KR101834567B1 - 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법에 관한 것으로, 화산암반 지질을 갖는 장소나 지질조사 결과 퇴적암층으로 이루어진 장소에서 굴착공(지하수 급수용 관정, 지열공 등)을 굴착하는 경우 굴착과정에서 무너짐 현상이 발생하여도 케이싱을 강제 삽입할 수 있도록 하여 고심도라 할지라도 케이싱을 큰 마찰력없이 삽입 설치하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치는, 굴착기(10)와; 상기 굴착기에 의해 회전 및 전후진하는 로드(20)와; 굴착공의 계획 직경보다 큰 외경으로 형성되며 상기 로드의 선단부에 분리 가능하게 결합되어 상기 로드에 의해 회전 및 굴진하면서 굴착하는 굴착 비트(30)와; 상기 굴착비트의 외경보다 작은 외경으로 이루어져 굴착공 안에 설치되어 굴착공을 보호하는 케이싱(40)의 선단부에 형성되는 커팅 비트(41)를 포함하되, 상기 커팅 비트는 상기 굴착 비트의 일부를 절단하여 상기 케이싱이 상기 굴착공 안에 설치되도록 하면서 상기 로드를 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하도록 구성된다.

Description

지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법{APPARATUS FOR DIGGING UNDERGROUND HOLE AND CONSTRUCTING CASING, AND METHOD FOR CONSTRUCTING CASING USING THIS SAME}

본 발명은 지중의 굴착공(지하수 급수를 위한 지하수 관정, 지열시스템용 지열공 등) 케이싱 시공에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연약지반이라 하더라도 굴착공의 무너짐이 발생하더라도 케이싱을 삽입 설치하면서 지속적인 굴착작업이 가능하도록 한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법에 관한 것이다.

지하수 및 지열을 이용하기 위해서는 지표면 아래로 100~1,000m 깊이로 굴착공을 굴착한다.

굴착과정에서 토양이나 자갈층이 있을 경우 이들이 이미 굴착이 진행된 굴착공 내부로 흘러 내려 굴착을 방해하게 되므로 예컨대 강관재질로 된 케이싱을 굴착공 안에 삽입하여 토양이나 자갈이 굴착공 안으로 흘러내리지 않도록 한 후 굴착을 계속하게 된다.

대체적으로 지표로부터 깊지 않은 표토층이나 자갈층의 경우에는 굴착진행 중 강관으로 된 케이싱을 굴착장비의 하중을 이용하여 강제로 굴착공 내부에 삽입하게 된다.

지질 상황이 통상 표토층, 자갈층, 풍화암층, 연암층, 보통암층, 경암층 순서로 깊이 내려갈수록 층별 구분이 지어지게 되고 각 지층별 암질의 상태가 좋을 경우 강관의 케이싱을 박아 흘러내림이 없도록 한 표토층과 자갈층 및 풍화암 일부 층이 안정을 확보하게 되면 추가 굴착을 진행하는 데는 큰 어려움이 없다.

그러나, 반복된 화산활동에 의해 지층이 형성된 제주도의 경우나 퇴적층이 깊은 지역의 경우 불규칙하게 지층변화가 있게 되어 단단한 암질을 통과한 깊은 심도에서 다시금 무너짐이 극심한 자갈층이나 토양층 또는 퇴적층을 만나게 되고 이 층에 대한 굴착이 진행될 경우에는 부득이 굴착 중이던 비트와 로드를 지상으로 인양하여 제거한 후 케이싱을 추가로 삽입하고 난 다음 추가로 굴착하는 깊이에서는 굴착직경을 한 단계 작은 구경으로 굴착을 진행할 수밖에 없는 문제점이 있다.

깊은 심도에서 굴착공의 무너짐이 극심할 경우거나 다량의 지하수가 존재하는 큰 대수층을 발견하게 될 경우에는 추가 굴착 자체가 불가능하여 굴착 중인 굴착공을 굴착실패로 인한 폐공으로 처리하게 되므로 경제적인 손실이 발생되거나 추가 굴착에 따른 공사기간이 장시간 소요되거나 공사비가 증가하게 된다.

이러한 무너짐이 심할 경우 굴착비트로 트리콘비트를 사용하면서 벤토나이트를 이용한 착정이수를 제조하여 취약한 굴착공벽을 잡아주도록 하면서 추가 굴착을 진행하는 방법을 사용하기도 한다. 이러한 경우 지하수와 달리 지열공벽으로부터 박리된 벤토나이트로 인한 지열시설의 장해가 발생될 우려다 높은 문제가 있다.

또는 지반 보강을 위한 그라우팅을 시행한 후 추가 굴착을 진행하는 방법을 사용하기도 한다.

무너짐이 심하거나 큰 대수층이 존재하여 굴착을 계속할 수 없는 상황에서는 지하수 또는 지열공의 굴착시 강관 케이싱을 함께 삽입하여 무너짐이나 지하수 유입을 차단할 수 있는 일명 바버장비가 있으나 이 장비는 케이싱을 강제로 압입하는 형태가 아니고 굴착장비의 회전력을 이용하여 굴착비트 상부에서 강관 케이싱을 물고 함께 회전하는 형태로 굴착비트와 강관의 케이싱이 동시에 삽입되는 구조로 되어 있어 굴착심도 100m 이상 깊어지게 되는 경우 강관 케이싱의 회전시 굴착공벽과 마찰력을 일으켜 강관 케이싱 회전이 어려워지고 결과적으로 케이싱의 삽입 자체가 불가능하게 되어 깊은 심도에서 공의 무너짐이 발생하게 되면 활용성을 기대하기 곤란한 문제점이 있다.

또한, 굴착공의 무너짐이 심한 지열공의 경우 고심도 전 구간에 강관 케이싱을 삽입한 후 통상의 개방형(SCW) 지열공 시스템으로 순환지하수를 순환시킬 경우 강관 케이싱 외주면 측에 위치한 대수층 지하수 이동에 따른 열량 이동이 차단되어 일반 시공형태의 개방형에 비해 크게 감소된 열용량을 이용하게 되어 지열 시스템 전체 열 효율저하의 원인이 될 수 있다.

특허문헌(등록실용신안공보 제20-0204678호)은 궤도차량의 레일을 따라 승강되는 구동부가 구비되고 구동부의 내부회전축 하단에 암반을 굴착하는 해머비트가 구비되며 내부회전축을 감싼 상태로 이와 반대방향으로 회전되면서 암반을 굴착하는 외부케이싱이 구비된 굴착기의 케이싱장치에 있어서, 다수개의 초경 팁을 갖는 원통형 케이싱슈가 구비되고, 케이싱슈의 외주면에는 수평돌기와 수직돌기가 서로 직교된 상태로 한조를 이루도록 다수개 구비되며, 외부케이싱의 내주면에는 수평돌기가 얹힌 상태로 걸리도록 케이싱수평돌기와 케이싱 수직돌기가 서로 직교된 상태로 한조를 이루도록 다수개 구비되고, 외부케이싱에 형성된 구멍을 통해 케이싱슈에 체결되어 케이싱슈와 외부케이싱을 연결하는 키가 구비된 굴착기의 케이싱장치로서, 케이싱이 지반을 굴착하는 것일 뿐이며, 케이싱 내부의 해머비트를 케이싱보다 큰 외경으로 하여 굴착하는 것이 아니고, 또한 해머비트를 회전축에서 절단 내지 탈락시켜 케이싱을 희생강관으로 하면서 회전축을 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하는 것이 아니다.

