KR101506469B1 - 순환식 용해 채광 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하의 유용 광물을 용매를 주입하여 녹인 후 용매를 회수하여 유용 광물을 채굴하는 용해 채광장치 관한 것이다.
본 발명에 따른 순환식 용해 채광장치는 채굴 대상이 되는 유용 광물이 밀집되어 있는 광상까지 굴착을 통해 시추정에 삽입되어 광상에 용매를 주입하기 위한 것으로서, 중공형으로 형성되어 시추정에 삽입되는 파이프, 파이프와 시추정의 공벽 사이를 밀폐시키는 패커 및 용매에 회전력을 부여함으로써 용매의 확산력을 증대시키도록, 파이프의 하단에 회전가능하게 설치되는 블레이드를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

순환식 용해 채광 장치{Apparatus for solution mining by cycling process}

본 발명은 지하의 유용 자원을 채굴하기 위한 채광장치에 관한 것으로서, 특히 유용 자원이 밀집되어 있는 지하의 광상(ore deposit)에 용매를 주입하여 유용 자원을 용해시켜 회수하는 방식의 용해 채광법에 사용되는 장치에 관한 것이다.

자원 개발이 오랜 기간 지속됨에 따라 전통적 방식으로 자원을 채굴하는 방식은 경제성의 측면과 기술적인 측면에서 많은 난관에 봉착해 있다. 이에 근래에는 전통적 채굴 방식에서 벗어나 용해 채광법(solution mining)으로 부존 자원을 개발하는 방식이 활발하게 적용되고 있다.

용해 채광법은 1922년에 처음 사용되었지만, 현재에는 도 1의 표에 나타난 바와 같이 자원개발산업에서 매우 상당한 규모로 발전하였다. 현재 미국 내 금, 은, 구리, 우라늄, 소듐, 마그네슘, 황 및 리튬의 생산량 중 적어도 25%가 용해 채광법에 의하여 개발되고 있다.

용해 채광법은 유용 광물이 밀집되어 있는 광상까지 시추정(borehole)을 형성하고, 시추정에 용매를 주입하여 유용 광물이 용매에 용해(melting, dissolution) 또는 침출(leaching)되게 한 후, 용매를 다시 회수하여 유용 광물을 생산하는 방식을 말한다.

기존의 용해 채광법에서는 주로 채굴하고자 하는 광종과 주변 지질 환경에 적합한 용매와, 용매의 주입 온도에 대한 연구 또는 광상층에서의 공극률, 투수율 등 주변 환경에 따른 용매의 유동성에 대한 연구가 주를 이루었다.

그러나 용매가 광상 내에서 효과적으로 침투 및 확산됨으로써 생산 속도 및 경제성을 향상시키는 방안에 대해서는 연구가 미비한 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광상층에서 용매가 효과적으로 침투 및 확산됨으로써 생산 속도 및 경제성을 향상시킬 수 있는 순환식 용해 채광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 순환식 용해 채광장치는, 채굴 대상이 되는 유용 광물이 밀집되어 있는 광상까지 굴착을 통해 시추정에 삽입되어 광상에 용매를 주입하기 위한 것으로서, 중공형으로 형성되어 상기 시추정에 삽입되는 파이프; 상기 파이프와 시추정의 공벽 사이를 밀폐시키는 패커; 및 상기 용매에 회전력을 부여함으로써 상기 용매의 확산력을 증대시키도록, 상기 파이프의 하단에 회전가능하게 설치되는 블레이드;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 파이프는 내부관과 외부관을 구비하는 이중관이며, 상기 외부관 내측의 하단부는 격리되도록, 상기 외부관의 하단부에는 차폐부재가 설치되며, 상기 내부관과 외부관 중 어느 하나의 관을 통해 상기 용매를 주입하고, 다른 하나의 관을 통해 상기 유용 광물이 녹아 있는 용매를 회수하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부관에는 고압의 공기를 분사하기 위한 공기주입관을 더 구비하며, 상기 주입단계에서는 상기 용매를 주입하면서 상기 공기주입관을 통해 고압의 공기를 함께 분사할 수 있다.

그리고, 상기 블레이드는 상기 파이프에 회동 가능하게 결합되어, 상기 블레이드는 상기 파이프와 수평하게 배치되는 제1자세와, 상기 파이프로부터 돌출되게 배치되는 제2자세 사이에서 자세 변경 가능하다.

특히, 상기 파이프와 상기 블레이드 사이에는 스프링이 결합되어, 상기 스프링은 상기 블레이드를 상기 제2자세로 탄성 가압한다.

그리고, 용매의 확산력을 최대한으로 증가시키도록, 상기 블레이드의 회동축은 상기 파이프의 길이방향에 대하여 나란하게 형성될 수 있다.

