KR102104260B1 - 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암반 굴착을 위한 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 수압파쇄장치는, 유체를 압축시키는 펌프, 상기 펌프와 연결되는 노즐 및 상기 노즐의 외주면을 감싸는 패킹부를 포함하고, 상기 노즐을 통해 분사되는 유체의 압력에 의해 암반에 천공이 형성되고, 상기 천공에 삽입된 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 암반의 파쇄가 이루어지도록 구비된다.

Description

수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법{HYDRAULIC FRACTURING APPARATUS AND THE METHOD USING THE SAME}

본 발명은 암반 굴착을 위한 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법에 관한 것이다.

최근에는 도심지 공간 활용 창출에 대한 필요성이 증가함에 따라 지하 공간의 개발의 중요성이 커지고 있다. 국내의 경우, 암반층이 얕아 지하 공간의 개발을 위해서는 지하 암반 굴착이 필수적이다.

그러나 폭약을 이용하거나 암반 파쇄기 등을 이용한 전통적인 암반 굴착은 많은 소음과 진동을 발생시킨다. 암반 굴착시 발생된 소음은 민원의 원인이 될 수 있다. 또한, 굴착시 발생된 진동은 주변의 지반을 약화시켜 지반을 붕괴시킬 수 있고 시설물 및 건축물의 균열을 초래할 수 있다.

현재에는 암반 굴착시 소음과 진동을 감소시킬 수 있도록 무진동 할암공법이 사용되고 있다. 그러나 이러한 무진동 할암공법은, 천공 기계가 별도로 필요하다는 점에서 불리하고, 천공 작업시 소음과 진동이 발생한다. 이러한 천공 작업시 발생되는 소음에 의해 여전히 민원이 발생할 수 있고, 발생된 진동에 의해 주변의 건축물 또는 지하 관로에 균열이 발생하는 등의 피해가 발생할 수 있다.

따라서 암반 굴착시 발생되는 이러한 소음과 진동에 의한 피해를 최소화하기 위해 저소음, 저진동의 암반 굴착 장치와 방법을 필요로 해왔다. 또한 굴착시 필요한 시간과 비용을 절약하기 위해 굴착 공정을 단순화할 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 암반 굴착시 천공 작업과 암반 파쇄가 단일한 장치에 이루어지는 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고압의 유체를 이용하여 천공 작업 및 암반 파쇄가 이루어지는 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치는, 유체를 압축시키는 펌프, 상기 펌프와 연결되는 노즐 및 상기 노즐의 외주면을 감싸는 패킹부를 포함하고, 상기 노즐을 통해 분사되는 유체의 압력에 의해 암반에 천공이 형성되고, 상기 천공에 삽입된 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 암반의 파쇄가 이루어지도록 구비된다.

또한, 암반의 파쇄 동작시, 상기 패킹부는 상기 천공을 밀폐시킨다.

또한, 상기 패킹부는, 상기 노즐의 외측면과 상기 천공의 내측면 사이에 위치된다.

또한, 상기 패킹부는 플렉서블한 소재로 마련된다.

또한, 상기 패킹부는, 상기 천공에 삽입된 상태에서 상기 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 팽창되어 상기 천공을 밀폐한다.

또한, 상기 패킹부의 일측에는 유체가 유입되는 유입홀이 형성되고, 상기 패킹부의 내부에는 비어있는 내부공간이 형성된다.

또한, 상기 패킹부는 공기를 압축하는 공압기와 연결된다.

또한, 상기 패킹부의 내부에는 비어있는 내부공간이 형성되고, 상기 공압기로부터 압축된 공기를 전달받아 상기 패킹부가 팽창하도록 구비된다.

또한, 상기 노즐을 통해 분사되는 유체는 물과 연마재의 혼합물이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄방법은, 유체의 압력에 의해 암반을 파쇄하는 수압파쇄방법으로서, 상기 수압파쇄방법은 단일한 수압파쇄장치에 의해 천공의 형성과 암반의 파쇄가 이루어지고, 상기 수압파쇄방법은, 암반의 일측에 노즐을 조준하는 단계, 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 천공이 형성되는 단계, 노즐을 천공에 삽입하는 단계 및 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 암반의 파쇄가 이루어지는 단계를 포함한다.

또한, 노즐이 천공에 삽입된 후, 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계는, 상기 노즐로부터 분사되는 유체가 상기 패킹부 내부로 유입되어 상기 패킹부가 천공 내부에서 팽창됨으로써 상기 천공을 밀폐시키는 단계이다.

