단일 패커를 도입하였다.

대상 데이터

개량된 수압절개시스템의 굴착 성능은 충청남도 보은군에 위치한 채석장에서 현장 굴착 실험을 통하여 평가하였다. 현장 실험 위치는 중생대 쥬라기의 흑운모 화강암과 화강섬록암으로 이루어진 보은화강암이 기반암으로 분포하는 지역이다(Fig.
5a). 실험 대상 암반을 지상 Lidar로 스캔하여 획득한 점군데이터(Fig. 5b)를 이용하여 실험대상 암반의 높이 6 m, 주절리군인 N80°E/60°SE 절리군의 간격이 평균 2 m인 것으로 분석되었다.
현장 실험은 연구지역의 흑운모 화강암 암반에 대하여 수행하였으며, 실험 지역의 화강암에는 4개의 절리군이 주로 분포한다. 즉, 평탄하고 운모류가 피복된 주절리군인 N80°E/60°SE과 이를 교차하는 N10°E/80°SE, N10°E/30°NW 및 N40°W/70°SW 등과 같은 절리군이 주요 절리군을 구성하고 있다(Fig.

데이터처리

25 m 크기의 모델 내부에 4개의 주입공을 마름모형으로 배열시켰으며, A3-3공 오른쪽에 위치한 절리면을 자유면으로 고려하였고 왼쪽과 하부 경계는 수직 및 수평 변위를 제한한 경계조건을 부였다. 현장 에서 측정한 결과를 바탕으로 A3 구간에 4개의 공에 대하여 2.0 MPa의 주입압이 적용하여 해석을 수행하였다(Fig. 17a).

성능/효과

본 연구에서는 수압파쇄균열의 확장 및 연장을 위하여 주입공 내부에 설치된 단일패커의 팽창력을 이용하였다. 수압파쇄균열 발생 압력보다 5~6배 높은 팽창력에 의한 인장응력과 이에 따른 인장 변위는 이미 생성된 수압파쇄균열의 변위를 확장시켜 암반 굴착을 용이하게 하였다.
현장에서 수행한 실험에서는 주입공과 교차하는 절리 및 생성된 수압파쇄균열이 기존 절리와 교차하면서 발생하는 누수로 인하여 주입압의 손실이 발생할 수 있다. 이로 인하여 수압파쇄균열의 확장 및 연장이 제한되어 현장 실험에서 암반 굴착에 충분한 변위를 얻을 수 없었다. 현장 실험에서 유도된 수압파쇄균열은 2~4 MPa 정도의 낮은 주입압에서 형성되어 균열의 확장 및 연장이 제한적이었다.
현장 실험 결과를 바탕으로 수행한 수치해석결과에서는 수압파쇄균열 발생 압력에서는 국부적인 균열이 생성되며, 패커 팽창실험에 적용한 패커 압력에서는 해당 암반에 대하여 전반적으로 인장응력이 형성되어 균열의 확장 및 변위가 발생할 수 있다는 것으로 보여주고 있다.
이로 인하여 수압파쇄균열의 확장 및 연장이 제한되어 현장 실험에서 암반 굴착에 충분한 변위를 얻을 수 없었다. 현장 실험에서 유도된 수압파쇄균열은 2~4 MPa 정도의 낮은 주입압에서 형성되어 균열의 확장 및 연장이 제한적이었다. 본 연구에서는 수압파쇄균열의 확장 및 연장을 위하여 주입공 내부에 설치된 단일패커의 팽창력을 이용하였다.
현장에서 수행한 실험에서는 주입공과 교차하는 절리 및 생성된 수압파쇄균열이 기존 절리와 교차하면서 발생하는 누수로 인하여 주입압의 손실이 발생할 수 있다. 이로 인하여 수압파쇄균열의 확장 및 연장이 제한되어 현장 실험에서 암반 굴착에 충분한 변위를 얻을 수 없었다.

참고문헌 (11)

Cheon, D.S., Lee, T.J, 2013, Theoretical background and design of hydraulic fracturing in oil and gas production, Tunnel and Underground Space, 23(6), 538-546 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Haimson, B., 1978, The hydrofracturing stress measuring method and recent field results, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 15, 167-178.

상세보기
Haimson, B., Lee, M.Y., Song, I., 2003, Shallow hydraulic fracturing measurements in Korea support tectonic and seismic indicators of regional stress, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40, 1243-1256.

상세보기
Itasca, 2016, FLAC2d version 8.0 manual.
Jung, S.P., 2011, Post-fracturing evaluation of a hydraulic-fractured well using well testing interpretation, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 48(4), 493-498 (in Korean with English abstract).
KEC (Korea Expressway Corporation), 2012, Specification for civil engineering project of expressway construction, 1307p.
KTX (Korea Train Express), 2003, Specification for railroad construction for express train, 768p.
Park, J.O., Lee, D.H., 2016, Development of hydraulic rock splitting technique for rock excavation, The Journal of Engineering Geology, 26(3), 353-360 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Park, J.O., Lee, D.H., Woo, I., 2017, Field application of hydraulic rock splitting technique to biotite granite, Tunnel and Underground Space, 27(5), 263-270 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Park, J.O., Lee, D.H., Woo, I., 2019, Feasibility study of the application of hydraulic rock splitting system to a granite rock masses in Korea, International Information Institute, 22(2), 119-136.
Park, J.O., Woo, I., 2019, Field tests of hydraulic rock splitting technique using arrays of injection holes with guide slots, The Journal of Engineering Geology, 29(4), 405-415 (in Korean with English abstract).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증