또한 상기 용매가 상방향 또는 하방향으로 방향성을 가지고 확산될 수 있도록, 상기 블레이드는 상기 파이프의 길이방향에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.

본 발명에서는 파이프의 하단에 블레이드를 설치하고, 이 블레이드를 회전시킴으로써 용매에 난류를 형성한다. 난류로 형성된 용매는 지층에 형성된 균열에 빠르게 침투하면서 광물을 녹여내면서 균열을 확대시킨다. 확대된 균열을 통해 용매와 유용 광물이 만나는 접촉 면적이 넓어지면서 광물의 용해 속도 및 생산 속도가 증가한다.

이렇게 본 발명에 따른 순환식 용해 채광 장치에 의하면 광물의 용해 속도를 증가시킴으로써 유용 광물의 생산 속도를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한 용해 속도가 증가되면서 종래의 용해 채광법과 비교시 동일한 양의 용매 내에 녹아 있는 광물의 양도 많아져 용매 내 농도가 증가하므로 용매로부터 유용 광물의 분리회수도 용이하다는 이점이 있다.

도 1은 용해 채광방법에 의한 미국 내 광물 생산율을 보여주는 표이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 사용하는 순환식 용해 채광방법의 개략적 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 순환식 용해 채광장치의 개략적 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예를 이용한 단일 시추정 용해 채광방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 제1실시예의 변형예에 대한 개략적 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 순환식 용해 채광장치의 개략적 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 복수 시추정의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예를 이용한 복수 시추정 용해 채광방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 파이프에 장착된 블레이드의 제1형태를 설명하기 위한 도면으로서 (a)는 블레이드가 펼쳐지기 전의 제1자세이며, (b)는 블레이드가 펼쳐진 후의 제2자세이다.
도 10은 파이프에 장착된 블레이드의 제2형태를 설명하기 위한 도면으로서 (a)는 블레이드가 펼쳐지기 전의 제1자세이며, (b)는 블레이드가 펼쳐진 후의 제2자세이다.

본 발명은 지하에 부존되어 있는 금, 은, 동, 우라늄, 칼륨, 황, 리튬 등의 유용 광물을 채굴하기 위한 것이다. 전통적 방식에 따른 채광은 지하의 광상까지 갱도를 구축하여 채광하거나, 심도가 깊지 않은 곳에 광상이 존재하는 경우에는 노천을 굴착하여 채광을 실시하였다. 그러나, 전통적 방식의 채광 방법에 의하여 경제성이 보장되지 않는 광상의 경우, 채굴하고자 하는 유용 광물이 용매에 녹는 성질이 있다면 용해 채광방법에 의하여 채광할 수 있다.

본 발명에 따른 용해 채광장치를 사용하여 수행하는 용해 채광방법은 광상이 존재하는 지층까지 시추정을 형성하고, 이 시추정을 통해 용매를 주입하여 유용 광물을 용매에 녹여낸 후, 유용 광물이 녹아 있는 용매를 지상으로 뽑아 올려서, 유용 광물을 분리회수하는 방법이다.

용해 채광방법을 사용하기 위한 지질학적 조건은 일반적으로 광상이 존재하는 지층의 상부와 하부의 지층은 물의 투과성이 극히 낮은 불투수층인 것이 바람직하다. 유용 광물이 녹아 있는 용매를 시추정을 통해 지상으로 회수해야 하므로 상부 지층과 하부 지층이 투수층인 경우 용매의 유실이 불가피하기 때문이다.

용해 채광방법에서 중요한 기술적 과제 중 하나는 유용 광물의 용매에 대한 용해도와 용해 속도를 증가시키는 것이다. 용해도가 높으면 용매 내 유용 광물의 농도가 높아지므로 생산성이 향상되며 용매로부터 유용 광물을 분리회수하기가 용이하다는 이점이 있다. 또한 용해도가 높으면 적은 양의 용매를 이용하여 광물을 용해시킬 수 있으므로 경제성이 향상될 수 있다. 그리고 용해 속도가 향상되면 채광 시간을 단축할 수 있으므로 경제적이다.

즉, 유용 광물의 용매 내 용해도와 용해 속도를 증가시킴으로써 생산 효율과 경제성이 획기적으로 증대된다는 이점이 있다. 본 발명은 물리적 방법으로 용매가 와류(turbulent flow)를 형성하게 함으로써 유용 광물에 대한 용해도 및 용해 속도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.

용매에 와류를 형성하는 방법은 다양할 수 있으며, 어떤 수단에 의해서든지 용매에 와류를 형성하는 용해 채광장치는 본 발명의 보호범위 내에 속하게 될 것이다. 본 발명에서는 물리적 방법으로 용매에 회전력을 부여함으로써 와류를 형성하며, 특히 용매를 주입하기 위한 파이프의 외측에 블레이드를 설치하고, 파이프를 회전시킴으로써 용매를 회전시키는 방식을 채용하였다.