또한, 상기 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계는, 압축 공기의 유입에 의해 상기 패킹부가 천공 내부에서 팽창되어 상기 천공을 밀폐시키는 단계이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법에 의하면, 암반 굴착시 발생하는 소음 및 진동을 줄일 수 있다.

또한, 단일한 장치에 의해 천공 작업 및 파쇄 작업이 이루어지므로 장치 및 굴착 공정을 단순화시켜 작업을 효율적으로 진행시킬 수 있고, 굴착 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.

또한, 간편한 조작으로 환경에 따라 다양한 형태로 굴착을 진행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의해 암반에 천공이 형성된 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 노즐이 암반에 삽입된 모습을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 패킹부의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 패킹부에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의해 암반이 파쇄되는 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의한 수압파쇄방법을 도시한 흐름도이다.

위 발명의 배경이 되는 기술 란에 기재된 내용은 오직 본 발명의 기술적 사상에 대한 배경 기술의 이해를 돕기 위한 것이며, 따라서 그것은 본 발명의 기술 분야의 당업자에게 알려진 선행 기술에 해당하는 내용으로 이해될 수 없다.

아래의 서술에서, 설명의 목적으로, 다양한 실시예들의 이해를 돕기 위해 많은 구체적인 세부 내용들이 제시된다. 그러나, 다양한 실시예들이 이러한 구체적인 세부 내용들 없이 또는 하나 이상의 동등한 방식으로 실시될 수 있다는 것은 명백하다. 다른 예시들에서, 잘 알려진 구조들과 장치들은 장치는 다양한 실시예들을 불필요하게 이해하기 어렵게 하는 것을 피하기 위해 블록도로 표시된다. 도면에서, 구성 요소들의 크기 또는 상대적인 크기는 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의해 암반에 천공이 형성된 모습을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 노즐이 암반에 삽입된 모습을 도시한 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 패킹부의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치는 공급관(10), 패킹부(20), 펌프(30)를 포함한다. 펌프(30)에 의해 초고압으로 압축된 유체는 공급관(10)을 통해 흐른다. 일례로, 공급관(10)을 흐르는 유체는 펌프(30)에 의해 4000bar까지 압축될 수 있다.

공급관(10)의 단부에는 노즐(11)이 구비된다. 공급관(10)을 통과한 유체는 노즐(11)을 통해 외부로 분사될 수 있다. 노즐(11)은 공급관(10)의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 마련될 수 있다.

공급관(10)을 흐르는 유체는 물일 수 있다. 공급관(10)을 흐르는 물에는 석류석과 같은 작은 알갱이인 연마재가 섞여서 함께 흐를 수 있다. 펌프(30)에 의해 초고압으로 압축된 물과 연마재는 암반(100)으로 분사되어 암반(100)을 천공시키거나 파쇄시킬 수 있다.

공급관(10)을 흐르는 유체에는, 경우에 따라, 물 이외에 유체의 흐름을 원활하게 하는 윤활제, 유체를 안정적으로 유지시켜주는 솔벤트 등이 포함될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 암반(100)에 대한 천공 작업과 파쇄 작업이 단일한 수압파쇄장치에 의해 이루어질 수 있다.

암반을 파쇄하기 위해서는 일단 암반(100)의 일측에 천공(110)을 형성할 필요가 있다. 천공(110)의 형성을 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 암반의 일면(101)에 노즐(11)을 조준하고 펌프(30)을 동작시켜 초고압의 유체를 암반의 일면(101)에 분사시킨다. 연마재가 포함된 고압의 유체에 의해 암반에 천공(110)이 형성될 수 있다. 천공(110)은 적어도 노즐(11)이 천공(110) 내부로 삽입될 수 있도록 형성될 수 있다.

노즐(11)이 천공(110) 내부로 삽입된 후에는, 유체의 수압이 천공(110) 내부로 잘 전달될 수 있도록 천공(110)이 밀폐될 필요가 있다. 이를 위해 천공(110)의 입구가 패킹부(20)에 의해 밀폐될 수 있다.

패킹부(20)는 노즐(11)의 외주면 둘레를 감싸도록 마련될 수 있다. 일례로 패킹부(20)는 노즐(11)의 외주면을 감싸는 링과 같은 형태로 마련될 수 있다. 다양한 형태의 천공(110)을 밀폐할 수 있도록 패킹부(20)는 고무와 같이 플렉서블한 소재로 마련될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 패킹부(20)는 일측에 유입홀(21)이 형성되고 내부공간(22)이 비어있는 형태로 마련될 수 있다. 패킹부(20)가 노즐(11)의 외주면에 위치된 상태로, 노즐(11)의 패킹부(20)가 천공(110)으로 유입되면, 유입홀(21)은 천공(110)의 안쪽 공간을 향하도록 배치될 수 있다.

