KR102081882B1 - 광산충전재 조성물 및 이를 이용한 광산 공동의 충전방법 - Google Patents

광산충전재 조성물 및 이를 이용한 광산 공동의 충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포틀랜드 시멘트 3~30 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA) 10~50 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 바닥연소재(CFBC-BA) 20~70 중량%; 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산염계 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 유동화제 0.01~1.0 중량%; 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸에틸 셀룰로오즈, 폴리에틸프로필 셀룰로오즈, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 개질 스타치 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 재료분리 방지제 0.01~1.0 중량%; polycarboxylate ether modified polyacrylate계의 유지제 0.01~1.0 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산충전재 조성물을 제시함으로써, 열병합 발전소의 순환유동층 보일러에서 나오는 연소재를 별도의 탄산염화 공정의 필요없이 재활용할 수 있고, 유동성이 높으면서도 재료의 분리가 발생하지 않으며, 광산 공동에 대한 밀실한 충전이 가능하도록 한다.

Description

광산충전재 조성물 및 이를 이용한 광산 공동의 충전방법{COMPOSITION FOR FILLING MINE HOLE AND FILLING METHOD FOR MINE HOLE USING THE SAME}
본 발명은 건설 분야에 관한 것으로서, 상세하게는 광산충전재 조성물에 관한 것이다.
유용광물을 채취한 광산은 폐광 후 대부분 공동으로 남아있으며, 이 공동은 싱크홀 발생이나, 침출수 발생 등의 문제 등이 있어 이에 대한 대책이 시급히 요구되고 있는 실정이며, 이에 대한 안정화 수단으로 광산 공동에 대한 충전방법이 모색되고 있다.
한편, 열병합 발전소의 순환유동층 보일러에서 나오는 연소재는 기존 화력발전소에서 나오는 연소재와 달리 유리-산화칼슘 등을 다량 함유하고 있다.
한국 등록특허 제10-1836372호는 위 유리-산화칼슘을 이산화탄소와 반응시켜 복합탄산염으로 안정화한 후, 광산충전재의 소재로 활용하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 복합탄산염을 만들기 위해서 수화반응 물질인 유리-산화칼슘을 수화 미반응 물질인 탄산염화하는 것은, 이산화탄소, 유리-산화칼슘 같은 유효성분을 낭비한다는 점, 탄산염화를 위한 별도의 비용이 발생한다는 점 등의 문제가 있다.
따라서 유리-산화칼슘의 팽창 및 초기반응 특성을 활용하고, 단점인 유동성저하 문제를 해결함으로써, 연소재 자체를 광산충전재의 소재로 활용하기 위한 기술개발이 필요한 실정이다.
특허 등록공보 제10-1836372호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 열병합 발전소의 순환유동층 보일러에서 나오는 연소재를 별도의 탄산염화 공정의 필요없이 재활용할 수 있고, 유동성이 높으면서도 재료의 분리가 발생하지 않으며, 광산 공동에 대한 밀실한 충전이 가능한 광산충전재 조성물 및 이를 이용한 광산 공동의 충전방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 포틀랜드 시멘트 3~30 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA) 10~50 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 바닥연소재(CFBC-BA) 20~70 중량%; 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산염계 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 유동화제 0.01~1.0 중량%; 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸에틸 셀룰로오즈, 폴리에틸프로필 셀룰로오즈, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 개질 스타치 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 재료분리 방지제 0.01~1.0 중량%; polycarboxylate ether modified polyacrylate계의 유지제 0.01~1.0 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산충전재 조성물을 제시한다.