또한, 케이싱을 원할히 삽입하기 위해 굴착비트에 돌출식 대구경 비트를 추가하여 운용하는 경우가 있으나 이 또한 고심도 굴착과정에서 기능유지에 대한 신뢰에 우려가 있으며 목표심도에서 케이싱 삽입 후 케이싱 안쪽으로 대구경비트가 굴착비트 안쪽으로 삽입되어지 않을 경우 굴착비트와 로드의 인양회수가 불가능해져 완성된 굴착공이라 할지라도 폐공처리할 수 밖에 없는 문제점을 가지고 있다.

등록실용신안공보 제20-0204678호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화산암반 지질을 갖는 장소나 지질조사 결과 퇴적암층으로 이루어진 장소에서 굴착공(지하수 급수용 관정, 지열공 등)을 굴착하는 경우 굴착과정에서 무너짐 현상이 발생하여도 케이싱을 강제 삽입할 수 있도록 하여 고심도라 할지라도 케이싱을 큰 마찰력없이 삽입 설치할 수 있는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 목적은 지열공 전체에 강관 케이싱이 삽입 설치된다 할 지라도 강관 케이싱 외주면의 지하수 대수층 흐름을 활용할 수 있도록 하여 일반 개방형 대비 지열공의 열용량 감소를 막으려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 굴착공(지하수 관정 및 지열공)의 경우 무너짐이 극심한 장소의 지질 상황에서도 지하수 취수가 용이하도록 강관 케이싱 및 유공관의 삽입하고, 아울러 계획된 깊이에서의 유공관 가공이 용이하도록 하려는데 있다.

본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치는, 굴착기와; 상기 굴착기에 의해 회전 및 전후진하는 로드와; 굴착공의 계획 직경보다 큰 외경으로 형성되며 상기 로드의 선단부에 분리 가능하게 결합되어 상기 로드에 의해 회전 및 굴진하면서 굴착하는 굴착 비트와; 상기 굴착비트의 외경보다 작은 외경으로 이루어져 굴착공 안에 설치되어 굴착공을 보호하는 케이싱의 선단부에 형성되는 커팅 비트를 포함하되, 상기 커팅 비트는 상기 굴착 비트의 일부를 절단하거나 굴착 비트를 상기 로드로부터 탈락시켜 상기 케이싱이 상기 굴착공 안에 설치되도록 하면서 상기 로드를 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치 및 이를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법에 의하면, 굴착 중 무너짐 함몰 토사류의 흘러내림이 극심한 구간에서의 지하수 또는 지열공의 굴착 및 굴착 슬라임 배출을 용이하게 하여 연속굴착이 가능하게 하여 굴착 공기를 크게 단축할 수 있다.

그리고, 지층이 다양한 화산암 지질층이나 퇴적암 지질층에서 벤토나이트 등 착정이수와 트리콘 비트를 사용하지 않고 함마비트의 사용이 가능하여 굴착속도를 현저히 빠르게 진행하여 공기단축 효과가 있다.

또한, 케이싱에 설치되는 유공관 및 스크린, 스트레이너(이하 유공관이라 함) 및 가공된 개구부를 통해 대수층 지하수의 흐름을 확보할 수 있어 지하수 취수는 물론 지열공의 경우 지하수 흐름에 의한 열이동을 가져올 수 있게 됨으로써 단위 지열공당 또는 지열 구획당 열용량을 크게 증대시킬 수 있는 효과를 구현할 수 있다..

도 1은 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치에 적용된 굴착 비트와 커팅 비트를 보인 확대도.
도 3은 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치에 적용된 굴착 비트의 저면도.
도 4는 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치에 적용된 굴착 비트의 절단비트부가 절단된 것을 보인 도면.
도 5는 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공 케이싱 삽입 착정 방법에 적용되는 절단비트부 수거기를 보인 도면.
도 6은 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치에 적용된 커팅 비트의 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 착정 방법에 적용된 순환공 가공기의 도면.
도 8과 도 9는 순환공의 예시도.
도 10은 케이싱이 2개 층의 대수층에 시공되는 예를 보인 도면.
도 11은 순환공이 미리 가공된 케이싱을 시공하는 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명이 지열 시스템에 적용된 도면.
도 13과 도 14는 로드와 케이싱의 완충 구조를 보인 도면.
도 15는 본 발명에 적용되는 케이싱이 유공관과 무공관의 조합으로 구성되는 예를 보인 도면.
도 16은 본 발명에 적용되는 절단비트부를 굴착공에서 수거하지 않은 상태의 도면.
도 17a와 도 17b는 서로 다른 구경의 케이싱을 연결하여 사용하는 예를 보인 도면.
도 18과 도 19a는 본 발명에 의한 굴착슬라임의 배출수단을 보인 도면.
도 19b는 본 발명에 적용된 고정밴드의 예시도.
도 20 내지 도 22는 케이싱의 다른 예시도.
도 23은 본 발명에 의해 굴착공 주변에 수맥을 형성하는 구성을 보인 도면.
도 24는 수맥 형성과정에서 추가 굴착구간이 생성되는 것을 보인 도면.
도 25는 케이싱의 둘레부에 패킹이 적용된 도면.
도 26은 굴착공을 급수 전용과 환수 전용으로 사용하는 예를 보인 도면.
도 27와 도 28은 케이싱과 굴착공 사이를 그라우팅하는 것을 보인 도면.

도 1 내지 도 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치는, 굴착기(10)와; 굴착기(10)에 연결되며 구동수단을 통해 회전 및 전후진하는 로드(20)와; 로드(20)의 선단부(하단부)에 형성되며 회전과 굴진을 통해 지반을 굴착하는 굴착 비트(30)와, 굴착 비트(30)에 의해 굴착되는 굴착공 안에 설치되며 굴착 비트(30)의 굴착부를 절단하는 커팅비트(41)가 갖추어진 케이싱(40)으로 구성된다.

굴착기(10)는 로드(20) 등을 매달아 지지하며 굴착비트에 강한 회전력과 압입력을 가하도록 하는 중장비로서 굴착분야에서 널리 사용되는 것이다.

로드(20)는 굴착 비트(30)를 지지하고 구동수단(11)의 구동력을 굴착 비트(30)에 전달하는 것이며, 굴착공의 심도에 맞춰 다수개가 연쇄적으로 연결되어 사용된다.

또한, 로드(20)는 슬라임의 배출을 위하여 지상에서부터 에어 또는 압축수를 공급받아 굴착공의 공저에 주입하도록 내부가 빈 중공형태이다.

굴착 비트(30)는 로드(20)의 선단에 분리 가능하게 조립되며 구동수단(11)을 통해 회전 및 굴진하여 지반을 굴착하며, 함마 비트, 트리콘 비트 등이 구성 가능하고, 함마 비트인 경우에는 함마의 크기는 케이싱(40) 내부에 삽입이 가능한 크기로 한다.

