KR101234873B1 - 암석 파쇄 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 드릴링될 암석이 공구를 통해 연속적인 응력 펄스를 받는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 높은 진동수로 암석에 가해지는 응력 펄스, 및 응력파의 진동수와 길이 (t_p) 를 기초로 산출되어 0.075 이상인 하중비를 포함한다.

Description

암석 파쇄 방법{METHOD FOR BREAKING ROCK}

본 발명은, 드릴링될 암석이 공구를 통해 연속적인 응력파를 받아 공구로부터 암석으로 전해지는 응력파의 에너지가 암석을 파쇄하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법에 관한 것이다.

착암(rock drilling) 등에서, 드릴 로드 또는 그 끝에 있는 드릴 비트 등의 공구를 통해 암석에 응력파를 가함으로써 암석이 파쇄된다. 오늘날 일반적으로, 응력파는 착암 기계에서 앞뒤로 이동하는 충격 피스톤 또는 압력 매체를 이용하는 충격 장치로 공구의 단부를 때림으로써 발생된다. 착암시에 응력파의 공급 및 공구의 회전은 동시에 일어나지만, 실제로 암석 재료의 파쇄는 공구로부터 암석으로 전해지는 응력파의 에너지에 의한 것이다.

일반적으로, 응력파의 에너지량 중 약 50 ~ 80 % 가 파쇄될 암석으로 전해진다. 암석 재료로 전해지는 에너지는 거시 균열(macro-crack), 암석 재료의 파쇄, 및 탄성파를 야기한다. 탄성파의 에너지는 암석 재료의 파쇄와 관련하여 상실된다. 반면에, 파쇄에 있어서는 거시 균열의 발생이 암석 재료의 압쇄(crushing)보다 더 효과적이다. 거시 균열에 의해 암석 재료로부터 큰 입자가 분리되는 반면에, 압쇄의 경우에는 암석 재료를 완전히 미세하게 갈아야 하는 데, 이는 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 따라서, 암석을 압쇄하는 대신에 가능한 한 많은 거시 균열을 발생시키는 것이 바람직하다.

현재의 충격 장치는 일반적으로 20 ~ 100 Hz 의 낮은 진동수에서 응력파를 발생시키고, 응력파의 길이는 다소 짧은, 즉 약 0.2 ~ 1.6 m 이다. 동시에, 응력파의 진폭 및 에너지량은 크다. 가장 클 때, 진폭은 일반적으로 200 ~ 300 MPa 이다. 응력파의 진폭 때문에, 사용될 버튼 비트를 높은 레벨의 하중에 견딜 수 있게 설계할 필요가 있다. 따라서, 버튼 비트에는 많은 암석 파쇄 버튼이 있어야 하고, 버튼은 최고 하중을 견디도록 설계되어야 한다. 그러므로, 버튼의 형상은 암석의 파쇄에 있어서 불리하다. 따라서, 버튼의 침투에 대한 버튼 비트에 의해 암석에 가해지는 힘의 비로 표현되는 소위 버튼 비트의 침투 저항성은 크다.

버튼의 불리한 형상과 함께 높은 레벨의 에너지는 암석의 파쇄 및 분리를 비효율적이게 한다. 유사하게, 응력파의 큰 진폭값은 사용되는 드릴링 장비, 즉 드릴 로드 및 버튼 비트의 사용 수명을 단축시킨다. 거시 균열을 발생시키는데 있어서는, 소위 공격적인 버튼이 사용될 수 있는 것이 바람직하지만, 이는 현재의 응력 진폭 레벨에서는 가능하지 않다. 이러한 버튼을 사용하는 것이 가능하다면, 현재의 해결책에 비해 훨씬 더 효율적으로 암석을 파쇄할 수 있다.

현재의 해결책을 발전시키는데 있어서, 일반적으로 전보다 더 큰 충격력을 사용하는 것과 그에 따른 더 큰 응력파 진폭을 사용하는 데 초점을 두고 있다. 그러나, 놀랍게도 현재의 경향과는 다르게 현재보다 상당히 더 작은 응력파 진폭을 사용하는 본 발명에 따른 방법에 의해서도 동일한 결과를 얻을 수 있다는 점에 주목해야 한다.