경소백운석, 탈황석고, O형 팽창재, K형 팽창재 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 수축방지제 0.1~10 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
타르타르산, 글루콘산, 시트릭산, 개미산 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 지연제 0.01~1.0 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
알콜계 소포제, 실리콘계 소포제, 지방산계 소포제, 오일계 소포제, 에스테르계 소포제, 옥시알킬렌계 소포제 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 소포제 0.01~1.0 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 광산충전재 조성물을 이용한 광산 공동의 충전방법으로서, 광산의 공동의 내부의 이물질을 제거하는 이물질 제거단계; 주입될 상기 광산충전재 조성물이 유실되지 않도록, 상기 광산의 공동의 유출가능부위를 밀폐하는 유출부위 밀폐단계; 상기 광산의 공동의 내면의 침출수를 방지하기 위하여 차수작업을 실시하는 차수단계; 상기 광산충전재 조성물의 주입을 위한 주입공을 천공하는 주입공 천공단계; 상기 광산충전재 조성물의 주입 후, 상기 주입공을 밀폐하는 주입공 밀폐단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산 공동의 충전방법을 제시한다.
본 발명은 열병합 발전소의 순환유동층 보일러에서 나오는 연소재를 별도의 탄산염화 공정의 필요없이 재활용할 수 있고, 유동성이 높으면서도 재료의 분리가 발생하지 않으며, 광산 공동에 대한 밀실한 충전이 가능한 광산충전재 조성물 및 이를 이용한 광산 공동의 충전방법을 제공한다.
도 1 이하는 본 발명의 실시예에 관한 것으로서,
도 1은 비산연소재의 사진.
도 2는 바닥연소재의 사진.
도 3은 광산충전재의 사진.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 광산충전재 조성물은 기본적으로, 포틀랜드 시멘트 3~30 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA) 10~50 중량%; 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 바닥연소재(CFBC-BA) 20~70 중량%; 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산염계 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 유동화제 0.01~1.0 중량%; 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸에틸 셀룰로오즈, 폴리에틸프로필 셀룰로오즈, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 개질 스타치 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 재료분리 방지제 0.01~1.0 중량%; polycarboxylate ether modified polyacrylate계의 유지제 0.01~1.0 중량%;를 포함하여 구성된다.
포틀랜드 시멘트는 KS에 규정된 보통 포틀랜드 1종~5종 시멘트 또는 슬래그시멘트를 사용할 수 있으며, 광산충전재 조성물의 3~30 중량%를 혼입하는 것이 적정하다.
3 중량% 미만은 충분한 강도발현이 어렵고, 30 중량%를 초과할 경우 강도발현이 과도하여 경제적이지 않다.
시료구분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 P2O5 LOI
CFBC-FA 19.7 9.06 16.6 25.3 11.2 1.91 0.89 0.15 11.1 3.73
CFBC-BA 20.9 5.19 12.9 23.1 7.94 1.27 0.61 24.7 0.13 2.56
표 1은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA) 및 순환유동층 보일러 바닥연소재(CFBC-BA)의 성분을 나타낸 것이다.
위 성분분석 자료에 나타난 바와 같이, 연소재에는 다량의 산화칼슘이 함유되어 있으며, 이 중 상당부분이 유리-산화칼슘으로 이루어져 있다.
유리-산화칼슘은 화학식 1과 같이, 물과 반응하여 수산화칼슘으로 변형되는데, 이때 발열반응 특성으로 인하여 시멘트의 반응을 촉진시키고, 부피가 팽창한다.
Figure 112018038087605-pat00001
따라서 초기에 강도를 높일 수 있고, 수축을 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 시간경과에 따른 유동성 저하로 밀실한 충전에 부정적인 영향을 끼친다는 단점이 있다.
이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA)의 사용량은 광산충전재 조성물 100 중량%에 대하여 10~50 중량%가 적정하고, 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 바닥연소재(CFBC-BA)의 사용량은 광산충전재 조성물 100 중량%에 대하여 20~70 중량%가 적정하다.
비산연소재는 평균입경 15㎛ 내외의 미분말로서(도 1), 10 중량% 미만이면 충분한 팽창특성을 발휘하기 어렵고, 50 중량%를 초과하면 과도한 물-시멘트비로 인해 강도저하가 나타날 수 있다.