굴착 비트(30)는 로드(20)에 결합되는 비트 몸체(31), 비트 몸체(31)의 둘레부에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 더 큰 외경으로 형성(후육부)되는 다수(도면에는 4개로 도시됨)의 절단비트부(32), 절단비트부(32)에 각각 장착되는 하나 이상의 초경 팁(33)으로 구성된다. 절단비트부(32)들은 케이싱(40)의 외부로 돌출되는 크기로 이루어지며, 굴착공의 완료 후 비트 몸체(31)에서 절단되어 로드(20)와 굴착 비트(30)[절단비트부(32)가 절단된 상태]의 조립체가 케이싱(40)의 내부에서 지상으로 인발되도록 한다.

이와 같이 절단비트부(32)들은 케이싱(40)의 커팅 비트(41)에 의해 커팅되어 절단되는 것이며, 절단비트부(32)들의 원활한 절단을 위하여 비트 몸체(31)와 절단비트부(32)들의 사이에는 절단선이 형성될 수 있다. 상기 절단선은 가상선의 선일 수도 있고 절단을 돕기 위한 형태로서 타구간보다 단면적이 작아지도록 홈에 의한 선일 수도 있다.

도 4와 같이, 절단비트부(32)는 굴착공의 완료 후 비트 몸체(31)에서 제거되어 굴착공 안에 떨어지게 되고, 지상에서 굴착공의 공저에 떨어진 절단비트부(32)를 제거하는 것이 바람직하며, 절단비트부(32)의 제거방법으로는 자력을 이용하는 방법이 있다.

즉 절단비트부(32)는 자력 흡착이 가능한 스틸으로 이루어지고, 절단비트부(32)를 자력 흡착한 후 지상으로 인발 제거하는 절단비트부 수거기(50)(도 5에 도시됨)가 운용된다.

절단비트부 수거기(50)는 절단비트부(32)를 자력 흡착하는 자석(51), 자석(51)을 절단된 절단비트부(32)가 떨어진 굴착공의 공저에 삽입 및 지상으로 인발하기 위한 인양줄(52)을 포함하고, 아울러, 자석(51)이 자력에 의해 강관의 케이싱(40)에 자력 흡착되면 자석(51)을 절단비트부(32)까지 삽입하는 것이 어려울 것이므로 자석(51)의 자력이 절단비트부(32)에만 작용하도록 하우징(53)이 구성된다.

자석(51)은 다수의 절단비트부(32)를 자력 흡착할 수 있는 자력과 크기로 이루어지며, 일측이 하우징(53)에 분리 가능하게 고정된다. 자석(51)은 영구자석과 전자석 모두가 사용 가능하다.

인양줄(52)은 취급이 용이하도록 유연성이 있는 와이어 로프 등이 사용 가능하고, 일측이 하우징(53)에 고정되고 지상에서 권취드럼에 감겨 사용된다.

하우징(53)은 자석(51)의 자력이 하부를 향해서만 작용하여 자석(51)의 자력에 의해 굴착공의 공저에 있는 절단비트부(32)가 자석(51)에 자력 흡착되도록 한다.

하우징(53)은 자석(51)의 자력으로부터 영향을 받지 않는 합성수지를 재료로 하는 것이 바람직하다.

하우징(53)의 둘레부에는 케이싱(40)의 내면을 따라 이동하는 다수의 바퀴가 구성되는 것도 가능하다.

케이싱(40)은 굴착공 안에 삽입 설치되어 굴착공의 붕괴를 방지하는 것으로 강관이 바람직하고, 대체적으로 퇴적암층이나 자갈층, 화산암 지질층 등에서 굴착공을 굴착하는 과정에서 무너지거나 흘러내리는 층이 존재하는 굴착공을 굴착할 경우 계획 심도를 결정하게 되고 계획되는 굴착직경보다 한 단계 큰 직경으로 굴착을 진행하게 되며 계획 굴착 직경과 동일한 외경의 케이싱(40)을 사용한다. 즉 계획 굴착 직경이 8"(200mm) 인 경우 케이싱(40)의 직경을 8"(200mm)로 하고 굴착비트(30)의 크기(외경)를 9"(225mm)나 10"(250mm)로 한다.

도 4에서 보이는 바와 같이, 커팅 비트(41)는 예를 들어 다이아몬드 팁(42)이 밴드형태로 제작된 것이며, 케이싱(40)의 하단에 나사 결합, 용접 결합 등을 통해 결합된다.

케이싱(40)은 지상측의 단부가 굴착기(10)에 지지되어 굴착공에 삽입 설치되며, 커팅 비트(41)가 굴착 비트(30)의 상부에 위치하되 굴착 비트(30)의 회전을 간섭하지 않도록 위치하고 굴진해 들어가는 속도에 맞춰 굴착기의 중량을 이용하여 강제 삽입으로 설치될 수 있다.

한편, 굴착 과정에서 생성되는 슬라임은 로드(20)를 통해 굴착 비트(30)에 공급되는 압축공기 또는 압축수와 함께 케이싱(40) 안쪽으로 함마 외주면을 따라 케이싱(40) 안쪽을 통해 외부로 배출되어지게 된다. 또한, 슬라임은 굴착공의 직경이 케이싱(40)의 직경보다 과도히 클 경우 케이싱(40)과 굴착공 사이를 통해 지상으로 배출될 수 있다. 물론 트리콘 비트의 경우에도 착정 이수가 동일한 배출경로를 통해 외부로 배출된다.

본 발명에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 케이싱 삽입 착정 방법은 다음과 같다.

1. 장치 설치.

굴착공의 굴착 위치에 맞춰 굴착기(10)를 거치하고 굴착 비트(30)가 조립된 로드(20)를 연결한다.

2. 굴착.

구동수단(11)을 통해 로드(20)를 회전시킴과 아울러 로드(20)를 굴진시켜 굴착한다.

굴착공을 굴착하면서 케이싱(40)을 로드(20)의 둘레부이면서 굴착공 안에 삽입하고, 이때, 케이싱(40)의 커팅 비트(41)가 굴착 비트(30)의 회전을 간섭하지 않도록 한다. 케이싱(40)과 굴착공의 내벽 사이에는 벤토나이트 또는 윤활제를 주입하여 케이싱(40)이 굴착공의 내벽과 마찰없이 미끄러지듯 삽입되도록 할 수 있다.

3. 절단비트부 커팅.

굴착공을 계획 심도까지 굴착 완료하여 로드(20)와 굴착 비트(30)의 조립체를 굴착공에서 지상으로 인발하는 경우 로드(20)와 굴착 비트(30)의 조립체를 상부로 인상하면서 회전시키며, 이 과정에서 굴착 비트(30)가 케이싱(40)의 커팅 비트(41)에 맞닿는 순간부터 굴착 비트(30)의 절단비트부(32)의 커팅이 이루어지고, 로드(20)와 굴착 비트(41)의 조립체의 인상 및 회전을 유지함으로써 절단비트부(32)가 비트 몸체(31)에 절단되도록 한다. 이 과정에서 케이싱(40)이 함께 인발되지 않도록 케이싱(40)을 눌러 지지하는 것이 바람직하다.

물론, 로드(20)와 굴착 비트(41)의 조립체는 제자리에서 회전을 시키면서 케이싱(40)을 서서히 눌러 하강시켜 절단과정이 이루어질 수 있도록 할 수도 있다.

절단된 절단비트부(32)는 굴착공의 공저에 떨어지게 된다.

절단비트부(32)가 비트 몸체(31)에서 분리됨으로써 굴착 비트(30)의 외경이 케이싱(40)의 내경보다 작아지게 되므로 케이싱(40)의 내부를 통해 로드(20)와 굴착 비트(30)의 조립체를 지상으로 인발할 수 있다. 로드(20)를 인발하면서 지상에서 로드(20)를 분해하여 최종적으로 굴착 비트(30)를 지상으로 제거한다.