본 발명에 따른 순환식 용해 채광장치는 파이프, 블레이드 및 패커를 구비한다.

파이프는 중공형으로 일방향으로 길게 형성되어 시추정에 삽입된다. 파이프의 하단부는 개방되어 있는 것이 일반적이지만, 실시예에 따라서는 하단부가 폐쇄된 형태를 취할 수도 있다. 그리고 파이프의 하부 측면에는 다수의 관통공이 형성되어 용매와 같은 유체가 유출입될 수 있다. 파이프는 하나의 관으로 형성된 단일관, 내부관과 외부관으로 이루어진 이중관 또는 내부관 내측에 공기를 주입할 수 있는 공기주입관이 설치될 수 있다.

파이프가 시추정에 삽입되어 설치되면, 시추정의 공벽(또는 케이싱의 내벽)과 파이프 사이는 패커에 의하여 밀폐된다. 패커는 수축과 팽창이 가능한 형태가 사용될 수도 있으며, 파이프에 끼워저 파이프를 따라 상하이동 가능한 피스톤 형태가 사용될 수도 있다. 또는 시추정의 상부에는 파이프와 시추정의 공벽 사이를 콘크리트 등으로 폐쇄시킬 수도 있으며, 본 발명에서 패커는 콘크리트 등으로 파이프와 시추정 공벽을 폐쇄시키는 경우도 포함하는 의미로 사용된다. 즉, 본 발명에서 패커는 시추정의 공벽과 파이프 사이의 유로를 밀폐시키는 모든 구성을 의미한다.

블레이드는 파이프의 하단부에 설치되어 회전가능하다. 블레이드는 파이프에 대하여 돌출되게 배치되어 용매에 회전력을 부여함으로써 용매에 난류를 형성하게 한다. 실시예에 따라 블레이드는 파이프에 고정되게 설치되며, 파이프 자체가 회전되게 할 수 있으며, 다른 실시예에서는 파이프는 고정된 채 블레이드가 파이프에 대하여 상대회전되도록 구성할 수도 있다. 또는 블레이드가 파이프와는 물리적으로 분리된 상태로 구성될 수도 있다. 즉, 블레이드가 파이프의 하측에 배치되고, 블레이드를 회전시키기 위한 구동축은 파이프의 내부를 통해 지상의 구동원과 연결될 수도 있다.

블레이드가 파이프의 하단부에 설치되는 경우 블레이드가 파이프에 밀착되는 제1자세와 파이프로부터 돌출되는 제2자세 사이에서 자세변경 가능하게 설치될 수 있다. 그리고 실시예에 따라서는 블레이드의 크기를 가변할 수도 있다. 즉 블레이드 자체가 다단으로 접혀 있는 형태로서 시추정의 하부가 확공되면 블레이드를 점차 펼쳐서 크기를 크게 할 수도 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환식 용해 채광장치에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 장치를 사용하는 순환식 용해 채광방법의 개략적 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 순환식 용해 채광장치의 개략적 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예를 이용한 단일 시추정 용해 채광방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 순환식 용해 채광장치를 사용하여 수행하는 용해 채광방법은 시추단계(M10), 파쇄단계(M20), 파이프 설치단계(M30), 주입단계(M40) 및 생산단계(M50)를 구비한다.

시추단계(M10)에서는 유용 광물이 밀집되어 있는 광상이 존재하는 지층까지 지반(g)을 보링(boring)하여 시추정(1)을 형성한다. 도 3에 도시된 예는 하나의 시추정에서 용매의 주입 및 광물의 생산이 함께 이루어지는 단일 시추정(single well) 방식이다. 다만, 단일 시추정의 의미는 광상에 반드시 하나의 시추정만을 형성한다는 의미는 아니며, 용매의 주입과 광물의 생산을 함께 진행하는 시추정을 복수 개 형성하여, 각각 생산을 수행할 수는 있다.

시추정(1)은 일반적으로 수직하게 굴착하지만, 지질 조건에 따라서 경사진 형태로 굴착할 수도 있다. 광상까지 시추가 완료되면 케이싱(2)을 설치한다. 케이싱(2)은 시추정(1)의 공벽이 견고하게 유지될 수 있도록 하기 위한 것으로서, 광상이 존재하는 지층 상부의 불투수층 영역까지 케이싱을 길게 설치할 수도 있지만, 시추정(1)의 상부 또는 중간부까지만 끼워 넣을 수도 있다.