바닥연소재는 90% 이상이 평균입경 0.6 mm 이하인 모래와 같은 형상으로서(도 2), 20 중량% 미만이면 모래의 대체효과가 미미하고, 70 중량%를 초과하면 충분한 유동성 발현이 어렵다는 문제점이 있다.
광산충전재는 유동화제의 사용에 의해 고유동성을 가질 것이 요구된다(도 3).
유동화제는 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산염계 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 것을 0.01~1.0 중량% 사용한다.
0.01 중량% 미만이면 유동성 발현특성이 부족하고, 1.0 중량%를 초과하면 유동성의 증가보다 재료분리성이 커지기 때문에 하자의 원인이 될 수 있다.
재료분리 방지제로는, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸에틸 셀룰로오즈, 폴리에틸프로필 셀룰로오즈, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 개질 스타치 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 것을 사용한다.
유동성 손실을 최소화하면서, 재료분리 방지 효과를 발휘하기 위해서는, 재료분리 방지제의 적정 점도 및 적정 사용량을 선택할 것이 요구된다.
재료분리 방지제의 점도는 2% 수용액 기준으로 200~30,000 cps 범위가 적정하다.
200 cps 이하에서는 재료분리 방지효과가 미미하고, 30,000 cps 이상에서는 유동성 손실이 커지게 된다.
재료분리 방지제의 사용량은 0.01~1.0 중량%가 적정하다.
0.01 중량% 미만에서는 재료분리 방지효과가 미미하고, 1.0 중량%를 초과하면 유동성 발현이 어렵게 된다.
유지제에는 알루미나의 반응을 억제하는 유지제와 산화칼슘의 반응을 억제하는 유지제가 있는데, 광산충전재 조성물에 있어서는 후자인 산화칼슘의 반응을 억제하는 유지제가 보다 효과적이므로, polycarboxylate ether modified polyacrylate계의 유지제를 사용한다.
이는 유리-산화칼슘의 초기 반응성을 억제하는 효과가 있으므로, 광산충전재 조성물의 초기 유동성 손실을 방지하는 역할을 한다.
유지제는 0.01~1.0 중량%를 사용하는데, 0.01 중량% 미만에서는 유지제의 효과가 미미하고, 1.0 중량%을 초과하면 유지제 성능의 증가효과가 크지 않을뿐만 아니라, 광산충전재의 가격상승의 원인이 될 수 있으므로 바람직하지 않다.
순환유동층 보일러 연소재는 다량의 유리-산화칼슘을 포함하고 있으므로, 위에서 본 바와 같은 팽창특성을 나타내지만, 계절에 의한 기온의 변화에 따라 팽창효과가 다르게 나타날 수 있으며, 특히 동절기 저온의 경우가 문제될 수 있다.
광산충전재는 광산 공동의 완전 충전을 목적으로 하는 것이므로, 저온에 불구하고 최적화된 팽창효과를 얻기 위해서는 위 수축방지제를 사용하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 광산충전재 조성물은 경소백운석, 탈황석고, O형 팽창재, K형 팽창재(KS L 5217 팽창 수경성 시멘트의 종류) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 수축방지제를 더 포함할 수 있다.
수축방지제의 사용량은 광산충전재 조성물 100 중량%에 대하여 0.1~10.0 중량% 범위가 적정한데, 0.1 중량% 미만에서는 팽창효과가 부족하고, 10 중량%를 초과하면 과도한 팽창으로 인한 강도저하가 우려된다.
본 발명에 의한 광산충전재 조성물은 상술한 바와 같이 유지제를 함유하고 있어 충분한 가사시간 확보가 가능하지만, 혹서기와 같은 고온에서는 자유-산화칼슘의 반응이 급격히 진행되므로, 유지제 만으로 충분한 가사시간 확보가 어려울 수 있다.