4. 절단비트부 수거.

굴착 비트(30)로부터 절단된 절단비트부(32)는 굴착공의 바닥에 쌓여있는 슬라임(토사 슬라임)의 상부에 떨어져 놓여지며, 이 절단비트부(32)는 지하수의 수질을 오염시키고 흐름을 방해할 수도 있기 때문에 굴착공에서 수거되고, 구체적으로 설명하면, 케이싱(40) 내부에 절단비트부 수거기(50)를 삽입하되 자석(51)을 절단비트부(32)가 있는 곳까지 삽입한다.

자석(51)은 자력을 통해 절단비트부(32)를 자력 흡착하며, 이어서 인양줄(52)을 감아 절단비트부(32)를 지상으로 인양 수거한다.

지금까지는 절단비트부(32)를 수거하는 것으로 설명하였으나, 절단비트부(32)를 수거하지 않고 굴착공 안에 영구 설치하는 것도 가능하며, 절단비트부(32)는 케이싱(40) 외주면과 굴착공의 내벽 사이에 위치하게 되고, 도 16에서처럼, 절단비트부(32)의 절단을 완료한 후 케이싱(40)의 선단부가 굴착공의 공저에 닿도록 압입하면 절단비트부(32)가 케이싱(40)과 굴착공 사이에 끼게 되어 영구적으로 존치하므로 절단비트부(32)의 수거에 따른 공정을 생략하게 할 수도 있다.

한편, 절단비트부(32)의 상부이면서 케이싱(40)과 굴착공의 사이에 그라우팅제재를 주입하여 영구적으로 그라우팅 차폐를 시행하는 것도 가능하다.

케이싱(40)은 지하수의 급수를 위한 것이므로 지하수의 순환공이 구비되어야 한다. 이 순환공은 지하수의 대수층과 대응하는 위치이어야 하고, 지질조사를 통해 굴착 전에 대수층을 확인한다면 순환공을 미리 대수층의 위치에 맞춰 가공하여 시공할 수 있고, 선 지질조사 실시하지 않은 경우에는 순환공을 후가공한다.

예를 들어 도 7에서 보이는 것처럼, 굴착 비트를 지상으로 인양한 후 로드(20)에서 분리하고 이 로드(20)에 순환공 가공기(60)를 장착하며, 이 순환공 가공기(60)를 굴착 과정에서 확인된 지하수의 대수층이 발견된 심도에 삽입 설치한 후 케이싱(40)에 순환공을 가공한다.

도 8과 도 9는 순환공의 예를 도시한 것이며, 절개형의 순환공(43)은 순환공 가공기(60)에 의해 상하 종방향(횡방향 및 종횡방향도 가능함)으로 절개 가공된 것이며(도 8참고), 천공형의 순환공(43)은 순환공 가공기(60)에 의해 예컨대 원형의 구멍으로 천공 가공된 것이다(도 9참고).

순환공 가공기(60)는 로드(20)에 분리 가능하게 연결(나사식 등)되는 실린더(61), 실린더(61) 내부에 실린더(61)에 유입되는 유체(압축공기)를 통해 하강하고 다른 외력을 통해 상승하는 피스톤(62), 실린더(61) 안에서 외부를 향해 벌어지도록 장착되며 피스톤(62)의 하강에 의해 벌어지면서 케이싱(40)에 순환공을 가공하는 하나 이상의 천공팁(63)으로 구성된다.

실린더(61)와 피스톤(62)은 천공팁(63)을 가동하기 위한 액추에이터로서 압축공기를 통해 피스톤(62)을 하강시키는 일방향으로 한정되지 아니하고 피스톤(62)의 하강과 상승 모두가 가능한 양방향도 가능하다.

피스톤(62)의 하강에 의해 천공팁(63)이 벌어지도록 피스톤(62)과 천공팁(63)은 서로 대향되는 면이 경사면으로 구성된다.

천공팁(63)은 케이싱(40) 내부에 삽입 설치시 케이싱(40)과 간섭을 일으키지 않도록 모아진 상태이며 실린더(61)의 내부에 삽입되는 것은 물론 실린더(61)의 외부로 돌출되는 것도 가능하다.

천공팁(63)은 실린더(61)와 피스톤(62)이 일방향인 경우 탄성부재로서 예컨대 코일스프링(64)을 통해 모아지는 방향으로 탄력 지지된다.

천공팁(63)은 예컨대 도면에서처럼 단부가 뾰족하게 형성되는 것이 바람직하고, 물론, 도면에 도시된 형상으로 한정되지 아니하며 절개와 천공 모두가 가능한 다양한 형상으로 이루어진다.

천공팁(63)은 압축공기의 힘에 의해 하강하는 피스톤(62)에 의해 벌어지면서 케이싱(40)에 순환공을 천공하고, 이 상태에서 로드(20)에 의해 상승 또는 하강하면서 순환공을 절개할 수 있다.

순환공(43)은 대수층을 기준으로 하여 상하로 다단 형성될 수 있으며, 또한, 대수층이 2단 이상인 경우 각각의 대수층에 맞춰 형성되고, 도 10은 굴착공에 2개층의 대수층이 형성된 예를 도시한 것이며, 1단 대수층의 심도에 맞춰 1단 순환공(43-1)을 가공하고 2단 대수층의 심도에 맞춰 2단 순환공(43-2)를 가공한다.

전술한 것처럼, 대수층을 사전에 확인한 경우 순환공(43)이 미리 가공된 케이싱(40)을 시공하며, 예를 들어 도 11에서처럼, 계획된 굴착 깊이의 1/2 반쪽심도 구간 상부에서 대수층이 발견되는 경우 삽입이 완료된 후의 깊이를 산정하여 사전에 미리 순환공을 갖는 유공관이나 스트레이너 등을 무공관에 결합하여 케이싱(40)을 제작하거나 케이싱(40)에 직접 순환공을 천공 가공하여 사용하는 것이 가능하다.

이후 계획된 깊이까지 굴착을 완료하게 되면 1/2 반쪽심도구간 아래 구간에 발견되는 대수층 깊이에 대하여는 전술한 방법 등에 의해 순환공을 가공하도록 하도록 한다.

또한, 도 15에서 보이는 것처럼, 케이싱(40)을 삽입 설치하면서 1/2 반쪽심도구간 아래쪽에는 사전에 유공관(44)을 모두 삽입하여 대수층 존재 유무와 관계없이 유공관화 하도록 함으로써 순환공 형성을 위해 시행되는 천공 절개작업을 생략할 수도 있다.

또한, 반쪽심도 아래에 삽입 설치되는 유공관은 무공관-유공관-무공관-유공관 순서로 번갈아 삽입 설치될 수도 있다.

물론 반쪽심도구간 상부구간에 대하여는 이후 삽입되는 케이싱에 대수층이 발견된 깊이부분에 유공관(44)을 연결하여 구성하도록 하되 1/2 반쪽심도구간 하부구간에 대하여는 대수층이 발견되는 깊이부분에 유공관이 배치되도록 하면서 1/2 반쪽심도구간에 해당되는 깊이를 추가로 굴착하여 진행할 수도 있다.