시추단계(M10)가 완료되면, 파쇄단계(M20)를 수행한다. 파쇄단계(M20)는 광상이 존재하는 지층에 균열(c)을 형성(fracturing)하여 용매가 지층 내에서 침입하여 흐를 수 있도록 하기 위한 것이다. 균열을 형성하는 방법은 다양하며, 일반적으로는 수압 파쇄(hydraulic fracturing)을 사용한다. 즉, 시추정(1)에 파쇄장비를 삽입하고, 균열을 형성하고자 하는 영역(광상이 있는 지층)의 상부와 하부에 각각 팩커(packer)를 설치하여 밀폐시킨 후, 밀폐된 영역에 고압의 수압을 인가하여 지층에 균열(2)을 형성한다. 균열 형성이 완료되면 공벽에 밀착되게 부풀어 있던 팩커를 수축시켜서 시추정(1)으로부터 파쇄장비를 철거한다.

다만, 파쇄단계에서는 상기한 수압파쇄 이외에 워터젯(water jet penetration) 또는 블라스팅(blasting penetration) 방식을 사용할 수도 있으며, 최근에 개발된 액체 질소를 이용한 냉각 방식을 통해 시추정의 공벽에 균열을 형성할 수도 있다.

파쇄단계(M20) 후에는 용매를 주입하기 위한 파이프(10)를 시추정(1)에 삽입하여 설치하는 파이프 설치단계(M30)를 수행한다. 본 예에서는 단일 시추정 방식을 사용하여, 동일한 시추정에서 용매를 주입 및 회수하는 순환 과정을 형성해야 하므로 파이프(10)는 이중관 형태를 사용한다.

제1실시예에서 사용하는 파이프(10)는 내부관(11)과 외부관(12)으로 이루어진다. 내부관(11) 또는 외부관(12) 중 어느 하나를 이용하여 용매를 주입하고, 다른 하나의 관을 이용하여 용매를 회수한다. 도 3에 도시된 바와 같이 내부관(11)은 외부관(12) 보다 약간 짧게 형성된다.

내부관(11)은 유체가 흐르는 단면이 원형으로 형성되지만, 외부관(12)은 내부관(11)을 감싸고 있으므로 유체가 흐르는 단면이 고리형으로 형성된다. 용매는 액상으로 이루어지므로 단면의 형상이나 넓이에 관계없이 쉽게 주입할 수 있지만, 유용 광물이 녹아 있는 용매를 회수할 때에는 미처 용해되지 못한 광물이나 주변의 암석이 함께 회수되므로 용매 회수시에는 유동 단면적이 넓은 관을 사용하는 것이 바람직하다. 사용하는 이중관의 사이즈에 따라 결정하면 되겠지만, 본 실시예에서는 외부관(12)을 통해 용매를 주입하고, 내부관(11)을 통해 유용 광물이 녹아 있는 용매를 회수한다.

파이프(10) 하부의 내부관(11)의 외벽과 외부관(12)의 내벽 사이는 차폐부(13)가 끼워져 설치되므로, 외부관(12)의 하단부는 상부와 연통되지 않고 분리된다. 그리고 차페부(13)를 사이에 두고 외부관(12)의 상부와 하부에는 각각 다수의 관통공(14,15)이 형성된다. 상부의 관통공(14)은 용매를 광상으로 주입하기 위한 것이며, 하부의 관통공(15)은 용매를 회수하기 위한 것이다. 물론 외부관(12)의 하단부는 개방된 형태이므로 유용 광물이 녹아 있는 용매가 하단부를 통해 파이프(10)로 유입될 수 있지만 하부에도 관통공(15)을 형성하여 파이프(10)의 측면을 통해 용매를 회수할 수 있도록 하였다. 일부의 파이프에서는 파이프의 하단부가 막혀 있는 형태도 있는 바, 이 경우에는 하부의 관통공(15)이 용매를 파이프 내부로 유입시키는 통로로 활용된다.

그리고 파이프(10)의 상단부 또는 중간부에는 파이프(10)와 케이싱(2)의 내벽 또는 시추정(1)의 공벽(케이싱을 설치하지 않은 경우) 사이를 팩커나 피스톤 등을 이용하여 폐쇄시킴으로써 용매가 파이프(10)와 시추정(1) 사이로 유동되는 것을 방지하며, 파이프를 시추정(1) 내에 견고하게 결합시킨다.

상기한 구성의 파이프(10)를 이용하여 외부관(12)을 통해 용매를 주입하면, 용매가 광상에서 확산되면서 유용 광물을 녹여내며, 유용 광물이 녹은 용매는 내부관(11)을 통해 지상으로 회수된다.