노즐(11) 및 패킹부(20)가 천공(110) 내부에 삽입된 후, 펌프(30)가 동작하면 초고압의 유체(W)가 천공(110) 내부로 분사된다. 이때, 분사된 유체(W)는 유입홀(21)을 통해 패킹부(20)의 내부공간(22)으로 유입될 수 있다.

유체(W)는 펌프(30)에 의해 고압으로 분사되므로, 패킹부(20)의 내부공간(22)으로 유입된 유체(W)는 패킹부(20)를 외부로 팽창시키는 방향으로 패킹부(20)의 내측면을 가압할 수 있다. 유체(W)의 압력에 의해 패킹부(20)는 팽창하고, 천공(110)의 입구 측에 움직이지 않도록 고정되어 천공(110)의 입구를 밀폐시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치의 패킹부에 대한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패킹부(26)는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 패킹부(20)와 유사하게, 노즐(11)의 외주면 둘레를 따라 위치되도록 구비된다. 또한, 패킹부(26)의 내부공간(27)은 비어 있는 형태로 마련되고, 고무와 같은 플렉서블한 소재로 마련될 수 있다.

패킹부(26)는 유관(41)을 통해 공압기(40)와 연결될 수 있다. 공압기(40)에서 압축된 공기는 유관(41)을 통해 패킹부(26)의 내부공간(27)으로 유입될 수 있다.

노즐(11) 및 패킹부(26)가 천공(110)으로 삽입된 후, 공압기(40)에 의해 압축된 공기는 패킹부(26)의 내부공간(27)으로 유입된다. 압축된 공기가 패킹부(26)의 내부공간(27)으로 유입되면 패킹부(26)는 팽창하여 천공(110) 내부에서 고정되고, 천공(110)을 밀폐할 수 있다.

패킹부(20,26)의 형태 및 소재 등은 상기 기재된 바에 한정되지 않는다. 도 3a 내지 도 4에서는 패킹부(20,26)가 천공(110)의 내부로 삽입되어 노즐(11)의 외측면과 천공(110)의 내측면 사이의 공간을 폐쇄하는 실시예가 도시되었으나, 이와 다르게 패킹부는 천공(110)의 내부로 삽입되지 않고 천공(110)의 입구 측 외부에서 천공(110)을 밀폐시키는 것도 가능하다.

다만, 패킹부(20,26)에 의해 천공(110)의 입구가 폐쇄되어, 노즐(11)을 통해 분사되는 유체의 초고압력에 의한 힘이 암반(100) 측으로 최대한 전달될 수 있도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의해 암반이 파쇄되는 모습을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 노즐(11)은 천공(110)으로 삽입되고 패킹부(20,26)에 의해 천공(110)의 입구가 폐쇄된 상태에서 초고압력의 유체가 분사될 수 있다. 이때 유체는 물과 연마재 등이 혼합된 상태일 수 있다.

암반(100)은 천공(110)에 삽입된 노즐(11)을 통해 분사되는 초고압력의 유체(W)에 의해 크랙이 발생하면서 파쇄될 수 있다. 상세히, 천공(110)의 내부로 분사된 초고압력의 유체(W)에 의해 천공(110)의 길이 방향뿐만 아니라 측면 방향으로도 강한 힘이 작용하고, 이와 같이 작용되는 강한 힘이 암반의 응력을 초과하게 되면 암반에 크랙이 발생하면서 파쇄될 수 있다.

파쇄하려는 암반(100)의 종류, 형태 및 크기에 따라 천공(110)의 개수 및 위치 또는 노즐(11)을 통해 분사되는 유체(W)의 압력 등은 다르게 설정될 수 있다.

이하, 본 발명의 수압파쇄장치에 의한 수압파쇄방법을 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압파쇄장치에 의한 수압파쇄방법을 도시한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 수압파쇄장치에 의해 암반을 파쇄하기 위해서는, 일단 파쇄하려는 암반의 일측에 천공을 형성하는 작업이 선행된다. 암반의 종류, 형태 및 크기 등에 따라 천공의 개수 및 위치 등이 결정되면, 천공을 형성하려는 암반의 일면에 수압파쇄장치의 노즐을 조준한다(S1).

노즐이 조준되면, 펌프를 온(ON) 시킨다(S2). 펌프가 온 상태가 되면, 노즐을 통해 초고압의 유체가 암반으로 분사되면서 천공을 형성할 수 있다(S4). 이때 노즐을 통해 분사되는 유체는 물과 연마재의 혼합물일 수 있다.