도 12는 본 발명에 의해 굴착공을 시공한 후 지열 시스템을 구축한 예를 도시한 것이며, 굴착공의 시공과 케이싱(40)의 시공이 동시에 이루어졌으며, 케이싱(40) 주변에 그라우팅 차폐벽(1)(흙막이 케이싱, 그라우팅 케이싱, 차폐층, 흙막이 케이싱과 그라우팅 케이싱 및 차폐층 사이에 타설 시공되는 차폐층으로 구성됨)을 시공하고, 케이싱(40) 안에 케이싱(40)보다 작은 외경의 유공관(2)을 설치하고, 유공관(2) 내부에 지하수를 양수 순환시키기 위한 수중 펌프(3)를 설치하며, 유공관(2)과 케이싱(40) 사이를 콩자갈 등의 충진재로 충진하고, 지상의 열교환기(4)를 급수관(5) 및 환수관(6)으로 배관하여 지하수가 순환하도록 구성된다.

한편, 커팅 비트(41) 작동 운용시 로드(20)와 굴착 비트(30)의 조립체를 지상으로 올리면서 절단비트부(32)를 커팅할 경우나 케이싱(40)을 굴착기(10)를 이용하여 압입하여 눌러가면서 절단비트부(32)를 커팅하게 될 경우 굴착기(10)의 강한 유압 인양력에 의해 케이싱(40)이 일부구간에서 구부러짐이 발생하여 케이싱(40)의 내경이 축소되는 장애가 발생하거나 굴착 비트(30)가 케이싱(40)의 구부러짐 구간에서 걸려 인발되지 못하는 잼현상이 발생된다.

이를 해결하기 위하여 도 13에서 보이는 것처럼, 인장력과 압축력이 강한 스프링(45)을 로드(20)를 구성하는 단위 로드들의 연결부 또는 로드(20) 상단부에 설치하거나 도 14에서처럼, 케이싱(40)과 굴착기(10) 사이에 설치하여 외력에 의한 케이싱(40)의 구부러짐이 발생되지 않도록 완충한다. 전술한 2개의 실시예 모두 스프링(45)을 지지하는 상하부에는 각각 스프링 압축판(46)이 적용될 수 있다.

또한, 굴착 비트(30)의 상단부에는 다이아몬드칩 등으로 구성된 절삭리밍부(34)를 구성하여 절단비트부(32)가 떨어져나간 굴착 비트(30)를 케이싱(40) 내부를 통해 지상으로 인양하는 과정에서 혹시 발생되어 있을 수 있는 케이싱(40)의 구부러짐 등으로 인한 케이싱(40)의 내경 축소가 있더라도 절삭리밍부를 통해 굴착 비트(30)와 로드(20)의 안전한 회수 인양이 가능하도록 구성된다.

즉, 로드(20)와 굴착 비트(41)의 조립체를 굴착기(10)에 의한 회전력을 이용해 회전시키면서 인양력을 주게 되면 굴착비트(30) 상단부에 형성된 절삭리밍부(34)와 구부러져 있는 케이싱(40) 내주면에서 절삭작용이 일어나게 되고 결국 굴착비트(41) 빠져 인양될 수 있는 직경을 확보할 수 있게 된다.

절단비트부(32)를 절단하는 방법과 달리 굴착 비트(30)를 로드(20)에서 분리하는 것도 가능하다. 예를 들어 굴착 비트(30)(함마비트나 트리콘 비트)와 로드(20)의 결합부에 안전결합부(예를 들어 안전핀)를 구성하고 커팅 비트(41)를 이용하여 상기 안전결합부를 절단하면 굴착 비트(30)의 결합부가 해제되어 굴착 비트(30)가 로드(20)로부터 탈락되어 굴착공 내부에 존치되도록 한 후 함마나 로드(20)만을 케이싱(40) 안쪽으로부터 인양하여 지하수공 또는 지열공을 구성할 수도 있다.

굴착 비트(30)에 의한 굴착시 초경 팁(33)이 마모되어 더 이상 추가굴착이 어려워진 상황이거나 추가 굴착을 통해 소구경의 굴착공을 인위적으로 필요하게 된 경우에는 추가적인 굴착이 필요하게 되는 경우에는 커팅 비트(41)를 이용하여 절단비트부(32) 또는 굴착 비트(30) 전체를 절단하여 로드(20)로부터 제거하고 로드(20)를 지상으로 인양하며, 도 17a에서처럼, 대구경의 케이싱(40-1)보다 작은 외경의 소구경의 케이싱(40-2)[대구경의 케이싱(40-1)보다 한 단계 작은 굴착 직경의 굴착 비트(30-2)와 소구경의 커팅비트(41-2)를 결합하여 대구경의 케이싱(40-1) 안쪽으로 삽입한 구성]을 결합하여 추가 굴착을 진행할 수 있다.

소구경의 케이싱(40-2)은 추가 굴착에 들어가는 깊이만큼 계속 연결하여 굴착기(10)의 압입력을 이용하여 삽입 설치하도록 하며 굴착이 완료되어지게 되면 대구경의 케이싱(40-1) 안쪽에 이중으로 삽입 설치된 구간의 소구경의 케이싱(40-2)에 대하여는 지상으로 인양하여 제거하도록 한다.

다만, 추가굴착이 완료된 후 소구경의 케이싱(40-2) 안쪽으로 설치되는 굴착 비트(30-2)의 회전력을 이용하여 커팅비트(41-2)에 의한 절단이 이루어지기 위해서는 소구경 케이싱(40-2)이 굴착비트(30-2)를 따라도는 동조회전이 발생되지 않아야 함과 동시에 대구경케이싱(40-1) 구간에 삽입된 소구경의 케이싱(40-2)을 용이하게 탈착하여 지상으로 인양할 수 있어야 함으로 도 17b에서처럼 소구경의 케이싱(40-2)은 아래 쪽 소구경의 케이싱(40-2)의 끝 부분을 확관한 허브타입의 소켓(40-3)으로 구성하면서 수직방향으로 회전방지걸림턱(40-4)이 구성되도록하고 윗 쪽의 소구경의 케이싱(40-2) 아래결합부에는 돌기부(40-5)나 굴곡부를 형성하여 삽입과 분리등 탈착은 용이하되 동조회전은 불가능하도록 한다. 물론 이러한 결합부분은 대구경의 케이싱(40-1) 최 하단 부분에 위치하도록 함은 당연하다 하겠으며 도 17a은 대구경의 케이싱(40-1) 안쪽에 이중으로 삽입 설치된 구간의 소구경의 케이싱(40-2)을 인양 제거한 후의 모습을 표현한 것이다.

굴착 중 발생하는 굴착슬라임 배출장치의 구성은 다음과 같다.

자연수위가 지면으로부터 깊지 않은 경우에는 통상의 굴착과정에서 발생하는 굴착슬라임의 배출은 로드(20)를 통해 공급되는 압축공기와 함께 배출하거나 트리콘비트에서처럼 압축수나 착정이수와 함께 지상으로 배출하는 방법으로 이루어질 수 있다.

그러나, 제주도의 중산간 지대에서와 같이 자연수위가 지면으로부터 1~2백미터 깊이로 깊고 한편으로는 다양한 깊이에 대수층과 공기층이 존재하고 있을 경우 통상의 방법으로는 굴착슬라임의 배출은 곤란할 것이다.