도 3 및 도 4에 도시된 제1실시예에서는 파이프를 이중관 형태로 사용하였지만, 제1실시예의 변형예가 도시되어 있는 도 5를 참고하면, 내부관(12)의 내부에 공기주입관(19)을 더 설치할 수도 있다. 공기주입관(19)을 통해 고압의 공기를 분사하면 용매가 광상 내에서 확산되는 것을 촉진할 뿐만 아니라, 광상 내 압력을 증가시켜 광물이 녹아 있는 용매를 내부관(12)으로 회수하는 것을 촉진할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 광상으로 주입된 용매에 회전력을 부여하여 난류를 형성시키는 것에 기술적 특징이 있다. 이를 위하여, 본 발명에서는 파이프(10)의 하단부에 블레이드(20)를 설치하여 블레이드(20)가 회전되도록 한다. 본 실시예에서 블레이드(20)는 파이프(10)에 밀착하게 배치되는 제1자세와, 파이프(10)로부터 돌출되는 제2자세 사이에서 자세 변경가능하다. 즉, 용매에 회전력을 부여하기 위해서는 블레이드(20)가 제2자세로 펼쳐진 상태로 있으며, 파이프(10)가 시추정(1)을 통해 삽입될 때는 블레이드(20)가 제1자세로 접어진 상태를 유지한다. 블레이드(20)의 자세한 구성에 대해서는 다시 설명하기로 한다.

상기한 바와 같이, 파이프(10)를 설치한 후에는 용매를 주입하는 주입단계(M40) 및 유용광물이 녹아 있는 용매를 회수하는 생산단계(M50)를 수행한다. 설명의 편의상 주입단계와 생산단계를 분리하였지만, 실제 공정에서 용매의 주입과 유용 광물의 생산은 함께 이루어진다.

우선, 파이프(10)의 외부관(12)을 통해 액상의 용매를 고압으로 주입한다. 삼중관 형태에서는 공기주입관을 통해 고압의 공기를 함께 주입하면, 공기의 부상력으로 인해 용매가 파이프를 따라 배출되는 작용을 촉진한다. 용매는 외부관(12)을 따라 광상이 존재하는 지층까지 도달한 후 파쇄단계에서 형성된 크랙에 침투하여 광상 내 유용 광물을 녹인다.

용매 주입을 시작할 때에는 유용 광물이 녹기 시작하는 시점이므로 파이프(10)에 설치된 블레이드(20)가 회전되기가 용이하지 않다. 물론 블레이드(20)의 직경이 시추정(1)의 직경보다 작은 경우라면 용매 주입과 동시에 블레이드(20)를 회전시킬 수 있다.

그리고 용매가 주입되어 시추정(1) 주변부터 유용 광물이 녹으면 블레이드(20)를 회전시키면서 용매에 난류를 형성시킴으로써 용매의 확산력을 증대시킨다. 이 경우에도 파이프(10)를 회전시키는 방향은 블레이드(20)가 제2자세로 회전되는 방향(예컨대 시계방향)으로 파이프를 회전시키는 것이 블레이드(20)의 손상을 방지할 수 있다. 파이프(10)가 회전할 때 블레이드(20)가 공벽이나 암석에 부딪히더라도 블레이드(20)가 접히기 때문이다. 만약 역방향으로 회전을 시키면 블레이드(20)가 접히지 못하고 제2자세 쪽으로 계속 꺾이기 때문에 블레이드(20)가 손상될 수 있다.

일정 시간 동안 파이프(10)와 블레이드(20)를 일방향으로 회전시킨 후에는, 파이프(10)와 블레이드(20)를 반대방향으로 회전시키는 것이 바람직하다. 즉, 용매의 주입하여 광물이 용해되면서, 블레이드(20)가 위치하는 부분에 공간이 확보되었기 때문에 이제 블레이드(20)를 통한 회전력 부여를 최고 수준으로 올려서 난류를 형성시킬 수 있다. 블레이드(20)가 제1자세 쪽으로 회전되는 방향(예컨대 시계 반대방향)으로 파이프(10)를 회전시키면 원심력에 의해 블레이드(20)는 제2자세 쪽으로 가압되면서 용매에 회전력을 최대로 부여할 수 있다.

용매의 주입이 계속되면 광물이 녹아 있는 용매는 내부관(11)을 통해 지상으로 배출된다. 지상에서는 별도의 시스템을 통해 용매에 섞여 있는 고체 상태의 암석을 분리해 내고, 용매로부터 유용 광물을 분리한 후 다시 용매를 주입하여 순환 공정이 되도록 한다.