따라서 이러한 경우에는 유지제와 지연제를 병행하여 사용하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 광산충전재 조성물은 타르타르산, 글루콘산, 시트릭산, 개미산 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 지연제를 더 포함할 수 있다.
지연제의 사용량은 0.01~1.0 중량%가 적정한데, 0.01 중량% 미만에서는 반응지연효과가 미미하고, 1.0중량%를 초과하면 지연효과가 과도하여 강도저하의 원인이 될 수 있다.
광산 공동에 주입된 광산충전재 조성물에 거품과 같은 과도한 연행기포가 발생하는 경우, 광산 공동의 완전한 충전을 방해할 수 있고, 강도저하의 원인이 될 수 있으므로, 적정한 소포제의 사용에 의해 적정한 공기량이 함유되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 광산충전재 조성물은, 알콜계 소포제, 실리콘계 소포제, 지방산계 소포제, 오일계 소포제, 에스테르계 소포제, 옥시알킬렌계 소포제 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 소포제 0.01~1.0 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 광산충전재 조성물을 이용한 광산 공동의 충전방법은 다음과 같다.
광산의 공동의 내부(천정, 벽면, 바닥)의 이물질을 고압세척기 등으로 제거하고, 주입될 광산충전재 조성물이 유실되지 않도록, 광산의 공동의 유출가능부위(광산의 출입구 등)를 밀폐한다.
광산의 공동의 내면(천정면, 벽면, 바닥면)의 침출수를 방지하기 위하여, 차수제를 도포하는 등 차수작업을 실시한다.
광산충전재 조성물의 주입을 위한 주입공을 천공한다.
주입공을 통한 광산충전재 조성물의 주입 후, 주입공을 밀폐한다.
이하, 본 발명의 물성을 입증하기 위한 실시예 및 실험결과에 관하여 설명한다.
　 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
OPC 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0
CFBC-FA 30.0 30.0 0.0 30.0 30.0
CFBC-BA 57.2 55.0 0.0 57.4 57.8
탄산화 CFBC-FA 0.0 0.0 30.0 0.0 0.0
탄산화 CFBC-BA 0.0 0.0 55.0 0.0 0.0
유지제 0.2 0.2 0.2 0.0 0.2
유동화제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.0
재료분리 방지제 0.1 0.1 0.1 0.1 0.0
수축방지제 0.0 2.0 2.0 0.0 0.0
지연제 0.0 0.1 0.1 0.0 0.0
소포제 0.0 0.1 0.1 0.0 0.0
계 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
표 2는 본 발명의 실시예 1,2 및 비교예 1 내지 3의 성분과 함량을 나타낸 것이다.
구체적으로, 실시예 1은 포틀랜드 시멘트, 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA), 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 바닥연소재(CFBC-BA), 유동화제, 재료분리 방지제, 유지제를 상술한 배합의 범위 내에서 배합한 것이다.
실시예 2는 실시예 1의 배합에 추가로 수축방지제, 지연제, 소포제를 혼입한 것이다.
비교예 1은 본 발명의 실시예 1에서 이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 연소재 대신 탄산화된 연소재를 적용한 것이고, 비교예 2는 본 발명의 실시예 1과 달리 유지제를 혼입하지 않은 것이고, 비교예 3은 본 발명의 실시예 1과 달리 유동화제 및 재료분리 방지제를 사용하지 않은 것이다.
KS F4044_2004 ‘수경성시멘트 무수축 그라우트재’의 시험방법에 의하여 플로, 블리딩율, 팽창높이, 압축강도의 시험을 진행하였고, 물-충전재 비는 50%로 모두 동일하게 적용하였다.