이러한 문제는 굴착 중 발생한 굴착슬라임을 배출하기 위해서는 굴착 중 공급하는 압축공기나 압축수와 함께 굴착슬라임의 배출이 지면으로부터 깊은 자연수위 이상으로부터 지상까지 1~2백미터 또는 그 이상의 높이까지도 극복하면서 배출이 지속적으로 이루어져야만 한다는 것이다.

그러나 굴착이 진행되면서 무공관의 케이싱(40) 주변에는 깊이에 따라 높은 수압이 존재하게 됨으로 압축공기만을 공급하는 상황에서는 순간적으로 지중에 형성된 높은 수압으로 인해 무공관의 케이싱(40)이 안쪽으로 구부러져 함몰되는 사고가 발생될 수 있는 위험성이 있으며 압축수에 의한 배출 역시 지상까지 1~2백미터 또는 그 이상의 높이까지도 극복하면서 배출이 이루어지기 위해서는 높은 수압과 다량의 압축수 공급이 무공관의 케이싱(40) 아래 쪽 굴착 비트(40)를 통해 이루어져야 하나 배출수의 높이가 무공관의 케이싱(40) 안쪽으로 높아갈수록 무공관의 케이싱(40) 하단을 통해 무공관의 케이싱(40) 둘레부로 누출되는 배출수가 증가하게 되어 충분한 압축수 공급이 이루어지지 않으므로 배출수 수위가 높아지지 않아 배출 자체가 불가능하다.

또한 자연수위 상단으로부터 1~2백미터 구간은 무공관의 케이싱(40)의 둘렐부와 굴착공의 내벽 사이에는 지하수가 존재하지 않게 됨으로써 무공관의 케이싱(40) 안쪽으로부터 바깥쪽으로는 배출수에 의해 높은 수압이 형성되어져 결국 무공관의 케이싱(40)이 높은 수압으로 인해 외주연쪽으로 부풀어 변형이 이루어질 수 있고 이로 인해 추가적인 삽입공정이 불가능해 질 수 있는 가능성이 있다.

이럴 경우 무공관의 케이싱(40) 삽입을 진행하면서 연속적으로 굴착 슬라임을 지상으로 배출하면서도 무공관의 케이싱(40)의 삽입공정이 용이한 굴착공정이 필요하다.

도 18과 같이 굴착 비트(40) 상부에 연결 설치되는 로드(20)에 스크류(21)를 구성시켜 로드(20)의 회전에 따라 스크류(21)가 회전하면서 굴착슬라임을 지상으로 배출하게 하는 방법을 사용할 수 있으나 수백 미터를 연결하여 굴착하는 로드(20)의 둘레부에 구성된 로드(20)에 스크류(21)를 형성시키게 됨으로써 로드(20)의 외경이 커지게 되고 이로 인해 운반과 보관 및 작업공정상 큰 불편을 감수해야 하는 문제점이 있으며 굴착직경마다 스크류(21)의 외경이 각기 다른 로드(20) 제품을 사용하여야 한다는 문제점이 있다.

따라서 굴착비트 상부에 설치되면서 이러한 상기의 문제점을 극복하면서 굴착슬라임을 연속적으로 배출할 수 있는 제주도 지질 및 지하수위 특성에 적합한 장치구성이 필요하다.

도 19a와 같이, 굴착비트(30)(함마비트 또는 트리콘비트) 상부에 압축수 또는 압축공기가 공급되면 팽창되면서 커팅비트(41)가 결합된 무공관의 케이싱(40) 하단과 굴착비트(30) 사이를 수밀성있게 차폐하는 차폐통(22)을 구성하고 이 차폐통(22) 상부에서부터 적정한 높이 예를 들어 6m 전후 높이까지 굴착 중 발생하는 굴착슬라임을 배출수 또는 압축공기와 함께 상부로 이송할 수 있도록 로드(20)에 스크류(21)를 구성한다.

스크류(21)는 하단의 차폐통(22)을 경계로 하여 상부나 하부에 설치될 수 있도록 하며 굴착 중 형성되는 굴착슬라임이 스크류(21)의 회전에 따라 용이하게 배출공간으로 유입될 수 있도록 하였다.

물론 스크류(21)는 외주연측에 고무링을 삽입하는 등을 통해 무공관의 케이싱(40) 내주면과 밀착이 될 수 있도록 하여 굴착슬라임이 쉽게 하부로 흘러내리지 않도록 한다.

차폐통(22)의 차폐기능을 구성하는 차폐체는 핑창튜브나 압축시켜 체적변동에 의해 차폐될 수 있도록 하는 형태 등 다양한 형태나 장치구성으로 구현할 수 있다.

스크류(21)가 구성된 로드(20) 상부에는 굴착슬라임이 축척될 수 있는 여유공간을 같도록 로드 한 개 높이정도에 대해서는 통상의 로드를 결합하여 구성하도록 하되 로드 결합부에 수밀성 있게 제작된 또 다른 상단의 차폐통(23)을 설치하도록 하며 하단의 차폐통(22)과 상단의 차폐통(23)이 수밀성 있게 차폐된 상태에서 고압의 압축수를 공급하고 배출할 수 있는 배출관(24)를 연결하여 지상까지 인출해 구성한다. 물론 축척된 굴착슬라임을 교란시키고 부양력에 의한 배출을 용이하게 하기 위해 별도의 압축공기 또는 압축수를 공급하기 위한 공급관(25)을 구성할 수도 있으며 배출관(24) 또는 공급관(25) 중 하나는 로드(20) 내부의 통공을 활용할 수 있도록 구성할 수도 있다.

물론, 압축공기를 공급하기 위한 압축공기공급관(27)은 직경이 작아도 됨으로 별도로 구성하여 설치할 수도 있다.

로드(20) 외주연 쪽으로 굴착 중 계속 연결하여 설치되는 공급관(25) 및 배출관(24) 및 하단의 차폐통(22)과 상단의 차폐통(23)에 압축유체를 공급하기 위한 관은 로드(20) 결합 길이로 동일하게 하여 로드(20) 결합 및 해체시 이들의 결합과 해체도 용이하게 하고 굴착과정에서 로드(20)의 회전시 로드(20)에 고정밴드(26)(도 19b에 도시됨) 등을 이용하여 고정시키도록 함으로써 작업불편성이 크지 않도록 한다.

로드(20)와 공급관(25) 및 배출관(24) 및 하단의 차폐통(22)과 상단의 차폐통(23)에 압축유체를 공급하기 위한 관의 밴드결합시 고정밴드(26)는 무공관 또는 유공관 케이싱(40)과 로드(20)사이의 적정한 공간을 유지시키도록 하는 가이드기능이 부가될 수 있도록 구성하게 된다.

물론, 소구경굴착시에는 로드 외주연에 스크류 구성으로 배출하는 방법도 유용함은 당연하다 하겠다.

한편, 전술한 방법은 기 삽입된 케이싱(40)의 두께가 압입 하중과 마찰력을 견뎌야 하기 때문에 두터워질 수밖에 없었으며 이로 인해 순환공의 가공이 힘든 한계가 있다.

따라서 삽입에는 어려움이 없으면서 유공관 구성을 위한 순환공의 가공이 용이하도록 다음과 같이 구성된다.

도 20에서처럼, 케이싱(40)의 횡단면은 사다리꼴 또는 라운드형 기어 형태로서 후육부(47)(철부)와 박면부(48)(요부)가 반복하여 구성된 요철 형태로 인발 제작되는 형태이다.