용매는 광상이 존재하는 지층으로 유입된 후 블레이드(20)에 의하여 난류를 형성함으로써 용매가 지층에 형성된 균열(c)에 용이하게 침입하며, 유용 광물을 녹이는 속도도 증대된다. 광물이 녹으면서 균열은 더욱 확대되고 확산되므로 유용 광물이 녹는 속도는 계속적으로 증대되므로 생산 속도가 빨라진다. 또한 용해 속도가 증가되므로 용매 내 유용 광물의 농도도 증가하여 지상에서 용매와 유용 광물을 분리하기도 용이하다. 본 발명에서는 용매에 회전력과 난류를 부여함으로써 용매의 침투력을 향상시켜, 광물의 용해 속도 및 생산 속도를 향상시킨다. 또한 용매 내 광물의 농도가 증가함으로써 용매와 광물을 분리하는 과정이 수월해 지는 이점도 있다.

한편, 용매에 의하여 시추정 하부가 넓게 확공되면 실시예에 따라서 블레이드의 크기를 변경할 수도 있다. 즉, 다른 실시예에서는 블레이드 날개 자체가 다단으로 접철되어 있어서 용매 주입 초기에는 블레이드가 기본 형태를 유지하지만, 시추정 하부가 확공되면 다단으로 접혀 있던 블레이드가 펼쳐지면서 블레이드 날개 자체의 크기를 크게 할 수도 있다.

이상에서는 단일 시추정 방식에 사용되는 채광장치에 대하여 설명하였으나, 도 6 내지 도 8에 도시된 제2실시예와 같이 복수 시추정(multi well) 방식에도 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 순환식 용해 채광장치의 개략적 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 복수 시추정의 배치를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제2실시예를 이용한 복수 시추정 용해 채광방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참고하면, 제2실시예에서는 복수의 시추정을 형성한다. 복수의 시추정 중 적어도 하나는 용매를 주입하기 위한 주입정(6)으로 사용되며, 나머지 시추정은 광물이 용해된 용매를 회수하기 위한 생산정(7)으로 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 생산정(7)이 주입정(6)을 둘러 싸고 있는 형태이다.

제2실시예에서 주입정(6)과 생산정(7)을 형성하고, 케이싱(2)을 설치하고, 파쇄를 통해 지층에 균열(c)을 형성하는 점에서는 제1실시예에서와 완전히 동일하다. 다만, 블레이드(20)는 주입정(6)에만 설치할 수도 있으며, 주입정(6)과 생산정(7) 모두 설치할 수도 있다. 그리고 제1실시예와 달리 주입정(6)과 생산정(7)에 설치되는 파이프(27)는 이중관일 필요가 없으며 단일관으로 충분하다. 주입정(6)에 설치되는 파이프에서는 용매를 주입만 하고, 생산정(7)에 설치되는 파이프에서는 광물이 용해된 용매를 펌핑을 통해 회수하면 되므로, 파이프가 이중관일 필요가 없다. 다만, 용매의 주입력을 향상시키기 위하여 주입정에서는 공기주입관이 설치된 형태의 파이프가 설치될 수 있을 것이다.

복수의 시추정을 사용하는 경우에도 단일 시추정과 마찬가지로, 본 발명에 따라 용매에 회전력을 부여하면 용매가 난류로 형성되어 지층 내에서 용매의 확산 속도가 증가되며, 유용 광물의 용해 속도도 증가하게 된다. 단일 시추정에서는 유용 광물이 녹은 후 용매가 다시 원위치로 복원되어 펌핑되지만, 복수의 시추정을 사용하는 경우 용매가 일방향으로 흐르면서 광물을 용해시킨 후 생산정을 통해 빠져 나가므로 생산 속도가 더욱 증대되는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 시추정 내에 블레이드를 설치하고, 이 블레이드를 회전시킴으로써 용매에 난류를 형성하는 점에 기술적 특징이 있다. 블레이드의 구성 및 회전 작용에 대하여 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

블레이드(20)를 회전시키기 위해서는 다양한 방법이 채택될 수 있다. 예컨대 본 실시예와 같이 블레이드(20)를 파이프에 고정시키고, 파이프(10)를 회전시킴으로써 블레이드가 회전되도록 할 수 있다.

파이프(10)는 전체적으로 회전될 수도 있으며, 파이프 외부관(12)의 상단부와 하단부가 상대회전 가능하게 설치되어 외부관(12)의 하단부만 회전되도록 구성할 수도 있다. 즉, 외부관(12)의 상단부와 하단부가 베어링에 의하여 상대회전가능하게 결합되고, 하단부는 구동축(미도시)과 연결되어 파이프의 하단부만을 회전시킬 수도 있다. 외부관(12) 전체를 회전시키기 위해서는 시추정(1)의 공벽과 외부관(12) 사이에 베어링 등을 개재하여 상대회전이 가능하게 할 필요가 있다.