본 발명의 목적은 종래보다 더 효율적이면서 장비의 내구성 및 사용 수명을 동시에 늘려주는 암석 재료의 파쇄 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 방법은, 응력 펄스가 높은 진동수로 암석에 가해지고 응력파의 진폭이 작아서, 응력파의 진동수와 길이를 기초로 산출되는 하중비가 0.075 이상이 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 본질적인 구상은, 현재의 진동수보다 본질적으로 더 높은 응력파 진동수 및 응력파의 사이클 시간에 대한 길이가 현재의 응력파보다 본질적으로 더 긴 응력파를 사용하여, 그에 의해 암석 파쇄에 사용되는 하중비가 현재의 장비의 하중비보다 본질적으로 더 크게 될 수 있는 것이다.

본 발명의 이점은 현재의 진폭보다 더 작은 응력 진폭으로도 더 큰 하중비로 암석을 파쇄하는데 충분하다는 점이다. 또한, 본 발명의 이점은, 버튼 비트의 버튼이 최대 응력의 필요 조건에 따라 형성될 필요가 없다는 것이지만, 더 낮은 응력 레벨에서도 보다 공격적이게 설계될 수 있으며, 따라서 암석 파쇄 효과가 현재의 버튼 비트보다 더 크게 된다는 것이다. 또한, 더 작은 응력파 진폭을 사용하는 것은, 이전보다 더 가벼운 공구, 즉 드릴 로드 및 다른 장치의 사용을 가능하게 해주고, 동시에 공구의 사용 수명을 더 연장할 수 있다.

도 1 은 현재의 충격 장치의 응력 펄스를 시간에 따라 개략적으로 도시한다.

도 2 는 본 발명의 방법을 이용하는 충격 장치의 응력 펄스를 도 1 과 동일한 방식으로 도시한다.

도 3 은 응력파를 개략적으로 도시한다.

도 1 은 종래 기술에 따라 작동하는 충격 장치에 의해 주어지는 서로 다른 응력파를 시간에 따라 개략적으로 도시한다. 종축은 응력파의 응력 진폭 (σ) 을 나타내고, 횡축은 시간 (t) 을 나타낸다. 도 1 에서 도시되었듯이, 응력파의 길이 (t_p) 는 두 응력파 사이의 사이클 시간 (T) 에 비해 짧다. 이는 응력파가 드릴 로드에 대한 충격 피스톤의 타격에 의해 발생되는 것에 기초한 것이고, 이러한 작용은 충격 피스톤의 길이에 비례하므로 매우 짧다. 충격 피스톤의 왕복 운동 때문에, 오늘날 충격 진동수는 일반적으로 약 20 ~ 100 Hz 이고, 그에 의해 연속적인 타격 사이의 시간과 비교할 때 타격에 의해 주어지는 응력파의 시간 길이는 아주 짧다. 동시에 발생되는 응력파의 진폭 (σ) 은 일반적으로 높은, 즉 200 ~ 300 MPa 이다.

다음으로, 도 2 는 본 발명에 따른 방법으로 발생되는 응력파를 도시한다. 본 발명에 따른 이 해결책에서, 응력파의 진폭이 도 1 의 응력파에 비해 매우 작다는 점에 주목할 수 있다. 본 발명의 방법에서, 응력파의 진동수가 공지된 해결책보다 본질적으로 더 크기 때문에, 응력파 사이의 시간 (T) 에 대한 응력파의 길이 (t_p) 는 공지된 해결책보다 상당히 더 크다.

암석 파쇄에서의 용어 "하중비 (α)" 는 파쇄될 암석이 시간에 따라 어떻게 하중을 받는지를 나타낸다. 이는 t_p 는 응력파의 길이, f 는 진동수, L_p 는 파장, 그리고 c 는 공구에서의 응력파의 속도라고 할 때, 상기 하중비는

(1)

으로 표현될 수 있다. 현재의 충격 장치에서의 일반적인 하중비는 α = 0.01 ~ 0.025 이다.