박면부(48)에는 V- 컷팅부 등을 통해 박면부(48)보다 단면이 더욱 얇은 천공안내부(49)를 형성한다.

후육부(47)의 지지력으로 인해 케이싱(40)의 굴착공 내 삽입에는 장애가 없으며 계획된 깊이까지 삽입이 완료된 후 천공안내부(49)에 순환공을 형성하며 그 방법은 예를 들어 도 21과 도 22에서 보이는 것처럼, 고압의 압축수 또는 고압의 압축공기를 회전하는 노즐에 의해 분사할 수 있도록 하여 순환공을 형성한다. 즉, 굴착기(100)를 이용하여 로드(20) 하단에 초고압수가 분사될 수 있는 수압 천공기(70)를 장착하고 개구부(순환공)를 형성할 깊이에서 고압수 펌프(71)를 가동시켜 통상 300bar 이상의 높은 수압을 유지시키면서 수압천공기(70)을 로드(20)와 함께 회전시키게 되면 수압천공기(70)의 노즐을 통해 분사되는 초고수압에 의해 케이싱(40)의 박면부(48)에 형성된 천공안내부(49)가 바깥쪽으로 찢어지면서 개구부가 형성된다.

물론 수압이 아니라 컴프레서를 이용한 높은 공기압을 이용해도 같은 효과를 갖게 할 수 있으며 상하방향으로 작동되는 칼날을 이용하여서도 쉽게 절개시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.

케이싱(40)의 재질은 수질오염을 예방하기 위해 통상 스테인레스강관을 사용하게 되나 일반 스틸강관을 사용할 수도 있으며 이런 경우 지하수 중에서 발생되는 부식활동으로 인해 시간이 경과하면 자연스럽계 박면부(48)에 형성한 천공안내부(49)가 부식되어 개구부가 형성되어지는 효과를 갖게 된다. 특히 스틸강관은 부식과정에서 질산성질소에 의한 수질오염을 정화시키는데도 일부 도움이 될 수 있어 지열용 굴착공에 삽입 설치하여 활용될 수 있다.

한편, 케이싱(40)의 둘레부에는 고압수 또는 압축공기가 케이싱(40)과 굴착공 사이를 통해 상승하여 주변 대수층이나 공기층으로 침투하지 않도록 링형상의 패킹(80)(도 25)이 적용될 수 있다. 패킹(80)은 다단의 순환공(43)이 적용된 경우 서로 다른 높이의 순환공(43)들 사이에 설치된다.

또한, 본 발명은 지하수 및 지열 굴착공 주변에 수맥을 강제로 형성 내지 기존 수맥을 확장하는 것을 포함된다.

수맥 형성은 고압수의 분사에 의한 수압파쇄 또는 화약수중폭파에 의한 파쇄로 이루어진다.

도 23에서 보이는 바와 같이, 굴착을 완료한 후 케이싱(40)을 들어올린 후 케이싱(40) 내부를 통해 케이싱(40)의 저부에 유체의 주입에 의해 팽창하는 차폐 패커(81)와 고압수 분사기(80)를 함께 설치하고 차폐 패커(81)로 굴착공을 차폐한 상태에서 지상의 고압수 펌프(82)를 통해 물탱크(83)에 저장된 물을 고압으로 고압수 분사기(80)에 공급하여 굴착공 주변에 고압이 가해지도록 함으로써 수맥파쇄를 발생시켜 굴착공 주변에 수맥을 형성한다.

수맥파쇄는 고압수 분사에 의한 수압파쇄로 한정되지 아니하고, 화약수중폭파에 의한 파쇄도 포함된다.

본 발명이 지열 시스템으로 적용되는 경우 하나의 굴착공에서 급수와 환수가 이루어지는 것도 가능하고, 굴착공 주변에 수맥을 형성한 경우 굴착공을 급수 전용과 환수 전용으로 사용할 수도 있다.

도24와 도26에서와 같이 추가 굴착을 통해 굴착공의 공벽을 확보하고 이 공벽에 형성된 지하수 수맥을 활용하거나 높은 수압을 가하여 수맥파쇄를 시행하여 인위적인 수맥을 형성시킬 수도 있다.

도 26에서 보이는 바와 같이, 어느 하나의 굴착공을 급수 전용으로, 다른 하나의 굴착공을 환수 전용으로 구성하여, 급수 전용의 굴착공 안에 수중 펌프(3)와 급수관(5)을 설치하고, 환수 전용의 굴착공에는 환수관(6)을 설치하고, 수중 펌프(3)의 펌핑에 의해 환수 전용의 굴착공 안의 지하수가 수맥을 따라 급수 전용의 굴착공으로 유입된 후 급수가 이루어진다.

물론 굴착공 안의 지하수위가 낮거나 용출되는 상황에서는 수중펌프(3)를 적용하지 않고 지상에 순환펌프를 사용할 수 있으며 이는 모두 펌프로 통칭될 수 있다.

즉, 종래 고심도 굴착 후 굴착공을 급수전용과 환수전용으로 사용하게 될 경우 두 개의 굴착공이 근접한 경우 열교환이 미쳐 이루어지지 않은 심도에서 깊이별 구성된 대수층을 따라 지하수의 순환이 발생하여 열용량이 낮아지는 문제가 있었으나 케이싱(40)이 전 구간에 삽입 설치되어 있게 됨으로써 계획 심도 이내의 모든 대수층에 대하여는 케이싱에 의한 차폐가 가능하여 굴착공 전 구간에 걸친 열교환이 이루어질 수 있는 효과가 있다. 또한 굴착공을 급수전용과 환수전용으로 사용하게 됨으로써 굴착공의 직경을 통상 6인치(150mm) 내외로 할 수 있으며 삽입되는 케이싱의 직경 4인치(100mm) 이하 정도로 작게 할 수 있어 굴착비용과 시설비의 절감효과가 높다 할 것이다.

또한, 굴착공 공벽과 케이싱(40) 사이 공간을 통해 오염된 지하수나 온도 편차가 큰 지하수의 유입을 방지하기 위해서 해당 공간에 그라우팅을 시행하여 차수벽을 형성시킬 수 있다.

도 27에서처럼, 그라우팅을 위해서는 커팅비트하단과 케이싱 하단을 통해 그라우팅을 주입하기 위해서는 한 개의 통상의 그라우팅용 차폐패커(200)를 이용하여 차폐한 후 그라우팅 주입관(210)을 통해 그라우팅을 시행할 수 있으며, 중간 구간에 그라우팅을 시행하기 위해서는 도 28에서 보이는 것처럼, 두 개의 그라우팅용 차폐패커(200-1,200-2)를 이용하게 된다. 그라우팅 액이 누출이 발생되지 않도록 차폐패커에는 고압의 압력유체를 주입하여 케이싱(40) 안쪽에 압착되도록 한 후 지상의 그라우팅펌프를 가동하여 적정한 용량의 그라우팅액을 주입 양생시켜 차수벽을 형성하도록 한다.