다른 방법으로는 외주관(12)의 하부에 블레이드(20)만 회전가능하게 설치할 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 고리형의 몸체부가 외부관(12)에 베어링 등에 의하여 회전가능하게 지지되며, 블레이드는 몸체부에 고정되게 설치된다. 그리고 몸체부는 별도의 구동 모터 등에 의하여 회전시킬 수 있다. 또는 내부관(10)의 내부를 통해 회전축을 삽입시키고, 파이프의 하단부에 회전축에 결합되어 있는 블레이드를 설치할 수도 있다.

즉, 본 발명에서는 광상 내부에서 회전되는 블레이드를 통해 용매에 난류를 형성시킬 수 있다면, 블레이드가 외부관, 파이프의 하단부 등 설치 위치에 제한이 없으며, 파이프 자체가 회전하거나 블레이드만이 회전되도록 구성하는 등 회전력을 부여하기 위한 구성에 특별한 제한이 없다.

본 실시예서는 블레이드(20)가 파이프(10) 외부관(12)에 고정되게 설치되며 외부관(12)이 회전된다. 본 실시예에서 블레이드(20)는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 파이프(10)와 수평하게 배치되는 제1자세와, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 파이프(10)로부터 돌출되는 제2자세 사이에서 자세 변경 가능하다.

블레이드(20)가 파이프(10)의 외주면에 설치되는 경우에는 블레이드(20)가 제1자세와 제2자세 사이에서 변경 가능할 필요가 있다. 즉, 블레이드(20)가 돌출된 상태로 고정되게 설치된다면, 시추정(1)을 통해 파이프(10)를 삽입할 때 필요 이상으로 시추정(1)의 공경이 확장되어야 하므로, 블레이드(20)가 제1자세로 접힐 수 있도록 구성한다. 또한 블레이드가 고정된다면 시추정을 통해 하강될 때 블레이드가 시추정의 공벽과 부딪히면서 손상될 우려가 있으므로, 블레이드(20)는 제1자세와 제2자세 사이에서 자세 변경가능한 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 블레이드(20)가 제1자세와 제2자세 사이에서 자세변경 가능하도록 하기 위하여 다양한 수단이 채용될 수 있다. 본 실시예에서는 스프링(25)이 사용된다. 즉, 스프링(25)은 파이프(10)의 외부관(12)과 블레이드(20) 사이에 결합되어, 블레이드(20)를 제2자세가 되도록 탄성 가압한다. 도시하지는 않았지만, 블레이드(20)와 외부관(120에는 후크와 같은 락킹부재가 설치되어 있어, 스위칭을 통해 후크가 개방되면 블레이드(20)는 스프링(25)에 의하여 제2자세로 자세 변경된다. 즉, 외부관(12)에 밀착되어 있던 제1자세로부터 외부관(12)으로부터 돌출되는 제2자세로 변경된다.

블레이드(20)는 파이프(10)가 시추정(1)을 통해 하강할 때에는 파이프(10)에 밀착된 제1자세를 유지하며, 파이프(10)의 하강 완료시 스위칭에 의해 락킹부재를 개방시킴으로써 제2자세로 자세 변경된다. 그리고 제2자세를 유지한 상태로 파이프(10)가 회전될 때 함께 회전되어 용매에 회전력을 부여한다. 작업이 종료되면, 파이프를 다시 시추정을 통해 인상하게 되는데, 인상시에는 블레이드는 제2자세를 그대로 유지하고 있어도 무방하다. 즉, 파이프(10)가 인상되면 블레이드(20)가 시추정(1)의 공벽과 접촉되기는 하지만, 블레이드(20)는 시추정(1) 공벽에 의해 눌리면 스프링(25)을 압축시키면서 블레이드(20)가 시추정의 공경에 맞게 자세변경되므로 블레이드(20)가 시추정(1) 공벽에 꺽여서 파손되거나 파이프(10)가 인상되는 것을 방해하지 않기 때문이다.

그리고, 블레이드(20)를 제1자세와 제2자세 사이에서 자세변경 가능하게 하기 위하여 스프링 이외에도 다양한 수단이 채용될 수 있다. 예컨대, 파이프 내에 소형 실린더와 피스톤을 설치하여 블레이드를 이동시킬 수도 있다.

한편, 블레이드(20)는 제1자세와 제2자세 사이에서 회동축(21)을 중심으로 회동되는데, 도 9에 도시된 바와 같이, 회동축(21)은 파이프(10)의 길이방향에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 회동축(21)이 파이프(10)의 길이방향과 수평하게 배치될 수도 있다.