0.5 m 의 피스톤 길이 및 60 Hz 의 진동수를 가지는 충격 장치의 예에서, 하중비는 0.012 이다.

본 발명에 따른 방법으로 매우 큰 하중비가 실현될 수 있어서, α ≥ 0.075, 바람직하게는 0.1 이상이 된다.

이론상, 하중비의 최대치는 1 이지만, 실제로는 1 이 될 수 없다. 응력파를 발생시키는 장치의 시간 중 일부는 실제로 응력파를 발생시키는데 쓰이고, 일부는 복귀, 즉 응력파를 발생시키는 위치로 이동하는데 쓰인다. 이는 실제로 복귀 속도가 응력파의 발생 속도보다 더 클 수 없기 때문에, 최대 하중비가 실제로는 약 0.5 라는 것을 의미한다.

A_k 는 사용되는 공구, 즉 드릴 로드의 단면적이고, E_k 는 그 공구의 탄성 계수 값이라고 할 때, 충격 장치로부터 공구를 통해 암석 등의 파쇄될 재료로 공급되 는 에너지 (W) 및 동력 (P) 을 직사각형 응력 펄스에 대해 아래의 식과 같이 정의될 수 있다.

현재 장치의 하중비보다 더 큰 하중비를 사용하는 것이 바람직하다면, 현재 크기의 응력 진폭은 더 이상 사용될 수 없다. 이는 드릴 장치의 사용 수명을 크게 단축시키는 결과를 낳는다. 또한, 본 방법의 효율적인 이용을 위해 필요한 공격적인 버튼을 가지는 버튼 비트는 현재 하중 레벨을 견디지 못한다. 또한, 충격 장치에서 요구되는 충격력이 현재의 크기로부터 4 ~ 10 배까지 증가할 것이다.

하중비는, 예를 들어 응력파의 진동수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이 원리를 적용하면, σ_refe 는 기준 진폭, 즉 현재의 충격 장치에서 일반적인 응력 레벨이고, α_refe 는 대응하는 기준 하중비라고 할 때, 충격력의 일정함을 이용하여 응력파의 진폭은 아래와 같은 식으로 표현될 수 있다.

오늘날 사용되는 가장 높은 응력값, 즉 300 MPa 이 기준 진폭 σ_refe 로 선택되고, 0.025 가 하중비 α_refe 로 선택된다면, 최대 진폭은

이 될 것이다.

본 발명에 따르면, 현재의 해결책보다 본질적으로 더 큰, 즉 250 Hz 이상, 바람직하게는 350 Hz 이상, 예를 들어 350 ~ 1000 Hz 의 응력파 진동수가 사용된다.

하중비가 상기 진동수에서 0.075 이상인 경우에, 150 MPa 를 최대 진폭으로 함으로써 본 발명에 따른 방법으로 효율적인 드릴링 결과를 얻을 수 있다. 더 작은 진폭도 좋은 결과를 낳지만, 분명히 암석 파쇄는 상당히 큰 진폭 레벨을 필요로 한다. 실제로, 본 발명에 따른 방법의 이점은 응력 진폭이 약 25 MPa 인 경우에 나타나기 시작하지만, 바람직하게는 응력 진폭이 약 40 MPa 이상인 경우에 나타난다.

충격 피스톤을 가지는 현재의 장치에서, 이론적으로 응력파는 거의 직사각형 펄스의 형상이고, 그 길이는 충격 피스톤의 길이의 두 배로 규정되었다. 충격 피스톤으로 공구를 때리는 것과 다른 방법으로 응력파가 발생된다면, 예를 들어 도 3 에 나타난 것처럼 그 형상이 직사각형 형상과는 상당히 다를 수 있다. 이 경우에, 응력파의 진폭은 도 3 에 나타난 방식으로 진폭의 최대값 σ_max 를 말하는 것 이고, 그 길이는 실질적으로 도 3 과 같이 정해질 수 있어, 응력파의 길이는 응력파가 상승하는 경우에 응력이 0.1×σ_max 를 초과하는 지점, 그리고 유사하게 응력파가 하강하는 경우에 응력이 0.1×σ_max 아래로 내려가는 지점 사이의 시간으로 정해진다.