10 : 굴착기, 20 : 로드
30 : 굴착 비트, 31 : 비트 몸체
32 : 절단비트부, 33 : 초경팁
40 : 케이싱, 41 : 커팅 비트
42 : 다이아몬드 팁, 43 : 순환공
50 : 절단비트부 수거기, 51 : 자석
52 : 인양줄, 53 : 하우징
60 : 순환공 가공기, 61 : 실린더
62 : 피스톤, 63 : 천공팁
64 : 코일스프링, 70 : 수압 천공기

Claims (20)

1. 굴착기(10)와;
   상기 굴착기에 의해 회전 및 전후진하는 로드(20)와;
   굴착공의 계획 직경보다 큰 외경으로 형성되며 상기 로드의 선단부에 분리 가능하게 결합되어 상기 로드에 의해 회전 및 굴진하면서 굴착하는 굴착 비트(30)와;
   상기 굴착비트의 외경보다 작은 외경으로 이루어져 굴착공 안에 설치되어 굴착공을 보호하는 케이싱(40)의 선단부에 형성되는 커팅 비트(41)를 포함하되,
   상기 커팅 비트는 상기 굴착 비트의 일부를 절단하여 상기 케이싱이 상기 굴착공 안에 설치되도록 하면서 상기 로드를 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하도록 구성되고,
   상기 굴착 비트는 비트몸체(31), 상기 비트몸체의 둘레부에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되며 상기 케이싱의 외경보다 돌출되도록 형성되는 절단비트부(32)를 포함하며, 이에 의하여 상기 케이싱의 커팅비트에 의해 상기 절단비트부가 상기 비트몸체로부터 커팅되어 상기 케이싱이 상기 굴착공에 설치된 상태에서 상기 로드와 상기 절단비트부가 절단된 굴착비트가 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발되고,
   상기 굴착비트는 상기 커팅비트에 맞춰 절단선이 형성되어 상기 절단선을 따라 상기 절단비트부가 절단되는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치.
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5. 청구항 1에 있어서, 상기 케이싱은 두께가 서로 다른 요철 구조로 이루어지며 요부에는 고압의 압축수 또는 고압의 압축공기에 의해 천공되는 천공안내부가 형성되는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치.
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7. 청구항 1에 있어서, 상기 로드는 스프링의 탄성력에 의해 상기 굴착기에 완충 거동하도록 구성되거나, 상기 케이싱은 스프링의 탄성력에 의해 상기 굴착기에 완충 거동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 굴착공 내부의 굴착슬라임을 지상으로 배출하는 슬라임 배출수단을 포함하고, 상기 슬라임 배출수단은 상기 로드에 상호 간에 높이차를 두고 설치되며 상기 로드와 상기 케이싱 사이를 차폐하는 차폐통이 구성된 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치.
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10. 청구항 1에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법으로서,
    굴착공의 굴착 위치에 맞춰 굴착기(10)를 거치하고 상기 굴착기에 굴착 비트(30)가 조립된 로드(20)를 연결하여 설치하는 제1단계와;
    상기 굴착기에 장착되는 구동수단을 통해 상기 로드를 회전시킴과 아울러 굴진시켜 굴착하는 제2단계와;
    상기 제2단계를 통해 굴착공을 굴착하면서 상기 굴착공 안에 케이싱을 삽입하되, 상기 케이싱의 하단에 형성된 커팅 비트가 상기 굴착 비트의 상부와 일정 간격을 두고 이격되도록 상기 굴착기에 설치하는 제3단계와;
    굴착공의 굴착을 완료한 후 상기 로드를 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하되, 상기 케이싱의 커팅 비트를 통해 상기 굴착 비트의 둘레부로서 상기 케이싱의 내경보다 돌출된 절단비트부를 절단하여 상기 로드를 상기 케이싱의 내부를 통해 지상으로 인발하고 상기 케이싱을 상기 굴착공에 설치하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
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12. 청구항 10에 있어서, 상기 제4단계는 상기 절단비트부를 자력 흡착하는 자석(61), 상기 자석을 매달아 지지함과 아울러 상기 자석을 절단비트부와 함께 지상으로 인양하는 인양줄(62)을 포함하는 절단비트부 수거기를 이용하여 상기 절단비트부를 지상으로 수거하는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
13. 청구항 10에 있어서, 상기 케이싱에 내부와 외부가 연통하는 순환공을 천공하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
14. 청구항 1에 의한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법으로서,
    굴착공의 굴착 위치에 맞춰 굴착기(10)를 거치하고 상기 굴착기에 굴착 비트(30)가 조립된 로드(20)를 연결하여 설치하는 제1단계와;
    상기 굴착기에 장착되는 구동수단을 통해 상기 로드를 회전시킴과 아울러 굴진시켜 굴착하는 제2단계와;
    상기 제2단계를 통해 굴착공을 굴착하면서 상기 굴착공 안에 케이싱을 삽입하되, 상기 케이싱의 하단에 형성된 커팅 비트가 상기 굴착 비트의 상부와 일정 간격을 두고 이격되도록 상기 굴착기에 설치하는 제3단계와;
    상기 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치의 커팅 비트를 이용하여 절단비트부를 절단하여 로드를 지상으로 인양하며, 상기 케이싱보다 작은 외경의 소구경의 케이싱을 결합하여 추가 굴착을 진행하도록 한 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 소구경의 케이싱 하단에는 커팅비트가 결합되며 상기 소구경의 케이싱은 상기 소구경의 케이싱보다 큰 외경인 대구경의 케이싱 하단 부분에 탈착 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
16. 청구항 10에 있어서, 상기 제4단계 이후 상기 케이싱과 상기 굴착공의 공저 사이를 차폐한 후 상기 굴착공의 주변에 외력을 가하여 상기 굴착공 주변에 수맥을 형성함으로써 지하수가 상기 굴착공 안에 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
17. 청구항 10 또는 청구항 14에 있어서, 굴착공을 두 개로 구성하되, 어느 하나의 굴착공을 급수 전용으로, 다른 하나의 굴착공을 환수 전용으로 구성하여, 급수 전용의 굴착공에 펌프와 급수관을 설치하고, 환수 전용의 굴착공에는 환수관을 설치하고, 펌프의 펌핑에 의해 환수 전용의 굴착공 안의 지하수가 수맥을 따라 급수 전용의 굴착공으로 유입된 후 급수가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
18. 청구항 10 또는 청구항 14에 있어서,
    계획된 굴착 깊이의 1/2반쪽심도 구간 상부에서 대수층이 발견되는 경우 삽입이 완료된 후의 깊이를 산정하여 사전에 미리 순환공을 갖는 유공관이나 스트레이너 등을 무공관에 결합하여 케이싱을 제작하여 설치하고
    이후 계획된 깊이까지 굴착을 완료하게 되면 1/2 반쪽심도구간 아래 구간에 발견되는 대수층 깊이에 대하여는 순환공을 가공하도록 하도록 한 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
19. 청구항 18에 있어서, 1/2 반쪽심도구간 아래쪽에는 사전에 유공관을 모두 삽입하거나 무공관과 유공관과 무공관 및 유공관의 순서로 번갈아 삽입하도록 한 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.
20. 청구항 10 또는 청구항 14에 있어서,
    굴착공 공벽과 케이싱 사이 공간을 통해 오염된 지하수나 온도 편차가 큰 지하수의 유입을 방지하기 위해서 해당 공간에 그라우팅을 시행하여 차수벽을 형성한 것을 특징으로 하는 지하수와 지열 굴착공의 케이싱 삽입 착정 장치를 이용한 굴착공의 케이싱 삽입 착정 방법.

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