노즐의 스위치가 별도로 구비되는 경우에는, 펌프가 온 상태가 된 후 노즐을 온(ON) 상태로 할 수 있다(S3).

소정의 위치에 천공이 형성되면, 펌프 또는 노즐의 스위치를 오프(OFF) 시키고 천공의 내부로 노즐을 삽입한다(S5). 노즐이 삽입된 후에는 패킹부에 의해 천공이 밀폐될 수 있다(S5).

노즐이 천공에 삽입되고 패킹부에 의해 천공이 밀폐된 후, 펌프와 노즐을 차례로 온 상태로 한다(S6, S7). 노즐을 통해 분사되는 유체의 압력은 암반 측으로 전달되어 암반에 파쇄가 이루어진다.

암반의 파쇄가 이루어진 후, 펌프와 노즐을 오프시키고 노즐과 패킹부를 천공으로부터 빼낼 수 있다. 파쇄된 암반은 굴착기 등을 이용하여 이동시킬 수 있다.

이러한 일련의 동작을 반복함으로써 암반의 파쇄가 용이하게 이루어질 수 있다.

이와 같은 수압파쇄장치 및 이를 이용한 수압파쇄방법에 의하면, 천공의 형성과 암반의 파쇄가 단일한 장치에 의해 이루어지므로 공정을 단순화시킬 수 있고 암반 파쇄에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있다. 또한, 원하는 형상으로 암반을 굴착할 수 있으며 전통적인 방식에 의한 굴착 방식에 의해 굴착이 힘든 부분도 쉽게 굴착이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 물을 이용하여 암반을 파쇄하므로 친환경적이며, 소음과 진동이 적어 도심지에서 실행되더라도 민원이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 주변 건축물이나 지하 관로에 피해가 가는 것을 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 공급관 11: 노즐
20, 26: 패킹부 21: 유입홀
22, 27: 내부공간 30: 펌프
40: 공압기 100: 암반
110: 천공 W: 유체

Claims (13)

1. 유체를 압축시키는 펌프;
   상기 펌프와 연결되는 노즐; 및
   상기 노즐의 외주면을 감싸는 패킹부; 를 포함하고,
   상기 노즐을 통해 분사되는 유체의 압력에 의해 암반에 천공이 형성되고, 상기 천공에 삽입된 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 암반의 파쇄가 이루어지도록 구비되고,
   상기 패킹부는, 상기 천공에 삽입된 상태에서 상기 노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 팽창되어 상기 천공을 밀폐하는 수압파쇄장치.
2. 제 1항에 있어서,
   암반의 파쇄 동작시, 상기 패킹부는 상기 천공을 밀폐시키는 수압파쇄장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 패킹부는, 상기 노즐의 외측면과 상기 천공의 내측면 사이에 위치되는 수압파쇄장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 패킹부는 플렉서블한 소재로 마련되는 수압파쇄장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 패킹부의 일측에는 유체가 유입되는 유입홀이 형성되고, 상기 패킹부의 내부에는 비어있는 내부공간이 형성되는 수압파쇄장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 패킹부는 공기를 압축하는 공압기와 연결되는 수압파쇄장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 패킹부의 내부에는 비어있는 내부공간이 형성되고, 상기 공압기로부터 압축된 공기를 전달받아 상기 패킹부가 팽창하도록 구비되는 수압파쇄장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 노즐을 통해 분사되는 유체는 물과 연마재의 혼합물인 수압파쇄장치.
10. 유체의 압력에 의해 암반을 파쇄하는 수압파쇄방법으로서,
    상기 수압파쇄방법은 단일한 수압파쇄장치에 의해 천공의 형성과 암반의 파쇄가 이루어지고,
    상기 수압파쇄방법은, 암반의 일측에 노즐을 조준하는 단계;
    노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 천공이 형성되는 단계;
    노즐을 천공에 삽입하는 단계;
    노즐이 천공에 삽입된 후, 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계; 및
    노즐로부터 분사되는 유체의 압력에 의해 암반의 파쇄가 이루어지는 단계를 포함하되,
    상기 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계는, 상기 노즐로부터 분사되는 유체가 상기 패킹부 내부로 유입되어 상기 패킹부가 천공 내부에서 팽창됨으로써 상기 천공을 밀폐시키는 단계인 수압파쇄방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제10항에 있어서,
    상기 패킹부에 의해 상기 천공이 밀폐되는 단계는, 압축 공기의 유입에 의해 상기 패킹부가 천공 내부에서 팽창되어 상기 천공을 밀폐시키는 단계인 수압파쇄방법.

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