항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
플로
(mm)		 0분 310 305 305 305 295
30분 290 280 295 265 275
60분 260 245 270 190 245
블리딩율(%) 0 0 0 0 1.6
팽창높이 (%) 0.03 0.06 -0.06 0.02 -0.01
압축강도
(N/mm2)		 3일 2.4 1.8 2.3 3.2 2.6
7일 4.3 4.4 3.9 4.6 3.9
28일 8.6 9.2 8.2 8.4 7.8
표 3은 상술한 본 발명의 실시예 1,2 및 비교예 1 내지 3에 대한 물성 시험결과를 나타낸 것이다.
실시예 1은 후술하는 바와 같이, 비교예 1 내지 3에 비해 우수한 물성을 갖는 것으로 나타났다.
실시예 2(실시예 1에 수축방지제, 지연제, 소포제를 추가한 배합)의 경우, 수축방지제의 추가에 의해 실시예 1에 비해 팽창높이가 다소 증가하였고, 지연제의 추가에 의해 초기재령(3일)의 압축강도가 다소 낮아지는 현상이 나타났으나, 장기재령에서는 오히려 강도가 약간 증가하는 것으로 나타났으므로, 장기적으로는 지연제의 사용이 강도에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
비교예 1(실시예 1에 탄산화된 연소재를 적용한 배합)의 경우, 실시예 1에 비해 시간별 유동특성은 다소 높은 것으로 나타났으나, 28일 재령에서 팽창높이가 수축하는 것으로 나타났다.
이는 광산 공동의 충전 후 그 상부지반의 침하를 발생시킬 수 있고, 이는 충전 후 광산침몰의 원인이 될 수 있다.
비교예 2(실시예 1에서 유지제를 제외한 배합)의 경우, 실시예 1에 비해 시간별 플로우 손실이 큰 것으로 나타났다.
이는 광산 공동의 충전효과의 저하 요인이 될 수 있다.
비교예 3(실시예 1에서 유동화제 및 재료분리 방지제를 제외한 배합)의 경우, 실시예 1에 비해 초기 및 장기유동성이 감소함과 아울러, 재료분리가 심해지는 경향이 나타났다.
이는 재료분리로 인한 침하 및 강도저하의 원인이 될 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 포틀랜드 시멘트 3~30 중량%;
    이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 비산연소재(CFBC-FA) 10~50 중량%;
    이산화탄소가 고정되지 않은 순환유동층 보일러 바닥연소재(CFBC-BA) 20~70 중량%;
    나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산염계 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 유동화제 0.01~1.0 중량%;
    폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸에틸 셀룰로오즈, 폴리에틸프로필 셀룰로오즈, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 개질 스타치 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성됨과 아울러, 점도가 2% 수용액 기준으로 200~30,000 cps 범위인 재료분리 방지제 0.01~1.0 중량%;
    polycarboxylate ether modified polyacrylate계의 유지제 0.01~1.0 중량%;
    경소백운석, 탈황석고, O형 팽창재, K형 팽창재 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합에 의해 형성된 수축방지제 0.1~10 중량%;
    타르타르산, 글루콘산, 시트릭산, 개미산 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 지연제 0.01~1.0 중량%;
    알콜계 소포제, 실리콘계 소포제, 지방산계 소포제, 오일계 소포제, 에스테르계 소포제, 옥시알킬렌계 소포제 중에서 선택된 하나 또는 둘의 혼합에 의해 형성된 소포제 0.01~1.0 중량%;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 광산충전재 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항의 광산충전재 조성물을 이용한 광산 공동의 충전방법으로서,
    광산의 공동의 내부의 이물질을 제거하는 이물질 제거단계;
    주입될 상기 광산충전재 조성물이 유실되지 않도록, 상기 광산의 공동의 유출가능부위를 밀폐하는 유출부위 밀폐단계;
    상기 광산의 공동의 내면의 침출수를 방지하기 위하여 차수작업을 실시하는 차수단계;
    상기 광산충전재 조성물의 주입을 위한 주입공을 천공하는 주입공 천공단계;
    상기 광산충전재 조성물의 주입 후, 상기 주입공을 밀폐하는 주입공 밀폐단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 광산 공동의 충전방법.
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