응력파를 발생시키는 다른 방법은, 전기적 또는 전자기적 장치를 사용하는 것인데, 이 경우 응력파의 발생은 예를 들어 공급되는 전류의 길이 또는 펄스형 전류의 펄스의 길이에 기초하게 된다. 응력파를 발생시키는 또 다른 방법으로는, 압력 유체의 압력에 의해 에너지를 충전함으로써, 예를 들어, 에너지를 응력 요소에 충전하고 이 에너지를 압축 에너지로서 공구에 방출함으로써 응력파가 발생되게 하거나, 또는 압력 유체의 압력에 의해 제공되는 압축력이 공구에 직접 가해지게 함으로써 응력파가 발생되게 하는 것이다. 따라서, 일 실시형태에서 응력 펄스를 발생시키는 시간 주기 중에 압력 유체의 압력이 공구의 단부에 직간접적으로 영향을 미치게 함으로써 압축력이 발생하여, 압력에 의해 발생된 힘이 공구를 압축하게 된다. 상기한 모든 경우에, 충격 피스톤에 의한 타격 없이 압축력을 드릴 로드 등의 공구에 주기적으로 가함으로써 응력파가 바람직하게 발생되어, 압축력이 공구에 작용하는 동안 압축력은 응력파를 발생시킨다. 따라서, 상기 방법이 적용되는 경우, 응력파의 진동수 및 길이는 공구에 대한 압축력의 유효 진동수 및 유효 시간을 조정함으로써 조정된다.

상기 설명과 도면에서 단지 예로서 본 발명이 설명되었고, 본 발명을 제한하 지 않는다. 본질적인 것은 응력파의 진동수가 현재의 충격 진동수보다 매우 크고, 응력파에 의해 제공되는 하중비가 현재의 장치에 의해 제공되는 것보다 매우 크며, 또한 응력의 진폭이 현재의 응력파의 진폭보다 상당히 더 작다는 것이다.

Claims (17)

1. 드릴링될 암석이 압력 유체의 압력을 이용함으로써 공구를 통해 연속적인 응력 펄스를 받아 상기 공구로부터 상기 암석으로 전해지는 응력파의 에너지가 상기 암석을 파쇄하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법에 있어서, 상기 공구에서 압축력이 응력파를 발생시키도록 충격 피스톤에 의한 타격 없이 압축력을 드릴 로드 등의 상기 공구에 주기적으로 가함으로써 응력파를 발생시키고, 응력 펄스를 발생시키는 시간 주기 중에 상기 압력 유체의 압력이 상기 공구의 단부에 직간접적으로 영향을 미치게 함으로써 압축력이 발생하여 압력에 의해 발생된 힘이 상기 공구를 압축하며, 응력 펄스가 250 Hz 이상의 진동수로 상기 암석에 가해지며, 응력파의 진동수 (f) 와 길이 (t_p) 를 기초로 산출되는 하중비 (α) 가 0.075 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 응력파의 진동수가 350 Hz 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 응력파의 진폭은 150 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
5. 삭제
6. 제 3 항에 있어서, 상기 응력파의 진폭은 150 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
7. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응력파의 진폭은 25 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 응력파의 진폭은 40 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
9. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응력파의 진동수 및 길이는 상기 공구에 대한 압축력의 유효 진동수 및 유효 시간을 조정함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 응력파의 진동수 및 길이는 상기 공구에 대한 압축력의 유효 진동수 및 유효 시간을 조정함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 응력파의 진동수 및 길이는 상기 공구에 대한 압축력의 유효 진동수 및 유효 시간을 조정함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
12. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
13. 제 7 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
14. 제 8 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
15. 제 9 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
16. 제 10 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 하중비 (α) 가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 착암시 드릴링될 암석을 파쇄하는 방법.

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