도 9에서와 같이, 회동축(21)이 경사지게 배치되는 경우, 블레이드(20)의 면이 수평면에 대하여 경사지게 되므로 블레이드(20)가 회전시 용매를 상방 또는 하방으로 방향성을 부여하여 확산시킬 수 있다. 즉, 파이프(10)가 일방향으로 회전하면 용매를 상방향 외측으로 밀어내고, 반대로 파이프(10)가 타방향으로 회전하면 용매를 하방향 외측으로 밀어내게 된다.

또한 도 10과 같이 블레이드(20)의 회동축(21)이 파이프(10)의 길이방향과 평행하면, 블레이드(20)의 면이 파이프의 회전 평면에 대하여 수직하거나, 거의 수직하게 배치되므로 용매에 최대의 회전력을 부여할 수 있다는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 파이프의 하단에 블레이드를 설치하고, 이 블레이드를 회전시킴으로써 용매에 난류를 형성한다. 난류로 형성된 용매는 지층에 형성된 균열에 빠르게 침투하면서 광물을 녹여내면서 균열을 확대시킨다. 확대된 균열을 통해 용매와 유용 광물이 만나는 접촉 면적이 넓어지면서 광물의 용해 속도 및 생산 속도가 증가한다.

본 발명에 의하면 광물의 용해 속도를 증가시킴으로써 유용 광물의 생산 속도를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한 용해 속도가 증가되면서 종래의 용해 채광법과 비교시 동일한 양의 용매 내에 녹아 있는 광물의 양도 많아져 용매 내 농도가 증가하므로 용매로부터 유용 광물의 분리회수도 용이해진다는 이점이 있다.

지금까지, 용매에 난류를 형성하기 위한 방법으로 블레이드를 파이프의 하단에 고정되게 설치하고 파이프 자체를 회전시키는 것으로 설명 및 도시하였으나, 기계적 구성을 달리하여 파이프는 고정된 상태로 블레이드만 회전시키는 구성도 채택할 수 있다. 또한, 블레이드를 파이프와 물리적으로 결합시키지 않고, 블레이드만을 파이프 내측을 통해 유입시켜 회전시킬 수도 있다.

한편, 회전력을 부여함과 동시에 용매에 초음파를 조사하거나, 고주파를 부여하여 용매가 지층의 균열에 침투되는 작용을 촉진할 수도 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

M10 ... 시추단계 M20 ... 파쇄단계
M30 ... 파이프 설치단계 M40 ... 주입단계
M50 ... 생산단계 1 ... 시추정
2 ... 케이싱 6 ... 주입정
7 ... 생산정 10 ... 파이프
11 ... 내부관 12 ... 외부관
13 ... 차폐부 14,15 ... 관통공
19 ... 공기주입관 20 ... 블레이드
21 ... 회동축 25 ... 스프링
g ... 지반 c ... 균열

Claims (7)

1. 채굴 대상이 되는 유용 광물이 밀집되어 있는 광상까지 굴착을 통해 시추정에 삽입되어 광상에 용매를 주입하기 위한 것으로서,
   중공형으로 형성되어 상기 시추정에 삽입되는 파이프;
   상기 파이프와 시추정의 공벽 사이를 밀폐시키는 패커; 및
   상기 용매에 회전력을 부여함으로써 상기 용매의 확산력을 증대시키도록, 상기 파이프의 하단에 회전가능하게 설치되는 블레이드;를 포함하여 이루어지며,
   상기 파이프는 내부관과 외부관을 구비하는 이중관이며,
   상기 외부관 내측의 하단부는 격리되도록, 상기 외부관의 하단부에는 차폐부재가 설치되며,
   상기 내부관과 외부관 중 어느 하나의 관을 통해 상기 용매를 주입하고, 다른 하나의 관을 통해 상기 유용 광물이 녹아 있는 용매를 회수하며,
   상기 내부관에는 고압의 공기를 분사하기 위한 공기주입관을 더 구비하며,
   상기 주입단계에서는 상기 용매를 주입하면서 상기 공기주입관을 통해 고압의 공기를 함께 분사하고,
   상기 블레이드는 상기 파이프에 회동 가능하게 결합되어,
   상기 블레이드는 상기 파이프와 수평하게 배치되는 제1자세와, 상기 파이프로부터 돌출되게 배치되는 제2자세 사이에서 자세 변경 가능하며,
   상기 파이프와 상기 블레이드 사이에는 스프링이 결합되어,
   상기 스프링은 상기 블레이드를 상기 제2자세로 탄성 가압하는 것을 특징으로 하는 순환식 용해 채광장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드의 회동축은 상기 파이프의 길이방향에 대하여 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 순환식 용해 채광장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 용매가 상방향 또는 하방향으로 방향성을 가지고 확산될 수 있도록, 상기 블레이드는 상기 파이프의 길이방향에 대하여 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 순환식 용해 채광장치.

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